《Science of The Total Environment》：Wildfire impacts on groundwater recharge in mountain catchments
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本研究针对意大利中部地中海山区1200公顷火灾影响区，通过配对流域法结合地表径流、稳定同位素及土壤水文数据，发现火灾后暴雨径流增加显著（均值2.9倍），导致地表径流增加而渗透减少，进而使基流中岩石水相互作用和蒸发信号增强，地下水补给减少。研究证实火灾地表水文变化对地下水的影响具有复杂性，需综合考虑地形、植被恢复及土壤特性等因素，为后续研究提供依据。
马泰奥·尼格罗（Matteo Nigro）|达尼埃莱·佩纳（Daniele Penna）|马可·多韦里（Marco Doveri）|伊拉里亚·巴内斯基（Ilaria Baneschi）|安德烈亚·达尼（Andrea Dani）|马蒂亚·梅尼基尼（Matia Menichini）|费德里科·普雷蒂（Federico Preti）|罗伯托·贾内基尼（Roberto Giannecchini）
佛罗伦萨大学农业、食品、环境与林业系，Via di San Bonaventura 13，50145，佛罗伦萨，意大利
摘要
野火显著改变了地表流域的水文状况，对与水相关的生态系统服务产生了严重影响。气候变化正在并将进一步增加野火的频率和强度，使得评估野火的水文影响成为一个非常热门的话题。野火对地表水文的影响已经得到了广泛的研究。植被覆盖层的燃烧破坏以及土壤结构和化学性质的改变被认为是导致野火影响的根本原因。然而，地表水文变化如何影响地下水动态仍缺乏共识。
我们通过研究野火对地表水文的变化如何影响山区流域的地下水，来填补这一知识空白。我们的研究流域位于意大利中部的地中海山区，2018年这些流域遭受了一场面积为1200公顷的蓄意纵火引发的野火。
通过配对流域方法评估了野火的水文影响。通过结合河流流量数据以及水和稳定同位素数据，来分析地表水和地下水的水文变化。建立一个稳健的水文地质概念框架对于将水文数据与野火影响联系起来至关重要。
我们发现，在受火灾影响的流域中：i) 暴雨径流增加；ii) 基流中的岩石-水相互作用信号增强；iii) 基流中的蒸发信号增强，这与地下水补给量减少有关。暴雨径流的增加导致地表径流增加，从而减少了水分的下渗，进而降低了地下水补给和更新。野火对地下水的影响仍需进一步研究。结合不同的水文、地球化学数据，特别是水稳定同位素数据，可能为这一热点问题提供有用的信息。
引言
野火会对流域水文造成严重破坏，并扰乱重要的与水相关的生态系统服务（Hallema等人，2017；Robinne等人，2020；Smith等人，2011）。根据当前的气候趋势，即温度升高、土壤和燃料湿度降低以及降水量可能减少，预计野火的频率、范围和严重程度将增加，尤其是在地中海地区（Ellis等人，2022；Lelieveld等人，2012）。研究野火对流域水文动态的影响对于水资源保护和相关风险缓解至关重要。
众所周知，野火会引发水文过程的显著变化，影响水循环的地表和地下组成部分（Ebel和Moody，2017；Guzmán-Rojo等人，2024；Pereira等人，2021；Shakesby和Doerr，2006；Smith等人，2011）。植被的破坏、截留和蒸散作用的减少以及土壤性质的改变（主要是渗透性的降低）会导致流域地表径流增加，尤其是峰值流量（Atwood等人，2023；Bart和Tague，2017；Xu等人，2022）。这些水文变化可能在火灾发生后的几年内持续存在（Wagenbrenner等人，2021）。
尽管关于野火对地表水文影响的共识已经形成，但这些地表变化与地下水流过程之间的联系仍不清楚。一些研究表明基流和补给量增加（Atwood等人，2023；Bart和Tague，2017），而另一些研究则发现渗透和储存量减少，这表明场地条件、火灾严重程度以及火灾后的植被恢复在决定水文结果方面起着关键作用（Goeking和Tarboton，2020；Guzmán-Rojo等人，2024；Rodrigues等人，2019）。Bart和Tague（2017）报告称，在加利福尼亚州发生野火后，基流回退率减少了52.5%，这表明蒸散作用的减弱对基流的控制作用比土壤疏水性更强。同样，Kinoshita和Hogue（2011）以及Kinoshita和Hogue（2015）发现，在南加州火灾后近十年内径流比率升高，干旱季节的流量增加；Xu等人（2022）观察到澳大利亚南部火灾后十年内蒸散量减少了33±20毫米/年，而径流量增加了68±32毫米/年。Atwood等人（2023）利用燃烧流域降雨和河流水中的水稳定同位素发现，火灾后地下水对河流流量的贡献出乎意料地大。MacNeille等人（2020）使用同位素数据发现，美国爱达荷州燃烧流域与未燃烧流域的河流水蒸发量存在微小差异。Giambastiani等人（2018）报告称，火灾后的补给率是未燃烧区域的3到7倍，这得益于沙质土壤、低地形和低强度降雨，这些因素限制了地表径流的产生。火灾后补给量的大幅增加可能反映了该地区的特定特征和降雨模式，这些因素最小化了野火引起的地表径流变化。
相比之下，其他研究表明，在高严重程度条件下，野火会导致水分产量和地下水补给量减少，特别是在半干旱流域（Atchley等人，2018；Goeking和Tarboton，2020及其中的参考文献）。这些因素会增加地表径流并限制渗透，从而减少地下储存（Guzmán-Rojo等人，2024；Johnk和Mays，2021，2021；Rodrigues等人，2019；Stehr等人，2025）。Rodrigues等人（2019）发现，巴西的大规模野火由于植被丧失和渗透不足，严重减少了地下水储存和基流。Guzmán-Rojo等人（2024）在他们的综述中指出，在高火灾严重程度下，土壤导电性的降低和冠层损失使得径流成为主导过程，导致补给量减少。同样，Johnk和Mays（2021）观察到美国犹他州火灾后地下水位下降，与地表径流增加和渗透减少一致。Cooperdock等人（2020）发现火灾后几年内燃烧土壤的蒸发损失增加，这一结论通过测量得到证实，并通过德克萨斯州燃烧土壤的水同位素值得到验证。Nagra等人（2016）监测了澳大利亚西南部燃烧区域洞穴中的滴水，发现由于反照率和植被覆盖的减少，蒸发量增加。
通常，那些报告水分产量增加的研究分析的流域中，雪占降水总量的很大比例，因此植被丧失导致的积雪增加在水分产量提升中发挥了重要作用（Goeking和Tarboton，2020）。然而，在降雪量可以忽略不计的流域中，直接增加的径流可能导致水分的直接流失，而这些水分本应保留在流域内。
综合研究表明，关于野火对地下水影响的广泛数据和共识仍然不足。Wagenbrenner等人（2021）发现地中海气候流域火灾后的水文效应在持续时间和强度上没有一致的模式，Guzmán-Rojo等人（2024）指出了蒸散和补给反应的不确定性。Atwood等人（2023）指出，观察到的地表径流增加与地下水储存量的增加相矛盾。地形似乎也在火灾后的地下水响应中起着关键作用，坡度更陡的流域在渗透过剩和地表径流生成方面表现出最强的响应（Walvoord等人，2025）。最后，植被再生也对水分消耗有显著影响，快速而广泛的植被再生通过蒸散作用增加了水分损失，从而减少了渗透和地下水补给（Guzmán-Rojo等人，2024；Walvoord等人，2025）。
从这些例子可以看出，仍需要进一步研究野火对流域尺度地下水动态的影响。通过这项工作，我们旨在研究野火对山区流域地下水的影响，特别是在时间上和空间上难以预测的火灾影响评估中。在山区，直接测量地下水位极为有限（Walvoord等人，2025），我们的研究区域也是如此。因此，我们通过结合水文测量、水质分析和水稳定同位素来进行评估。特别是水稳定同位素（δ2H和δ1?O）是水通量和混合过程的优秀示踪剂，在水文研究中已被多次使用（Jasechko，2019；Penna等人，2018）。然而，令人惊讶的是，只有少数关于野火水文影响的研究使用了同位素示踪剂（Atwood等人，2023；MacNeille等人，2020）。在我们的研究中，我们使用水稳定同位素数据来评估燃烧流域与未燃烧流域之间蒸发损失的潜在变化。我们旨在评估野火引起地表水文变化如何影响山区流域的地下水补给和动态。
研究区域
受野火影响的流域位于意大利托斯卡纳西北部的小山区Mt. Pisano（图1），海拔范围从10米到900米（平均230米）。该地区属于温带干燥夏季（Cs）到炎热夏季地中海（Csa）气候类型，具有亚地中海降雨特征，年降水量约为1200毫米（Nigro等人，2024a；Rapetti和Vittorini，2012）。下一节将介绍的分析流域位于大约5×5平方公里的区域内
燃烧流域和对照流域的暴雨径流响应
通过对BF和BL流域的河流流量时间序列进行分析，识别并比较了27次不同的降雨-径流事件。其中11次事件因仅在其中一个流域观察到河流响应而被排除，最终选择了16次事件。对于这16次事件，燃烧流域与对照流域的单位面积暴雨径流比率平均值为2.9，标准差为3.1（图3和表S2）。因此，燃烧流域的暴雨径流更高
研究流域中水循环的感知模型
现场测量使我们能够根据降水、蒸散、河流流量、渗透和地下水流动等主要水文成分，推导出研究流域的感知模型（Wagener等人，2021）。如现场观察所示，无论是燃烧流域还是对照流域，除了最陡峭和岩石最多的山脊外，几乎总是存在土壤覆盖层。该地区的所有岩性都具有较低的次级孔隙度，且随深度增加而降低（Baldacci等人
结论
野火会对流域的地表水造成严重且持久的改变，这些变化已在现有文献中得到广泛研究。这些地表水文变化如何影响地下水体积和补给量仍需要更多数据和研究（Walvoord等人，2025）。通过这项工作，我们扩展了对野火对地下水动态影响的理解。我们分析了一场1200公顷蓄意纵火对两个流域的影响
CRediT作者贡献声明
马泰奥·尼格罗（Matteo Nigro）：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理，概念构建。达尼埃莱·佩纳（Daniele Penna）：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，资源协调。马可·多韦里（Marco Doveri）：撰写——审阅与编辑，监督，资源协调，项目管理，调查。伊拉里亚·巴内斯基（Ilaria Baneschi）：撰写——审阅与编辑，调查。安德烈亚·达尼（Andrea Dani）：撰写——审阅与编辑，正式分析。马蒂亚·梅尼基尼（Matia Menichini）：撰写——审阅与编辑。费德里科·普雷蒂（Federico Preti）：撰写——审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
本研究由托斯卡纳大区的FES 2014/2020基金、托斯卡纳大区MIRA的“监测托斯卡纳湿地的水文状况和水质以减轻污染和提高环境韧性”（B53C3002940009）基金资助，并得到了比萨大学和佛罗伦萨大学的支持。作者感谢开放区域服务在数据收集和提供数据集访问方面的帮助。
