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

PDF (2037KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

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[1,13,14]。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[1~3,15]。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[1,3],不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响机理尚不明晰[3,16,17],土壤水文属性对水文过程影响的尺度效应缺乏认知[3,18,19](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[3,10,20]。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[3,4]。

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:①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])。②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[23,24]。③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]。④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]。⑤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[11,25]。⑥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]。⑦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]。⑧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]。⑨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:①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;②射线法:主要包括中子仪方法;③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[11,24,27]。

中尺度土壤水分监测方法主要包括:①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[28,29]。②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]。③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]。④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[43, 44]。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[4,15]。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[44,46]。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[47,48]。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[4,7,49]。

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[50,51]。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:①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[46,53,54];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[16,55]。②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[58,59],可外推于流域尺度的产汇流水文机理分析。③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[60,61];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。④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[17,66]。

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[3,18,67]。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[61,69,73]。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[62,66]。

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[4,76,77]。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[79,80]。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[59,81],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[16,84]。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)[38,91]、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[58, 94]。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 Network[20]、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[98,99]。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[100,101]。

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:①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。②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[101,117,118],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。③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:①识别山区不同尺度影响水文过程的关键土壤水文属性;②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;③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

AMUNDSON R, BERHE A A, HOPMANS J W, et al.

Soil and human security in the 21st century

[J]. Science, 2015, 348(6 235): 647-654.

[本文引用: 4]

GUERRA C A, BARDGETT R D, CAON L, et al.

Tracking, targeting, and conserving soil biodiversity

[J]. Science, 2021, 371(6 526): 239-241.

VEREECKEN H, HUISMAN J A, FRANSSEN H J, et al.

Soil hydrology: Recent methodological advances, challenges, and perspectives

[J]. Water Resources Research, 2015, 51(4): 2 616-2 633.

[本文引用: 9]

DAI Y, XIN Q, WEI N, et al.

A global high-resolution data set of soil hydraulic and thermal properties for land surface modeling

[J]. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2019, 11(9): 2 996-3 023.

[本文引用: 6]

GREEN J K, SENEVIRATNE S I, BERG A M, et al.

Large influence of soil moisture on long-term terrestrial carbon uptake

[J]. Nature, 2019, 565(7 740): 476-479.

JUNG M, REICHSTEIN M, CIAIS P, et al.

Recent decline in the global land evapotranspiration trend due to limited moisture supply

[J]. Nature, 2010, 467: 951-954.

LIN H.

Earth's Critical Zone and hydropedology: Concepts, characteristics, and advances

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2010, 14(1): 25-45.

[本文引用: 1]

LIU L, GUDMUNDSSON L, HAUSER M, et al.

Soil moisture dominates dryness stress on ecosystem production globally

[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 4 892-4 900.

NIELSEN D R, BIGGAR J W, ERH K T.

Spatial variability of field-measured soil-water properties

[J]. Soil Science, 1973, 42(7): 215-259.

HE Chansheng, ZHANG Lanhui, WANG Yibo. Influence of soil heterogeneity on watershed hydrological processes [M]. Beijing: Science Press, 2018.

[本文引用: 2]

贺缠生, 张兰慧, 王一博. 土壤水文异质性对流域水文过程的影响 [M]. 北京: 科学出版社, 2018.

[本文引用: 2]

SHAO Mingan, WANG Quanjiu, HUANG Mingbin. Soil physics [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006.

[本文引用: 5]

邵明安, 王全九, 黄明斌. 土壤物理学 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[本文引用: 5]

ZHANG Ganlin, ZHU Axing, SHI Zhou, et al.

Progress and future prospect of soil geography

[J]. Progress in Geography, 2018,37(1): 57-65.

[本文引用: 1]

张甘霖, 朱阿兴, 史舟, 等.

土壤地理学的进展与展望

[J]. 地理科学进展, 2018, 37(1): 57-65.

[本文引用: 1]

BAKKER K.

Water security: Research challenges and opportunities

[J]. Science, 2012, 337(6 097): 914-915.

[本文引用: 1]

HE Chansheng, JAMES L A.

Watershed science: Linking hydrological science with sustainable management of river basins

[J]. Science China Earth Sciences, 2021. DOI: 10.1007/s11430-020-9723-4.

[本文引用: 1]

RAHMATI M, WEIHERMULLER L, VANDERBORGHT J, et al.

Development and analysis of the soil water infiltration global database

[J]. Earth System Science Data, 2018, 10(3): 1 237-1 263.

[本文引用: 2]

FATICHI S, OR D, WALKO R, et al.

Soil structure is an important omission in Earth System Models

[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 522-532.

[本文引用: 3]

ZHU Q, CASTELLANO M J, YANG G.

Coupling soil water processes and the nitrogen cycle across spatial scales: Potentials, bottlenecks and solutions

[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 187: 248-258.

[本文引用: 2]

BLÖSCHL G, BIERKENS M F P, CHAMBEL A, et al.

Twenty-three Unsolved Problems in Hydrology (UPH)—A community perspective

[J]. Hydrological Sciences Journal, 2019, 64(10): 1 141-1 158.

[本文引用: 4]

MA Y J, LI X Y, GUO L, et al.

Hydropedology: Interactions between pedologic and hydrologic processes across spatiotemporal scales

[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 171: 181-195.

[本文引用: 1]

CHE T, LI X, LIU S, et al.

Integrated hydrometeorological, snow and frozen-ground observations in the alpine region of the Heihe River Basin, China

[J]. Earth System Science Data, 2019, 11(3): 1 483-1 499.

[本文引用: 2]

CHENG G, LI X, ZHAO W, et al.

Integrated study of the water-ecosystem-economy in the Heihe River Basin

[J]. National-Science Review, 2014, 1(3): 413-428.

[本文引用: 1]

FAN Jun, SHAO Mingan, WANG Quanjiu.

Development about methods of soil hydraulic conductivity determination in fields

[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2006,4(2): 114-119.

[本文引用: 1]

樊军, 邵明安, 王全九.

田间测定土壤导水率的方法研究进展

[J]. 中国水土保持科学, 2006, 4(2): 114-119.

[本文引用: 1]

JIANG Peifu, LEI Tingwu, LIU Xiaohui, et al.

Principles and experimental verification of capillary suction method for fast measurement of field capacity

[J]. Transactions of the CSAE, 2006,22(7): 1-5.

[本文引用: 1]

江培福, 雷廷武, 刘晓辉, 等.

用毛细吸渗原理快速测量土壤田间持水量的研究

[J]. 农业工程学报, 2006, 22(7): 1-5.

[本文引用: 1]

YI Yanli. Research method of soil physics [M]. Beijing: Peking University Press, 2009.

[本文引用: 4]

依艳丽. 土壤物理研究法 [M]. 北京: 北京大学出版社, 2009.

[本文引用: 4]

LEI Zhidong, YANG Shixiu, XIE Senchuan. Soil water dynamics [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1988.

[本文引用: 1]

雷志栋, 杨诗秀, 谢森传. 土壤水动力学 [M]. 北京: 清华大学出版社, 1988.

[本文引用: 1]

QIAN Bao, LIU Ling, XIAO Xiao.

Comparative tests on different methods for content of soil organic matter

[J]. Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2011,39(1): 34-38.

[本文引用: 1]

钱宝, 刘凌, 肖潇.

土壤有机质测定方法对比分析

[J]. 河海大学学报:自然科学版, 2011, 39(1): 34-38.

[本文引用: 1]

ROBINSON D A, CAMPBELL C S, HOPMANS J W, et al.

Soil moisture measurement for ecological and hydrological watershed-scale observatories: A review

[J]. Vadose Zone Journal, 2008, 7(1): 358-389.

[本文引用: 1]

GUO L, LIN H.

Addressing two bottlenecks to advance the understanding of preferential flow in soils

[J]. Advances in Agronomy, 2018, 147: 61-117.

[本文引用: 1]

GUO L, MOUNT G J, HUDSON S, et al.

Pairing geophysical techniques improves understanding of the near-surface Critical Zone: Visualization of preferential routing of stemflow along coarse roots

[J]. Geoderma, 2020, 357: 113953.

[本文引用: 1]

BOGENA H R, HUISMAN J A, GÜNTNER A, et al.

Emerging methods for noninvasive sensing of soil moisture dynamics from field to catchment scale: A review

[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water, 2015, 2(6): 635-647.

[本文引用: 1]

WANG Zengyan, WANG Jian, CHE Tao.

Surface soil moisture retrieval from Airborne L-band microwave radiometer data

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2017,32(2): 185-194.

王增艳, 王建, 车涛.

机载L波段微波辐射计数据反演表层土壤水分研究

[J]. 遥感技术与应用, 2017, 32(2): 185-194.

HU Lu, ZHAO Tianjie, SHI Jiancheng, et al.

Evaluation of soil moisture retrieval algorithms based on ground-based microwave radiation observation

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2020,35 (1): 74-87.

[本文引用: 1]

胡路, 赵天杰, 施建成, 等.

基于地基微波辐射观测的土壤水分反演算法评估

[J]. 遥感技术与应用, 2020, 35 (1): 74-87.

[本文引用: 1]

ZREDA M, SHUTTLEWORTH W J, ZENG X, et al.

COSMOS: The COsmic-ray soil moisture observing system

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2012, 16(11): 4 079-4 099.

[本文引用: 1]

CHRISMAN B, ZREDA M.

Quantifying mesoscale soil moisture with the cosmic-ray rover

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2013, 17(12): 5 097-5 108.

[本文引用: 1]

BOGENA H R, HERBST M, HUISMAN J A, et al.

Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability

[J]. Vadose Zone Journal, 2010, 9(4): 1 002-1 013.

[本文引用: 1]

MOHANTY B P, COSH M H, LAKSHMI V, et al.

Soil moisture remote sensing: State-of-the-science

[J]. Vadose Zone Journal, 2017, 16(1): 1-9.

[本文引用: 1]

ENTEKHABI D, NJOKU E G, NEILL P E O, et al.

The Soil Moisture Active Passive (SMAP) mission

[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 98(5): 704-716.

[本文引用: 1]

KERR Y H, WALDTEUFEL P, WIGNERON J P, et al.

The SMOS mission: New tool for monitoring key elements of the global water cycle

[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 98(5): 666-687.

[本文引用: 2]

YANG J, ZHANG P, LU N, et al.

Improvements on global meteorological observations from the current Fengyun 3 satellites and beyond

[J]. International Journal of Digital Earth, 2012, 5(3): 251-265.

[本文引用: 1]

NJOKU E G, JACKSON T J, LAKSHMI V, et al.

Soil moisture retrieval from AMSR-E

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(2): 215-229.

[本文引用: 1]

WAGNER W, HAHN S, KIDD R, et al.

The ASCAT soil moisture product: A review of its specifications, validation results, and emerging applications

[J]. Meteorologische Zeitschrift, 2013, 22(1): 5-33.

[本文引用: 1]

DORIGO W, WAGNER W, ALBERGEL C, et al.

ESA CCI soil moisture for improved Earth system understanding: State-of-the art and future directions

[J]. Remote Sensing of Environment, 2017, 203: 185-215.

[本文引用: 1]

FU Bojie, ZHAO Wenwu, CHEN Liding.

Progress and perspective of geographical-ecological processes

[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(11): 1 123-1 131.

[本文引用: 1]

傅伯杰, 赵文武, 陈利顶.

地理—生态过程研究的进展与展望

[J]. 地理学报, 2006, 61(11): 1 123-1 131.

[本文引用: 1]

WANG Jun, FU Bojie, QIU Yang, et al.

Spatial heterogeneity of soil nutrients in a small catchment of the Loess Plateau

[J]. Acta Ecologica Sinica, 2002,22(8): 1 173-1 178.

[本文引用: 2]

王军, 傅伯杰, 邱扬, 等.

黄土高原小流域土壤养分的空间异质性

[J]. 生态学报, 2002, 22(8): 1 173-1 178.

[本文引用: 2]

TAN Xingyan, ZHANG Lanhui, HE Chansheng, et al.

Applicability of cosmic-ray neutron sensor for measuring soil moisture at the agricultural-pastoral ecotone in northwest China

[J]. Scientia Sinica Terrae, 2020,50(11): 1 596-1 610.

[本文引用: 1]

谈幸燕,张兰慧, 贺缠生,等.

宇宙射线中子法在西北农牧交错带土壤水分测量中的适用性研究

[J]. 中国科学: 地球科学, 2020, 50(11): 1 596-1 610.

[本文引用: 1]

HUANG L M, SHAO M A.

Advances and perspectives on soil water research in China's Loess Plateau

[J]. Earth-Science Reviews, 2019, 199: 102962.

[本文引用: 2]

SANCHEZ P A, AHAMED S, CARRÉ F, et al.

Digital soil map of the world

[J]. Science, 2009, 325(5 941): 680-681.

[本文引用: 1]

ZHU Axing, YANG Lin, FAN Naiqing, et al.

The review and outlook of digital soil mapping

[J]. Progress in Geography, 2018,37(1): 66-78.

[本文引用: 1]

朱阿兴, 杨琳, 樊乃卿, 等.

数字土壤制图研究综述与展望

[J]. 地理科学进展, 2018, 37(1): 66-78.

[本文引用: 1]

LAI J, REN L.

Assessing the size dependency of measured hydraulic conductivity using double-ring infiltrometers and numerical simulation

[J]. Soil Science Society of America Journal, 2007, 71(6): 1 667-1 675.

[本文引用: 1]

ZHANG G L, LIU F, SONG X D, et al. Digital soil mapping across paradigms, scales and boundaries [M]. Myrtle Beach: Springer Press, 2016.

[本文引用: 2]

PACHEPSKY Y, HILL R L.

Scale and scaling in soils

[J]. Geoderma, 2016, 287: 4-30.

[本文引用: 1]

VEREECKEN H, KASTEEL R, VANDERBORGHT J, et al.

Upscaling hydraulic properties and soil water flow processes in heterogeneous soils

[J]. Vadose Zone Journal, 2007, 6(1): 1-28.

[本文引用: 1]

TIAN J, ZHANG B Q, HE C S, et al.

Dynamic response patterns of profile soil moisture wetting events under different land covers in the mountainous area of the Heihe River Watershed, Northwest China

[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2019, 271(15): 225-239.

[本文引用: 1]

TIAN J, ZHANG B Q, HE C S, et al.

Variability in soil hydraulic conductivity and soil hydrological response under different land covers in the mountainous area of the Heihe River Watershed, Northwest China

[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28(4): 1 437-1 449.

[本文引用: 1]

VEREECKEN H, WEIHERMULLER L, ASSOULINE S, et al.

Infiltration from the pedon to global grid scales: An overview and outlook for land surface modelling

[J]. Vadose Zone Journal, 2019, 18(1): 1-53.

[本文引用: 2]

TROMP-VAN MEERVELD H J, MCDONNELL J J.

Threshold relations in subsurface stormflow: 2. The fill and spill hypothesis

[J]. Water Resources Research, 2006, 42(2): W02411.

[本文引用: 1]

LIAO Kaihua, Ligang LÜ.

Advances in research of hillslope soil hydrological processes in the humid region of Southeast China

[J]. Progress in Geography, 2018,37(4): 476-484.

廖凯华, 吕立刚.

东南湿润区坡面土壤水文过程研究进展与展望

[J]. 地理科学进展, 2018, 37(4): 476-484.

LIU Jintao, HAN Xiaole, LIU Jianli, et al.

Understanding of critical zone structures and hydrological connectivity:A review

[J]. Advances in Water Science, 2019,30(1): 112-122.

[本文引用: 3]

刘金涛, 韩小乐, 刘建立, 等.

山坡表层关键带结构与水文连通性研究进展

[J]. 水科学进展, 2019, 30(1): 112-122.

[本文引用: 3]

FAN Y, CLARK M, LAWRENCE D M, et al.

Hillslope hydrology in global change research and Earth system modeling

[J]. Water Resources Research, 2019, 55(2): 1 737-1 772.

[本文引用: 2]

TARASOVA L, BASSO S, PONCELET C, et al.

Exploring controls on rainfall-runoff events: 2. Regional patterns and spatial controls of event characteristics in Germany

[J]. Water Resources Research, 2018, 54(10): 7 688-7 710.

[本文引用: 1]

JIN X, ZHANG L H, GU J, et al.

Modelling the impacts of spatial heterogeneity in soil hydraulic properties on hydrological process in the upper reach of the Heihe River in the Qilian Mountains, Northwest China

[J]. Hydrological Processes, 2015, 29(15): 3 318-3 327.

[本文引用: 3]

SAMANIEGO L, KUMAR R, THOBER S, et al.

Toward seamless hydrologic predictions across spatial scales

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, 21(9): 4 323-4 346.

[本文引用: 4]

BECK H E, DIJK A I J M V, ROO A D, et al.

Global‐scale regionalization of hydrologic model parameters

[J]. Water Resources Research, 2016, 52(5): 3 599-3 622.

KO A, MASCARO G, VIVONI E R.

Strategies to improve and evaluate physics—Based hyperresolution hydrologic simulations at regional basin scales

[J]. Water Resources Research, 2019, 55(2): 1 129-1 152.

WANG X, ZHANG B, XU X, et al.

Regional water-energy cycle response to land use/cover change in the agro-pastoral ecotone, Northwest China

[J]. Journal of Hydrology, 2020, 580: 124246.

[本文引用: 1]

PETERS-LIDARD C D, MARTYN C, LUIS S, et al.

Scaling, similarity, and the fourth paradigm for hydrology

[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2017, 21(7): 1-21.

[本文引用: 2]

BOGENA H, WHITE T, BOUR O, et al.

Toward better understanding of terrestrial processes through long-term hydrological observatories

[J]. Vadose Zone Journal, 2018, 17(1): 1-10.

[本文引用: 3]

RINDERER M, ALI G, LARSEN L G.

Assessing structural, functional and effective hydrologic connectivity with brain neuroscience methods: State-of-the-art and research directions

[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 178: 29-47.

[本文引用: 2]

STOCKINGER M P, BOGENA H R, LÜCKE A, et al.

Seasonal soil moisture patterns: Controlling transit time distributions in a forested headwater catchment

[J]. Water Resources Research, 2014, 50(6): 5 270-5 289.

[本文引用: 1]

LI Xiaoyan, MA Yujun.

Advancesin Earth's Critical Zone scienceand hydropedology

[J]. Journal of Beijing Normal University (Natural Science), 2016,52(6): 731-737.

[本文引用: 1]

李小雁, 马育军.

地球关键带科学与水文土壤学研究进展

[J]. 北京师范大学学报:自然科学版, 2016, 52(6): 731-737.

[本文引用: 1]

ŠIMŮNEK J, GENUCHTEN M T VAN, ŠEJNA M.

Recent developments and applications of the HYDRUS computer software packages

[J]. Vadose Zone Journal, 2016, 15(7): 1-25.

[本文引用: 1]

ARNOLD J, Moriasi D, JEFFREY G.

SWAT: Model use, calibration, and validation

[J]. Transactions of the ASABE, 2012,55(4): 1 491-1 508.

[本文引用: 1]

BARONI G Z, GABRIELE Z, MATTHIAS K, et al.

Effects of uncertainty in soil properties on simulated hydrological states and fluxes at different spatio-temporal scales

[J]. Hydrology & Earth System Sciences, 2017, 21(5): 2 301-2 320.

[本文引用: 2]

PANICONI C, PUTTI M.

Physically based modeling in catchment hydrology at 50: Survey and outlook

[J]. Water Resources Research, 2015, 51(9): 7 090-7 129.

[本文引用: 1]

BEVEN K J. Rainfall-runoff modelling: The primer [M]. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011.

[本文引用: 1]

SHANGGUAN W, DAI Y J, DUAN Q Y, et al.

A global soil data set for Earth system modeling

[J]. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2014, 6(1): 249-263.

[本文引用: 1]

BATJES N H.

Harmonized soil property values for broad-scale modelling (WISE30sec) with estimates of global soil carbon stocks

[J]. Geoderma, 2016, 269: 61-68.

[本文引用: 1]

ZHAO H, ZENG Y, LV S, et al.

Analysis of soil hydraulic and thermal properties for land surface modeling over the Tibetan Plateau

[J]. Earth System Science Data, 2018, 10(2): 1 031-1 061.

[本文引用: 1]

HARTMANN A.

Putting the cat in the box: Why our models should consider subsurface heterogeneity at all scales

[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews Water, 2016, 3(4): 478-486.

[本文引用: 1]

SIDLEA R C, GOMI T, USUGA J C, et al.

Hydrogeomorphic processes and scaling issues in the continuum from soil pedons to catchments

[J]. Earth-Science Reviews, 2017, 175: 75-96.

[本文引用: 1]

PATTON N R, LOHSE K A, GODSEY S E, et al.

Predicting soil thickness on soil mantled hillslopes

[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 3 329-3 338.

[本文引用: 1]

REMPE D M, DIETRICH W E.

Direct observations of rock moisture, a hidden component of the hydrologic cycle

[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(11): 2 664-2 669.

[本文引用: 1]

BROGI C, HUISMAN J A, PÄTZOLD S, et al.

Large-scale soil mapping using multi-configuration EMI and supervised image classification

[J]. Geoderma, 2019, 335: 133-148.

[本文引用: 1]

LOOY K VAN, BOUMA J, HERBST M, et al.

Pedotransfer functions in Earth System Science: Challenges and perspectives

[J]. Reviews of Geophysics, 2017, 55(4): 1 199-1 256.

[本文引用: 1]

CHEN L, WANG L.

Recent advance in Earth observation big data for hydrology

[J]. Big Earth Data, 2018, 2(1): 86-107.

[本文引用: 1]

HUFFMAN G J, BOLVIN D T, NELKIN E J, et al. The TRMM Multisatellite Precipitation Analysis (TMPA): Quasi-Global, multiyear, combined-sensor precipitation estimates at fine scales [M]. Netherlands: Springer, 2010.

[本文引用: 1]

SaNDWELL D T, MÜLLER R D, SMITH W H F, et al.

New global marine gravity model from CryoSat-2 and Jason-1 reveals buried tectonic structure

[J]. Science, 2014, 346(6 205): 65-67.

[本文引用: 1]

HUETE A, DIDAN K, MIURA T, et al.

Overview of the radiometric and biophysical performance of the MODIS vegetation indices

[J]. Remote Sensing of Environment, 2002, 83(1): 195-213.

[本文引用: 1]

FISHER J B, LEE B, PURDY A J, et al.

ECOSTRESS: NASA's next generation mission to measure evapotranspiration from the international space station

[J]. Water Resources Research, 2020, 56(4): e2019WR

026058

.

[本文引用: 1]

RODRIGUEZ E, DURAND M, FRASSON R P D M.

Observing rivers with varying spatial scales

[J]. Water Resources Research, 2020, 56(9): e2019WR

026476

.

[本文引用: 1]

ENTEKHABI D, NJOKU E G, O"NEILL P E, et al.

The Soil Moisture Active Passive (SMAP) mission

[J]. Proceedings of the IEEE, 2010, 98(5): 704-716.

[本文引用: 1]

TAPLEY B D, BETTADPUR S, RIES J C, et al.

GRACE measurements of mass variability in the Earth System

[J]. Science, 2004, 305(5 683): 503-505.

[本文引用: 1]

SAMANIEGO L, KUMAR R, ATTINGER S.

Multiscale parameter regionalization of a grid—Based hydrologic model at the mesoscale

[J]. Water Resources Research, 2010, 46(5): W05523.

[本文引用: 1]

HOPP L, MCDONNELL J J.

Connectivity at the hillslope scale: Identifying interactions between storm size, bedrock permeability, slope angle and soil depth

[J]. Journal of Hydrology, 2009, 376(3): 378-391.

[本文引用: 1]

WANG Jinfeng, XU Chengdong.

Geodetector: Principle and prospective

[J]. Acta Geographica Sinica, 2017,72(1): 116-134.

[本文引用: 1]

王劲峰, 徐成东.

地理探测器:原理与展望

[J]. 地理学报, 2017, 72(1): 116-134.

[本文引用: 1]

GUO L, LIN H.

Critical Zone research and observatories: Current status and future perspectives

[J]. Vadose Zone Journal, 2016, 15(9): 1-14.

[本文引用: 1]

JENSEN K H, REFSGAARD J C.

HOBE: The danish hydrological observatory

[J]. Vadose Zone Journal, 2018, 17(1): 1-24.

[本文引用: 1]

LI Xin, GOU Xiaohua, WANG Ninglian, et al.

Tightening ecological management facilitates green development in the Qilian Mountains

[J]. Chinese Science Bulletin, 2019,64(27): 2 928-2 937.

[本文引用: 3]

李新, 勾晓华, 王宁练, 等.

祁连山绿色发展:从生态治理到生态恢复

[J]. 科学通报, 2019, 64(27): 2 928-2 937.

[本文引用: 3]

CHENG Guodong, XIAO Honglang, FU Bojie, et al.

Advances in synthetic research on the eco-hydrological process of the Heihe River Basin

[J]. Advances in Earth Science, 2014,29(4): 431-437.

[本文引用: 1]

程国栋, 肖洪浪, 傅伯杰, 等.

黑河流域生态—水文过程集成研究进展

[J]. 地球科学进展, 2014, 29(4): 431-437.

[本文引用: 1]

ZHAO Wenzhi, CHENG Guodong.

Review of some problems in the study of eco-hydrological processes in arid areas

[J]. Science Bulletin, 2001,46(22): 1 851-1 857.

[本文引用: 1]

赵文智, 程国栋.

干旱区生态水文过程研究若干问题评述

[J]. 科学通报, 2001, 46(22): 1 851-1 857.

[本文引用: 1]

HE Zhibin, DU Jun, CHEN Longfei, et al.

Review on montane forest eco-hydrology in arid area

[J]. Advances in Earth Science, 2016,31(10): 1 078-1 089.

[本文引用: 2]

何志斌, 杜军, 陈龙飞, 等.

干旱区山地森林生态水文研究进展

[J]. 地球科学进展, 2016, 31(10): 1 078-1 089.

[本文引用: 2]

ZHAO Chen, ZHANG Lanhui, LI Jinlin, et al.

Analysis of the relationships between the spatial variations of soil moisture and the environmental factors in the upstream of the Heihe River watershed

[J]. Journal of Lanzhou University (Natural Sciences), 2014, 50(3): 338-347.

[本文引用: 1]

赵琛, 张兰慧, 李金麟, 等.

黑河上游土壤含水量的空间分布与环境因子的关系

[J]. 兰州大学学报 :自然科学版, 2014, 50(3): 338-347.

[本文引用: 1]

ZHANG G S, KANG S C, CUO L, et al.

Modeling hydrological process in a glacier basin on the central Tibetan Plateau with a distributed hydrology soil vegetation model

[J]. Journal of Geophysical Research—Atmospheres, 2016, 121(16): 9 521-9 539.

LI J L, ZHANG L H , HE C S, et al.

A Comparison of Markov Chain random field and Ordinary Kriging Methods for calculating soil texture in a mountainous watershed, Northwest China

[J]. Sustainability, 2018, 10(8): 2 819-2 836.

LU L, LIU C, LI X, et al.

Mapping the soil texture in the Heihe River Basin based on fuzzy logic and data fusion

[J]. Sustainability, 2017, 9(7): 1 246-1 259.

[本文引用: 1]

WANG Y, YANG H, YANG D, et al.

Spatial interpolation of daily precipitation in a high mountainous watershed based on gauge observations and a regional climate model simulation

[J]. Journal of Hydrometeorology, 2017, 18(3): 845-862.

[本文引用: 1]

ZHANG L H, HE C S, BAI X, et al.

Physically based adjustment factors for precipitation estimation in a large arid mountainous watershed, Northwest China

[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2017, 22(11): 04017047.

ZHANG L H, HE C S, LI J, et al.

Comparison of IDW and physically based IDEW method in hydrological modelling for a large mountainous watershed, Northwest China

[J]. River Research and Applications, 2017, 33: 912-924.

[本文引用: 1]

MA Y, LIU S, SONG L, et al.

Estimation of daily evapotranspiration and irrigation water efficiency at a Landsat-like scale for an arid irrigation area using multi-source remote sensing data

[J]. Remote Sensing of Environment, 2018, 216: 715-734.

[本文引用: 1]

XU T, GUO Z, LIU S, et al.

Evaluating different machine learning methods for upscaling evapotranspiration from flux towers to the regional scale

[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2018, 123(16): 8 674-8 690.

WANG Zhongfu, ZHANG Lanhui, WANG Yibo, et al.

Diurnal variations of grassland evapotranspiration over different periods in the Pailugou Basin in the upper reach of the Heihe River, Northwest China

[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016,27(11): 3 495-3 504.

[本文引用: 1]

王忠富, 张兰慧, 王一博, 等.

黑河上游排露沟流域不同时期草地蒸散发的日变化

[J]. 应用生态学报, 2016, 27(11): 3 495-3 504.

[本文引用: 1]

CHEN Rensheng, YANG Yong, HAN Chuntan, et al.

Field experimental research on hydrological function over several typical underlying surfaces in the cold regions of western China

[J]. Advances in Earth Science, 2014,29(4): 507-514.

[本文引用: 1]

陈仁升, 阳勇, 韩春坛, 等.

高寒区典型下垫面水文功能小流域观测试验研究

[J]. 地球科学进展, 2014, 29(4): 507-514.

[本文引用: 1]

YANG Y, CHEN R-S, SONG Y-X, et al.

Spatial variability of soil hydraulic conductivity and runoff generation types in a small mountainous catchment

[J]. Journal of Mountain Science, 2020, 17(11): 2 724-2 741.

LIN P F, HE Z B, DU J, et al.

Processes of runoff in seasonally-frozen ground about a forested catchment of semiarid mountains

[J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2020, 12(5): 272-283.

LI Xiaoyan, MA Yujun, HUANG Yongmei, et al. Study of eco-hydrological processes and water budget of Qinghai Lake Basin [M]. Beijing: Science Press,2020.

李小雁, 马育军, 黄永梅, 等. 青海湖流域生态水文过程与水分收支研究 [M]. 北京: 科学出版社, 2020.

XIAO X, ZHANG F, CHE T, et al.

Changes in plot-scale runoff generation processes from the spring-summer transition period to the summer months in a permafrost-dominated catchment

[J]. Journal of Hydrology, 2020, 587: 124966.

[本文引用: 1]

ZHANG Yanlin, CHANG Xiaoli, LIANG Ji, et al.

Influence of frozen ground on hydrological processes in alpine regions: A case study in an upper reach of the Heihe River

[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2016,38(5): 1 362-1 372.

[本文引用: 1]

张艳林, 常晓丽, 梁继, 等.

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

[J]. 冰川冻土, 2016, 38(5): 1 362-1 372.

[本文引用: 1]

LI Z X, FENG Q, LI Z J, et al.

Climate background, fact and hydrological effect of multiphase water transformation in cold regions of the Western China: A review

[J]. Earth-Science Reviews, 2019, 190: 33-57.

[本文引用: 2]

YANG D, GAO B, JIAO Y, et al.

A distributed scheme developed for eco-hydrological modeling in the upper Heihe River

[J]. Science China Earth Sciences, 2015, 58(1): 36-45.

ZHANG L H, JIN X, HE C S, et al.

Comparison of SWAT and DLBRM for Hydrological Modeling of a Mountainous Watershed in Arid Northwest China

[J]. Journal of Hydrologic Engineering, 2016, 21(5): 04016007.

LI X, CHENG G D, GE Y C, et al.

Hydrological cycle in the heihe river basin and its implication for water resource management in Endorheic Basins

[J]. Journal of Geophysical Research—Atmospheres, 2018, 123(2): 890-914.

[本文引用: 1]

/

〈 〉