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土壤-植被-水文耦合过程与机制研究进展

发布于：2022-09-27 10:13:27 来自：水利工程/水土保持 [复制转发]

学术简报

标题：土壤-植被-水文耦合过程与机制研究进展

作者：李中恺, 李小雁, 周沙, 杨晓帆, 付永硕, 缪驰远, 王帅, 张光辉, 吴秀臣, 杨超, 邓元红

期刊：中国科学:地球科学, 2022, DOI: 10.1007/s11430-021-9990-5

引言

土壤-植被-水文耦合机制不仅是土壤学、生态水文学、地球系统科学等领域的研究热点，也是可持续发展研究的重要内容。然而，不同学科通常在不同的时空尺度上研究土壤-植被-水文耦合机制，不同尺度之间的机理联系研究较少。本文从不同空间尺度（从叶片气孔到流域/区域尺度）综述了土壤-植被-水文耦合研究的最新进展，旨在系统地回顾现有的土壤-植被-水文耦合研究，提炼典型的耦合过程和耦合机理。总结各耦合过程的升尺度方法和模型建模方法，以及它们的局限性和未来发展方向，为地球系统科学的进步和环境政策的制定提供理论基础。

多尺度土壤-植被-水文耦合过程

不同尺度上6个典型的耦合过程与机制包括:（1）叶片气孔及根土界面的碳水交换（2）植物根系和水分运移引起的土壤团聚体及剖面水力特性变化（3）植物冠层与根系对降水及土壤水的再分配（4）植被斑块与局部水文过程的相互作用（5）植被群落演替与土壤发育的联系（6）流域/区域水分收支与植被物候及生产力的联系。同时，针对土壤-植被-水文耦合过程的观测、机理、尺度转换方法和建模方法，分别分析了其现有研究存在的局限和认识瓶颈。

图1 不同空间尺度的土壤-植被-水文耦合过程

土壤-植被-水文耦合过程的空间升尺度

现有土壤-植被-水文相互作用研究大多集中于小时空尺度，然而政策制定者在制定水资源管理策略或应对气候变化政策时，通常是在流域、区域甚至全球尺度上进行的。因此，如何将不同的尺度联系起来，如何通过小尺度过程理解和预测大尺度现象，是科学家们面临的一个重大挑战。在现代地理学中，升尺度的思路总体可以分为两类:（1）若小尺度上的机制在大尺度依然适用，那么只需要改变模型的分辨率就可以进行尺度转换（2）若小尺度上的机制在大尺度上不适用或者需修正后才可适用，那么就需要建立不同尺度机制间的联系。

图2 六个典型的耦合过程与机制起作用的时空尺度（由不同颜色的椭圆代表）

土壤-植被-水文耦合模型

模型作为对现实物理过程的提炼与简化，是研究土壤-植被-水文耦合机制的重要手段。总体来看，土壤-植被-水文耦合模型的发展可分为三个阶段:（1）在早期研究中，不同领域学者对土壤-植被-水文耦合过程的研究大都是单独进行的，并建立起了只与本学科有关的单个过程模型。（2）随着研究的深入与学科的发展，学者们逐渐开始开发出多尺度、多过程的集成模型。（3）不同的集成模型在模块组成上各有侧重，有时难以满足实际需求，因此有学者将不同的集成模型耦合起来，发展出多模式耦合模型。

图 3 整合了部分已知土壤-植被-水文耦合过程与反馈机制的模型概念框架

展望

研究土壤、植被和水文过程的耦合过程与机制对于理解地球表层系统和实现可持续发展至关重要。然而，土壤-植被-水文耦合过程的观测、机理、尺度转换方法和建模方法仍存在许多局限性。未来研究重点应放在下面几方面：

(1) 对存在于不同时空尺度上的土壤-植被-水文耦合过程进行深度整合，尤其是需要一个能够将“快速生态水文过程”和“缓慢土壤过程”集成到一个数学模型中的框架。

(2) 加强对植物性状短期动态变化的关注，以提高对土壤-植被-水文耦合过程的理解和模型模拟精度。

(3) 更加关注气候变化与人类活动影响下土壤-植被-水文耦合与反馈机制的变化及其带来的生态环境效应。

(4) 探寻不同的反馈途径，并将其集成到现有土壤-植被-水文耦合模型中。

文案\孙旭杨

排版\孙旭杨

校核\郭珈源

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全部回复（1 ）

只看楼主我来说两句 抢板凳

ndghw 沙发

土壤-植被-水文耦合机制不仅是土壤学、生态水文学、地球系统科学等领域的研究热点，也是可持续发展研究的重要内容。

2022-09-28 11:20:28
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