地球環(huán)境所在區(qū)域尺度土壤水力參數(shù)建模與土壤干層時空演化方面取得新進(jìn)展

土壤水文過程在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)水碳循環(huán)及全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用，而土壤水力參數(shù)則控制著土壤中水分和溶質(zhì)的運移與儲存，是量化土壤水文過程的關(guān)鍵指標(biāo)。由于直接原位觀測成本高昂，傳遞函數(shù)模型（PTF）作為一種基于易測參數(shù)間接推算土壤水力參數(shù)的方法，因其低成本與高效率而受到廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有大尺度土壤水力參數(shù)PTF多聚焦于淺層（< 1 m），難以反映深層土壤水文過程，而小尺度研究的跨區(qū)域適用性有限。在全球氣候變化與水資源緊張的背景下，亟需建立適用于大尺度且能反映深層過程的土壤水力參數(shù)PTF。

基于上述背景，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所王云強(qiáng)研究員團(tuán)隊，在黃河流域（79.5萬 km2）開展了全流域原位采樣，獲取了0–5 m的原狀土樣，分析了土壤容重、飽和含水量、殘余含水量及van Genuchten模型形狀參數(shù)等關(guān)鍵土壤水力參數(shù)的空間分布及其環(huán)境控制因子，進(jìn)而建立了黃河流域0–5 m土壤水力參數(shù)的PTF，并基于新建PTF預(yù)測了黃河流域主要土壤水力參數(shù)在0–1 m和1–5 m層的空間分布（圖1、圖2）。研究表明，新模型在黃河流域內(nèi)的預(yù)測精度優(yōu)于已有模型，并發(fā)現(xiàn)區(qū)域尺度深層土壤水力參數(shù)受土壤物理、化學(xué)性質(zhì)、地形、深度等因子的共同影響。黃河流域土壤水力參數(shù)整體上存在中等至強(qiáng)烈的空間依賴性，且深層比淺層表現(xiàn)出更強(qiáng)的空間依賴性；土壤水力參數(shù)的空間分布整體上表現(xiàn)出東北-西南方向的條帶狀和區(qū)塊型相結(jié)合的聚類模式，不同地域間存在明顯差異。

基于黃河流域土壤水力參數(shù)的空間分布，團(tuán)隊結(jié)合已發(fā)表的0–10 m剖面土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集，進(jìn)一步揭示了黃土高原區(qū)域尺度土壤干層的時空演化特征，量化了退耕還林草工程的生態(tài)水文影響。團(tuán)隊以退耕還林草工程實施時間（1999年）為分界點，分階段一（1985–1999年）和階段二（2000–2015年）構(gòu)建隨機(jī)森林模型，獲得了1985–2015年間黃土高原區(qū)域尺度土壤干層的時空分布圖譜。對比分析發(fā)現(xiàn)，與階段一相比，階段二的土壤干層分布由干旱和半干旱區(qū)向半濕潤區(qū)擴(kuò)展，干層內(nèi)平均含水量降幅為1.2%，表明退耕還林草工程實施后區(qū)域尺度的土壤干層呈加劇態(tài)勢。為進(jìn)一步緩解黃土高原植被變綠與土壤干層加劇之間的矛盾，團(tuán)隊在總結(jié)了前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了在區(qū)域和流域尺度整合植被配置、樣地尺度加強(qiáng)植被管理的協(xié)同建議（圖3）。

上述研究成果彌補(bǔ)了區(qū)域尺度深層土壤水力參數(shù)數(shù)據(jù)及其預(yù)測模型研究的不足，解析了基于土壤水力參數(shù)建立的土壤干層演變趨勢，為區(qū)域土壤水文過程模擬、生態(tài)恢復(fù)影響評估與應(yīng)對提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

相關(guān)成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hydrology和Geoderma上，王云強(qiáng)研究員為唯一通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（U24A20629、42177306)、中國科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊、陜西省自然科學(xué)基金等的共同資助。

Tong, Y., Wang, Y.*, Zhou, J., et al., 2025. Expanding scales: Achieving prediction of van Genuchten model hydraulic parameters in deep profiles by incorporating broad in situ soil information in pedotransfer functions. Journal of Hydrology, 132912.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2025.132912

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Zhou, Z., Wang, Y.*, Zhang, C., et al., 2025. Expansion and intensification of deep soil drying on the Loess Plateau of China over the last three decades. Geoderma, 461, 117459.https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117459

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圖1?黃河流域0–1 m剖面土壤水力參數(shù)空間分布

圖2 黃河流域1–5 m剖面土壤水力參數(shù)空間分布

圖3?土壤干層識別、影響因子及治理目標(biāo)與實施路徑