综述：包气带过程的新兴问题与研究机遇

这篇综述系统梳理了包气带（vadose zone）研究中的六大核心议题：尺度转换与建模、土壤水分监测网络、地表能量平衡、优先流与生物地球化学过程互作、火灾与包气带动力学关系，以及新兴污染物（如PFAS、PPCPs）的归趋。文章整合了美国多州研究项目W5188的最新成果，强调跨尺度测量技术（如COSMOS、TDR）、多物理场耦合模型（如HYDRUS-1D、ParFlow）的创新应用，为应对气候变化下的水土资源管理提供了理论框架。

　　

包气带过程的前沿挑战与突破

尺度转换与建模

包气带作为地表饱和-非饱和过渡区，其水力特性的空间异质性长期困扰着模型精度。X射线计算机断层扫描（CT）技术揭示了土壤孔隙的三维结构，但分辨率与样本尺寸的权衡仍是瓶颈。最新研究通过耦合宇宙射线中子传感器（COSMOS）与分布式水文模型（如ParFlow-CLM），实现了从孔隙到流域尺度的水通量模拟。值得注意的是，多域模型将土壤划分为大孔隙和基质域，可更精准刻画优先流路径对溶质运移的影响。

土壤水分监测网络革命

美国国家协同土壤水分监测网络（NCSMMN）整合了30余种原位传感器（如TDR、电容探头）与卫星遥感（SMOS）。热红外无人机数据可将表层5 cm水分监测精度提升至70 m分辨率，而深根区（>1 m）仍依赖中子探针。一项突破性进展发现，公民科学项目CoCoRaHS的众包降水数据能有效校正土壤湿度模型偏差，这为全球干旱预警系统提供了新思路。

地表能量平衡的跨尺度耦合

Priestley-Taylor JPL（PT-JPL）算法通过简化Penman-Monteith方程，在ECOSTRESS卫星上实现了70 m分辨率的蒸散发（ET）估算。土壤蒸发三阶段理论获得重要修正：恒定速率蒸发仅在大气需求较低时存在，而下降阶段受毛细管断裂深度控制。加州农田的案例显示，将表面阻力因子纳入社区陆面模型（CLM）后，半干旱区ET模拟误差降低23%。

优先流驱动的生物地球化学热点

土壤大孔隙（>300 μm）不仅是水分快速通道，更孕育了80%的微生物活性。X射线显微技术证实，细菌倾向于聚集在高速孔隙周边的低流速区，既能获取养分又避免冲刷。这种"孔隙边缘效应"使CO₂通量在降雨后出现Birch效应爆发——干旱土壤复湿时碳释放量超预期300%。

火灾与包气带的相互作用

2020年澳大利亚山火研究表明，中度燃烧会形成地下憎水层，导致地表积水斑块化入渗。高温燃烧则可能完全破坏有机涂层，使饱和导水率骤降90%。新型修正Green-Ampt模型引入接触角参数，成功预测了火灾后优先流重构过程。

新兴污染物的环境行为

全氟化合物（PFAS）在气-水界面的富集系数可达10³，短链物质（如PFBA）的植物吸收效率比长链高5倍。微塑料（<10 μm）通过"特洛伊木马"效应携带重金属迁移，而抗生素胁迫会使土壤耐药基因（ARGs）丰度增加2个数量级。最新开发的HYDRUS模块已能模拟PFAS在包气带中的界面行为。

这些发现为构建下一代"数字孪生"包气带模型奠定了基础，但跨学科数据共享和公民科学参与仍是实现精准预测的关键。