地下水是水循环的关键组成部分，其向河道补给的基流是河川径流的重要来源，基流在水资源供给、夏季河流水温调节、为鱼类提供全年性栖息地等生态系统服务方面有重要作用。此外，由于地表水和地下水中的污染物浓度不一样，地下水维持的基流大小直接影响河流的污染物浓度。

基流的形成涉及到降水入渗、包气带水分运移、潜水层地下水向河道补给等过程，一般用水化学示踪方法来观测基流。然而，水化学示踪方法费时费力，难以在全球开展大范围的观测；而水文模型、陆面模型、地球系统模型等机理模型通常简化地下水模拟，导致全球基流指数的估算存在较大争议：美国普林斯顿大学的研究认为全球基流指数为71%；全球陆面数据同化系统的Noah陆面模式计算的全球基流指数为86%；IPCC第六次评估报告认为全球基流指数不超过28%。

基于此，中国科学院地理科学与资源研究所刘小莽研究组整合了全球1.55万个流域的逐日径流观测数据，构建了基于观测约束的全球基流指数估算方法，在三条有水化学示踪剂观测的河流（亚马逊河、密苏里河、科罗拉多河），验证了方法的可靠性。研究得到全球基流指数为59%( ± 7%)，这表明IPCC第六次评估报告的全球水循环通量图（图8.1b）低估了地下水在全球水循环中的重要作用。

IPCC最新的模式比较计划（CMIP6）中，50个地球系统模式模拟的全球基流指数差异较大，基流指数从12%到94%不等（图1）。基于观测数据和可解释的机器学习方法，发现土壤与基岩属性是基流指数空间分布差异的首要影响因素，可以解释基流指数空间差异的31%；而大部分地球系统模式认为降水量是首要影响因素（图2）。地球系统模式大多不能模拟土壤大孔隙流在渗透中的关键作用。此外，许多地球系统模式对于水文地质条件的简化处理，也可能导致模拟与实际的水文要素存在偏差。未来，可从以下三个方面改进地球系统模式的地下水模拟：增加土壤大孔隙快速水分下渗的过程表达、改善地下水与植被间的相互作用模拟、加强含水层导水系数的空间异质性表征。

该研究成果近期发表于Nature Geoscience，第一作者为地理资源所博士生谢佳鑫，通讯作者为刘小莽研究员，还有来自美国加州大学圣芭芭拉分校、荷兰阿姆斯特丹自由大学、德国马普研究所的合作研究人员。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金的共同支持。

论文信息： 

Xie Jiaxin,Liu Xiaomang*,Scott Jasechko,Wouter Berghuijs,Wang Kaiwen,Liu Changming,Markus Reichstein,Martin Jung,Sujan Koirala. (2024). Majority of global river flow sustained by groundwater. Nature Geoscience.

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-024-01483-5

图1.  15496个小流域中基于观测计算和CMIP6模拟的基流指数

图2.  18个环境因子对基流指数全球分布差异的解释度