在干旱半干旱地区，由于降水量少，潜在蒸发量大，因此地下水补给是长期以来广泛争论的科学问题。另外，干旱区包气带通常较厚，由于巨厚包气带的缓冲作用，使得现今植被-土壤-大气的动态，很少与深部包气带或者更深的地下水相平衡，这种时间尺度可以从几十年到上万年。所以按照当前的地表平衡关系来评价整个地下水系统，则是一种误导。
我国黄土高原包气带厚度可达30-80 m，是研究半干旱、巨厚包气带地区地下水补给与演化理想的场所。目前黄土高原地下水的补给颇具争议：（1）降水能否对地下水形成补给？（2）如果有降水补给，入渗补给周期又是多少？（3）降水入渗的方式是优先流还是活塞流？（4）包气带浅部水化学、同位素和地下水中为什么不平衡？
我们采用氯、氧-18、氚等多种环境示踪剂，研究了黄土包气带水文过程及地下水补给，得出如下新认识：
（1）地下水补给量：黄土高原属于草原环境，根系较浅，气温较低，植被生长与降水错峰。氯质量平衡法显示麦地降水补给量在30-90 mm/a，入渗系数为6.3-18%。降水入渗量比世界其他年均降水量相近的半干旱地区高2-3个数量级。黄土地下水补给受季风影响，同位素值较年加权平均值贫化，表明地下水补给主要发生在7-9月的雨季。
（2）补给响应滞后：基于氯累积年龄和氚峰运移速率，得出黄土土壤水运移速率为0.2-0.3m/a。据此推算，降水需要60-500年才能到达地下水面。因此，浅部过程受巨厚包气带的缓冲作用，其效应不会立即影响到地下水，往往表现为同位素取值不一致。
（3）水分运移形式：基于根系以下土壤水氯的分布、氯累积年龄和地下水中氚的研究，认为在黄土中水分运移以活塞流占主导。
（4）人类活动效应：黄土包气带剖面的溶质分布显示，现代农业活动导致包气带浅部水分丧失，溶质、同位素富集。种植苜蓿、苹果和其他灌木可致降水入渗补给地下水的量显著减少。
上述研究成果发表在Hydrological Processes上（Huang T, Pang Z, Edmunds WM (2013) Soil profile evolution following land-use change: Implications for groundwater quantity and quality. Hydrological Processes 27: 1238-1252）。
图1 土壤氯对植被变化的响应
图2降水补给地下水季节性特征
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