《Journal of Hydrology》：Depth-dependent lag, persistence, and hydro-thermal coupling of soil moisture in a basin of Northern China
编辑推荐：
•土壤水分的动态从变化剧烈的表层现象转变为稳定的深层储存状态。•垂直方向的耦合减弱，向更深的土壤层传播时延迟显著增加。•土壤水分的持久性从3厘米深度处的14天增加到50厘米深度处的37天。•土壤水分与温度的耦合在表层为负相关，而在深层则变为正相关。•黏土含量和海拔高度对深层土壤水
- •
土壤水分的动态从变化剧烈的表层现象转变为稳定的深层储存状态。
- •
垂直方向的耦合减弱，向更深的土壤层传播时延迟显著增加。
- •
土壤水分的持久性从3厘米深度处的14天增加到50厘米深度处的37天。
- •
土壤水分与温度的耦合在表层为负相关，而在深层则变为正相关。
- •
黏土含量和海拔高度对深层土壤水分动态及水热耦合有着显著影响。
引言
土壤水分是重要的水文状态变量，它连接着降水、蒸散作用、径流形成、植被水分需求以及陆地与大气之间的物质交换过程（Seneviratne等，2010；Seo等，2025）。在水资源匮乏的地区，其时空变化会显著影响地表能量分配、生态系统功能以及水文响应（Fu等，2024；D. Yang等，2025；Z. Yang等，2025）。由于土壤水分具有强烈的空间和时间异质性，仅通过有限的观测数据来描述其随深度变化的行为仍然十分困难（Bischof等，2026；Ojha等，2014；Liu和Yang，2023；Gan等，2025）。
土壤水分动态的一个显著特点是其强烈的垂直异质性（Mahmood和Hubbard，2007；J. Wang等，2026；X. Wang等，2026）。通常情况下，表层土壤会对降水量变化、大气水分需求以及根系吸水行为迅速做出反应，而较深层的土壤则较少受到短期外界因素的影响，表现出的响应更为平稳（Salvucci，2001）。先前的研究表明，土壤水分波动的幅度一般会随深度增加而减小，而土壤水分的时间记忆效应则往往向深处增强（Rahmati等，2024；J. Zhang等，2025；P. Zhang等，2025）。这种随深度变化的特性反映了渗透、蒸散、水分重新分布以及土壤水力特性等多种因素的共同作用，因此对于理解土壤剖面尺度上的水分运动和储存行为具有重要意义（Hillel，1998；J. Zhang等，2025；P. Zhang等，2025）。
正因如此，土壤水分信号的垂直传递逐渐受到更多关注（Rahmati等，2024；J. Wang等，2026；X. Wang等，2026）。相邻深度层之间存在的响应延迟被用来衡量降水或地表湿润信号向下传播的速度（J. Wang等，2026；X. Wang等，2026）。现有研究普遍认为，随着深度增加，垂直耦合程度会减弱，响应时间也会延长，因为较深层的土壤逐渐脱离直接的大气影响，更多地受地下水流路径、储存能力以及局部土壤结构的控制（Mccoll等，2019；Rosenbaum等，2012）。与此同时，土壤水分的持久性——通常通过时间自相关性或特征记忆时间来衡量——能够提供有关土壤剖面中水分异常状态持续时间的补充信息（Piles等，2022；Wei和Song，2025）。许多观测和建模研究都表明，深层土壤的持久性更强，这说明深层土壤更可能起到长期储存的作用，而非快速响应的交换带（Koster R，2004；Farmani等，2025）。然而，垂直延迟和持久性如何共同体现深层土壤的水分记忆特性，尤其是在空间分布不均的土壤剖面观测中，目前仍缺乏足够的研究了解（Meng和Quiring，2010；Song等，2026）。
除了水文动态之外，土壤水分还与土壤热状况存在着复杂的相互作用。土壤水分与温度之间的相互作用会影响能量分配、热量传输以及植被的水分胁迫状况（Chakraborty和Saharia，2025）。以往的大部分研究都集中在表层或近表层的土壤水分与温度耦合关系上，且多在区域尺度或基于模型的层面开展（Mccoll等，2019；Tak等，2024）。相比之下，利用多深度原位观测数据来研究土壤水分与温度耦合随深度变化情况的研究相对较少（Azad等，2025）。在中国北方的季节性寒冷地区，这一问题尤为重要，因为在非冻结期内，该地区的水分供应和温度条件都会发生较大变化，土壤水分与热量之间的耦合强度、符号或相位都可能随之改变（Safarov等，2025；Xiao等，2025）。
此外，影响土壤水分动态的环境因素也极为复杂，且取决于具体过程（Hong等，2026；Teuling等，2007）。土壤质地会直接影响渗透作用、储存能力以及水力传导性，进而影响土壤水分的垂直传播过程和时间持久性（Crow等，2012）。地形条件，如海拔高度，可能会改变当地的能量平衡、排水状况以及植被分布，而土地利用方式则会进一步影响根系分布和近地表的水分消耗量（Gnann等，2025）。在这些因素中，其对土壤水分变异度、垂直延迟、持久性以及土壤水分与温度耦合的影响程度可能存在差异。不过，这些因素是如何共同调控土壤水分随深度变化的不同特征的，目前仍缺乏足够的认识。
尽管以往的研究已经提升了我们对干旱地区土壤水分季节性变化、时间稳定性以及事件尺度响应的认识，但同时综合考虑时间变异性、垂直延迟、持久性、土壤水分与温度耦合以及环境因素的综合分析仍然较为有限，尤其是在多站点土壤剖面尺度上（Bischof等，2026；Liu和Yang，2023；Gan等，2025）。为弥补这一不足，本研究利用2019–2022年非冻结期在山甸河流域开展的多站点、多深度原位观测数据。本研究的具体目标包括：（1）土壤水分的时间动态和变化特征从表层到深层是如何变化的？（2）土壤剖面是如何通过垂直延迟和持久性来调控水分运动的？（3）土壤水分与温度的耦合在垂直剖面上的强度和相位存在怎样的变化？（4）哪些环境因素与这些随深度变化的过程相关，它们之间又存在怎样的非线性关系？通过回答这些问题，本研究旨在加深对中国北方地区土壤水分的垂直结构、地下储存特征以及水热耦合机制的理解。
章节摘要
研究区域
本研究是在中国北方的滦河重要源头区域——山甸河流域开展的，该流域位于东经115.5°至116.5°、北纬41.5°至42.5°之间。该流域面积约为10,000平方公里，分布在内蒙古南部和河北北部，属于温带大陆性气候，年平均降水量在300–500毫米左右，降雨主要集中在7月至9月期间。
从地形特征来看，与周边地区相比，该流域的地形起伏相对平缓
土壤水分的时间动态与垂直变化特征
在2019–2022年的非冻结期内，土壤水分表现出明显的季节性变化特征，并存在显著的深度分层现象（见图2）。在日尺度上，各年份的土壤水分时间序列都呈现出相似的年内变化规律：早春时期土壤水分开始回升，夏季达到峰值，晚秋则逐渐下降。高频波动在3–10厘米的浅层土壤中最为剧烈，偶尔会出现超过0.40–0.50立方米/平方米的峰值。而较深层的土壤则
表层土壤响应迅速，深层土壤则作为延迟且持久的储存层
在非冻结期内，山甸河流域的土壤水分存在明显的垂直差异：表层土壤表现为强烈的短期波动，而深层土壤则更为稳定。这种特征在水资源匮乏的环境中十分常见，因为表层土壤会直接受到降水、蒸发以及根系吸水作用的影响，而深层土壤则较少受到快速的大气变化影响（Mahmood和Hubbard，2007；Martini等，2026）。
结论
本研究分析了2019年至2022年非冻结期间山甸河流域的土壤水分剖面尺度动态特征。通过在5个不同深度（3厘米、5厘米、10厘米、20厘米和50厘米）开展多站点观测，我们研究了土壤水分的时间变异性、垂直传播特征、持久性、土壤水分与温度的耦合关系，以及这些特征与不同站点环境因素之间的关联。这项分析为我们提供了在水资源匮乏环境中，土壤水分垂直剖面特征变化的全景视角
作者贡献说明
刘全山：负责原始稿撰写、可视化处理、结果验证、方法设计以及正式分析工作。崔宁波：负责审稿与文章编辑、方法设计以及资金申请工作。郑顺生：负责可视化处理以及方法设计工作。龚道志：负责审稿与文章编辑以及结果验证工作。王志辉：负责审稿与文章编辑以及方法设计工作。陈飞：负责方法设计以及正式分析工作。
利益冲突声明
所有作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家关键研发计划（项目编号：2021YFD1600803）以及中国国家自然科学基金（项目编号：52279041）的支持。作者们衷心感谢SMN-SDR团队以及相关数据存储机构，感谢他们为本研究提供了免费的土壤水分和温度观测数据。本研究所使用的数据由国家青藏高原/第三极环境数据中心（http://data.tpdc.ac.cn）提供，其中包括
刘全山|崔宁波|郑顺生|龚道志|王志辉|陈飞
