气候变暖导致潜在蒸发量增加，但实际蒸发量取决于水分可获得性。已有的地球系统模式虽考虑了土壤含水量，但对土壤水与地下水之间联系简化处理。自上世纪80年代以来，美国东西部水量平衡的气候态界限（即西经100度）逐渐向东偏移，温度与植被生产力关系也变弱。这种趋势与水量限制相一致。但未来温度与水分可获得性控制生态系统功能的程度仍然存在不确定性，定量化确定地下水在气候变暖条件下的角色具有很大的挑战性。目前大尺度的模型对地下水储量动态及对地表水的贡献没有考虑，或者过于简单。Condon et al. (2020)基于一个综合的、高分辨率的地表水-地下水模型来模拟温度升高对蒸散发及地下水储量的影响，这也是首个基于美国地下水流动和地表地下水相互作用的水文模型来评价气候变化影响的研究。该研究成果发表在Nature Communications上。 

　　研究表明，气候变暖增加了潜在蒸散发量（PET）。在不同增温情景下（1.5℃、2℃和4℃），干旱指数图（AI=PET/降水量P）清晰地显示美国由西向东从水分限制变为能量限制（图1）。通过3组增温情景（分别增温1.5℃、2℃和4℃）与历史时期气候态的参照试验对比，得到实际蒸散发量（ET）和地下水储存量对气候变暖的响应。现代气候条件下，西部地区ET值较小（图2a），东部较大，表明西部干旱地区较东部湿润地区ET更多地受到水分可获得性的限制。从随着模拟中系统增温从1.5℃升高到4℃（图2b–图2d），ET在西部变化较小，东部显著增加。ET变率对于增温响应在4℃增温情景下最低，1.5℃增温情景下最高，表明只有当水持续供应时持续升温才可以保证ET值的不断增大。 

图1 气候变暖导致的干旱程度增加以及蒸散发量受水分和能量限制的变化情况。a.干旱程度分布图；b.干旱指数与蒸发系数关系图（Condon et al., 2020） 

图2 美国东部地区蒸散发量对气候变暖最为敏感。a.历史时期东西部地区ET值气候态分布图；b–d.增温1.5℃、2℃和4℃条件下ET变化异常值分布图；e.不同地区ET对不同程度增温的响应关系图（Condon et al., 2020）

　　地下水储存量在增温情景下下降且与ET对增温的响应相一致，即增温为1.5℃时，地下水储存量响应最大（减少最多），再次说明随着干旱程度的增加，系统对于增温响应的敏感性逐渐减弱。其次，在每组为期4年的模拟中地下水储存量均呈现出季节性波动（冬季得到补给，夏季发生排泄）（图3a）。地下水储存量的空间变化存在差异（东部减少较西部多）（图3b-图3d），东部地区地下水减少主要是ET增加造成的，而西部地区地下水减少主要是补给量减少引起的（潜在补给量减少12–15%）。 

图3 气候变暖导致地下水储存量减少。a.地下水储存量变化曲线图，黑线代表历史时期气候态结果，橙色、红色、深红色分别代表增温1.5℃、2℃和4℃模拟结果；b–d.增温1.5℃、2℃和4℃地下水最终储存量变化异常分布图（Condon et al., 2020）

　　随着气候变暖以及更多极端气候事件的可能发生，了解地下水在持续增温条件下作为地下系统的调节作用，对理解生态系统如何响应气候变化至关重要。该研究使用的集成建模方法证明了大范围内高分辨率地下水模拟在技术上是可行的；但这需要大量的计算建模，并且全球尺度模拟和十年尺度上的集成模拟尚不可行。随着研究的深入，未来可使用更多耦合模型方法研究概念模型中不确定性因素的影响或者进一步将升温后果预测运用到地下水。未来研究重点应放在减少集成模型的计算量上，以及如何使用现有的大尺度集成模型来验证全球系统模型中地下水地表水的相互作用。 

　　【致谢：感谢新生代室杨石岭研究员对本文提出的宝贵修改建议。】 

　　主要参考文献 

　　Condon L E, Atchley A L, Maxwell R M. Evapotranspiration depletes groundwater under warming over the contiguous United States[J]. Nature Communications, 2020, 11, 873, DOI: 10.1038/s41467-020-14688-0.（链接） 

（撰稿：黄天明/页岩气与工程室，史锋/新生代室）