地球科学进展, 2021, 36(2): 113-124 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.016

综述与评述

土壤水文属性及其对水文过程影响研究的进展、挑战与机遇

贺缠生,1,2, 田杰1, 张宝庆1, 张兰慧1

1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室旱区流域科学与水资源研究中心,甘肃 兰州 730000

2.Department of Geography,Western Michigan University,Kalamazoo,MI 49008 USA

A Review of Advances in Impacts of Soil Hydraulic Properties on Hydrological Processes, Challenges and Opportunities

HE Chansheng,1,2, TIAN Jie1, ZHANG Baoqing1, ZHANG Lanhui1

1.Center for Dryland Water Resources Research and Watershed Science,Key Laboratory of West China's Environmental System (Ministry of Education),College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

2.Department of Geography,Western Michigan University,Kalamazoo,MI 49008,USA

收稿日期: 2021-01-09   修回日期: 2021-02-01   网络出版日期: 2021-04-25

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“土壤水文属性对山区水文过程的影响机理及多尺度效应”.  42030501
“黑河上游土壤水文异质性观测试验及其对山区水文过程的影响”.  91125010

Received: 2021-01-09   Revised: 2021-02-01   Online: 2021-04-25

作者简介 About authors

贺缠生(1958-),男,陕西蓝田人,教授,主要从事流域水文过程、水文模型、流域科学与旱区水资源可持续利用的理论和方法研究.E-mail:he@wmich.edu

HEChansheng(1958-),male,LantianCounty,ShaanxiProvince,Professor.Researchareasincludewatershedhydrology,hydrologicalmodeling,watershedscience,andwaterresourcesmanagement.E-mail:he@wmich.edu

摘要

土壤水文属性对水文过程、能量过程、碳氮循环过程及各过程间相互作用有重要影响。首先简要回顾近30年来土壤水文属性的研究进展,包括土壤水文属性的监测分析、土壤水文属性对水文过程的影响机理,以及不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响差异及联系。其次,论述土壤水文属性研究的挑战与机遇。最后介绍祁连山区土壤水文属性对水文过程的影响及多尺度特征研究。力求加深对土壤水文属性变异规律及其对水文过程影响机理的认知,发展土壤水文学和山区水文学,支持水资源科学管理和区域可持续发展。

关键词: 土壤水文属性 ; 水文过程 ; 尺度特征 ; 水资源管理

Abstract

Soil hydraulic properties regulate hydrological processes, energy exchange, carbon and nitrogen cycling processes and the interactions among them over multiple scales. This study first briefly reviews the advancement in soil hydrological research over the past 30 years, including in situ observation and monitoring of hydraulic properties, the effects of soil hydraulic properties on hydrological processes, and the mechanism and scaling effects of soil hydraulic properties on hydrological processes at multiple spatial scales (soil profile, hillslope, watershed, and region). Subsequently, it discusses the challenges and opportunities in soil hydraulic property research. Finally, it describes a case study of analysis of impacts of soil hydraulic properties on hydrological processes in the Qilian Mountain Ranges in Northwest China. This study serves as food for thought to improve current understanding of the effects of soil hydraulic properties on hydrological processes, enhance soil hydrology and mountainous hydrology, and in turn, support water resources management and regional sustainable development.

Keywords: Soil hydraulic properties ; Hydrological processes ; Scaling ; Water resources management

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贺缠生, 田杰, 张宝庆, 张兰慧. 土壤水文属性及其对水文过程影响研究的进展、挑战与机遇. 地球科学进展[J], 2021, 36(2): 113-124 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.016

HE Chansheng, TIAN Jie, ZHANG Baoqing, ZHANG Lanhui. A Review of Advances in Impacts of Soil Hydraulic Properties on Hydrological Processes, Challenges and Opportunities. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(2): 113-124 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.016

1 引 言

土壤是连接大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的介质,它既为人类提供了栖居地,又是一个包含多种矿物质和营养元素、气体、水分、有机质、微生物和动植物并相互作用的生态系统。土壤系统的组成、结构、功能及相互作用的动态变化影响水循环、能量交换、生物多样性、生态系统服务、粮食安全、气候变化、区域发展和人类福祉1~3

土壤水文属性是指影响水文过程的各种土壤物理和化学性质参数,主要包括土壤质地、容重、有机质、孔隙度、饱和导水率、非饱和导水率、田间持水量、凋萎含水量和饱和含水量等,其对水文过程、能量交换、气候变化、碳氮循环过程及各过程间相互作用具有重要影响,且不同尺度土壤水文属性对上述过程的影响机理不同4~12

水文过程研究是科学管理水资源、保障区域水安全、实现联合国2030可持续发展目标(UN SDGs)的基础11314。近30年来,随着科学理论、监测技术、分析方法和模型模拟的发展,土壤水文属性的时空变化规律及其对水文过程的影响机理研究取得了长足进展1~315。然而,目前对不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性认识不足13,不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理尚不明晰31617,土壤水文属性对水文过程影响的尺度效应缺乏认知31819图1)。尤其在地形复杂的高海拔山区,水文过程往往呈多尺度嵌套特征,使得土壤水文属性对水文过程影响更为复杂31020。但高海拔山区相关研究更为匮乏,限制了山区水文学基础理论与模型方法的发展和应用21。准确识别和刻画不同尺度土壤水文属性空间异质性对水文过程的影响机理,是将小空间尺度上获得的认知、规律和机理向流域、区域和全球尺度扩展的关键34

图1

图1   土壤水文属性对水文过程影响机理的尺度效应及对比分析

Fig.1   Comparison of impacts of soil hydraulic properties on hydrological processes at multiple scales


本文简要回顾近30年来土壤水文属性的多尺度观测及尺度转换研究及不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响研究进展;论述土壤水文属性及其对水文过程影响研究的挑战与机遇;最后介绍祁连山区土壤水文属性对水文过程的影响及多尺度特征研究。抛砖引玉,以期促进土壤水文属性变异规律及其对水文过程影响机理的认知。

2 土壤水文属性及其对水文过程影响的研究进展

2.1 不同尺度土壤水文属性主要监测方法

点尺度的监测包括野外原位监测与采集野外原状土与扰动土进行现场或实验室测量。点尺度主要土壤水文属性监测方法包括:土壤入渗率:主要包括双环入渗仪、单环入渗仪以及Guelph入渗仪等定水头方法测量土壤达到稳定状态时的入渗率,以及Philip-Dunne入渗仪与盘式入渗仪等降水头方法不需入渗达到稳定即可测量入渗率(其中双环入渗仪定水头法是最传统的测量方法之一,但是定水头方法费力费时,且很难应用于坡地研究,而降水头方法更加省时省力22)。田间持水量:野外主要利用围框淹灌法通过测量重力排水之后的土壤含水量作为田间持水量,实验室则主要利用容重环法测定以及利用土壤水分特征曲线中取基质势为1/10~1/3 bar时土壤含水量作为田间持水量,但是对于排水时间以及基质势的选择仍有一定争议2324土壤凋萎系数:主要在实验室利用容重环测量的土壤水分特征曲线取6 bar和15 bar时土壤含水量分别作为初始凋萎含水量和永久凋萎含水量24土壤饱和导水率:常用方法为利用容重环原状土在实验室采用定水头或降水头方法进行测量11非饱和导水率:常用方法为利用容重环在实验室采用压力膜或离心力法测量获取土壤水分特征曲线,结合土壤饱和导水率与非饱和导水率模型得到1125土壤质地:主要通过采集野外土壤样品带回实验室利用吸管法、比重计法及激光粒度仪测量,其中吸管法与比重计法测定过程复杂,但测量结果精度高,激光粒度仪是最新测量方法24土壤有机质:常用方法为野外采集的扰动土带回实验室利用总有机碳分析仪法、烧失量法、水合热重铬酸钾氧化—比色法,其中总有机碳分析仪法精度最高26土壤容重:常用方法为野外通过容重环采集原状土进行烘干测量11土壤孔隙度:其中土壤总孔隙度可以通过容重环方法利用土壤容重通过公式转换得到11

土壤含水量也是重要的土壤水文属性,点尺度监测土壤含水量的方法主要包括:烘干称重法:通过野外用采集铝盒土壤样品,利用烘干法测量,是最标准的测量方法;射线法:主要包括中子仪方法;介电特性法:通过测定土壤介电常数确定土壤含水量,主要包括时域反射仪法(Time Domain Reflectometer, TDR)、频域反射仪法(Frequency Domain Reflectometer, FDR)与土壤水分传感器法112427

中尺度土壤水分监测方法主要包括:地球物理方法,主要包括探地雷达方法(Ground Penetrating Radar, GPR)、电磁感应方法(Electromagnetic Induction, EMI)、电阻率成像法(Electrical Resistivity Tomography, ERT),利用土壤介电特性原理测量田间尺度及坡面尺度土壤含水量2829地基及机载微波辐射计,利用安装在地面一定高度及飞行器上的微波辐射计可测量区域尺度(10 m2~10 km2)的土壤含水量30~32宇宙射线中子传感器(Cosmic Ray Neutron Sensing, CRNS ),可用于半径范围为130~240 m的圆形区域土壤含水量测量33,移动式CRNS测量器(CRNS Rover)可用于监测更大范围(如1~500 km2)的土壤含水量34土壤水分传感器法,通过在一定空间尺度布设土壤传感器网络测量区域土壤含水量,可用于田间尺度、坡面尺度至小流域尺度土壤含水量测量35

大尺度土壤水分监测方法主要为基于卫星的土壤水分遥感反演方法,具有测量尺度大、空间分辨率低(一般为3~50 km)且测量深度有限(一般为地面以下0~5 cm)的特点36。目前主要分为光学遥感、主动微波遥感、被动微波遥感和主被动结合遥感方法。目前主要的全球土壤水分遥感产品包括:SMAP(Soil Moisture Active Passive)37、SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)38、FY-3B(风云3号B)39、AMSR-E/2(Advanced Microwave Scanning Radiometer-E/2)40、ASCAT(Advanced Scatterometer)41和ESA-CCI(European Space Agency Climate Change Initiative)42

2.2 土壤水文属性的空间异质性及尺度特征研究

土壤水文属性的异质性是土壤理化性质在不同空间尺度上的差异性10,空间异质性是土壤水文属性的基本空间特征与重要研究内容4344。目前土壤水文属性参数的观测在点、样地等小尺度研究较多,在坡面、流域和区域尺度上的相关研究仍然比较薄弱415。现有研究中,土壤水文属性的空间异质性研究则多基于土壤采样、宇宙射线仪(Cosmic ray neutron probe)与遥感影像等数据源45,应用变异函数与交叉变异函数、线性混合模型、傅里叶变换、离散小波变换、经验模态分解等方法描述其空间特征4446。部分研究则基于土壤与环境变量(如地质、地形、气候及植被变量等)的关系而获得连续的土壤水文属性参数空间分布特征4748。然而,土壤水文属性具有复杂的非线性尺度关系,不同土壤水文属性的空间异质性可能随空间尺度增大而加强或抵消4749

土壤水文属性的多尺度特征是研究土壤水文属性的空间异质性的核心。目前,土壤水文属性的尺度转换研究方法主要有分形维数方法、基于权重的内插方法(地统计、小波分析与数据同化等)、幂律尺度转换方法及基于相似度的尺度转换方法(Miller-Miller尺度法)、土壤转换函数方法等5051。但是,土壤水文属性在不同空间尺度上具有复杂的变化特征,不同属性、不同尺度所适用的尺度转换方法各不相同52。因此,亟需开展不同尺度(如剖面—坡面—流域—区域尺度)上影响水文过程的关键土壤水文属性空间变异特征、尺度效应与转化方法研究。

2.3 基于观测的多尺度土壤水文属性对水文过程的影响研究

水文过程在不同尺度间存在一定的水力联系与转化关系,具体体现为:剖面尺度的主要水文过程为垂向入渗过程3,其关键土壤水文属性为土壤水力属性、土壤孔隙特征及容重等垂向分布特征等465354;剖面下渗过程是联系地表水与地下水、土壤水分配的纽带,土壤水文属性对下渗过程的影响机理也是联系降雨径流等水文过程的重要环节1655坡面尺度的主要水文过程为坡面产流过程(地表径流、侧向壤中流及地下径流过程),其关键土壤水文属性为地形、土壤水力属性、土壤孔隙度及土层厚度等56~58;坡面产流机理是流域尺度降雨产汇流等水文过程的基本响应单元5859,可外推于流域尺度的产汇流水文机理分析。流域尺度的主要水文过程为流域产汇流及蒸散发等过程,其关键土壤水文属性为土壤饱和导水率、土壤质地、地层特征与地质条件等6061;由于流域尺度是水文学研究的基本单元,流域尺度的产汇流机理及关键土壤水文属性分析可为区域尺度的水文过程与机理研究提供理论支持。区域尺度主要为区域产流过程与区域水文过程,主要受控于区域大气环流过程、陆气交换过程包括降雨、入渗、蒸散发、地表水与地下水相互作用和转换,以及陆面过程对大气降水的反馈,涉及不同流域之间的相互作用,如流域之间地表径流与地下径流之间的水力联系与相互转化等。区域尺度水文过程受植被类型和地形特征等区域下垫面特征影响,其关键土壤水文属性与流域尺度较为类似,包括土壤质地、土壤饱和导水率和区域关键带架构特征(主要是土层厚度和隔水层深度分布)62~65。因此,不同尺度上的主要水文过程不同,影响水文过程的关键土壤水文属性不同1766

不同尺度上土壤水文属性对水文过程的影响机理是水文学研究的前沿问题,需要基于不同的观测分析方法阐明多尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理31867。基于长期定位观测,建立土壤水文属性和水文状态变量(如土壤水分等)间的相关关系以阐释其影响机理,是最直接、最有效的做法68。在此基础上,可结合同位素示踪技术在剖面、田间、坡面和小流域等空间尺度上研究土壤水文属性对径流形成过程、径流路径、壤中流过程、传输时间等水文过程的影响机理68~70。在小尺度上(剖面、坡面尺度及小流域尺度)可进行详细的土壤水文属性及水文过程观测,而在大尺度上(大流域尺度及区域尺度),细致的水文过程及机理观测难度较大67。因此,如何将小尺度观测到的规律、机理及分析结果合理应用至大尺度的机理研究,促进区域尺度水文模型的发展,满足区域水资源管理的需求,是目前水文学研究的难点与热点18

综上所述,目前多尺度土壤水文属性与水文过程研究均是基于单一尺度,缺乏完整的多尺度土壤水文属性综合研究,导致对不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理研究缺乏可靠的基础理论。尤其在地形复杂的高海拔山区,多尺度水文过程的机理及转换方法的缺失,限制了山区水文过程理论方法和水文模型的发展与应用。因此,亟需通过在地形复杂山区建立剖面—坡面—流域—区域的多尺度土壤水文属性及水文过程监测网络,研究土壤水文属性及水文过程的尺度变化特征,揭示不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理及其尺度特征。但是由于土壤水文属性及水文过程时空异质性极强,受限于野外监测的代表性,仅仅依靠野外监测的分析无法综合认识水文过程,野外定位观测需要与模型模拟相结合。

2.4 多尺度土壤水文属性对水文过程影响的模拟分析

水文模型作为研究水文过程的重要工具,是分析土壤水文属性对水文过程影响机理的重要方法,也是水文学的重要研究方向18。基于物理过程的水文模型被广泛应用于剖面(如HYDRUS-1D)、坡面(如HYDRUS-2D/3D)71、流域(如SWAT-Soil and Water Assessment Tool)72和区域尺度(如Weather Research and Forecasting-Hydro,WRFHydro)的土壤水文属性参数对水文过程的影响机理研究61。大量观测证据表明,土壤水文属性参数是影响水文过程模拟的重要因素,且不同水文过程对各参数具有不同的敏感性616973。在不同的空间尺度上,各参数的敏感性会发生变化55,主控参数及主控水文过程也会发生变化6266

基于物理过程的水文模型崇尚不进行参数率定以使水文模拟更加依赖于对水文过程物理规律的正确认识74。然而这类水文模型描述复杂的多尺度水文过程,需要数量庞大的参数体系,因此,利用基于物理过程的水文模型准确认识水文过程规律依赖于土壤水文参数和内部水文过程的实证。但高海拔山区水文参数与水文过程时空监测困难,精确的观测数据十分缺乏,导致模拟结果与实际观测结果的偏差较大75。由于监测困难,目前大尺度水文模型仍广泛采用全球范围的土壤属性数据集,如Harmonized World Soil Database(HWSD)、WISE30sec(World soil property estimates for broad-scale modelling)、GSDE(Global Soil Dataset for Earth System Model)及SoilGrids等通用数据集47677。但以上数据集的关键土壤水文属性(如土壤水力属性)数据均是通过土壤转换函数(Pedotransfer Functions, PTFs)获取,其精度依赖于区域实际观测数据的丰富程度,在观测数据缺乏地区仍存在较大的不确定性4。在高海拔山区,观测数据匮乏,其不确定性更大,严重影响水文及陆面模型的模拟效果78。同时,土壤水文属性数据的垂直分布信息不足,导致土壤水文属性的剖面分布信息失真,严重限制了多尺度水文过程的研究与模拟50。因此,土壤水文参数的不确定性仍然是水文及陆面模型模拟不确定性的重要来源之一,需要增大在数据缺乏地区的野外采样调查和定位观测研究。

水文模型强调对模型参数空间异质性的准确与详尽表达以刻画水文过程的空间异质性。当前广泛应用的分布式水文模型或陆面模型,如SWAT(定义水文响应单元)、HYDRUS及WRF-Hydro(定义模拟网格尺度)往往通过将土壤异质性集总为一定尺度单元上的有效参数来表征从而进行模拟7980。土壤水文属性点尺度的测量结果与不同尺度上水文模拟之间的关系73,流域、区域分布式水文模型空间单元内的参数异质性的准确表达62等均为影响模型模拟的重要因素。通过研究小尺度内土壤水文参数的空间异质性、引进坡面地形信息(表面曲率、土壤厚度、根系深度)及空间遥感数据等辅助连续信息来表征网格单元内土壤水文属性的空间异质性5981,一定程度上改善了水文过程的模拟效果。基于土壤水文属性的尺度转换方法,利用多尺度参数区域化方法(Multiscale Parameter Regionalization, MPR)可在研究区域构建不同空间尺度连续变化的参数集,为多尺度水文过程模拟提供基础62。然而,目前在地形复杂的高海拔山区,由于监测数据稀少,土壤水文参数的各尺度参数化方法均较为缺乏,需要通过多空间尺度上的监测数据,发展合理的尺度表达和拓展方法,选择合理的多尺度参数化方法,模拟研究不同尺度土壤水文属性空间异质性对水文过程的影响。

基于模型研究多尺度上土壤水文属性对水文过程的影响机理,依赖于多尺度上土壤水文属性参数和水文过程的系统性观测以及多种监测技术的联合应用。通过新的技术手段和方法(如TDR、GPR、同位素、SoilNet和CRNS),开展山区土壤水文属性、水文过程观测,研究其空间异质性,探讨不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理及尺度效应,发展山区水文模型和模拟方法,对丰富高海拔山区水文过程研究及干旱半干旱区生态保护和水资源可持续管理,具有重要的理论和实践意义。

3 土壤水文属性及其对水文过程影响研究的挑战与机遇

土壤水文属性及水文过程均存在复杂的多尺度特征,关键土壤水文属性在不同尺度上因为受尺度效应影响而导致其对水文过程的影响机理不同,揭示不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理,并分析其差异和联系,是进行水文过程研究、推动水文模型改进、开展水资源变化模拟分析亟需解决的核心科学问题。

1) 土壤水文属性和水文过程的多尺度监测系统——成本高,周期长,监测困难

土壤水文属性目前主要以点尺度观测为主,大尺度土壤水文属性则通过点尺度加密监测进行尺度拓展得到。但是土壤水文属性空间异质性强,不同尺度的空间异质性规律及尺度拓展方法认识不足,导致很难获取多尺度土壤水文属性观测数据以满足多尺度水文过程研究需要。其次,部分水文过程的多尺度监测困难,尤其在高海拔山区。如壤中流过程时空异质性强,监测困难;山区岩石水分(Rock moisture)是山区水文循环中的重要部分,但是目前仍缺乏有效观测手段82

近年来,观测手段与技术方法的发展为解决土壤水文属性与水文过程的多尺度监测提供了新的机遇。如结合多尺度测量(如地球物理方法与点尺度测量结合)方法成功用于获取田间尺度土壤水文属性的空间分布83。机器学习方法等新方法则被用于获取大尺度土壤水文属性的空间分布1684。CRNS及CRNS-Rover技术可用于获取介于点尺度与遥感尺度之间尺度土壤含水量的测量。遥感技术的发展为多尺度水文过程监测提供了新机遇85,如测量全球尺度降雨(The Tropical Rainfall Measuring Mission, TRMM)86、测量冰川积雪(Ice, Cloud and land Elevation Satellite与CryoSat-2, ICESat2/Ice)87、蒸散发(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)88、NASA2018年发射的70 m分辨率的蒸散发观测传感器(The ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station, ECOSTRESS)89、地表水(Surface Water and Ocean Topography, SWOT)90、土壤水(SMOS与SMAP)3891、地下水储量(The Gravity Recovery and Climate Experiment, GRACE)92

2) 不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性识别及控制性实验周期长

不同尺度上的主要水文过程不同,土壤水文属性直接或间接影响水文过程,但是不同尺度上土壤水文属性对水文过程的协同控制机制仍然缺乏认识,不同尺度上影响水文过程的关键土壤水文属性认识不足。而受自然界土壤—地形—植被共同演化影响,不同尺度上土壤水文属性对水文过程影响的对比观测实验周期长,对比监测困难。

最新观测技术与水文模型的发展为综合识别不同尺度上影响水文过程的关键土壤水文属性提供了机遇。如地球物理方法与无线传感器网络方法可以用于研究点尺度—坡面尺度—流域尺度的土壤水文属性及土壤水文过程,蒸渗仪、涡度相关仪与大孔径闪烁仪结合可以获取从点尺度到小流域尺度的蒸散发过程,遥感则为大尺度水文过程观测提供了新方法,为进行不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性识别提供了新的机遇。同时,基于多尺度土壤水文属性及水文过程观测结果,结合多尺度参数区域化方法(如Multiscale Parameter Regionalization, MPR)93,可进一步验证水文模型内蕴机理假设,促进物理水文模型发展,从而利用水文模型识别影响水文过程的关键土壤水文属性。

3) 不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理

目前不同尺度、不同环境下影响水文过程的主控因素存在差异,其主要原因是土壤水文属性对水文过程的影响机理认识不足。该研究主要依赖于多尺度土壤水文属性及水文过程的详细观测,或物理水文模型的发展。目前不同尺度上水文过程仍存在难以量化的问题,如壤中流的形成及发展过程时空异质性极强且难以量化,导致难以分析水文过程受土壤水文属性的影响机理。

连通性是理解水文过程形成及发展(如径流、壤中流和地下径流等过程)的重要理论框架5894。近年来,最新多尺度水文过程详细监测手段(如地球物理方法和土壤水监测网络等)与连通性分析方法(如相似性分析和互信息法等方法)被用于揭示水文过程连通性,以详细表征水文过程。同时,最新的统计方法(如地理探测器95)被用于揭示不同尺度上土壤水文属性空间异质性对水文过程发生发展的影响机理。此外,受野外监测的局限性影响,考虑了参数异质性的物理水文模型是揭示土壤水文属性对水文过程影响机理的重要手段。因此,结合多尺度监测、水文连通性分析与水文模型模拟是研究不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理的重要方法。

4) 土壤水文属性对水文过程影响的多尺度特征——综合性高,交叉性强

不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性及其对水文过程的影响机理均不同。但是水文过程及其控制机制在不同尺度是如何转变,其尺度变化规律等问题是水文学研究中亟待解决的重要问题。多尺度特征分析需要以多尺度监测为基础,涉及到土壤、植被、水文过程的综合监测。

针对多尺度水文过程观测存在的不足,目前国际上已经建立了多个水文过程多尺度监测网,积累了高精度、长序列和多尺度观测数据。如全球的地球关键带观测计划CZO(Critical Zone Observation)96、丹麦的HOBE(Danish hydrological observatory)97、中国的Heihe Integrated Observatory Network20、澳大利亚的TERN (Terrestrial Ecosystem Research Network)、欧洲的ENOHA(European Network of Hydrological Observatories, www.enoha.com),以及德国的TERENO(Terrestrial Environmental Observatories)67。以上多尺度水文过程监测网将为研究土壤水文属性对水文过程影响的多尺度特征提供重要基础。

4 高寒山区不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响研究范式探索——以祁连山为例

祁连山区位于青藏高原东北部,是国家“一带一路”倡议的重要节点,也是石羊河、黑河和疏勒河等内陆河的发源地。其出山径流维持着中下游人民的生产生活及绿洲、湖泊等生态环境的可持续发展98。近年来祁连山局部地区生态环境持续恶化,主要表现为植被退化、水源涵养和水土保持功能下降,加之河西走廊经济的发展和农业生产规模的扩大加剧了该区水资源供需矛盾,威胁着内陆河中游和下游地区的水资源与生态安全及社会稳定9899。祁连山区地形复杂,景观空间变异大,其水文过程复杂且具有强烈的空间异质性。祁连山区不同尺度上水文过程往往表现出不同的特征,且影响水文过程的土壤水文属性具有明显差异100101

国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态—水文过程集成研究”,在祁连山区开展了大量研究。其中,与土壤水文属性相关的主要研究如下:土壤水文属性制图方法的研究。主要是基于野外采样,应用地理加权回归等方法获取土壤有机质数据,应用机器学习法等获取土壤粒度、土壤有机质及土壤厚度等大尺度空间数据102~105,为祁连山区的多尺度土壤水文属性综合研究提供了基础。水文过程的研究。基于不同尺度水文过程及通量的观测,研究了黑河上游降雨的空间分布106~108、蒸散发观测及模型评估109~111、入渗与产流过程112~116以及流域尺度径流过程、来源及径流变化研究101117118,揭示了山区不同尺度水文过程的规律及机理,但其研究相对较分散。流域水文模型及水文模拟118~121,提高了内陆河流域水资源形成转化过程的理解和预测能力。这些研究提高了我们对不同尺度土壤水文属性及水文过程的认识。但上述研究多关注点尺度、坡面尺度土壤水文属性对水文过程的影响,在流域和区域等大尺度的相关研究较少;土壤水文属性对水文过程的影响机理尚不明确,对尺度特征的研究和理解仍有待于进一步加强98

综上所述,目前亟需开展祁连山区多尺度土壤水文属性变异规律研究,分析不同尺度土壤水文属性和水文过程的变化特征,识别不同尺度下影响水文过程的关键土壤水文属性,揭示山区不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机制,刻画土壤水文属性对山区水文过程影响的多尺度特征及其差异和联系,促进山区水文学研究。针对以上问题,国家自然科学基金重点项目“土壤水文属性对山区水文过程的影响机理及多尺度效应”聚焦于山区土壤水文属性对水文过程的影响机理与尺度特征这一关键科学问题,基于祁连山黑河上游已有的土壤水文过程观测网络,在祁连山区通过多尺度(剖面、坡面、流域和区域尺度)定位观测试验和野外采样调查等方法,获取多尺度高精度土壤水文属性空间分布数据集与水文过程综合监测数据,分析不同尺度土壤水文属性和水文过程的变化特征及其作用机制。该研究项目于2021年刚刚启动,期待通过该项目的实施:识别山区不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性;揭示山区不同尺度关键土壤水文属性对水文过程的影响机理;刻画山区土壤水文属性对水文过程影响的多尺度特征,发展土壤水文学和山区水文学,为水资源可持续管理提供科学支撑。

参考文献

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