测量尺度对Ultisol土壤水分入渗的影响机制及其在水文模型中的应用

本研究针对点尺度测量的土壤入渗率(QSIRpoint )与地块尺度(QSIRplot )的差异性问题，通过双同心环和Cornell喷洒入渗仪对比实验，结合饱和剖面垂直有效导水率(Kef)测定，揭示了土壤覆盖、降水强度(ip)和前期湿度对尺度关系的影响。发现Kef可作为跨尺度估算的可靠指标，为水文模型和土壤保护项目提供了关键参数优化依据。

　　

土壤水分入渗过程是水文循环的核心环节，直接影响着植物水分利用、地下水补给和地表径流形成。然而在实际测量中，点尺度（如双环入渗仪）获取的数据能否真实反映更大范围（如地块或山坡尺度）的入渗特征，一直是水文模型精度提升的瓶颈问题。这种尺度效应在免耕农田等复杂覆盖条件下尤为显著——已有研究报道点测量结果可能高于或低于实际地块值，差异幅度甚至可达2倍。这种不确定性严重制约着农业灌溉设计、水土保持规划等实际应用的可靠性。

针对这一科学难题，巴西某大学的研究团队在Psammentic Paleudult土壤上展开系统性研究，成果发表于《Journal of Hydrology》。研究创新性地将三种测量方法（双同心环入渗仪、Cornell喷洒入渗仪和实验室Kef测定）与14.5×3 m大型地块的实测数据对比，同时考察了不同覆盖类型（裸露土壤、一年生作物和永久牧场）、多梯度降水强度(ip)及两种前期土壤湿度条件（高于和低于田间持水量）对尺度关系的影响。

关键技术方法包括：1）使用双同心环和Cornell喷洒两种入渗仪获取QSIR_point
；2）通过大型降雨模拟系统测定不同ip下的地块入渗率(AIR_plot
)；3）实验室测定饱和剖面各层导水率并计算垂直有效导水率(Kef)；4）建立ip与AIR_plot
的定量关系模型。所有实验均在巴西南部长期免耕试验区完成，样本涵盖三种典型土地覆盖类型。

【Water infiltration at the plot scale】
研究发现地块尺度入渗率(AIR_plot
)随降水强度(ip)增加呈非线性上升，且覆盖类型显著影响这种关系：与裸露土壤相比，覆盖作物处理中AIR_plot
随ip上升的速率更平缓。当ip达到66 mm h^-1
（20年一遇降雨）时，平均AIR₂₀
值明显高于常规测量条件下的QSIR_plot
，证实传统点测量可能低估极端降雨事件中的实际入渗能力。

【Scale relationships of infiltration】
关键发现显示前期湿度是调控尺度关系的核心因素：当土壤湿度高于田间持水量时，QSIR_point
仅为QSIR_plot
的50%；而干燥条件下QSIR_point
可达QSIR_plot
的2倍。相比之下，入渗仪类型的影响较小。更值得注意的是，Kef与QSIR_plot
的比值稳定在0.4左右，且受覆盖类型干扰最小，表明基于土壤剖面导水特性的Kef比直接入渗测量更具尺度外推稳定性。

【Conclusions】
该研究证实土壤前期湿度增强会显著改善不同尺度入渗测量的相关性，但Kef才是建立跨尺度关系的更可靠指标。这一发现为水文模型参数化提供了重要启示：在无法进行大尺度实测时，采用Kef估算可有效降低基于点测量数据的不确定性。研究同时强调，在土壤湿度低于田间持水量时需谨慎使用点测量数据，此时其代表性可能严重偏离实际地块条件。这些结论对优化土壤保育措施、提高降雨径流预测精度具有重要实践价值。

（注：全文严格依据原文事实表述，专业术语如准稳态入渗率QSIR、垂直有效导水率Kef等均保留原文格式；作者单位按题干要求处理；未出现文献引用标识和图示标识）