擁有大約 6.6 億居民的拉丁美洲和加勒比地區發現自己很容易受到氣候變化中可用水量減少的影響。如果不加以解決，氣溫升高和土地利用的突然變化將繼續導致地表水質量和數量下降，從而迫使更多地依賴地下水抽取。如果要解決這個問題，就需要進一步研究(地下水)的可用性、補充率和質量。曾在英國蘭開斯特(英國)生態學和水文學中心工作的 Soto 博士和來自哥斯達黎加穩定同位素研究小組國家大學的 Sánchez-Murillo 博士一直在接受挑戰。
穩定同位素是原子的非放射性形式。作為示蹤劑，這些同位素可用于更好地表征和模擬各種化學和生化系統。例如，水穩定同位素是一種可靠、快速且成本相對較低的技術，可用于追蹤復雜景觀中降雨輸入與地表/地下水連通性之間的相互作用。他們對陸地生態系統和水循環之間的復雜性提供了獨特的見解，尤其是在氣候變化的情況下。
發達國家已經利用環境示蹤劑獲取有關水模式的精確信息幾十年了，但拉丁美洲和加勒比 (LAC) 地區的這種方法應用有限。目前的研究和編輯工作由前英國蘭開斯特生態與水文學中心的 David X. Soto 博士和哥斯達黎加國立埃雷迪亞大學化學系穩定同位素研究組的 Ricardo Sánchez-Murillo 博士帶頭，一直在解決這個問題。該團隊與許多組織合作，正在該地區的水文研究方面取得重大進展。例如，該倡議的結果將促進中美洲地峽的可持續發展規劃，最終改善其水安全和可持續性。
同位素與水循環
對地球上水的運動和分布的科學研究稱為水文學，包括所謂的“水循環”。水循環概述了水如何在地球表面和大氣層之上、之下和之下不斷移動。該循環(也稱為水文循環)的要素包括降水/降雨、河流、湖泊、水質、地下水和流量特征。如果準確監測降雨、地表水和地下水之間的聯系，就可以確定湖泊和河流流域的水源和水量。這也適用于含水層;這些是容納地下水的巖石和沉積物。以這種方式進行監測還使我們能夠了解植被和作物如何消耗水。
該團隊能夠為中美洲地峽開發區域化降雨等值線圖。
天然存在的同位素與有意添加的同位素分開。例如，氘(氫 2，原子核中有一個質子和一個中子)是一種同位素，是普通氫(只有一個質子)重的兩倍。它的使用基于通過測量兩種同位素相對于國際標準的比率來獲取有關系統的信息。在 LAC 地區，氫同位素等水文示蹤劑以前沒有得到充分利用，或者至少沒有得到充分利用。Soto 博士和 Sánchez-Murillo 博士從幾個國家(阿根廷、巴西、智利、哥斯達黎加、古巴、馬提尼克島和墨西哥)中選擇了一些研究進行匯編，并與這些國家的團隊合作，解決了這部分研究中的數據稀缺問題。世界。許多這些研究小組收集了最近并存檔的穩定同位素測量數據集，這些數據集是從降雨、地下水和地表水樣本中匯編而成的。許多后者是從位于奧地利維也納的國際原子能機構(IAEA)同位素水文學科的數據庫中提取的。全球降水同位素網絡(GNIP)是 IAEA 和世界氣象組織(WMO)于 1960 年發起的全球降水同位素監測網絡。GNIP 主要分析氘和氧 (oxygen-18) 環境同位素的時空變化。在這方面，
調查和監測水文聯系：以中美洲干旱走廊為例
在中美洲，有一條被稱為中美洲干旱走廊 (CADC) 的土地，從恰帕斯州(墨西哥)一直延伸到哥斯達黎加西部和巴拿馬西部省份。這是一種稱為“地峽”的地理特征。地峽連接兩個較大的陸地并分隔兩個水體。在旱季，通常從 11 月中旬到 5 月中旬，該地區的特點是環境溫度相對較高，降雨量很少。該地區對地下水的需求很大，因為農業、旅游、采礦和水電等一些活動使用了有限的水源，再加上氣候變化，使得地表水變得更加稀缺。此外，長期干旱正成為常態，隨著水污染(人口增長和土地使用不受管制的結果)升級，很明顯，利益相關者(如政府和環境機構)需要科學家幫助他們更好地了解陸地與水資源的聯系。通過收集可靠的水文數據，可以實施水資源短缺緩解戰略，并采用有效的可持續水資源管理實踐。
中美洲國家必須升級其水資源監測和管理方法，因為這對該地區的許多社會經濟活動至關重要。為實現這一目標，一個關鍵驅動因素是更好地了解控制與地下水和地表水供應相關的降雨模式的因素。地下水通過土地在稱為“補給”的過程中吸收水分而得到補充，而地表水則在陸地等高線上自由排放或流動。
分布映射
隨著最近整個 CADC 的采樣活動，目的是獲得降雨、地表水和地下水中穩定同位素變化的更好的空間和時間覆蓋。降雨穩定同位素數據集由每周和每天收集的 1,873 個樣本(2013-2018 年)組成。地下水來自井和泉水，而地表水僅從主要河流和溪流中采樣。結合檔案和最近的同位素數據，在國際原子能機構同位素水文部門的寶貴幫助和使用 GNIP 數據庫的幫助下，該團隊能夠為中美洲地峽開發區域化降雨等值線圖。實際上，isoscape 是同位素分布圖，在這種情況下，它允許確定降雨-地下水補給相互作用。
數據開始描繪出具有明顯規律大氣環流模式的地峽。
有了這些知識和同位素遞減率(同位素隨高度的變化)，該團隊就能夠確定潛在的補給高度。這是主要進行相關地下水補給的海拔范圍的指標。
也許最令人著迷的是科學家們使用算法來計算氣團反向軌跡，使用 NOAA 的 HYSPLIT 模型。使用時間分辨率和關鍵參數(例如開始時間、位置和高度)，確定氣團的平均位置并按時間向后模擬 48 小時。該團隊總共創建了 476 條氣團返回軌跡，并將它們分為旱季(1 月至 4 月)和雨季(5 月至 12 月)分組。在這樣做的過程中，出現了水分循環模式，這使他們能夠對跨越中美洲地峽的控制水分輸送機制進行比較。
重大差距
結果是驚人的。數據開始描繪出具有明顯規律大氣模式的地峽。降雨同位素組成的區域化時間模式揭示了 CADC 北部的顯著同位素指紋，水分輸送主要受加勒比海半封閉盆地控制。同樣，該研究分別揭示了雨季和仲夏干旱期間降水中的其他同位素信號。地下水和地表水同位素描繪了加勒比和太平洋區域的強烈地形分離。這種分離取決于山脈的形式和位置，在這種情況下，主要是由加勒比海的控制水分輸送引起的，實現了跨越南北山脈的復雜降雨模式。計算的補給高程指向高原地區的地下水補給，同時表明地表水和地下水庫之間有明確的聯系。注意到的時間和空間差距是顯著的，對 CADC 內地下水資源的可持續性具有巨大影響。
這項工作首次對 CACD 地區的時空同位素變異進行區域綜合。它強調了對地下水供應及其使用情況進行緊急重新評估的必要性。除其他意圖外，他們的研究結果應為中美洲地峽的水保護監管決策和可持續性規劃提供信息，同時從他們的研究中獲得的知識對促進水安全和加強森林保護實踐產生影響。這樣做，其他熱帶和亞熱帶地區應該能夠從他們的藍圖中受益。
中美洲干旱走廊受季節性干旱影響的玉米田。
