深层土壤水分时空动态演变规律及其对植被更替响应研究获进展

土壤和水是地球关键带的核心组成部分，土壤水分运动是地球关键带中物质和能量迁移转化的主要驱动力之一。在气候变化和人类活动的影响下，土壤水分运动的频率、幅度和空间范围均发生了明显变化，在时间上表现为与降水事件、植被耗水的强耦合，在空间上表现为土壤水循环深度的不断加深及对区域水循环的正负效应。因此，探明气候变化和人类活动共同影响下地球关键带深层土壤水分的时空变化规律及其对植被更替的响应，有助于深化对地球关键带土壤水分运动规律、土壤水文过程模拟及土地利用优化管理的科学认识。季风区黄土高原关键带中的水蚀风蚀交错带是典型的生态脆弱区，对土壤水分变化尤为敏感，是探究这一科学问题的理想区域。 

最近，中国科学院地球环境研究所研究员王云强团队选择黄土关键带水蚀风蚀交错区的典型小流域，对流域内4种不同利用方式（农地、灌木地、天然草地和人工草地）的深剖面（21m）土壤水分进行原位监测（20次,2011年-2015年），同步获取植被、土壤、气象等环境因子，利用Hydrus-1D模型模拟与情景分析，研究了黄土关键带深层土壤水分的时空动态变化规律及其对植被更替的响应。 

研究发现：（1）土壤水分生态在垂直方向上表现出高度空间变异性。在0m-2m深度，土壤质地和根系生物量共同控制土壤水分的时间与空间变异性，而气象因素仅对土壤水分的时间变异性有显著影响；在2m-21m深度，土壤质地控制土壤水分的空间变异性，而土壤质地和根系生物量则共同控制土壤水分的时间变异性；（2）Hydrus-1D模型能准确模拟长时间尺度下0m-21m土壤水分的时空动态变化，并且在受气象因素影响较小的深层土壤中，模型模拟效果更好；（3）在模拟不同人类活动影响下（即，不同的植被更替情境），植被更替对不同深度土壤水分的效应存在差异：在深层（3.4m-4.8m），地表植被由浅根植物更替为深根植物时将加剧深层土壤干燥化。在浅层（0m-1.2m），当农地更替为灌木地（柠条）后，对土壤水分的影响在雨季表现为补给效应，在旱季表现为消耗效应。因此进行土地利用配置和植被更替时，应充分考虑当地气候条件(尤其是降水)、前期土壤水分状况和植被耗水特性，选择合适的植被类型。 

该成果已在线发表于国际期刊Catena上，研究工作得到中科院战略性先导科技专项（XDA23070201）和国家自然科学基金（41722106、41530854、41971045）等的共同资助。 

图1. (a)天然草地、(b)人工草地、(c)农地和(d)灌木地21m土壤剖面内土壤含水量(SWC)的垂直分布。图右侧条带代表21 m土壤剖面内土壤质地的垂直分布。CV，变异系数。 

图2.验证期内，天然草地(NG)、人工草地(PG)、农地及灌木地的模拟及实测土壤含水量(SWC)。 

图3. 模拟作物更替期(a)和期(b) 内，研究区农地模拟土壤含水量(SWC)和由农地向天然草地(NG)、人工草地(PG)、灌木地转变后的模拟土壤含水量(SWC)