编辑推荐：
在复杂地形森林流域，土壤水分时空变异性研究存在空白。研究人员分析美国宾夕法尼亚州森林流域数据，发现不同时期土壤水分主控因素不同，还确定了代表性监测点。该研究有助于优化监测网络，支持水文建模与管理。
土壤水分作为一个至关重要的水文变量，对诸多领域有着深远影响。它掌控着流域尺度的水动力学，是农业和自然植被生长的 “生命之源”，也是陆地与大气能量交换的 “调节枢纽”。其时空变异性蕴含着丰富的信息，是水文连通性和生态系统弹性的关键 “指示器”，为水资源管理、生态保护以及可持续农业发展提供了不可或缺的决策依据。
然而，现实情况却十分复杂。土壤水分的变化并非由单一因素决定，而是降雨模式、植被动态、地形起伏、土壤异质性以及人为活动等多种因素相互交织、非线性作用的结果。这种复杂性使得在分析和监测土壤水分动态时困难重重，尤其是在那些土壤类型多样、地形复杂多变的区域，就像进入了一个迷雾重重的迷宫，难以找到准确把握土壤水分变化规律的 “钥匙” 。
此前的研究虽然在土壤水分的空间分布、时间稳定性以及影响因素等方面取得了一定进展，但大多集中在静态的湿润或干燥季节极端情况，以及土壤与地形的相互作用上。对于过渡阶段，像干湿交替时期，外部环境因素，比如优先流、植被动态和微气候变异等，如何影响土壤水分的时间稳定性，人们了解得还非常有限。特别是在森林流域，那里的土壤性质千差万别，地形地貌复杂多样，这一知识空白就像拼图中缺失的关键几块，严重阻碍了人们对土壤水分变化规律的全面认识。
为了填补这些关键空白，来自多个研究机构的研究人员携手开展了一项极具意义的研究。他们把目光聚焦在美国宾夕法尼亚州中部的页岩山流域（Shale Hills catchment），这片 7.9 公顷的区域有着丰富的地形变化，海拔在 256 米至 310 米之间，页岩形成的山脊和山谷错落有致。研究人员收集了 33 个监测点长达三年的高分辨率土壤水分数据，并将这些数据按照湿润期、干旱期和干湿过渡期进行分类，深入剖析不同时期土壤水分的变化规律 。
研究人员运用了多种技术方法来解开土壤水分变化的谜团。其中，基于 Vachaud 等人提出的概念，他们采用统计和时间稳定性分析方法，通过计算每个监测点土壤水分与平均值之间的相对差异，以此来探究土壤水分的时空变异性，相关计算公式为RDij=θjθij?θj，这里θij代表监测点i在时间j的土壤水分，θj是空间平均土壤水分 。此外，还运用了冗余分析（RDA），挖掘影响土壤水分变异性的关键因素。
在研究结果方面，首先是土壤水分统计和空间变异性。不同土壤深度（A 层：0.05 - 0.20 米、B 层：0.12 - 0.90 米、C 层：0.20 - 1.62 米）的土壤水分动态与降水、蒸散（ET）和温度呈现出很强的季节性一致性。空间平均土壤水分在不同土层的变化趋势相似，浅层土壤的水分含量通常高于深层。而且，随着空间平均土壤水分θj的增加，土壤水分的空间变异性呈下降趋势，但其中的关系在某些情况下更为复杂 。
干湿过渡期的土壤水分时空动态表现出独特之处。这一时期土壤水分的变化规律偏离了湿润期和干旱期的常规模式，反映出在快速变化的水文条件下，土壤水分的时空复杂性显著增加。研究人员还发现了土壤水分变异系数（CVS）与θj关系中的关键阈值，超过这个阈值，二者会呈现出相反的变化趋势 。
关于土壤水分时间稳定性和影响因素，研究表明，不同时期土壤水分的时间稳定性差异明显。湿润期时，土壤水分的时间稳定性最高，主要受地形属性的控制；而在干旱期和过渡期，时间稳定性下降。干旱期土壤水分动态受土壤成分和坡度特征的共同影响，过渡期则对优先流频率（PFF）和坡度属性表现出很强的敏感性。在众多时变因素中，气温和蒸散成为调节土壤水分动态的关键因素 。
在确定代表性监测位置方面，研究发现，具有地形湿度指数（TWI）接近流域平均值且优先流频率相对较低特征的单一位置，在整个研究期间能够较为准确地估算区域平均土壤水分（R2>0.86）。不过，在干旱期和过渡期，为保证监测精度，还需要增加额外的监测位置 。
综合上述研究结果，该研究清晰地揭示了复杂地形森林流域土壤水分的时空变异性，明确了不同土壤深度和水文气候时期，时间不变因素和时变因素对土壤水分的影响机制，找到了具有代表性的监测位置及其特征。这一研究成果意义重大，极大地加深了人们对森林流域土壤水分变异性的理解，为设计高效、经济的监测网络提供了科学依据，有助于更精准地进行水文建模和水资源管理，就像为复杂的水文研究领域点亮了一盏明灯，指引着后续的研究方向和实践应用。该研究成果发表在《CATENA》上，为相关领域的发展贡献了重要的理论和实践参考。
