地球環境所在區域尺度土壤水力參數建模與土壤干層時空演化方面取得新進展

土壤水文過程在調控生態系統水碳循環及全球氣候變化中發揮著重要作用，而土壤水力參數則控制著土壤中水分和溶質的運移與儲存，是量化土壤水文過程的關鍵指標。由于直接原位觀測成本高昂，傳遞函數模型（PTF）作為一種基于易測參數間接推算土壤水力參數的方法，因其低成本與高效率而受到廣泛關注。然而，現有大尺度土壤水力參數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PTF。

基于上述背景，中國科學院地球環境研究所王云強研究員團隊，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模型形狀參數等關鍵土壤水力參數的空間分布及其環境控制因子，進而建立了黃河流域0–5 m土壤水力參數的PTF，并基于新建PTF預測了黃河流域主要土壤水力參數在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的預測精度優于已有模型，并發現區域尺度深層土壤水力參數受土壤物理、化學性質、地形、深度等因子的共同影響。黃河流域土壤水力參數整體上存在中等至強烈的空間依賴性，且深層比淺層表現出更強的空間依賴性；土壤水力參數的空間分布整體上表現出東北-西南方向的條帶狀和區塊型相結合的聚類模式，不同地域間存在明顯差異。

基于黃河流域土壤水力參數的空間分布，團隊結合已發表的0–10 m剖面土壤水分數據集，進一步揭示了黃土高原區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水文影響。團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）構建隨機森林模型，獲得了1985–2015年間黃土高原區域尺度土壤干層的時空分布圖譜。對比分析發現，與階段一相比，階段二的土壤干層分布由干旱和半干旱區向半濕潤區擴展，干層內平均含水量降幅為1.2%，表明退耕還林草工程實施后區域尺度的土壤干層呈加劇態勢。為進一步緩解黃土高原植被變綠與土壤干層加劇之間的矛盾，團隊在總結了前人研究成果的基礎上，提出了在區域和流域尺度整合植被配置、樣地尺度加強植被管理的協同建議（圖3）。

上述研究成果彌補了區域尺度深層土壤水力參數數據及其預測模型研究的不足，解析了基于土壤水力參數建立的土壤干層演變趨勢，為區域土壤水文過程模擬、生態恢復影響評估與應對提供了基礎數據支撐。

相關成果近期發表于國際學術期刊Journal of Hydrology和Geoderma上，王云強研究員為唯一通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金（U24A20629、42177306)、中國科學院創新交叉團隊、陜西省自然科學基金等的共同資助。

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剖面土壤水力參數空間分布

圖2 黃河流域1–5 m剖面土壤水力參數空間分布

圖3?土壤干層識別、影響因子及治理目標與實施路徑