馬金珠

男

研究生

博士

西部環(huán)境教育部重點實驗室副主任/水資源研究所所長

教授

jzma@lzu.edu.cn

資源環(huán)境學(xué)院

包氣帶水文，同位素水文，水文地球化學(xué)，水資源評價

1987.08－1991.07 蘭州大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)學(xué)習(xí), 獲學(xué)士學(xué)位

1991.08－1994.06 蘭州大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)學(xué)習(xí), 獲碩士學(xué)位

1996.09－1999.08 中科院蘭州沙漠研究所學(xué)習(xí), 獲博士學(xué)位

1994.06－1996.12 蘭州大學(xué)地質(zhì)系 助教

1997.01－1999.12 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 講師

2000.02－2002.05 蘭州大學(xué)地理學(xué)博士后流動站

2000.01－2004.05 蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 副教授 碩士生導(dǎo)師

2004.06－2006.05 蘭州大學(xué) 教授 碩士生導(dǎo)師

2006.06－ 至今蘭州大學(xué) 教授，博士生導(dǎo)師

2000.01－2001.09 在倫敦大學(xué)(UCL)和水文研究所(IH) 學(xué)習(xí)交流

2006.01－2006.04 訪問英國牛津大學(xué)

2007.06－2008.05 高級訪問學(xué)者，英國牛津大學(xué)環(huán)境研究中心

水文學(xué)原理

中國自然資源學(xué)會常務(wù)理事、干旱半干旱區(qū)資源研究專業(yè)委員會副主任委員兼秘書長、教育工作委員會副主任委員，國際水文科學(xué)協(xié)會(IAHS)會員

大氣降水作為水文循環(huán)過程的輸入項，是地下水的主要補給來源，一直受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。申請者在石羊河流域及周邊沙漠地區(qū)不同海拔高度經(jīng)過多年系統(tǒng)監(jiān)測，研究了大氣降水的水化學(xué)與同位素(³H, δ¹⁸O和δ²H）組成與空間分布特征，結(jié)合全球大氣降水同位素監(jiān)測網(wǎng)（GNIP）和NECP/NCAR大氣環(huán)流資料，構(gòu)建了中國西北大氣降水線（LMWL），揭示了西北干旱區(qū)降水的δ¹⁸O和δ²H值與空氣溫度、降水量、海拔、緯度的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域位于西風(fēng)活動的邊緣區(qū)，大氣降水穩(wěn)定同位素主要受溫度效應(yīng)控制，揭示了河西地區(qū)水汽來源、傳輸機制及局地環(huán)境對大氣降水的影響，增進了對我國西北干旱內(nèi)陸河流域降水特征的理解 (Ma et al., 2012 Journal of Hydrology)；檢驗了大氣降水中Cl^-和NO₃^-作為干旱沙漠地區(qū)地下水補給記錄代用指標的可靠性，獲得了地下水補給記錄的降水輸入背景值，降水中Cl^-濃度介于1.5-2.5 mg/L，NO₃^-濃度平均值約為0.13 mg/L；Cl^-的干沉降在總沉降量中的比例較小（<10%），Cl^-干濕沉降通量為133.5 mg/m² (Ma and Edmunds, 2006 Hydrogeology Journal)，為研究地下水補給來源、補給環(huán)境與估算地下水補給率提供了可靠的化學(xué)與同位素輸入信息。在方法上，該研究將大氣降水同位素與水化學(xué)指標有效結(jié)合，豐富了水文地質(zhì)研究手段，為構(gòu)建大氣降水與包氣帶轉(zhuǎn)化機制提供定量指標。

由于干旱區(qū)降水量少，潛在蒸發(fā)量大，在濕潤區(qū)半濕潤區(qū)計算地下水補給量所使用的水量平衡法以及水分溶質(zhì)模擬技術(shù)往往不適用，因此干旱區(qū)降水對地下水的有效補給量是長期以來受到廣泛爭論的科學(xué)問題與難點。包氣帶是聯(lián)接大氣降水、地表水與地下水之間的紐帶，是降雨進入地下水的通道，積累了地表水文過程的大部分信息。由于Cl^-不僅具有很高的溶解度，而且?guī)缀醪粎⑴c任何地球化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)水分蒸散發(fā)時Cl^-則被保留在包氣帶水中，其濃度與蒸散發(fā)消耗的水量成正比，因此包氣帶水Cl^-是反映降水有效入滲補給量的可靠指標。申請者在國家自然科學(xué)基金的資助下與國際學(xué)者合作，在巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠獲取了具有廣泛代表性的50多個包氣帶剖面（最深達30 m），基于土壤剖面水分、水勢、溫度、Cl^- 與NO₃^-分布特征的長期監(jiān)測，揭示了沙漠包氣帶活塞式的水分運移機制，結(jié)合氫氧穩(wěn)定同位素組合與氚分布特征驗證了氯質(zhì)量平衡法（CMB）可靠性，以此計算了現(xiàn)代降水對地下水的補給速率。首次發(fā)現(xiàn)河西走廊到內(nèi)蒙古高原的戈壁沙漠包氣帶剖面2m以下的土壤水不含氚，降水對地下水的現(xiàn)代垂向補給非常微弱，約為1-3 mm/yr，僅占大氣降水的1-2% (Ma and Edmunds, 2006 Hydrogeology Journal; Ma et al., 2009 Journal of Hydrology) 。該成果否定了傳統(tǒng)水量平衡法在沙漠地區(qū)的“高補給”的計算結(jié)果，并已得到廣泛認可及支持，從技術(shù)上解決了干旱區(qū)地下水補給研究的難題。

干旱區(qū)包氣帶水流緩慢，化學(xué)溶質(zhì)擴散作用弱，更有利于保存古水文氣候信息，可以作為較高分辨率氣候變化重建的良好檔案。申請者通過包氣帶³⁶Cl和¹⁴C矯正氯累積年齡，將包氣帶地下水補給的記錄通過反演計算，首次重建了巴丹吉林沙漠過去2000以來降水變化的歷史，有6個相對干旱期和7個濕潤期，濕潤期最大降水曾經(jīng)為300 mm，干旱期最小降水僅為30 mm (Ma et al., 2009 Palaeo-3)。中世紀暖期降水少氣候干旱，對地下水的補給微弱，而小冰期降水較多氣候濕潤,是近代地下水的主要補給期；18世紀末至19世紀初是氣候環(huán)境演化的一個十分重要的時間界限，自此以后平原沙漠氣候與青藏高原氣候開始出現(xiàn)了大尺度差異，干旱化進程進一步加劇。在研究中注重區(qū)域降雨及有效Cl^-輸入的測定，并利用沙漠包氣帶水δ²H與δ¹⁸O的擬合關(guān)系，模擬分析了包氣帶水與Cl^-彌散作用及其對氯累積年齡的影響，從方法上，大大減少了CMB的不確定性。該研究豐富了古氣候重建的指標體系，填補了西北干旱區(qū)低海拔地區(qū)2000年來氣候變化重建指標的空白。

沙漠或荒漠化地帶氮的循環(huán)對全球變暖、水體與大氣污染的作用非常突出，因此成為氮循環(huán)研究中的核心地帶之一。傳統(tǒng)的觀點認為氮的循環(huán)轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在在生物活動范圍內(nèi)，即包氣帶上部植物根系層（土壤層），隨著深度的增加氮濃度逐漸減少，氮化合物向包氣帶深層的遷移滲濾往往忽略不計。但是申請者在巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠地區(qū)開展的研究中發(fā)現(xiàn)深層包氣帶水存在高濃度NO₃-N，進一步通過NO₃^-中δ¹⁵N，δ¹⁸O以辨識不同來源的NO₃-N作為突破口，并與周邊湖泊沉積記錄、地下水記錄進行對比研究，通過定性與定量分析各種古環(huán)境參數(shù)，確定了晚更新世以來沙漠地區(qū)NO₃-N的循環(huán)規(guī)律及其對氣候環(huán)境變化的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)高大沙山表層土藍藻菌的固氮作用較活躍，mNO₃/Cl比值均高于降水(0.22)與地下水；而深層包氣帶（植物根系層以下）水分很低并長期處于氧化環(huán)境，不利于有機物質(zhì)與微生物的存在，反硝化作用極其微弱，NO₃-N能夠長期處于穩(wěn)定狀態(tài)；包氣帶NO₃^-/ Cl^-比值以及NO₃的δ¹⁵N和δ¹⁸O組合值揭示了中世紀較長的干旱暖期對沙漠地區(qū)的植被起了重要的抑制作用，植被稀少，藍藻菌活動有限，而小冰期氣候濕潤，植被茂盛，NO₃^-大量累積 (Ma et al., 2012 CATENA)。該研究不僅對改變傳統(tǒng)上認為氮化合物很難向包氣帶深層遷移的觀點，為正確認識沙漠地區(qū)氮循環(huán)規(guī)律具有非常重要的意義，也極大地豐富了反演沙漠地區(qū)氣候環(huán)境與植被演化信息的研究手段，引起了國內(nèi)外同行的高度關(guān)注。

這是首次在中國西北干旱區(qū)開展包氣帶古水文氣候信息記錄的研究；并提出了小冰期降水增多的觀點，表明包氣帶地球化學(xué)元素和同位素成為平原區(qū)古氣候變化研究的可信代用指標。本項研究填補了我國干旱沙漠區(qū)包氣帶古氣候記錄研究的空白，積累了寶貴的資料，并建立了長期可供包氣帶研究的野外站點。為我國廣大干旱沙漠地區(qū)高分辨率降水重建、植被反演研究開辟了新途徑和新方法，為系統(tǒng)的構(gòu)建包氣帶全球變化指標體系和理論作出了貢獻，在國際國內(nèi)產(chǎn)生了重要的影響。

地下水是干旱區(qū)最主要的水資源，甚至是大部分荒漠化地區(qū)唯一的水源，地下水的量和質(zhì)都取決于其補給情況，地下水的補給來源以及循環(huán)轉(zhuǎn)換過程都是制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和人類生存環(huán)境的關(guān)鍵因素，決定了干旱區(qū)地下水在水文循環(huán)研究中的重要性。長期以來，由于對我國干旱區(qū)地下水資源演化規(guī)律和屬性缺乏全面的認識，導(dǎo)致地下水超采而引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要障礙。申請者以石羊河、疏勒河及黑河等典型內(nèi)陸河流域以及巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠與烏蘭布和沙漠等地區(qū)為研究對象，布置了地表、地下水長期動態(tài)監(jiān)測點，采集樣品1000個以上，綜合應(yīng)用同位素和水化學(xué)方法，確立了區(qū)域地下水的補、排機制及地下水系統(tǒng)空間演化規(guī)律，發(fā)展了干旱地區(qū)地下水¹⁴C年齡校正方法。

在干旱地區(qū)，包氣帶及含水層次生碳酸鹽的存在及地下水在運移過程中不斷與周圍碳酸巖礦物發(fā)生碳原子交換吸附作用，而導(dǎo)致應(yīng)用¹⁴C測定地下水年齡存在較大誤差，傳統(tǒng)的各種¹⁴C校正模型都有局限性。申請者以石羊河流域為例，從補給到排泄的整個過程中所涉及的大氣、植被、包氣帶、巖性等進行了全系統(tǒng)大規(guī)模采樣分析，基于補給區(qū)包氣帶及地下水DTIC中¹⁴C和¹³C特征，提出了一種適合干旱地區(qū)地下水¹⁴C校正方法（Q值法），一方面克服了地下水開放系統(tǒng)中¹³C和¹⁴C的不確定性，另一方面考慮了地下水系統(tǒng)封閉后碳酸鹽溶解過程，相比是一種較為簡單合理的¹⁴C校正模型。將該方法應(yīng)用到石羊河流域，給出了合理的結(jié)果，在南盆地武威盆地與永昌盆地地下水¹⁴C校正年齡為1000-4000年，而民勤盆地與金昌盆地深層地下水年齡為20-40 kyr (Ma et al., 2005 Journal of Arid Environments; Ma et al., 2010 Applied Geochemistry)。該方法受到了國外同行的一致肯定，極大的促進了干旱區(qū)地下水補給年齡與更新周期的研究。

通過降水、冰雪融水、河水及地下水氫氧同位素和Cl^-的時空分布與組合關(guān)系，識別了內(nèi)陸河流域不同水文地質(zhì)單元、不同含水層系統(tǒng)地下水的補給環(huán)境與補給來源。總體上，河西內(nèi)陸河流域山前洪積扇地帶地下水氫氧同位素和Cl^-濃度與祁連山降水、河水特征值接近，中下游平原及沙漠地區(qū)深層地下水穩(wěn)定同位素偏負，指示了在河西走廊山前洪積扇帶地下水主要由出山口河水迅速入滲補給，而在河西內(nèi)陸河流域下游地區(qū)及沙漠地區(qū)深層地下水主要是在晚更新世、中上全新世濕冷時期降水補給形成的。100 m以上的淺層水為古地下水與現(xiàn)代降水的混合水，且古地下水占的成分較多。

由于惰性氣體的溶解度是溫度的單調(diào)函數(shù)，是指示地下水形成溫度的天然示蹤劑。申請者通過系統(tǒng)測定地下水惰性氣體含量，結(jié)合¹⁴C年齡與氫氧穩(wěn)定同位素特征，恢復(fù)了地下水補給期的古溫度信息，豐富了古氣候代用指標。結(jié)果表明：惰性氣體反映的晚更新世地下水補給溫度介于4.9-6.5°C之間，平均為5.6°C；全新世以來補給的地下水NGTs值介于 7.0-8.0 °C (平均 7.6 °C)。該研究極大的豐富了古水文地質(zhì)研究的內(nèi)涵，實現(xiàn)了古氣候研究的新思路，促進了古水文氣候研究的進展。得到了相關(guān)科學(xué)家的肯定，產(chǎn)生了重要的影響，對推動了對干旱區(qū)地下水屬性的正確認識，為地下水資源的保護提供了理論依據(jù)。

上述研究成果發(fā)布在Journal of Hydrology; Applied Geochemistry; Journal of Environmental Management, Journal of Arid Environments等國際雜志上，獲得2011年甘肅省科技進步一等獎。相關(guān)成果都得到了國際著名SCI論文的正面引用，充分肯定了我們關(guān)于干旱區(qū)地下水年齡矯正、地下水資源不可更新的結(jié)論。著名的水文地質(zhì)學(xué)家Ian Cartwright 教授2012年在Applied Geochemistry發(fā)表的論文“Using ³H and ¹⁴C to constrain the degree of closed-system dissolution of calcite in groundwater”認為申請者發(fā)展的干旱地區(qū)地下水¹⁴C校正方法具有創(chuàng)新性。Kreuzer et al.(2009) 在Chemical Geology發(fā)表的論文“A record of temperature and monsoon intensity over the past 40 kyr from groundwater in the North China Plain”指出：這是首次在中國干旱區(qū)內(nèi)利用地下水中惰性氣體重建古水文氣候，具有開拓性，所提供的有關(guān)全球變化信息之豐富不亞于黃土、冰芯和大洋沉積物。關(guān)于民勤盆地在現(xiàn)有經(jīng)濟模式下地下水只能開采17年的成果，被政府采納，并促使石羊河流域重點治理工程順利實施，有效的保護了當(dāng)?shù)氐叵滤�。受到了BBC、中央電視臺、甘肅省電視臺、甘肅日報、南方周末等國內(nèi)外媒體的廣泛關(guān)注。

2006年教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃獲得者，2007年獲甘肅青年五四獎?wù)隆?009年獲甘肅省領(lǐng)軍人才，2014年獲甘肅省科技進步二等獎一項，2011年獲甘肅省科技進步一等獎一項，2006年獲甘肅省自然科學(xué)三等獎一項。

（1）主持國家自然科學(xué)基金, 疏勒河流域及周邊地區(qū)地下水補給演化規(guī)律與古氣候記錄研究(41271039), 2013-2016.

（2）主持國家支撐計劃項目課題, 白龍江流域滑坡泥石流災(zāi)害多尺度風(fēng)險評價與技術(shù)研究(2011BAK12B05), 2011-2015.

（3）主持教育部重大項目, 氣候變化與人類活動對石羊河流域地下水補給與深化的記錄研究(310005), 2011-2013.

（4）主持國家自然科學(xué)基金, 沙漠深層包氣帶硝氮的遷移富集及其古氣候環(huán)境響應(yīng)研究(40872161), 2009-2011

（5）主持國家自然科學(xué)基金，民勤盆地及騰格里沙漠地下水補給循環(huán)與古氣候環(huán)境記錄研究(40671029), 2007－2009

（6）主持國家自然科學(xué)基金,沙漠水文氣候的包氣帶記錄與2ka來降水重建(40302031), 2004－2006

（7）主持教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目（NCET-06-0899, 2007－2009

2013年度

Ma J., He J., Qi S., Zhu G., Zhao W., Edmunds WM., Zhao Y. 2013. Groundwater recharge and evolution in the Dunhuang Basin, Northwestern China. Applied Geochemistry 28: 19-31.

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2012年度

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2010年度

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2007年度

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2006年度

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2005年度

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