全球遥感土壤临界点与永久萎蔫点数据集：解锁土壤水奥秘，助力生态精准调控

在全球水文、生物物理模型及农业灌溉中，土壤临界点（CP）和永久萎蔫点（PWP）至关重要，但缺乏全球尺度数据。研究人员利用土壤水分干涸（SMD）过程，从长期遥感土壤水分产品（NNsm）中提取 CP 和 PWP。结果显示该数据集稳健且准确，有助于模型校准等，意义重大。

　　

在地球的生态系统中，土壤就像一个巨大的 “水库”，储存着植物生长所需的水分。而土壤临界点（Critical Point，CP）和永久萎蔫点（Permanent Wilting Point，PWP），则是这个 “水库” 的关键指标。CP 指的是土壤蒸发从受能量限制转变为受水分限制时的土壤含水量，它区分了蒸发蒸腾的两个阶段；PWP 则是土壤水分下降到植物无法再吸收利用的程度。这两个指标对于全球水文模型、生物物理模型以及农业灌溉来说，就像精准导航的指南针，至关重要。

然而，目前在全球尺度上，缺乏关于 CP 和 PWP 的有效数据。传统获取土壤水力特性的方法，如基于大量实地样本的 pedo - transfer functions（PTFs），不仅费力，而且结果准确性有限。机器学习预测 PWP 的方法，同样依赖大量实地样本进行验证，耗时耗力。因此，获取全球范围内可靠的 CP 和 PWP 数据，成为了科研人员亟待攻克的难题，这对于提升模型准确性、应对水资源短缺和粮食生产需求等问题具有重要意义。

为了解决这些问题，清华大学的研究人员开展了一项重要研究。他们通过土壤水分干涸（Soil Moisture Drydown，SMD）过程，从 2002 - 2023 年长期遥感土壤水分产品（Neural Network - based Soil Moisture，NNsm）中提取 CP 和 PWP，构建了全球年度土壤水力特性数据集。该研究成果发表在《Scientific Data》上，为相关领域的研究带来了新的突破。

研究人员在研究过程中，主要运用了以下关键技术方法：一是采用 McColl 的方法计算干涸时间尺度，通过对土壤水分变化的分析，获取反映土壤水力特性和土地 - 大气反馈的参数；二是使用 NNsm 和 SMAP 的土壤水分数据进行对比分析，同时利用国际土壤湿度网络（International Soil Moisture Network，ISMN）的 1334 个站点数据进行验证；三是借助全球降水测量（Global Precipitation Mission，GPM）产品获取降水信息，运用 ERA5 再分析数据计算干旱指数（Aridity Index，AI），结合土地利用和土壤质地数据，全面分析不同条件下的 CP 和 PWP。

数据记录

研究生成了全球年度土壤 CP 和 PWP 数据集，还包含与 SMD 相关的其他参数，如τS、年度干涸次数(ndd)、τL和拟合系数(R2)。数据集涵盖 2002 年 6 月至 2023 年 12 月，空间分辨率为 36km×36km，文件格式为.mat，方便在 MATLAB 中打开。

技术验证

1. 时空特征：研究分析了不同气候区 CP 和 PWP 的时空特征，发现其时间序列波动较小，表明通过 SMD 提取 CP 和 PWP 的方法具有稳健性。全球 CP 值高于 PWP 值，且两者的时间变异性较低。

2. 与其他产品对比：将新数据集与其他 CP 和 PWP 产品对比，发现空间模式相似，但存在一些差异。新数据集的 PWP 在北美、巴西等地略低于其他产品，CP 略高于 Fu 的产品。与 ISMN 站点数据对比，新数据集的 CP 和 PWP 准确性更高，数据点有效性也更强。

3. 与其他土壤水分产品对比：对比 NNsm 和 SMAP 计算的 CP 和 PWP 与 ISMN 站点数据，结果显示 NNsm 计算的值与站点数据匹配更好，这得益于 NNsm 每日分辨率数据更接近地面观测。不过，卫星产品与站点数据存在差异，主要是由于站点空间代表性有限、检测深度异质性等因素。

4. 不同植被和土壤质地条件下的分布：研究分析了不同植被类型和土壤质地条件下 CP 和 PWP 的分布。发现荒地、草地等植被的 CP 和 PWP 值较低，而木本稀树草原和落叶阔叶林较高。土壤质地中，黏土和粉砂含量与 CP、PWP 呈正相关，砂含量呈负相关。

研究结论与讨论

该研究成功构建了全球尺度的土壤 CP 和 PWP 数据集，为相关领域提供了重要的数据支持。与以往产品相比，该数据集在准确性上有显著提升，更符合 ISMN 数据。尽管研究存在一些局限性，如在某些地区 SMD 检测算法存在假设问题，数据集空间分辨率较粗等，但这为未来研究指明了方向。该数据集在评估干涸时间尺度、CP 和 PWP 的多年动态变化等方面具有重要应用价值，可作为土地表面模型的稳定输入参数，助力预测未来干旱趋势，推动相关领域的研究发展。