【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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。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，中國科學院地球環(huán)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(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烈的空間依賴性，且深層比淺層表現(xiàn)出更強的空間依賴性；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，團隊結(jié)合已發(fā)表的0–10 m剖面土壤水分數(shù)據(jù)集，進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(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、樣地尺度加強植被管理的協(xié)同建議(圖3)。
上述研究成果彌補了區(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。
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與實施路徑
相關(guān)成果近期發(fā)表于國際學術(shù)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(chuàng)新交叉團隊、陜西省自然科學基金等的共同資助。
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