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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 1 11

来源：水土保持之点滴

作者：山坡水文土壤前沿

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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。