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(Picarro L2130-i)長期干旱對不同土地利用方式下景觀蓄水與恢復的影響

發(fā)表時間:2024-10-12瀏覽量:413

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摘要 

歐洲最近發(fā)生的極端干旱凸顯了迫切需要量化其對景觀生態(tài)水文通量(蒸散量、地下水補給)和水儲存(主要是土壤濕度)的影響。為此,結合基于EcH2O-iso和(NARX模型來估計長期干旱對水通量和儲存的持久影響,并預測未來短期地下水位和各種降水條件下的恢復潛力場景。這項工作是在德姆尼茨米爾溪(DMC)進行的,這是德國北部一個70平方公里的混合土地利用(耕作作物和林業(yè))集水區(qū)。模擬表明,2018年和2022年的極端干旱年份影響最為顯著,導致地下水補給量(>40%)、蒸散量(高達16%)和土壤濕度(高達6%)大幅下降。模擬表明,如果最近的降水異常持續(xù)存在,地下水位可能在未來15年內(nèi)不會恢復。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)迫切需要增強抵御能力并促進土地和水資源管理綜合戰(zhàn)略,以優(yōu)化景觀保水并更好地應對干旱。




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研究目的 

量化長期干旱對景觀水文通量(如蒸散發(fā)、地下水補給)和水儲存(主要是土壤濕度)的持久影響,并預測未來短期地下水位和恢復潛力。研究旨在評估不同降水情景下干旱對水資源恢復的影響,并提出增強抗旱能力和綜合管理土地與水資源的策略,以優(yōu)化景觀中的水分保持并更好地應對干旱。



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研究方法 

采用基于EcH2O-iso和NARX模型相結合的方法來估計長期干旱對水通量和儲存的持續(xù)影響,并預測未來地下水位。研究使用了位于德國北部一個70平方公里的混合土地利用(農(nóng)作物和林業(yè))流域作為研究區(qū)域。研究中還包括了對環(huán)境同位素示蹤劑的分析,以幫助更好地理解干旱條件下的生態(tài)水文通量、水分分配和景觀水儲存動態(tài)。

如下圖所示,不同土地利用類型和觀測點的同位素模擬結果與觀測數(shù)據(jù)的比較,支持模型的準確性和研究結論的有效性。

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01

溪水同位素(δ2H和δ18O)在三個不同地點(Demnitz Mill、Bruch Mill 和 Peat North)的模擬與觀測值的對比。

02

地下水同位素在GW4觀測點的模擬與觀測值的對比。

03

土壤水同位素在森林地點的第1層(頂部15厘米)和第2層(頂部15-35厘米)的模擬與觀測值的對比。


通過這些數(shù)據(jù),研究者能夠確保模型在模擬干旱條件下的水分動態(tài)時具有可靠性和有效性。



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結論

研究結果表明,最近的干旱對德國北部低地集水區(qū)的生態(tài)水文學產(chǎn)生了深遠的負面影響。集水區(qū)規(guī)模的地下水補給、土壤濕度和蒸發(fā)量都大幅減少,特別是在2018年和2022年的主要干旱年份。當時我們觀察到,在持續(xù)缺水的情況下,整個集水區(qū)的水通量表現(xiàn)出最小的空間變化(跨不同的土地用途)。然而,我們?nèi)匀挥^察到,農(nóng)田和針葉林的不同土地利用方式在干旱的生態(tài)水文途徑上存在明顯的脆弱性,這主要是由于它們的地下儲存能力不同。假設最近的負降水異常持續(xù)存在,我們對地下水恢復的預測是悲觀的,一口井不太可能恢復,另外三口井可能平均需要6年才能恢復到干旱前的水位。



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Picarro的使用

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Picarro L2130-i




Picarro L2130-i水同位素分析儀被用于分析水樣的穩(wěn)定同位素組成。

- 從2018年開始,每月在不同的主要土地利用-土壤單元收集的土壤樣本被分析其穩(wěn)定水同位素,使用直接平衡法。

- 降水水樣通過自動采樣器在Hasenfelde采集,為防止蒸發(fā),在采樣瓶中加入石蠟油。

- 每周/每天收集一次溪水同位素的抓取樣本。

- 每月手動使用潛水泵收集地下水樣本。

- 所有液體樣本在實驗室使用Picarro L2130-i分析儀分析δ2H和δ18O。

數(shù)據(jù)被用來分析和驗證模型模擬的準確性,尤其是在評估地下水和土壤水的同位素組成方面。這些數(shù)據(jù)幫助研究者更好地理解了干旱條件下水分循環(huán)和儲存的動態(tài)變化,為模型提供了重要的校準和驗證信息。




原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131339


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