基于根区土壤水分损失函数的物理阈值估算：面向骤旱监测的改进方法

《Applied Sciences》：Physically Informed Thresholds from Root-Zone Soil Moisture Loss Functions: Toward Improved Flash Drought Monitoring

　　

百分位阈值被广泛应用于骤旱监测，但其缺乏明确的物理基础，因为相同的百分位在不同土壤和气候条件下可能对应截然不同的土壤水分状态。本研究构建了一个基于土壤水分损失率函数L(SM)的框架，用以识别根区水分损失阶段、估算物理阈值，并将其与统计百分位阈值进行比较。利用1950—2025年ERA5-Land再分析资料（reanalysis data），该框架结合了L(SM)的非参数识别（non-parametric identification）与分段线性拟合（piecewise linear fitting），以刻画中国东南部东江流域根区土壤水分损失阶段并估算物理阈值。研究识别出两个具有物理意义的临界阈值：SMWT（wet–transitional boundary，湿润—过渡边界）和SMTD（transitional–dry boundary，过渡—干燥边界）。通过空间比较与回归分析，评估了上述阈值与统计百分位阈值及参考土壤水力参数之间的关系。结果表明，根区L(SM)曲线以湿润—过渡—干燥三阶段结构占绝对主导，占全部格点的92.5%，而重力排水阶段在根区尺度上缺失。流域平均SMWT和SMTD分别为0.36和0.27 m3/m3，自举法（bootstrap）95%置信区间平均宽度分别为0.03和0.02 m3/m3。第40和第20百分位阈值完全嵌套于SMWT与SMTD之间，且与物理阈值的相关系数达0.98—0.99。然而，统计阈值窗口仅覆盖物理过渡区约55.6%的范围，表明其在表征农业干旱末期严重程度方面的能力弱于对骤旱发生过程的捕捉。本研究提出的框架为骤旱监测提供了具有物理意义的参考阈值，并支持百分位方法的区域化调整。

骤旱（flash drought）是一种以土壤水分快速耗竭为特征的极端干旱类型，其突发性和快速加剧可在数天至数周内对农业生产、供水安全和生态系统造成严重影响。由于骤旱发展过程极为迅速，传统面向缓慢演变干旱的监测方法难以直接适用，因而亟需能够反映土壤水分快速耗竭物理过程的监测阈值。目前应用最广泛的是基于历史土壤水分记录的百分位阈值法（percentile-based method），即在约两周内土壤水分百分位从第40百分位以上快速降至第20百分位以下时判定为骤旱事件。该方法简单、数据需求低，已在北美、欧洲和东亚得到广泛应用。然而，百分位阈值本质上是统计描述量，其数值随参考期、数据源和空间尺度变化显著，且缺乏明确的物理意义。相同百分位在不同土壤质地、植被类型和气候背景下可能对应完全不同的土壤水分状态，导致基于百分位阈值识别的骤旱事件在生态和水文意义上难以跨区域等价，限制了该方法在区域间干旱评估中的适用性。因此，识别具有物理意义的骤旱监测阈值，是提升骤旱识别可靠性的关键步骤。

蒸散发与土壤含水量之间的耦合关系为上述挑战提供了物理基础。已有研究表明，土壤水分损失率并非随含水量单调变化，而是呈现明显的阶段性特征：当土壤含水量较高时，蒸散发主要受大气蒸发需求控制，损失率基本恒定，对应能量限制阶段；随土壤逐渐变干，导水率和气孔导度下降，蒸散发转为水分限制，损失率随含水量下降而降低；当土壤水分极低时，植物蒸腾几乎停止，仅剩微弱的残余土壤蒸发。这一概念框架已在多个气候区得到验证。三个土壤水力参数为该阶段框架提供了重要物理参考：田间持水量（field capacity）代表重力排水后土壤保持的最大含水量，标志着排水主导过程向能量限制蒸发的转变；临界点含水量（critical point water content）代表能量限制阶段向水分限制阶段的转变，一般介于田间持水量与萎蔫点之间；永久萎蔫点（permanent wilting point）代表水分限制阶段向残余蒸发的转变，与植物永久萎蔫相关。这些参数具有明确的土壤物理意义，不依赖于参考期选择或统计阈值定义，为发展骤旱识别的物理阈值提供了理论基础。然而，直接从观测或再分析数据中估算这些阶段转变含水量，尤其是针对整个根区尺度的成熟方法框架仍然缺乏。

Sehgal等人提出了基于土壤水分损失率函数的非参数框架，通过分段线性拟合从长期土壤水分时间序列中估算阶段转变断点。后续研究进一步发展了非线性土壤水分损失函数和基于变点检测的自动干涸参数提取方法，证实了从土壤水分干涸数据中提取阶段结构信息的可行性。然而，以往研究大多聚焦于近地表土壤水分，根区尺度上阶段结构是否仍然有效尚未得到系统评估。对于骤旱监测而言，根区土壤水分尤为重要，因为植物水分胁迫主要取决于整个根区的水分状态，而非浅层地表的瞬时水分状况。将土壤水分损失阶段分析框架拓展至根区尺度，是重要的方法学进展，也是将陆气相互作用机制与骤旱监测实践相衔接的关键步骤。

研究人员以中国东南部东江流域为研究区，利用ERA5-Land再分析数据（1950—2025年），将土壤水分损失阶段框架应用于根区土壤水分。研究目标包括：（1）识别根区土壤水分损失曲线的主导形态及其空间格局；（2）估算根区土壤水分损失阶段转变的物理阈值并评估其稳健性；（3）将估算的物理阈值与常用统计百分位阈值和参考土壤水力参数进行比较。研究结果为改进和区域化调整百分位骤旱监测方法提供了物理基础。

研究采用的主要技术方法包括：第一，从ERA5-Land提取0—7 cm、7—28 cm和28—100 cm三层逐小时体积土壤含水量数据，采用厚度加权平均法整合为0—100 cm根区平均土壤水分，并聚合至7天时间步长以匹配骤旱快速演变特征。第二，构建土壤水分损失率函数L(SM)，定义为给定水分状态下土壤水分损失率的条件期望，并通过净干燥时段筛选从完整时间序列中提取配对观测样本。第三，采用基于条件均值比较的非参数方法识别L(SM)曲线形态，利用四等分区间划分和Welch双样本t检验判断相邻区间间损失率差异的显著性，据此将各格点划分为不同形态类型。第四，根据形态类型配置分段线性模型，采用穷举网格搜索估计断点位置，并通过自举重采样（1000次）量化断点估计的不确定性。第五，将估算的物理阈值与第40和第20百分位阈值及参考土壤水力参数（田间持水量SM_FC和萎蔫点含水量SM_WP）进行比较分析。参考土壤水力参数来源于中国土壤水文数据集（CSHD），基于砂粒、粉粒、黏粒、有机质和容重通过土壤转换函数估算，空间分辨率约1 km。

3.1 主导L(SM)曲线形态及其空间格局

在318个格点中，294个格点（92.5%）被划分为CFC型，对应湿润—过渡—干燥三阶段结构，仅24个格点（7.5%）为F型，对应单调结构。CFC型在全流域占绝对主导且空间分布较为均匀，与东江流域亚热带季风气候背景一致。在湿润气候条件下，年降水量充沛，根区土壤水分动态范围较宽，可覆盖从湿润能量限制阶段到干燥残余蒸发阶段的水分状态，使三阶段结构在统计上能够清晰识别。F型格点主要集中于南部平原和西北部流域边缘。南部聚集区与珠江三角洲强烈城市化密切相关，高不透水面积比例趋于均质化地表水分供给和消耗过程，削弱了干燥过程中土壤水分供给与大气蒸发需求之间的非线性耦合。西北部的小规模F型聚集区可能与局部土地利用和排水条件有关。

代表性格点的观测L(SM)曲线显示，CFC型格点在W阶段（SM > SM_WT）曲线相对平缓，在T阶段（SM_TD ≤ SM < SM_WT）随土壤水分下降单调递减，在D阶段（SM < SM_TD）再次趋于平缓。对应的ET–SM散点图再现了这一分段结构。F型格点则呈现近似单调递减趋势，无显著阶段转变。流域尺度上，CFC型格点低SM三分位中位ET为每7天14.69 mm，显著低于高SM三分位的每7天23.87 mm；F型格点ET–SM Spearman相关系数更强（ρ = 0.65 vs. 0.48）。研究还发现ERA5-Land ET数值系统性地超过ΔSM/Δt换算为毫米后的数值约1.5—2倍，这归因于ET包含可能延伸至100 cm监测深度以下的根系蒸腾，而ΔSM/Δt仅反映0—100 cm层内的净水分损失。

3.2 L(SM)函数临界阈值估算

基于W–T–D三阶段框架，研究人员对294个CFC型格点估算了W–T边界阈值SM_WT和T–D边界阈值SM_TD。SM_WT范围为0.30—0.45 m³/m³，流域均值为0.36 m³/m³，标准差为0.04 m³/m³，自举95%置信区间平均宽度为0.02 m³/m³。约49.3%的格点SM_WT集中于0.31—0.35 m³/m³区间，众数约为0.33 m³/m³，分布右偏。SM_TD范围为0.20—0.36 m³/m³，流域均值为0.27 m³/m³，标准差为0.04 m³/m³，自举95%置信区间平均宽度为0.02 m³/m³。频率分布呈明显双峰形态，主峰位于0.22—0.24 m³/m³区间，次峰位于0.32—0.34 m³/m³区间，可能与流域内土壤质地空间异质性有关。

空间上，高SM_WT值（>0.42 m³/m³）主要集中于西北部山区，中高值（0.36—0.42 m³/m³）向中南部和东南部延伸，东北部以0.33—0.36 m³/m³为主，低值（<0.33 m³/m³）主要出现在中部和西南部。SM_TD的空间分布与SM_WT高度一致，西北山区为高值区（>0.32 m³/m³），中南部和东南部以中高值（0.26—0.29 m³/m³）为主，中部丘陵区主要为低值（<0.23 m³/m³）。

3.3 不同阈值比较

排除参考SM_FC后，其余五类阈值在流域均值层面呈现清晰的递减层级：SM_WT（0.36）> SM_40th（0.35）> SM_20th（0.30）> SM_TD（0.27）> SM_WP（0.22），单位均为m³/m³。格点尺度上，98.6%的格点满足SM_WT > SM_40th，100%满足SM_TD < SM_20th。这表明统计阈值在物理上合理，SM_40th位于湿润—过渡边界之下，SM_20th位于过渡—干燥边界之上，统计百分位阈值完全嵌套于物理阈值框架之内。SM_TD系统性地高于SM_WP，平均差值为+0.05 m³/m³，83.3%的格点满足SM_TD > SM_WP，与气孔关闭发生在土壤水分达到永久萎蔫点之前的生态生理学认识一致。值得注意的是，41.1%的格点出现SM_FC < SM_WT，可能原因是深层土壤储存的水分提供持续供给缓冲，使根区平均土壤水分降至传统田间持水量以下后蒸散发仍能维持相对较高水平。

物理阈值与统计阈值之间呈强相关。SM_40th对SM_WT回归斜率为0.99，截距为0.01 m³/m³（R² = 0.98），几乎呈一一对应关系。SM_20th对SM_TD回归斜率为0.96，截距为0.05 m³/m³（R² = 0.97），也呈强空间共变。两类阈值系统对共同的空间控制因素（尤其是土壤质地异质性）响应一致，细质地土壤在全部水分范围内持水能力更强，同时抬升物理断点和统计百分位，而粗质地土壤则同时压低两者。

总体而言，统计阈值捕捉了土壤水分活跃耗竭区的核心部分，对应蒸散发从能量限制向水分限制转变的核心过渡区。然而，统计阈值窗口（SM_40th至SM_20th，平均宽度约0.05 m³/m³）仅覆盖物理过渡区（SM_WT至SM_TD，平均宽度约0.09 m³/m³）约55.6%的范围，在物理干燥过程的两端均存在监测盲区。上端SM_40th系统性低于SM_WT，平均差值为0.01 m³/m³，表明物理干燥的初始阶段可能被统计方法忽视；下端SM_20th系统性高于SM_TD，平均差值为0.03 m³/m³，表明统计农业干旱阈值触发时植被可能尚未进入严重水分胁迫。下端偏差约为上端偏差的三倍，说明百分位方法更擅长捕捉骤旱发生过程，而在表征农业干旱末期严重程度方面存在不足。

讨论部分指出，根区L(SM)曲线以W–T–D三阶段结构为主导，与浅层土壤中常见的四阶段结构不同，原因在于重力排水阶段在根区尺度上缺失。在浅层土壤中，近饱和含水量可产生强重力势梯度，形成独立于蒸散发的快速排水过程；而在根区尺度上，重力排水主要表现为土壤柱内的垂直再分配而非整个0—100 cm剖面的净水分损失。此外，即使浅层土壤含水量降至田间持水量以下，深层土壤仍可储存大量植物可利用水分，使根区整体损失率在较宽水分范围内保持稳定，从而扩展了湿阶段域。研究还讨论了ERA5-Land深层土壤水分模拟的不确定性、0—100 cm根区深度均匀假设的局限性、深根植被从100 cm以下吸水未被L(SM)框架捕捉等问题。土壤质地被认为是物理阈值空间分异的主要控制因素，西北山区以质地较细的ACh土壤为主，中部和南部以砂粒含量较高的ACf土壤为主，与SM_WT和SM_TD的空间分布基本一致。但卡方检验确认形态类型与土壤类型之间无显著关联，表明流域尺度上三阶段结构的普遍性主要反映亚热带季风气候的主导作用，而非土壤异质性。

研究结论如下：（1）东江流域根区L(SM)曲线以W–T–D三阶段结构（CFC型）占绝对主导，重力排水阶段在0—100 cm根区尺度上缺失，表明L(SM)曲线形态具有强深度依赖性。（2）物理阈值呈显著空间异质性，主要受土壤质地控制。流域平均SM_WT为0.36 m³/m³，SM_TD为0.27 m³/m³，自举95%置信区间平均宽度分别为0.03和0.02 m³/m³，断点估计稳定性较高。（3）统计百分位阈值完全嵌套于物理阈值之间，两类阈值系统相关系数达0.98—0.99，表明百分位统计阈值方法在东江流域具有合理的物理基础。（4）统计阈值窗口仅覆盖物理过渡区约55.6%的范围，上下两端均存在监测盲区，表明百分位方法更擅长捕捉骤旱发生过程，而在表征农业干旱末期严重程度方面存在局限。本研究将L(SM)形态分类框架拓展至根区尺度，揭示了其深度依赖性，阐明了百分位统计阈值的物理基础与局限，估算的物理阈值为东江流域骤旱监测提供了具有物理可解释性的参考基准，并支持统计阈值方法的区域化调整。