青藏高原高山地区山坡土壤湿度对降雨的响应及其控制因素

《Journal of Hydro-environment Research》：Soil moisture response to rainfall and its controls on hillslopes in alpine mountain areas of the Tibetan Plateau

该研究在青藏高原高寒草地坡地建立15点土壤 moisture观测网络，揭示降雨阈值（RT）随坡向（阴坡-阳坡）呈现显著空间异质性（变异系数51%），中坡位因侧向非饱和地下径流导致土壤 moisture增量（SMI）显著高于阴坡和阳坡，且SM增量集中在0-10cm表层土壤（82.27%）。降雨量主导SMI时序变化，而饱和导水率、容重、有机质、前期土壤 moisture和坡度共同调控其空间分布。研究为高寒山地降雨 partitioning机制提供新证据。

　　在研究山地土壤水分（SM）对降雨的响应及其控制机制时，理解降雨如何转化为地表径流、土壤水分储存以及地下水补给，对于山地地区的水资源管理具有重要意义。特别是在数据匮乏的高原地区，这种机制的研究尤为关键。因此，本研究在青藏高原的一片草地坡面上建立了15个土壤水分监测站点，形成一个坡度尺度的观测网络。这些站点根据坡向和位置被划分为半阴坡（Sem）、中坡（Mid）和阳坡（Sun）。通过分析降雨阈值（RT）、土壤水分增量（SMI）和土壤储水增量（STI），我们发现了土壤水分响应在坡面上呈现出显著的空间异质性，降雨阈值的分布范围从0.72到8.19毫米，空间异质性系数高达51%，主要受到坡向的影响。在降雨事件之后，中坡的SMI显著高于阳坡和半阴坡，而STI则主要集中在表层土壤（10厘米深度，占比82.27%），深层土壤（50厘米和100厘米深度）的STI则相对较小。这些发现为深入理解山地尺度的土壤水文过程提供了新的视角。

山地地区通常被称为全球的“水塔”，是重要的水源地，能够提供北中国西北部干旱和半干旱流域高达95%的总水资源（Viviroli et al., 2007; Cheng et al., 2014）。因此，全面理解山地地区径流生成的机制对于这些地区的水资源可持续管理至关重要。土壤水分对降雨的响应是控制山地地区径流生成的关键过程之一，它决定了降雨如何被分配为入渗、土壤水分储存、蒸散发、地表径流和地下水补给（Singh et al., 2021; Wu et al., 2021; Gardiya Weligamage et al., 2023; Lu et al., 2025）。然而，土壤水分响应过程具有高度的时空异质性，受到地形、土壤特性、植被和水文条件的强烈影响（Joshi et al., 2011; Vergopolan et al., 2022; Lu et al., 2024a; Yang et al., 2017; Wu et al., 2024）。因此，获取山地尺度的高时空分辨率土壤水分观测数据是必要的，以更好地揭示土壤水分响应模式及其控制机制（Rosenbaum et al., 2012; Wang et al., 2012; Shi et al., 2025）。然而，在高海拔、寒冷的山地地区，由于环境条件恶劣和成本高昂，建立和维护密集的土壤水分观测网络仍然面临挑战，导致这些地区的水文过程研究较为有限。

降雨诱导土壤水分增加时表现出明显的阈值效应，这一效应显著影响降雨的分配过程（Jin et al., 2018; Zhang et al., 2022）。换句话说，只有当降雨量超过某一临界值时，土壤水分才会显著增加，这个临界值足以克服植被截留和前期土壤水分亏缺。这种现象受到两个关键机制的控制：一是植被截留，它能够捕获并暂时储存部分降雨，从而减少到达土壤表面的水量（Zhang et al., 2015; Wang et al., 2024）；二是需要补充上层土壤中的水分亏缺（Cao et al., 2018; Yang et al., 2018）。受到坡面地形、土壤特性、植被动态和土壤水分条件的异质性影响，降雨阈值（RT）在坡面上表现出显著的时空异质性（Li et al., 2015; Duan et al., 2022; Lu et al., 2024b, 2024c）。然而，大多数现有研究主要关注于分析代表性植被类型和坡面位置的RT模式（He et al., 2012; Yang et al., 2018; Yan et al., 2021），而较少关注选定代表性区域内部的RT异质性，这限制了对坡面水文过程的准确刻画。因此，对整个坡面的RT时空模式及其控制因素进行系统和定量分析，对于深入理解坡面尺度的降雨分配过程至关重要（Cheng et al., 2020; Zhu et al., 2021）。

土壤水分对降雨的响应受到多种相互作用因素的控制，包括降雨特征、前期土壤水分、植被、土壤特性以及地形。然而，这些因素在不同环境中的相对重要性存在显著差异（Yang et al., 2020a; Wang et al., 2021; Zhu et al., 2021; Qiu et al., 2023）。高强度降雨事件往往会增强土壤水分响应和深层入渗，因为入渗通常随着降雨强度的增加而提高（Yang et al., 2018）。然而，过高的降雨强度可能会因为土壤孔隙封堵或地表径流增加而导致入渗减少（Wang et al., 2016; Zhu et al., 2020a）。前期土壤水分反映了土壤水分亏缺，与入渗速率呈负相关（Wang et al., 2013; Singh et al., 2021; Zhang et al., 2022），但与入渗量呈正相关，因为其与土壤的渗透性密切相关（Zhu et al., 2014）。土壤容重（BD）和植被在土壤水分动态中也起着关键作用。较高的容重通常会抑制入渗（Rosenbaum et al., 2012; Han et al., 2021），而植被可以通过改善土壤结构来促进入渗（Wang et al., 2022; Qiu et al., 2023），或者通过冠层截留和蒸腾作用减少入渗（Cheng et al., 2020; Zhu et al., 2021）。地形则通过影响坡面植被、土壤水分、土壤特性以及径流模式来调控土壤水分动态（Chen et al., 2013; Han et al., 2021; Pavlin et al., 2021; Liu et al., 2024）。例如，在干旱环境中，坡面底部的土壤水分和植被条件通常比坡面顶部更为有利（Yang et al., 2017; Liu et al., 2020; Dymond et al., 2021）。这些因素相互作用的方式复杂，使得难以分离出单个因素的影响。专注于单个因素的研究在揭示土壤水分响应模式的完整机制方面一直存在困难（Penna et al., 2011; Li et al., 2015; Kaiser and McGlynn, 2018; Kathuria et al., 2019; Lu et al., 2024c）。此外，尺度问题也阻碍了将小尺度观测结果直接应用于坡面尺度的水文过程（Vereecken et al., 2007; Khurana et al., 2024）。因此，进行坡面尺度的高密度现场观测是推进土壤水分响应模式及其控制机制理解的必要条件（Yan et al., 2021; Zhang et al., 2024）。

山地地区由于地形、植被、土壤特性以及土壤水分条件的高度空间异质性，是研究坡面尺度土壤水分对降雨响应模式及其控制因素的理想区域（He et al., 2012; Sun et al., 2015; Yang et al., 2017）。高密度的现场土壤水分监测网络能够捕捉降雨后土壤水分的高时空分辨率变化（Kim, 2009; Kunkel et al., 2013; Singh et al., 2021; Zacharias et al., 2024），为探索坡面尺度的土壤水分响应模式提供了巨大的潜力。然而，在高海拔、寒冷的山地地区，由于环境条件恶劣和成本高昂，建立和维护密集的土壤水分观测网络仍然面临挑战。目前，大多数长期的土壤水分监测网络集中在低海拔、平坦地区（Wang et al., 2023; Zhang et al., 2024），而高海拔山地地区的监测站点相对较少（Su et al., 2011; Pellet and Hauck, 2017; Li et al., 2013; Li et al., 2018）。

在坡面尺度的降雨阈值（RT）研究中，许多现有研究往往忽略了小尺度的空间异质性，且鲜有研究全面评估植被、地形、土壤特性以及水文条件对RT和SMI的综合影响。此外，在高原山地地区缺乏高密度的现场监测，这限制了对复杂环境中土壤水分动态的理解。因此，本研究旨在通过分析不同坡向下多种环境因素共同作用下的SMI和RT的空间变化，填补这一研究空白。本研究试图回答以下关键问题：（1）坡面尺度的降雨阈值具有怎样的时空分布特征？（2）降雨对土壤水分的响应在坡面上如何变化？（3）哪些因素控制着土壤水分响应的时空间分布？

本研究选取了青藏高原的一个典型流域作为研究区域，通过高密度的现场观测数据，系统地分析了土壤水分对降雨的响应模式及其控制因素。研究区域的地理特征为温带气候，地形复杂，植被覆盖度较高，土壤类型多样。这些条件使得研究区域成为探索山地水文过程的理想场所。在研究区域内，我们建立了15个土壤水分监测站点，覆盖不同的坡向和位置，以捕捉土壤水分变化的空间异质性。通过对比不同坡向的土壤水分响应，我们发现土壤水分的时空变化受到多种因素的共同影响，包括降雨量、土壤容重、植被覆盖度、土壤含水量、地形坡度以及土壤渗透性等。其中，降雨量是土壤水分增量（SMI）时间动态的主要驱动因素，而土壤容重、植被覆盖度、土壤有机质含量、前期土壤水分以及地形坡度则共同决定了SMI的空间分布。

此外，我们还发现，非饱和的侧向地下径流在土壤水分动态中起着重要作用。在干旱和半干旱山地地区，非饱和侧向地下径流的发生受到区域降雨量和坡面结构异质性的限制（Guo et al., 2018; Huang and Shao, 2019; Zhang et al., 2025）。一些研究表明，坡面土壤水分响应的横向变化较小，地下径流可能未被观测或被忽视（Keesstra et al., 2018; Singh et al., 2021）。相反，其他研究则表明，非饱和侧向地下径流在坡面上能够显著影响土壤水分的时空变化（Wang et al., 2022; Zhu et al., 2020a; Liu et al., 2024）。因此，非饱和侧向地下径流在土壤水分动态中的作用不容忽视，特别是在高海拔、寒冷的山地环境中，这种径流的分布和变化对水文过程的影响更为显著。

通过本研究，我们不仅揭示了土壤水分对降雨的响应模式，还深入探讨了这些模式的控制因素。研究结果表明，降雨阈值在坡面上呈现出显著的空间异质性，且主要受到坡向的影响。土壤水分增量在不同坡向之间存在显著差异，其中中坡的SMI显著高于阳坡和半阴坡，这可能是由于中坡的土壤结构和植被条件更适合水分的储存和传输。土壤储水增量则主要集中在表层土壤，而深层土壤的储水能力相对较低，这可能与土壤的渗透性、容重以及植被的蒸腾作用有关。此外，降雨量是影响土壤水分增量时间动态的主要因素，而土壤容重、植被覆盖度、土壤有机质含量、前期土壤水分以及地形坡度则共同决定了土壤水分增量的空间分布。

这些发现对于理解山地地区的水文过程具有重要意义。首先，降雨阈值的时空分布特征揭示了不同坡向下土壤水分响应的差异，这有助于预测降雨在不同地形条件下的分配模式。其次，土壤水分增量的时空变化表明，土壤水分的动态不仅受到降雨量的影响，还受到土壤和植被特性的影响。因此，未来的水文研究需要综合考虑这些因素，以更准确地模拟和预测山地地区的水文过程。最后，土壤储水增量的空间分布特征表明，表层土壤在水分储存中起着关键作用，而深层土壤的储水能力则相对较低，这可能对地下水补给和土壤水分循环产生重要影响。

本研究还强调了在高原山地地区建立高密度土壤水分监测网络的重要性。由于这些地区缺乏足够的现场观测数据，对土壤水分动态的理解仍然存在局限。因此，通过高密度的现场观测，可以更全面地揭示土壤水分响应的模式及其控制因素。此外，本研究的结果表明，坡向和位置在土壤水分响应中起着重要作用，这为未来的水资源管理和生态保护提供了重要的科学依据。例如，在干旱和半干旱地区，坡面底部的土壤水分和植被条件通常比坡面顶部更为有利，这可能对水资源的可持续利用产生重要影响。

综上所述，本研究通过建立高密度的土壤水分监测网络，系统地分析了不同坡向下土壤水分对降雨的响应模式及其控制因素。研究结果表明，降雨阈值在坡面上呈现出显著的空间异质性，主要受到坡向的影响。土壤水分增量在不同坡向之间存在显著差异，其中中坡的SMI显著高于阳坡和半阴坡，这可能是由于中坡的土壤结构和植被条件更适合水分的储存和传输。土壤储水增量则主要集中在表层土壤，而深层土壤的储水能力则相对较低，这可能与土壤的渗透性、容重以及植被的蒸腾作用有关。此外，降雨量是影响土壤水分增量时间动态的主要因素，而土壤容重、植被覆盖度、土壤有机质含量、前期土壤水分以及地形坡度则共同决定了土壤水分增量的空间分布。

这些发现不仅为理解山地区域的水文过程提供了新的视角，也为未来的水资源管理和生态保护提供了重要的科学依据。通过揭示降雨阈值、土壤水分增量和土壤储水增量的时空分布特征，本研究有助于更准确地预测和管理山地地区的水资源。此外，研究结果还表明，非饱和侧向地下径流在土壤水分动态中起着重要作用，特别是在高海拔、寒冷的山地环境中，这种径流的分布和变化对水文过程的影响更为显著。因此，未来的水文研究需要更加注重这些因素的综合分析，以更好地理解和预测山地地区的水文行为。

本研究的成果对于推动山地水文过程的研究具有重要意义。首先，通过高密度的现场观测，我们能够更全面地捕捉土壤水分对降雨的响应模式，为山地水文过程的建模和预测提供数据支持。其次，研究结果揭示了降雨阈值、土壤水分增量和土壤储水增量的时空分布特征，这些特征对于理解山地地区的水文过程具有重要的指导意义。最后，本研究强调了在高原山地地区建立高密度土壤水分监测网络的重要性，这为未来的水资源管理和生态保护提供了重要的科学依据。通过综合分析多种环境因素对土壤水分响应的影响，我们能够更准确地揭示山地地区的水文过程，为相关研究提供新的思路和方法。