包气带是地球关键带主体，是大气水、地表水、土壤水、地下水相互转化的地带，作为降水进入地下水的重要通道，还积累了浅部水文过程的大部分信息。在干旱半干旱地区，由于包气带厚度通常较大，包气带的溶质和同位素剖面不但可以提供较长时间尺度上的地下水补给信息，而且记录了过去气候变化与环境变化信息。

中科院地质地球所页岩气与地质工程院重点实验室水文地质与地热资源学科组，将包气带和饱和带结合起来，利用多种环境示踪技术，提升了包气带在地下水研究中的潜力，并将其应用到地下水补给量及其变化确定、补给历史恢复、污染物运移转化全过程示踪中。

在该背景下，黄天明副研究员和庞忠和研究员等利用在黄土高原包气带分层采样技术，首次将采样钻孔剖面由包气带贯通到地下水水位（剖面深度46.5 m和62 m，而以往深度最大一般在10m左右），利用多种环境示踪剂，包括Cl、NO₃、Br、²H、¹⁸O、¹³C、³H和¹⁴C，研究了典型黄土塬区地下水补给特征（图1）。结果显示，作为区域主要的土地利用类型，在农田区确定的补给量为55–71 mm/yr，年降水入渗到地下水水位的时间在160年到400年。地下水不含氚，属于次现代水或古水，其¹⁴C校正年龄为大多在几千到几万年。地下水主要受7到9月份雨季降水补给。包气带浅部Cl和NO₃含量显著高于包气带深部和潜水中的含量，主要受到了近期人类活动的影响（图2），说明浅层地下水尚未与目前近地表过程达到水力平衡。

图1 研究区位置及采样点位置分布图

图2 黄土包气带溶质剖面

研究表明，黄土内部均匀的土壤质地特征和相对较老的地下水年龄揭示的均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式，这显著区别于前人的捷径流快速入渗补给模式。

此外，晚更新世补给的地下水与全新世补给的地下水，氢氧稳定同位素差别并不大（图3），这显著区别于非洲北部、欧洲等地，并认为是夏季风效应和雨量效应控制了雨季降水氢氧同位素特征，可以作为和冰芯类似的古气候直接代用指标。

图3 地下水氧-18与¹⁴C年龄的关系

    以上研究成果近期发表在国际水文地质领域期刊Hydrogeology Journal上（Huang et al. Groundwater recharge mechanism in an integrated tableland of the Loess Plateau, northern China: insights from environmental tracers. Hydrogeology Journal, 2017, 25(7): 2049–2065）。

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