智利中部农业流域产流过程与阈值

《Water》：Runoff Generation Processes and Thresholds in Agricultural Catchments of Central Chile

　　

降雨特征、流域蓄水差异、土壤湿度动态及地球物理属性影响产流阈值的时空变异性。研究人员针对两个科学问题展开探讨：（1）是否存在降雨或前期湿度的非线性阈值触发农业流域水文响应的突变？（2）何种物理特征决定产流过程？研究人员分析了智利中部三个农业流域（36.4–70.8 km2）在2025–2026水文年的降水与径流变率，依托高分辨率观测数据与统计分段回归，聚焦降雨、土壤湿度及物理特征如何在超越特定阈值后触发产流激活。基于63场降雨事件，仅16场产生径流，表明前期湿度主导的强非线性响应。分段回归揭示当组合降水量与深层土壤湿度（PTOT + ASM100）超越约505 mm时，各流域呈现一致的激活阈值，证实强 subsurface 控制。然而径流效率沿土地利用梯度急剧分化：集约化农业流域比降最大，且具备独特降雨强度阈值（14.6 mm/h），指示由土壤透水性退化驱动的快速入渗超额产流；反之，拥有较高源头或河岸森林覆盖的流域缓冲了快速水流，维持基流并延长退水时间。

研究背景与立项依据：在全球气候变暖背景下，极端降雨频次与强度上升，降水相态由雪转雨，干旱与饱和交替的 hydroclimatic 条件加剧了流域产流预测难度。传统饱和超额（saturation excess）与入渗超额（infiltration excess）机制在高度异质性农业景观中失效，因为耕作、重型机械、灌溉与人工排水等人工作用形成压实层与限制层，降低大孔隙度与饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, Ksat），使产流对前期储水状态呈现非线性阈值响应。既有阈值分析多集中于森林小微流域，对大面积混合利用农业流域适用有限，且点尺度土壤湿度难以表征作物与管理的空间异质性。为此，研究人员在智利中部 Maule 区域 Las Chilcas 河子流域内选取三个面积 36.4–70.8 km² 的农业流域（F1C、F2R、F3D），利用 2025–2026 水文年高分辨率现场降水—径流序列耦合 ERA5-Land 再分析土壤湿度，识别产流非线性阈值并解析土地利用—物理属性调控机制，论文发表于《Water》。

主要技术方法概览：研究人员以三个农业流域为样本队列，获取 6 min 现场降水与径流并聚为 10 min 序列；土壤湿度采用 ERA5-Land 四层体积含水量经厚度加权积分至 7、28、100、289 cm 等效毫米数，并以 Kruskal–Wallis 检验流域间差异；地形粗糙度（MRN）与地形湿度指数（TWI）源自 ALOS PALSAR 12 m DEM，Ksat 与可用水量（TAWC）取自 CLSoilMaps 100 m 网格；事件划分与基流分割借助 MATLAB HydRun 工具箱 Lyne-Hollick 递归数字滤波（β=0.98）；阈值识别采用 R 语言 segmented 包分段线性回归，以 ΔAICc≥2、R²adj>0.45、斜率变化>10% 且断点后斜率>0 为接受准则；区域驱动分析对三流域事件池化后做 Spearman 秩相关。

研究结果

3.1 降雨—径流事件总体描述：63 场降雨中仅 16 场产流。F2R（森林为主）深层 100–289 cm 土壤湿度显著区别于其余两流域（p<0.001）。湿润事件（Event 1）浅层 ASM7/ASM28 剧变而深层 ASM100/ASM289 缓升；饱和事件（Event 2）ASM100 与涨水段同步突变；干季事件（Event 3）浅层偏干、深层延迟补给；同强度下 F1C/F3D 径流系数高达 20%–41.3%，F2R 仅 10.9%。面积归一化后 F1C 特定峰值 qmax=0.6 m³/s/km² 最高，F2R 退水常数 Kr=0.97 最慢，F1C Kr=0.93 最快，证明农业退化提升快速响应、压缩退水。

3.2 产流阈值：22 项预测变量中 6 项通过验证。短期前期雨（PA3、PA5）与 PTOT+ASM100 主导阈值，三流域 PTOT+ASM100 断点高度一致（约 505 mm）。F1C 额外具备独立强度阈值 Imax10=14.6 mm/h，F2R 与 F3D 无强度阈值，仅响应累积雨量—湿度组合，表明农业压实层诱发 Hortonian 入渗超额，森林/河岸缓冲流域则依赖储水填充。

3.3 指标间关系：Spearman 分析显示 PTOT+PA3 与 ΔQ、Qmax、RTOT 最强（ρ=0.66–0.71），PTOT+ASM100 次之（ρ=0.64–0.68）；Imax10 与 Kr 负相关（ρ=-0.61）。RC、Qb、Lag 与气象强迫无显著相关，证实径流效率由静态物理—土地属性控制。沿农业覆盖 53.5%→82.0% 梯度，Ksat（0–100 cm）由 229.9 降至 76.8 mm/d，平均 RC 由 0.053 升至 0.365，qb 由 0.0315 降至 0.0177（F1C）乃至 0.0080（F3D）m³/s/km²，滞后由 8.39 h 缩至 6.23 h。

讨论部分总结：物理控制方面，绝对量级随面积缩放，特定量级解耦气象而绑定土地利用；F1C 高农业占比+低 MRN+高 TWI 致快速流主导，Imax10 触发临时滞水层（perched water table）与侧向往流；F3D 因河岸林占 35%、MRN=1.25、TWI=8.19 获中间退水；F2R 森林布于源头高地，深浅路径去同步化，基流最丰。激活动力方面，单 PTOT 无阈值，系统具短内存（PA3/PA5 有效），PTOT+ASM100≈505–522 mm 为浅层储水填满、滞水层出露之临界态；F1C 独有强度阈值印证混合产流机制。不确定性方面，单水文年限制年际外推，ERA5-Land 9 km 平滑农林信号，HydRun 滤波参数引入基流分离误差，田间管理日志缺失使季节非平稳性未量化。

结论翻译：本研究证实智利中部农业地中海流域产流为强非线性、状态依赖过程；激活不赖孤立雨量而赖气象强迫与系统内存交互；PTOT+ASM100 超越 505–522 mm 时亚表层结构瓶颈致临时滞水层抬升，系统突变入快速侧流与地表流。整体径流效率（RC）与快速退水解耦气候，受土地退化与空间配置物理控制——F1C 作水文热点以 Imax10=14.6 mm/h 标志入渗超额；F2R 源头林与 F3D 河岸林去同步化表面响应、维持基流。所识阈值属 2025–2026 特定 hydroclimatic 条件基线非常量，但为农业土壤退化降低产流激活势垒、优化土地管理与事件尺度建模提供基础。