兰州大学

马金珠

男

研究生

博士

西部环境教育部重点实验室副主任/水资源研究所所长

教授

jzma@lzu.edu.cn

资源环境学院

包气带水文，同位素水文，水文地球化学，水资源评价

1987.08－1991.07 兰州大学水文地质与工程地质专业学习, 获学士学位

1991.08－1994.06 兰州大学水文地质与工程地质专业学习, 获硕士学位

1996.09－1999.08 中科院兰州沙漠研究所学习, 获博士学位

1994.06－1996.12 兰州大学地质系 助教

1997.01－1999.12 兰州大学资源环境学院 讲师

2000.02－2002.05 兰州大学地理学博士后流动站

2000.01－2004.05 兰州大学资源环境学院 副教授 硕士生导师

2004.06－2006.05 兰州大学 教授 硕士生导师

2006.06－ 至今兰州大学 教授，博士生导师

2000.01－2001.09 在伦敦大学(UCL)和水文研究所(IH) 学习交流

2006.01－2006.04 访问英国牛津大学

2007.06－2008.05 高级访问学者，英国牛津大学环境研究中心

水文学原理

中国自然资源学会常务理事、干旱半干旱区资源研究专业委员会副主任委员兼秘书长、教育工作委员会副主任委员，国际水文科学协会(IAHS)会员

大气降水作为水文循环过程的输入项，是地下水的主要补给来源，一直受到国内外学者的高度关注。申请者在石羊河流域及周边沙漠地区不同海拔高度经过多年系统监测，研究了大气降水的水化学与同位素(³H, δ¹⁸O和δ²H）组成与空间分布特征，结合全球大气降水同位素监测网（GNIP）和NECP/NCAR大气环流资料，构建了中国西北大气降水线（LMWL），揭示了西北干旱区降水的δ¹⁸O和δ²H值与空气温度、降水量、海拔、纬度的相关关系。研究发现石羊河流域位于西风活动的边缘区，大气降水稳定同位素主要受温度效应控制，揭示了河西地区水汽来源、传输机制及局地环境对大气降水的影响，增进了对我国西北干旱内陆河流域降水特征的理解 (Ma et al., 2012 Journal of Hydrology)；检验了大气降水中Cl^-和NO₃^-作为干旱沙漠地区地下水补给记录代用指标的可靠性，获得了地下水补给记录的降水输入背景值，降水中Cl^-浓度介于1.5-2.5 mg/L，NO₃^-浓度平均值约为0.13 mg/L；Cl^-的干沉降在总沉降量中的比例较小（<10%），Cl^-干湿沉降通量为133.5 mg/m² (Ma and Edmunds, 2006 Hydrogeology Journal)，为研究地下水补给来源、补给环境与估算地下水补给率提供了可靠的化学与同位素输入信息。在方法上，该研究将大气降水同位素与水化学指标有效结合，丰富了水文地质研究手段，为构建大气降水与包气带转化机制提供定量指标。

由于干旱区降水量少，潜在蒸发量大，在湿润区半湿润区计算地下水补给量所使用的水量平衡法以及水分溶质模拟技术往往不适用，因此干旱区降水对地下水的有效补给量是长期以来受到广泛争论的科学问题与难点。包气带是联接大气降水、地表水与地下水之间的纽带，是降雨进入地下水的通道，积累了地表水文过程的大部分信息。由于Cl^-不仅具有很高的溶解度，而且几乎不参与任何地球化学反应，当水分蒸散发时Cl^-则被保留在包气带水中，其浓度与蒸散发消耗的水量成正比，因此包气带水Cl^-是反映降水有效入渗补给量的可靠指标。申请者在国家自然科学基金的资助下与国际学者合作，在巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠获取了具有广泛代表性的50多个包气带剖面（最深达30 m），基于土壤剖面水分、水势、温度、Cl^- 与NO₃^-分布特征的长期监测，揭示了沙漠包气带活塞式的水分运移机制，结合氢氧稳定同位素组合与氚分布特征验证了氯质量平衡法（CMB）可靠性，以此计算了现代降水对地下水的补给速率。首次发现河西走廊到内蒙古高原的戈壁沙漠包气带剖面2m以下的土壤水不含氚，降水对地下水的现代垂向补给非常微弱，约为1-3 mm/yr，仅占大气降水的1-2% (Ma and Edmunds, 2006 Hydrogeology Journal; Ma et al., 2009 Journal of Hydrology) 。该成果否定了传统水量平衡法在沙漠地区的“高补给”的计算结果，并已得到广泛认可及支持，从技术上解决了干旱区地下水补给研究的难题。

干旱区包气带水流缓慢，化学溶质扩散作用弱，更有利于保存古水文气候信息，可以作为较高分辨率气候变化重建的良好档案。申请者通过包气带³⁶Cl和¹⁴C矫正氯累积年龄，将包气带地下水补给的记录通过反演计算，首次重建了巴丹吉林沙漠过去2000以来降水变化的历史，有6个相对干旱期和7个湿润期，湿润期最大降水曾经为300 mm，干旱期最小降水仅为30 mm (Ma et al., 2009 Palaeo-3)。中世纪暖期降水少气候干旱，对地下水的补给微弱，而小冰期降水较多气候湿润,是近代地下水的主要补给期；18世纪末至19世纪初是气候环境演化的一个十分重要的时间界限，自此以后平原沙漠气候与青藏高原气候开始出现了大尺度差异，干旱化进程进一步加剧。在研究中注重区域降雨及有效Cl^-输入的测定，并利用沙漠包气带水δ²H与δ¹⁸O的拟合关系，模拟分析了包气带水与Cl^-弥散作用及其对氯累积年龄的影响，从方法上，大大减少了CMB的不确定性。该研究丰富了古气候重建的指标体系，填补了西北干旱区低海拔地区2000年来气候变化重建指标的空白。

沙漠或荒漠化地带氮的循环对全球变暖、水体与大气污染的作用非常突出，因此成为氮循环研究中的核心地带之一。传统的观点认为氮的循环转换主要发生在在生物活动范围内，即包气带上部植物根系层（土壤层），随着深度的增加氮浓度逐渐减少，氮化合物向包气带深层的迁移渗滤往往忽略不计。但是申请者在巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠地区开展的研究中发现深层包气带水存在高浓度NO₃-N，进一步通过NO₃^-中δ¹⁵N，δ¹⁸O以辨识不同来源的NO₃-N作为突破口，并与周边湖泊沉积记录、地下水记录进行对比研究，通过定性与定量分析各种古环境参数，确定了晚更新世以来沙漠地区NO₃-N的循环规律及其对气候环境变化的响应。研究发现高大沙山表层土蓝藻菌的固氮作用较活跃，mNO₃/Cl比值均高于降水(0.22)与地下水；而深层包气带（植物根系层以下）水分很低并长期处于氧化环境，不利于有机物质与微生物的存在，反硝化作用极其微弱，NO₃-N能够长期处于稳定状态；包气带NO₃^-/ Cl^-比值以及NO₃的δ¹⁵N和δ¹⁸O组合值揭示了中世纪较长的干旱暖期对沙漠地区的植被起了重要的抑制作用，植被稀少，蓝藻菌活动有限，而小冰期气候湿润，植被茂盛，NO₃^-大量累积 (Ma et al., 2012 CATENA)。该研究不仅对改变传统上认为氮化合物很难向包气带深层迁移的观点，为正确认识沙漠地区氮循环规律具有非常重要的意义，也极大地丰富了反演沙漠地区气候环境与植被演化信息的研究手段，引起了国内外同行的高度关注。

这是首次在中国西北干旱区开展包气带古水文气候信息记录的研究；并提出了小冰期降水增多的观点，表明包气带地球化学元素和同位素成为平原区古气候变化研究的可信代用指标。本项研究填补了我国干旱沙漠区包气带古气候记录研究的空白，积累了宝贵的资料，并建立了长期可供包气带研究的野外站点。为我国广大干旱沙漠地区高分辨率降水重建、植被反演研究开辟了新途径和新方法，为系统的构建包气带全球变化指标体系和理论作出了贡献，在国际国内产生了重要的影响。

地下水是干旱区最主要的水资源，甚至是大部分荒漠化地区唯一的水源，地下水的量和质都取决于其补给情况，地下水的补给来源以及循环转换过程都是制约区域经济发展、生态系统稳定和人类生存环境的关键因素，决定了干旱区地下水在水文循环研究中的重要性。长期以来，由于对我国干旱区地下水资源演化规律和属性缺乏全面的认识，导致地下水超采而引发了一系列的生态环境问题，成为制约区域可持续发展的主要障碍。申请者以石羊河、疏勒河及黑河等典型内陆河流域以及巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠与乌兰布和沙漠等地区为研究对象，布置了地表、地下水长期动态监测点，采集样品1000个以上，综合应用同位素和水化学方法，确立了区域地下水的补、排机制及地下水系统空间演化规律，发展了干旱地区地下水¹⁴C年龄校正方法。

在干旱地区，包气带及含水层次生碳酸盐的存在及地下水在运移过程中不断与周围碳酸岩矿物发生碳原子交换吸附作用，而导致应用¹⁴C测定地下水年龄存在较大误差，传统的各种¹⁴C校正模型都有局限性。申请者以石羊河流域为例，从补给到排泄的整个过程中所涉及的大气、植被、包气带、岩性等进行了全系统大规模采样分析，基于补给区包气带及地下水DTIC中¹⁴C和¹³C特征，提出了一种适合干旱地区地下水¹⁴C校正方法（Q值法），一方面克服了地下水开放系统中¹³C和¹⁴C的不确定性，另一方面考虑了地下水系统封闭后碳酸盐溶解过程，相比是一种较为简单合理的¹⁴C校正模型。将该方法应用到石羊河流域，给出了合理的结果，在南盆地武威盆地与永昌盆地地下水¹⁴C校正年龄为1000-4000年，而民勤盆地与金昌盆地深层地下水年龄为20-40 kyr (Ma et al., 2005 Journal of Arid Environments; Ma et al., 2010 Applied Geochemistry)。该方法受到了国外同行的一致肯定，极大的促进了干旱区地下水补给年龄与更新周期的研究。

通过降水、冰雪融水、河水及地下水氢氧同位素和Cl^-的时空分布与组合关系，识别了内陆河流域不同水文地质单元、不同含水层系统地下水的补给环境与补给来源。总体上，河西内陆河流域山前洪积扇地带地下水氢氧同位素和Cl^-浓度与祁连山降水、河水特征值接近，中下游平原及沙漠地区深层地下水稳定同位素偏负，指示了在河西走廊山前洪积扇带地下水主要由出山口河水迅速入渗补给，而在河西内陆河流域下游地区及沙漠地区深层地下水主要是在晚更新世、中上全新世湿冷时期降水补给形成的。100 m以上的浅层水为古地下水与现代降水的混合水，且古地下水占的成分较多。

由于惰性气体的溶解度是温度的单调函数，是指示地下水形成温度的天然示踪剂。申请者通过系统测定地下水惰性气体含量，结合¹⁴C年龄与氢氧稳定同位素特征，恢复了地下水补给期的古温度信息，丰富了古气候代用指标。结果表明：惰性气体反映的晚更新世地下水补给温度介于4.9-6.5°C之间，平均为5.6°C；全新世以来补给的地下水NGTs值介于 7.0-8.0 °C (平均 7.6 °C)。该研究极大的丰富了古水文地质研究的内涵，实现了古气候研究的新思路，促进了古水文气候研究的进展。得到了相关科学家的肯定，产生了重要的影响，对推动了对干旱区地下水属性的正确认识，为地下水资源的保护提供了理论依据。

上述研究成果发布在Journal of Hydrology; Applied Geochemistry; Journal of Environmental Management, Journal of Arid Environments等国际杂志上，获得2011年甘肃省科技进步一等奖。相关成果都得到了国际著名SCI论文的正面引用，充分肯定了我们关于干旱区地下水年龄矫正、地下水资源不可更新的结论。著名的水文地质学家Ian Cartwright 教授2012年在Applied Geochemistry发表的论文“Using ³H and ¹⁴C to constrain the degree of closed-system dissolution of calcite in groundwater”认为申请者发展的干旱地区地下水¹⁴C校正方法具有创新性。Kreuzer et al.(2009) 在Chemical Geology发表的论文“A record of temperature and monsoon intensity over the past 40 kyr from groundwater in the North China Plain”指出：这是首次在中国干旱区内利用地下水中惰性气体重建古水文气候，具有开拓性，所提供的有关全球变化信息之丰富不亚于黄土、冰芯和大洋沉积物。关于民勤盆地在现有经济模式下地下水只能开采17年的成果，被政府采纳，并促使石羊河流域重点治理工程顺利实施，有效的保护了当地地下水。受到了BBC、中央电视台、甘肃省电视台、甘肃日报、南方周末等国内外媒体的广泛关注。

2006年教育部新世纪优秀人才支持计划获得者，2007年获甘肃青年五四奖章。2009年获甘肃省领军人才，2014年获甘肃省科技进步二等奖一项，2011年获甘肃省科技进步一等奖一项，2006年获甘肃省自然科学三等奖一项。

（1）主持国家自然科学基金, 疏勒河流域及周边地区地下水补给演化规律与古气候记录研究(41271039), 2013-2016.

（2）主持国家支撑计划项目课题, 白龙江流域滑坡泥石流灾害多尺度风险评价与技术研究(2011BAK12B05), 2011-2015.

（3）主持教育部重大项目, 气候变化与人类活动对石羊河流域地下水补给与深化的记录研究(310005), 2011-2013.

（4）主持国家自然科学基金, 沙漠深层包气带硝氮的迁移富集及其古气候环境响应研究(40872161), 2009-2011

（5）主持国家自然科学基金，民勤盆地及腾格里沙漠地下水补给循环与古气候环境记录研究(40671029), 2007－2009

（6）主持国家自然科学基金,沙漠水文气候的包气带记录与2ka来降水重建(40302031), 2004－2006

（7）主持教育部新世纪优秀人才支持计划项目（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.

Ma J., Chen L., He J., Zhang Y., Li X., Edmunds WM. 2013. Trends and periodicities in observed temperature, precipitation and runoff in a desert catchment: case study for the Shiyang River Basin in Northwestern China. Water and Environment Journal 27,86-98.

Ding Z, Ma J., Zhao W., Jiang Y., Love A. 2013. Profiles of geochemical and isotopic signatures from the Helan Mountains to the eastern Tengger Desert, northwestern China. Journal of Arid Environments 90: 77-87.

Wang Y, Ma J., Zhang Y., Zhao M., Edmunds WM. 2013. A new theoretical model accounting forfilm flow in unsaturated porous media.Water Resources Research 49 (8),5021-5028.

Pan F., Ma J., Wang, YQ., Zhang, YL., Chen, LH, Edmunds WM. 2013. Simulation of the migration and transformation of petroleumpollutants in the soils of the Loess plateau: a case study in the Maling oilfield of northwestern China. Environmental monitoring and assessment, 185(10):8023-8034.

2012年度

Ma J., Zhang P., Zhu GF., Wang YQ., Edmunds WM., Ding Z., He J., 2012. The composition and distribution of chemicals and isotopes in precipitation in the Shiyang River system, northwestern China. Journal of Hydrology 436–437: 92–101.

Ma J., Wang YQ., Zhao YP., Jin X., Ning N., Edmunds WM., Zhou X., 2012. Spatial distribution of chloride and nitrate within an unsaturated dune sand of a cold-arid desert: Implications for palaeoenvironmental records. Catena 96: 68-75.

Ma J., Pan F., He J., Chen L., Fu S., Jia B., 2012. Petroleum pollution and evolution of water quality in the Malian River Basin of the Longdong Loess Plateau, Northwestern China. Environmental Earth Sciences, 66: 1769-1782

He J., Ma J*., Zhang P., Tian L., Zhu GF, Edmunds WM., Zhang Q., 2012. Groundwater recharge environments and hydrogeochemical evolution in the Jiuquan Basin, Northwest China. Applied Geochemistry 27: 866–878.

2010年度

Ma J., Pan F., Chen L., Edmunds W.M., Ding Z., He J., Zhou K., Huang T., 2010. Isotopic and geochemical evidence of recharge sources and water quality in the Quaternary aquifer beneath Jinchang city, NW China. Applied Geochemistry, 25, 996-1007.

2009年度

Ma J., Ding Z., Edmunds W.M., Gates, J.B., Huang, T., 2009. Limits to recharge of groundwater from Tibetan Plateau to the Gobi desert, implication for management in the Mountain front. Journal of Hydrology, 364: 128-141.

Ma J., Edmunds W.M, He J., Jia B., 2009. A 2000 year geochemical record of palaeoclimate and hydrology derived from dune sand moisture. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 276: 38-46.

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2008年度

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Gates, J.B., Edmunds, W.M., Ma, J., Scanlon, B.R., 2008. Estimating groundwater recharge in a cold desert environment in northern China using chloride. Hydrogeology Journal, 16: 893-910.

Gates, J.B., Edmunds, W.M., Darling, W.G., Ma, J., Pang Z., Young A.A., 2008. Conceptual model of recharge to southeastern Badain Jaran Desert groundwater and lakes from environmental tracers. Applied Geochemistry 23: 3519-3534.

2007年度

马金珠, 黄天明, 丁贞玉, Edmunds WM. 同位素指示的巴丹吉林沙漠南缘地下水补给来源. 地球科学进展. 2007, 22(9): 922-930.

2006年度

Ma J., WM Edmunds. 2006. Groundwater and lake evolution in the Badain Jaran desert ecosystem, Inner Mongolia. Hydrogeology Journal, 14: 1231-1243.

Edmunds W.M, Ma J., Aeschbach-Hertig, W., Kipfer, R., Darbyshire, D.P.F., 2006. Groundwater recharge history and hydrogeochemical evolution in the Minqin Basin, North West China. Applied Geochemistry, 21: 2148-2170.

马金珠, 王刚, 李丁, 颉耀文. 2006. 民勤盆地沙漠化贫困化与水资源开发利用. 自然资源学报, 21(4): 1-8.

2005年度

Ma J., Wang X.S., Edmunds WM. 2005. The characteristics of groundwater resources and their changes under the impacts of Human activity in the arid northwest China-a case study of Shiyang river basin. Journal of Arid Environments, 61(2): 277-295.

Ma J., Wang G., Huang T., Ding Z., Edmunds WM. Groundwater Recharge Rate and Recharge history during the Last 1200 Years in the Badain Jaran Desert. In: Cheng G., Lei Z., and Lars B. et al (Eds) Proceedings of International Symposium on Sustainable Water Resources Management and oasis-hydrosphere-desert Interaction in Arid Regions 27-29, October 2005, Beijing : China Tsinghua University Press, 359-369 (ISTP）

[1] 马金珠，朱中华, 于保静. 石羊河流域水环境演化与水资源合理利用. 兰州: 兰州大学出版社, 2005.

[2] 石培泽, 马金珠. 干旱区节水灌溉理论与实践. 兰州: 兰州大学出版社, 2004.

[3] 潘峰，马金珠，周立辉，陈丽华. 黄土中石油污染物的迁移转化与土壤修复研究. 兰州大学出版社，2013。

[4]马金珠，王雄师，张鹏，齐识.白龙江流域滑坡泥石流地质灾害与风险分析. 兰州: 兰州大学出版社, 2015.