黄土高原不同土地利用类型土壤饱和导水率 temporal variations 及其对水分平衡组分的影响

为探究土壤饱和导水率（Ks）时间变化对水分平衡的影响，研究人员利用 Hydrus-1D 双孔隙模型，对比分析玉米地和林地 Ks动态。发现耕作使玉米地 Ks波动显著，模型精度提升 14%；林地变化小。该研究为水土资源管理提供科学依据。

　　

土壤作为陆地生态系统的重要组成部分，其水分动态过程深刻影响着全球水循环与陆地水文平衡。土壤饱和导水率（Soil Saturated Hydraulic Conductivity，K_s）作为关键的土壤水力参数，直接调控着土壤水分入渗、蒸发、渗透等过程。然而，现有研究大多聚焦于 K_s的空间变异，对其时间动态变化及其对水分平衡组分（如蒸发、蒸腾、深层渗漏等）的影响认知不足，尤其在人类活动干扰强烈的农业生态系统与自然生态系统中，不同土地利用方式如何驱动 K_s时间变化尚不明确。中国黄土高原作为典型的生态脆弱区，长期面临土壤侵蚀、水资源短缺等问题，明确不同土地利用类型下 K_s的时间动态及其对水分平衡的影响，对区域水土资源管理与生态恢复具有重要科学意义。

为填补上述研究空白，来自中国长武农业生态实验站的研究团队开展了相关研究。研究以黄土高原玉米地（耕作农田）和刺槐林地（自然生态用地）为研究对象，通过田间定位观测与数值模拟相结合的方法，系统分析了 2022 年 4-10 月期间不同土地利用类型下 K_s的时间变化规律，并借助 Hydrus-1D 模型中的双孔隙模型（Dual-Porosity Model），对比模拟了恒定 K_s与动态 K_s条件下土壤水含量及水分平衡组分的差异。研究成果发表在《Agricultural Water Management》，为揭示人类活动影响下的土壤水文过程提供了新视角。

研究主要采用以下技术方法：① 双环入渗仪（Double Ring Infiltrometers）测定表层土壤（0-30 cm）K_s，每月 1 次，每次 6 次重复，以捕捉耕作、降水等因素对 K_s的动态影响；② 中子探针（Neutron Probe）监测土壤水含量，深度达 300 cm，结合叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）测定，为模型提供输入参数；③ Hydrus-1D 模型模拟，通过校准与验证双孔隙模型参数，对比分析恒定 K_s（全期平均值）与动态 K_s（每月实测值）两种情景下的土壤水分动态与水分平衡组分（蒸发 E、蒸腾 Tr、深层渗漏 D、土壤储水变化 ΔS）。

3.1 土壤总孔隙度与 K_s的时间变化

玉米地 0-30 cm 土壤总孔隙度在耕作后（5 月）显著升高至 55%，随后逐渐下降并稳定在 47%-48%，而林地孔隙度始终稳定在 50%-51%。K_s动态与孔隙度变化一致：玉米地 K_s在 5 月达峰值 80.74 cm/d，显著高于其他月份，随后持续下降；林地 K_s波动较小，各月间无显著差异。统计分析表明，玉米地 K_s时间变化显著（P<0.01），而林地无显著变化，揭示耕作是驱动农田 K_s动态的主要因素。

3.2 模型精度与土壤水含量模拟

考虑 K_s时间变化后，玉米地土壤水含量模拟精度（R²）提升 14%，林地提升 5%。动态 K_s情景下，模型对耕作引起的表层土壤水快速入渗与蒸发过程刻画更准确，而林地因 K_s稳定，模型精度提升有限。

3.3 对水分平衡组分的影响

玉米地中，动态 K_s使蒸发增加 1.27%，深层渗漏减少 14.92%，而蒸腾与土壤储水变化无显著差异；林地在两种情景下水分平衡组分几乎一致。进一步分析表明，耕作后（5 月）玉米地深层渗漏较恒定 K_s增加 48.99%，蒸发减少 6.54%，凸显耕作通过改变 K_s对水分垂直分配的显著影响。

研究结论表明，土地利用方式通过耕作干扰（农田）或自然植被稳定（林地）显著调控 K_s时间动态。在农业生态系统中，K_s的季节性波动显著影响水分平衡，忽略其动态变化可能导致深层渗漏等关键组分模拟偏差，进而影响水资源评估。而在自然林地中，K_s相对稳定，水分平衡对 K_s动态响应较弱。该研究首次量化了黄土高原不同土地利用类型下 K_s时间变化对水分平衡的影响，证实了 Hydrus-1D 双孔隙模型在刻画动态 K_s情景下土壤水文过程的有效性，为区域水土资源管理提供了重要模型工具与数据支撑。未来研究需进一步扩展多年份观测，以明确 K_s年际变化对水文过程的影响，为气候变化下的生态水文模型优化提供科学依据。