中国北方山区水文过程对事件级和年际尺度降水极值的响应

《CATENA》：Response of hydrological processes to event- and annual-scale precipitation extremes in a rocky mountainous area of northern China

生态系统对极端降雨的短长期响应差异及驱动机制研究。基于北京山区13年观测数据，对比自然草地与次生森林的水文过程，发现浅层土壤NG响应更快而SF深层土壤保水更强，年尺度ET占主导（75.42%~121.55%），多年土壤水分亏缺但极端降雨可致年盈余。

　　

吴旭新|于欣晓|贾国东|刘子赫|饶红红

国家林业和草原管理局水土保持重点实验室，北京林业大学，北京100083，中国

摘要

在全球变化和人类活动的背景下，由于降水分布不均，强降雨和干旱事件的频率不断增加，这对生态系统的水文状况构成了重大挑战。森林和草地生态系统对极端气候条件可以表现出不同的水文响应，但它们在多个时间尺度上的短期和长期反应仍未能得到充分量化。本研究利用野外标准径流测量点和垂直分布的土壤湿度监测系统，对北京一个岩质山区内的森林和草地生态系统在极端降雨事件下的P（降水量）、R（径流量）、ET（蒸散量）和SWC（土壤含水量）的影响进行了研究。在事件尺度上，天然草地（NG）在浅层土壤中的水文响应比次生林（SF）更快、更明显。风暴事件在NG和SF的深层土壤中都引发了显著的水分传输。深层水分的移动受到根系和风暴前土壤含水量的调节，其中SF表现出更大的土壤水分保持能力。在年尺度上，主要的水分输出是蒸散量，占NG的75.42%至107.69%，占SF的78.68%至121.55%。多年平均径流量在NG中明显高于SF，尽管年均径流量仅占年降水量的6.74%至12.97%。在极端湿润年份，深层土壤含水量显著高于极端干旱年份，这突显了极端降水在深层土壤水分补给和保持中的作用。尽管如此，两种生态系统都存在多年的土壤水分亏缺，但在生长季节末期的强降雨偶尔会导致年度水分盈余。这些发现为了解气候变化加剧条件下岩质山区生态系统的水文动态提供了新的见解。

引言

全球气候变暖改变了水资源的时空分布模式（Guo等人，2022；Zhang等人，2021），导致全球极端天气事件频发（Kotz等人，2024；Guo等人，2022）。在中国大陆，过去一个世纪平均地表温度上升了0.5–0.8°C（Ren等人，2017）。这一变化超过了全球变暖的趋势（Balting等人，2021），华北地区极端气候事件的频率也在增加（Qi，2017）。这些变化深刻影响了水文循环（Sobaga等人，2024；Tian，2023），极端降水事件显著改变了土壤湿度、地表径流和地下水补给，最终影响了生态系统的稳定性和功能（Zhang和Fujimori，2020）。

尽管关于极端降水和水文过程已有大量研究，但这些研究主要集中在亚热带或低地地区（Du等人，2019）。最近有一些研究探讨了不同生态系统之间的水文响应差异：例如，Lozano-Parra等人（2015）发现地中海橡树林中的草地和树冠覆盖之间存在明显的土壤水文模式差异。Zhang等人（2019a）通过同位素分析表明，在强降雨事件期间，混合森林的保水能力优于单一植被。Wang等人（2024）量化了不同植被恢复策略下亚热带山坡对极端降雨的土壤湿度响应差异。虽然这些研究提高了我们的理解，但它们主要关注的是亚热带或温带地区，忽略了干旱和半干旱地区，而在这些地区，极端降雨对于缓解水资源短缺和引发水文灾害具有特殊意义（Guo等人，2018）。随着气候变化的进展，这些地区可能会面临极端事件频率和强度的增加，因此迫切需要了解其水文影响。

多种因素影响降雨带来的土壤水分补给，其中降水特征、土壤性质和土地利用是主要驱动因素（MacEwan等人，2010；Zhang等人，2002）。例如，降水量和持续时间显著影响半干旱沙质生态系统的深层渗透，而土壤结构和质地则调节水分运动和地下水补给速率（Brown等人，2018；D'Odorico等人，2019；Yuan等人，2017）。在澳大利亚的一项研究中，Wasko和Nathan（2019）发现土地利用模式进一步影响了水分保持能力，自然生态系统通常比农业用地更有效。此外，之前的土壤湿度状况显著影响渗透和补给过程（Huang等人，2019b；Liu等人，2019a；Xue等人，2019）。尽管有这些发现，但以往的研究缺乏对极端降水因素的详细分类，特别是在类型、强度和持续时间方面（Tian等人，2018）。此外，大多数研究仅使用了两到四年的短期观测数据，导致深层土壤水分的长期影响研究不足（Lin和Yeh，2020；Onnen等人，2019）。

在年尺度上，气候因素——尤其是降水变异性而非平均降水量——决定了极端事件下的土壤湿度动态（Liang等人，2003）。年尺度上的气候变异性对多年时间框架内的深层土壤水分平衡有深远影响（Jansson和Hofmockel，2020；Shi等人，2020）。在各种气候因素中，降水在影响土壤湿度动态方面比温度更为重要（Guo等人，2021；Sehler等人，2019）。这是因为降水变异性，而不是平均降水量变化，更能解释极端降水事件频率的增加。暴雨事件显著影响深层土壤水分平衡，而年降水极端值会导致土壤水分盈余或亏缺的显著波动，从而影响地下水补给（Assouline等人，2024；Nabipour等人，2024）。降水分布和生长季节长度的变化在很大程度上解释了地区内的年土壤湿度差异（Dai等人，2022）。

高时间分辨率的土壤湿度原位点测量有助于准确估计土壤水文过程。先进的监测技术提高了我们对土壤湿度动态的理解（Entekhabi等人，2010；Sigopi等人，2024）。尽管遥感和宇宙射线中子探测器提供了有价值的空间数据，但它们往往缺乏捕捉极端降雨事件快速响应所需的高时间分辨率（Li等人，2021a；Pu等人，2020；Rahmati等人，2020）。这一限制在干旱频发的山区生态系统尤为重要，因为那里的水资源挑战日益严重（Ferdowsian等人，2001；Greve等人，2014）。北京的山区土壤和岩石地带是一个典型的水文系统，自20世纪50年代以来，种植的次生林和草地群落已经恢复，提供了包括水分平衡调节在内的关键生态系统服务。长期控制的土壤湿度动态实验有助于阐明和量化土壤水分与植被之间的相互作用。

我们在研究区域内对森林和草地生态系统进行了超过十年的连续原位观测（Jia等人，2022；Sun等人，2018；Zhang等人，2018；Zhang等人，2022b）。先前的研究发现，土壤湿度状况强烈依赖于降雨模式，不同土壤深度的渗透和饱和需求存在显著差异。此外，坡度特征、植被类型和土壤性质影响径流过程，在强降雨期间深层间隙流占主导地位。本研究扩展了以往的研究，以增进我们对极端降水下水文响应的理解。我们的目标是：（1）阐明2011年至2023年间两种山地生态系统对极端降水事件的响应差异；（2）探讨极端降雨条件下不同山地生态系统的影响因素。我们假设这两种生态系统将表现出显著不同的水文响应模式，次生林生态系统在事件和年尺度上表现出更大的缓冲能力。此外，我们预计植被类型和根系结构是影响极端降雨条件下水文响应的主要因素。这项研究将增强我们对植被在调节水文过程和生态系统对极端降雨事件响应中的作用的理解。

研究地点

实验地点位于中国北京的九峰国家森林公园（116°05′39′′-116°05′31′′E，39°03′27′′-40°03′56′′N），海拔高度为240米（图1）。该地区具有典型的温暖温带季风气候，平均气温为11°C。年降水量和雨季平均降水量分别为636.38毫米和465.1毫米。6月至9月这四个月占年降水量的70%。

长期降水模式和极端事件

在过去近五十年（1973–2023年）中，研究区域的年降水量略有下降（图3a）。使用MK检验发现，在1996年之前，UF和UB有八次交叉，表明年降水量发生了八次突变（图3c）。1996年之后，UF始终大于UB，表明年降水量有所增加。此外，2010年后UF多次大于1.96，表明年降水量显著增加（P

水文过程对多次极端降雨事件的响应

本研究考察了29次极端降雨事件下的水文响应，突出了天然草地（NG）和次生林（SF）之间的土壤水分动态差异。在极端降雨事件下，这两种生态系统在土壤含水量、渗透率、补给量和消耗量方面存在显著差异（图4、图5、图6）。NG和SF之间的植被类型和土壤特性差异导致了不同的水文响应

结论

本研究提供了关于中国北京岩质山区次生林（SF）和天然草地（NG）生态系统对极端降雨和干旱事件的水文响应的宝贵见解。它强调了在事件和年尺度上短期和长期响应的显著差异。在事件尺度上，NG在浅层土壤中的水文响应比SF更快，表明草地对水分快速变化的敏感性更高

作者贡献声明

吴旭新：撰写——初稿。于欣晓：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金筹集。贾国东：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金筹集。刘子赫：调查，数据分析。饶红红：方法论，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42230714、42277062和U2243202）以及中央高校基本科研业务费（QNTD202508）的支持，这些资金为完成和提交本手稿提供了重要支持。