摘要
岩石碎片（RFs；直径≥2毫米的矿物颗粒）是土壤中普遍存在的成分，通过改变孔隙结构和物理性质显著影响水热过程。然而，土壤水热过程对岩石碎片含量（RFC）变化的非线性和动态响应仍知之甚少。在本研究中，使用五种不同的岩石碎片含量（0、0.1、0.2、0.3和0.4公斤/公斤?1）进行了受控的土壤柱实验，以研究连续湿润和加热过程中的土壤水热动态。在10厘米和20厘米深度处连续监测土壤含水量（SWC）和土壤温度（ST），以量化关键的水文和热响应指标。结果表明，水文和热过程对岩石碎片含量的变化均表现出明显的非线性响应。随着岩石碎片含量的增加，土壤含水量、湿润引起的含水量增加（ΔSWC）、湿润前沿速度（V_wf）、土壤温度、加热引起的温度增加（ΔST）以及温度峰值差（ΔPst）最初均有所增加，随后又有所下降；而温度响应时间延迟（ΔTst）则表现出相反的趋势。大多数指标在岩石碎片含量约为0.2公斤/公斤?1时出现了响应转变，这表明在中等岩石碎片含量条件下，水分和热量传递得到了增强。这些响应伴随着土壤孔隙结构及其相关水力和热特性的变化，包括总孔隙度、空气渗透值、水力传导率和热扩散率。在中等岩石碎片含量水平下，岩石碎片可能改善孔隙连通性，从而在水分保持和空气填充孔隙度之间维持更有利于水分运动和热量传递的平衡。相比之下，较高的岩石碎片含量与较低的孔隙连通性和较高的空气填充孔隙度相关，这可能会减弱水文和热响应。总体而言，研究结果表明，在受控条件下，岩石碎片通过其对孔隙结构及相关传输特性的影响来调节土壤中的水分和热量传递。这些发现为改进地表模型中富含岩石碎片的土壤的水热过程表征提供了实验依据和基于过程的见解。
要点
- 岩石碎片对土壤水热过程的非线性调节机制仍不甚明了。
- 受控柱实验量化了岩石碎片含量对水热过程的动态响应。
- 土壤水分保持能力和热量传递效率在岩石碎片含量为0.2公斤/公斤?1时达到峰值。
- 适量的岩石碎片增强了土壤水文过程和热过程之间的耦合。
数据可用性声明
本研究的支持数据可应合理请求向 corresponding author 提供。
