打破校史！地方高校，连发2篇Science

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2024-03-04 09:58:48

3月1日，华北水利水电大学校长刘俊国教授作为通讯作者在《Science》同期发表两篇重磅学术论文。两篇论文题目分别为《Anthropogenic climate change has influenced global river flow seasonality》和《The changing nature of groundwater in the global water cycle》。

《Science》期刊专注于报道全球具有重大原创性的科学成果，是世界范围最具影响力和最权威的顶级科学期刊之一。这是华北水利水电大学建校以来首次在《Science》上发表高水平学术论文，是学校科研工作的重大突破，有力彰显了学校的国际学术影响力，对学校聚力打造科研高地、持续提升科技创新能力以及加快推进水利工程学科“双一流”创建具有重大支撑作用。

校长刘俊国教授与南方科技大学博士生王泓、利兹大学教授Joseph Holden等在《Science》上发表以“人为气候影响了全球河川径流季节性（Anthropogenic climate change has influenced global river flow seasonality）”为题的研究论文。研究结合全球水文站点观测、径流重建和全球水文模型，综合运用最优指纹检验和基于斯皮尔曼相关系数的两种气候变化检测和归因方法，对全球河川径流季节性变化进行分析，发现人为气候变化导致了北半球高纬度地区的河川径流季节性减弱。

河川径流季节性描述了径流年内周期性变化，对洪涝和干旱的发生起着重要作用。同时，不同季节的河川径流为淡水生物提供了重要的栖息场所。然而，人类活动正在全球范围内影响河流生态，人类活动既能通过修建水库等水利工程直接对河川径流进行调控，也能通过改变土地利用或通过改变气温、降水、土壤水分和融雪状况而间接影响径流。

该研究以1965-2014年间全球10,120个水文站点的月河川径流数据为基础，以分配熵作为分析河川径流季节性的方法，评估了全球河川径流季节性的空间分布格局、历史演变趋势及其驱动机制。研究发现，约21%的水文站点（2134个）的河川径流季节性发生了显著变化，河川径流的季节性在北半球高纬度地区（50°N以上）明显减弱。具有显著季节性变化趋势的站点数量与具有显著年变化趋势的站点数量相当，但约三分之二的站点年径流并没有发生显著变化，说明全球径流季节性变化主要表现为径流的年内再分配。

图1：以分配熵表示的河川径流季节性趋势 (1965-2014)

该研究通过对北半球高纬度地区河川径流的季节性进行气候变化检测和归因分析，得出人为气候变化导致了河川径流的季节性减弱。研究进一步分析表明，全球变暖是导致该地区河川径流季节性变化的主要因素，降水对其影响不显著。升温导致早期融雪增加、冰川面积减少、永久冻土消失、降雪比例减少以及河流冰冻期缩短，可能是引发河川径流季节性变化的主要机制。如果气温继续上升，河川径流季节性可能会持续减弱，对河流生态系统健康将造成潜在的影响。气候变化背景下开展洪涝灾害防控及进行渐进式生态修复将成为更严峻的挑战。

图2：1965-2014年北半球高纬度地区(50°N以上)分配熵趋势的比较与归因分析

该研究得到了中国国家自然科学基金(42361144001)、中国科学院战略性先导科技专项(XDA20060402)、河南省水圈与流域水安全重点实验室等项目资助。刘俊国教授的博士生王泓为论文第一作者，刘俊国教授为论文通讯作者。据悉，该文也是王泓同学博士期间投稿的第一篇文章。合作作者包括利兹大学教授Joseph Holden与Megan Klaar等，合作单位包括南方科技大学、英国利兹大学、瑞士苏黎世联邦理工大学。

校长刘俊国教授与南方科技大学匡星星副教授、郑春苗讲席教授等团队合作在《Science》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。文章概述了近几十年来气候变化和其他人类活动等因素造成的全球水循环中地下水动态变化，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沿海地区内涝风险，展望了实现全球地下水资源可持续利用的未来挑战与应对策略。

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)和全球水循环组分流量(×1000 km³/yr，括号内)。向上的箭头表示海洋蒸发和陆地蒸腾。陆地水平衡没有包括南极在内。

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，维持着河川径流、湖泊、湿地、作物和森林等生态系统的健康发展。作为主要的淡水来源，地下水为数十亿人提供饮用水，满足了全球40%的灌溉需求。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活跃和复杂，全面了解分析地下水的变化及其影响因素是为人类和生态系统维持可持续的地下淡水资源的基础。

论文在综述大量文献的基础上，从气候变化影响地下水的补给、冰川退缩导致地下水对河川径流的贡献增加、多年冻土退化使地下水流增强三个主要方面，讨论了气候变化引起的全球水循环中地下水的变化:（1）现在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，地下水补给在全球不同区域有增加或减少的趋势。地下水补给预测的不确定性主要来自于未来降水强度的不确定性及全球水文模型中水文过程和地下水的设置概化；（2）全球预估结果表明，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的大量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）陆地表面有1400万至1600万平方公里的多年冻土；随着未来几十年全球变暖的持续，预计多年冻土将继续退化，进一步引起地下水储量增加，增加地下水循环深度，地下水向河流的排泄量增大。

图2：全球地下水补给量、开采量、储量变化和水位下降。(A) PCR-GLOBWB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模拟的1990-2014年间全球主要含水层地下水位的下降趋势。

论文认为，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，使地下水动态特征复杂化。过度开采地下水持续导致地下水储量大量减少，在未来不同的气候变化情景下，地下水的需求量和开采量预计会上升。到2050年，全球地下水开采量估计为1250±118 km³/年，地下水储量减少量为300±50 km³/年。地下水回补是适应气候和土地利用变化，实现水资源可持续管理的重要手段，随着其技术发展，地下水回补量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。

论文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沿海地区内涝问题。论文指出，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。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/年, 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。

面对气候变化和人类活动对地下水资源带来的威胁与日益增大的地下水供需之间的矛盾，论文提出，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统一管理，确保粮食和水安全以及维持生态系统的健康，且在法律、条例和政策中纳入地下水可持续发展逐渐成为国际共识；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。

该论文的共同通讯作者为华北水利水电大学校长、河南省水圈与流域水安全重点实验室主任刘俊国教授与南方科技大学讲席教授、宁波东方理工大学讲席教授郑春苗，第一作者为南方科技大学副教授匡星星。合作作者包括美国得克萨斯大学奥斯汀分校Bridget R. Scanlon；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；美国得克萨斯大学奥斯汀分校Jean-Philippe Nicot。