稳定同位素是水文学和古气候学领域极为重要的工具，用以示踪水循环过程和恢复古气候，其理论基础是降水同位素的同位素分馏机理。然而，降水同位素分馏在不同时间尺度，包括季节尺度、年际尺度、冰期尺度等的控制因素一直备受争议。特别是冰期尺度降水同位素和水汽源的关系，比如东亚夏季风（EASM）和降水同位素分馏之间的关系，备受全球关注，却一直不明。其难点是缺少合适的代理指标，探讨冰期尺度降水同位素分馏机理。

地下水主要由大气降水形成，其同位素信号保留了古降水的年尺度信号。但由于地下水的流动特性，在含水层之间容易发生不同时期的地下水混合，使它难以保存单一时期的降水同位素信号特征。同时，地下水取样多局限在某一个盆地内，难以与水汽循环的大空间格局相匹配，使得地下水同位素用作气候代理指标受到限制。

为解决上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室孔彦龙研究员、段武辉副研究员、庞忠和研究员、汪集暘院士等与国内外同行合作，基于158组地下水¹⁸O和¹⁴C数据，首次绘制了末次冰盛期（LGM）和晚全新世（LH）的中国地下水δ¹⁸O分布图，揭示了中国地下水同位素在LGM – LH时期的空间分布格局及其南北差异，为理解古气候变化提供了新视角。

图1 研究选用的地下水站点分布与划定的南北界限

研究团队收集了中国 19 个地下水站点和 1 个冰川站点的水稳定同位素及放射性碳十四数据，涵盖了中国北方（NC）、南方（SC）及青藏高原（TP）等不同气候区（图1）。数据主要来源于已发表文献，包括一些博士论文。研究采用多种质量控制措施，如样本测量对比、数据交叉验证和数据不确定性约束，确保数据的准确性和可比性。最终从数千组地下水同位素样品中筛选出了符合要求的158组数据，他们满足以下三个条件：（1）地下水未有混合；（2）站点均位于地下水径流区；（3）同一个站点拥有两组以上高质量¹⁴C和¹⁸O数据。通过插值方法，结合降水同位素的纬度和海拔效应，绘制了中国不同大陆地区 δ¹⁸O 分布图。研究发现，从 LGM 到 LH，中国北方地下水 δ¹⁸O 变化幅度较大（>2‰），而南方变化幅度较小（<0.5‰），这种南北空间差异与降水 δ¹⁸O 的季节性变化高度相似（图2），但与中国石笋同位素南北空间一致性形成了截然对比。

图2 中国地下水同位素末次冰盛期以来的变化与降水同位素季节变化

为解释以上空间差异，研究人员充分考虑了降水 δ¹⁸O 的季节变化与冰期变化的一致性，认为其背后存在相似的驱动机制，即东亚夏季风的强弱变化。研究认为地下水 δ¹⁸O 变化与东亚夏季风的强弱变化密切相关。在 LGM 时期，EASM 较弱，未到达中国北方；而在 LH 时期，EASM 增强并向北推进至中国北方，尽管此时北方地下水 δ¹⁸O 值升高。而这一认识得到了TRACE21模型结果的验证：图3中同位素划分出来的红色虚线与气候模型中的红色虚线一致。

图3 中国地下水同位素（δ¹⁸O）空间分布格局及其指示的水汽变化

该研究提供了首批全国尺度的地下水同位素和定年数据，研究结果为理解降水同位素在冰期尺度上的变化提供了新的视角，揭示了大气环流模式变化对地下水同位素的影响，为古气候重建提供了重要依据。同时，研究也提醒我们在使用稳定同位素效应解释古气候时，需要综合考虑水汽来源、温度和降水量等多重因素。此外，研究结果对地下水管理和气候变化适应策略具有重要意义，特别是在中国北方这种对地下水依赖度高的地区，需密切关注东亚夏季风的变化，采取相应措施应对气候变化对地下水补给的影响。

研究成果发表于国际学术期刊JGR-Atmos（孔彦龙^*，段武辉，王珂，庞忠和，Stacey C. Priestley，史晓宜，陈宗宇，陈娅奎，汪集暘. Groundwater δ18O distribution pattern and spatial inconsistency over China during the last glacial‐holocene cycle[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2025, 130(6): e2024JD042685. DOI: 10.1029/2024JD042685.）。研究得到国家自然科学基金（42322209、U1703122）、第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0904）以及中国科学院青年创新促进会（2020067）的联合资助。