2024年3月1日，南方科技大学环境科学与工程学院副教授匡星星、讲席教授郑春苗、讲席教授刘俊国合作研究团队在Science期刊上发表以“地下水在全球水循环中的关键作用与变化（The changing nature of groundwater in the global water cycle）”为题的综述论文。文章阐述了近几十年来，气候变化和其他人类活动造成的全球水循环中地下水的变化，回顾了这些因素对地下水的补给、排泄、径流、储存和分布变化的影响机制，评估了地下水变化对海平面上升的贡献及海平面上升引发的地下水淹没风险，展望了实现全球地下水资源可持续利用的挑战与策略。

图1 全球水循环及其组分。图中展示了文献中给出的全球各类水体水储量(×1000 km³)和括号里面的全球水循环组分流量(×1000 km³/yr)。向上的箭头表示海洋蒸发和陆地蒸腾。陆地水平衡里面没有包括南极在内。

地下水是最大的可利用淡水资源，是全球水循环的活跃组成部分。作为主要的淡水来源，地下水为数十亿人提供饮用水。目前全球灌溉需求的40%直接来自于地下水，并且地下水对灌溉的重要性越来越突出。作为全球水循环的关键组成部分，地下水维持着河川径流、湖泊、湿地、作物、森林和生态系统。气候变化和其他人类活动正以前所未有的速度改变着全球水循环，地下水在全球水循环中的作用变得更加动态和复杂。全面了解地下水的变化及其影响因素，对于确保为人类和生态系统提供可持续的地下淡水资源至关重要。

文章在综述大量文献的基础上，讨论了气候变化引起的全球水循环中地下水的变化，主要包括三个方面：（1）气候变化影响地下水的补给。现代全球平均地下水补给量至少为~12,000至~17,000 km³/yr。在气候变暖的影响下，地下水补给在不同的区域有增加或减少的趋势。地下水补给预测的不确定性源自对未来降水强度预测的不确定性及全球水文模型对地下水过程描述方式的不确定性。（2）冰川退缩导致地下水对河川径流的贡献增加。全球预测表明，2100年的冰川量将比2015年减少约20%至50%，未来持续的气候变暖会进一步减少冰川融水对河流的贡献，一些河流补给源可能会逐渐转向融雪和地下水；石冰川、倒石锥、冰碛和高山草甸等高寒山区含水层中储存大量的地下水对于维持河流径流和稳定流域流量具有重要作用。（3）多年冻土退化使地下水流增强。陆地表面有1,400万至1,600万km²的多年冻土；随着未来全球变暖的持续，预计多年冻土将继续退化，多年冻土退化可以增加地下水储量，增加地下水循环深度，增大地下水向河流的排泄量。

图2 全球地下水补给、开采、水位下降和储量变化。(A) PCR-GLOBWB耦合MODFLOW模拟的1960-2010年间全球地下水年平均补给量空间分布。(B) WaterGAP 2.2d模拟的1980-2016年间地下水年平均净开采量。负值表示地表水灌溉导致的地下水储量增加，正值表示人类地下水利用导致的地下水储量减少。(C) WaterGAP 2.2d模拟的1980-2016年间地下水储量变化速率。(D) PCR-GLOBWB 2耦合MODFLOW模拟的1990-2014年间全球主要含水层地下水位的下降趋势。

文章进一步指出地下水开采、非常规油气开采、地热能开发利用、地下水回补、人工造林、填海和城市化以及国际食品贸易等人类活动正在重塑区域地下水流场，使地下水储存动态复杂化，改变地下水向河流的排泄，以及在全球食品供应链中重新分配地下水。过度开采地下水继续导致大量地下水储量减少，预计未来对地下水的需求将上升。在未来不同的气候变化情景下，地下水开采量预计会增加。全球地下水开采量在1960年约为310-460 km³/yr，在2000年约为570-790 km³/yr，到2010年增加到约1,000 km³/yr。到2050年，全球地下水开采量估计为1,250±118 km³/yr，地下水储量减少量为300±50 km³/yr。地下水回补作为适应气候和土地利用变化，实现水资源可持续管理的手段，随着其技术的发展，地下水回补将超过全球地下水开采量的10%。

图3 不同类型的地下水开采和补给示意图。(A)潜水含水层、(B)承压含水层和(C）深层承压含水层中的地下水开采。(D) 页岩气开采中水平井及水力致裂。(E-F) 不同的地热系统：(E) 双井循环系统；(F) 增强型地热系统。(G-H) 地下水回补示意图：(G) 含水层储存与恢复；(H) 下渗池。(I) 人工造林前后的地下水位变化。

地下水开采将长期储存的地下淡水转移到地表活跃的水循环中，大部分地下水最终返回海洋并导致海平面上升。文章在上述综述基础上，进一步量化了地下水对海平面上升的贡献，探讨了海平面上升引起的地下水内涝问题。到2100年，全球平均海平面将上升0.5至1.4 m，地下水储量减少对海平面上升的贡献将在未来增加。到2050年，地下水储量减少对海平面上升的贡献为0.82±0.13 mm/yr, 累计贡献百分比为~10%至~27%。地下水储量减少和海平面上升可能导致海水入侵淡水含水层。此外海平面上升会导致沿海潜水含水层的地下水位上升，进而导致地下水排泄到地表水网络，诱发沿海低洼地区洪水内涝灾害。该过程增大了地下水在地表排泄的可能性，加速了沿海地区水循环中的地下水循环过程。

面对气候变化和其他人类活动对地下水资源带来的威胁与日益增大的地下水需求之间的矛盾，地下水资源的可持续利用成为一个至关重要的全球问题。文章指出应从区域和全球两方面考虑地下水资源，将地下水和地表水作为一种水资源来管理。必须同时确保粮食和水安全以及维持生态系统的健康。将可持续性纳入地下水法律、条例和政策的全球趋势日益增长。森林和湿地保护、海水淡化、废水循环利用、地下水回补、引水工程和绿色基础设施发展等各种管理策略已经被用于加强地下水的恢复能力，成为应对全球日益严重的地下水储量减少问题的关键。

南方科技大学副教授匡星星为该论文的第一作者。南方科技大学/宁波东方理工大学(暂名)讲席教授郑春苗和南方科技大学讲席教授、华北水利水电大学校长刘俊国为该论文的共同通讯作者。合作作者包括美国得克萨斯大学奥斯汀分校Bridget R. Scanlon、Jean-Philippe Nicot；香港大学焦赳赳、罗新；美国加州大学圣巴巴拉分校Scott Jasechko；宁波东方理工大学Michele Lancia；德国阿尔弗雷德•韦格纳研究所-亥姆霍茨极地和海洋研究中心Boris K. Biskaborn；沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Yoshihide Wada；南方科技大学李海龙、曾振中、郭芷琳、邹一光；西安交通大学姚莹莹；加拿大维多利亚大学Tom Gleeson。

该工作得到了国家自然科学基金“西南河流源区径流变化和适应性利用”重大研究计划的重点支持项目（92047202、91747204）、广东省土壤与地下水污染防控及修复重点实验室 (No. 2023B1212060002)、教育部学科创新项目（D20020）、中国科学院A类先导项目(XDA20060402)、深圳市科技项目(No. KCXFZ20201221173601003)的经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adf0630