基于多尺度电阻层析成像（ERT）探索深层土壤干旱的空间异质性

《CATENA》：Exploring the spatial heterogeneity of deep soil drought by using electrical resistivity tomography (ERT) at multiple scales

　　• 电法层析成像（ERT）被验证为一种稳健的工具，用于深层土壤干层的二维可视化。• 明显的"毯状"和"深块状"干层配置与植物生长形态相关。• 与单一植被群落相比，灌木-草本混交显示出减轻土壤干化的潜力。• 针对不同地形，提出了三种干层模型（永久土地利用型、永久区域型和临时土地利用型）。引言土壤含水量（SWC）是陆地生态系统中控制气象学（Alexander 等，2022）、水文学（Pi 等，2025）和农业（Ga??zewski 等，2021）关键过程的基本参数。作为土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的关键枢纽，土壤含水量在维持生态可持续性和推动植被恢复方面发挥着不可或缺的作用（Boanares 等，2020；Wang 等，2024）。在全球气候变化和人类活动加剧的双重压力下，陆地生态系统正经历着深刻的水生态变化（Kuang 等，2024；Wang and Li, 2025）。蒸散发速率的上升和土壤含水量的下降导致许多地区土壤干化现象更为频繁和严重（Sherwood and Fu, 2014）。这种持续的土壤水分负平衡往往最终导致"干层"（Dried Soil Layer, DSL）的形成（Li, 1983; Yang and Han, 1985），显著降低土壤质量并限制植被生长（Wang, 2010; Wang and Li, 2025）。干层的形成是干旱和半干旱地区的一个全球性现象（Jipp 等，1998），而在中国黄土高原（CLP）尤为突出（Wang 等，2012c）。为应对持续的土壤侵蚀，自1950年代末以来，黄土高原上实施了大规模的造林和植被恢复工程（Chen 等，2008）。尽管这些措施稳定了景观，但也导致了过度的土壤水分消耗。近期研究表明，造林工程在过去三十年中对黄土高原土壤蓄水量的减少贡献率高达108%（Wang 等，2024）。由于人工林（如刺槐）和多年生草本植物（如苜蓿）的深根系，黄土高原上的干层经常延伸至10米以下的深度（Wang 等，2018）。这些干层分为两种类型："土地利用型干层"由特定植被覆盖引起，可能在土地利用改变后恢复；"区域型干层"则由于更广泛的水气候制约而持续存在，与植被变化无关（Li, 1983; Wang, 2010）。区分这些类型对于理解土壤干化机制和制定因地制宜的植被管理策略至关重要。干层研究的主要挑战之一是高效获取深剖面土壤含水量数据。传统方法，如人工钻探和烘干法，劳动强度大、耗时长，且具有固有的破坏性。此外，它们只能提供点尺度数据，无法捕捉复杂地形中土壤水分的高空间异质性。虽然地球物理技术的进步——包括宇宙线中子探测器（CRNP）、时域反射仪（TDR）和探地雷达（GPR）——提高了监测效率（Clark 等，2022; Moghadas 等，2019; Wang 等，2023），但许多方法仍受限于其探测深度或无法提供连续空间分布的能力。例如，CRNP和TDR管式探测器需要预先钻好的钻孔和铝制通道管（Zhao 等，2024a）。尽管这些方法提供了高精度、长期监测，但缺乏空间灵活性，且其地表安装极易受到常规农业耕作的破坏。探地雷达虽然能够高分辨率扫描，但对环境干扰非常敏感（Ye 等，2025）。此外，探地雷达只能在植被覆盖最少（如草地或树林）的平坦裸地上有效工作——这种条件在我们的复杂研究区域实际上是不存在的。事实上，电法层析成像（ERT）最近已成为一种稳健的、土壤扰动较小的替代方案，因其具有深层穿透能力、高空间连续性和最小环境干扰（Shaukat 等，2022; Uhlemann 等，2017）。尽管ERT已应用于水文地质研究，但其系统性应用——特别是在量化二维（2D）干层形态特征方面，尤其是在异质性小流域内——仍有待深入探索。本研究将ERT与中子水分仪测量相结合，在黄土高原弥合了点尺度精度与剖面尺度连续性之间的差距。主要目标为：(1) 验证ERT反演土壤含水量与干层定量指数（QI）相对于传统中子探针数据的准确性；(2) 评估ERT-QI框架在不同环境梯度（降水、植被类型和地形）下的适用性；以及 (3) 阐明复杂流域中不同类型干层的时空演变和形态特征。总体而言，我们旨在提供一个评估深层土壤水分动态的新型方法框架，并为水限制环境下的可持续植被恢复提供科学指导。研究片段实验设计与样地选择为捕捉干层的广泛空间异质性并验证ERT在多样地况下的性能，本研究于2017至2019年间共建立了82条ERT剖面线。实验设计系统考虑了降水梯度、植被类型、林龄和复杂地形单元（图1、表1）。(1) 区域降水梯度带。为评估气候对干层的控制作用，沿宏观尺度布设了12条ERT剖面线（电极间距0.5米）...ERT反演QI的验证为验证ERT在量化土壤干化方面的可靠性，我们将58条ERT剖面线推导出的QI（ERT_QI）与同点位中子探针测量值（NP_QI）进行了比较。在58个数据对中，ERT_QI与NP_QI之间呈现出稳健的正相关关系（r = 0.73，p < 0.001），均方根误差（RMSE）为0.25（图2b）。尽管相关性较强，但ERT_QI（均值：0.51 ± 0.26）平均略高于NP_QI（均值：0.38 ± 0.31）。虽然中子探针...不同植被类型下干层的多样化空间模式ERT剖面揭示，土壤干化模式高度依赖于植被类型（图4）。针茅群落表现出"毯状"干层特征（图4a），其水分提取模式连续且均一。这种空间上同步的缺失与草本植物特有的致密、均匀的须根分布一致（Zhou 等，2025），在土壤中形成水平的"毯状效应"。相比之下，灌丛表现出...结论本研究利用ERT对黄土高原上干层进行了综合评估，覆盖了多样化的降水梯度、植被类型、林龄和微地形单元。得出以下主要结论：(1) 通过与中子探针测量值对比（58个数据对），确认了ERT在表征干层方面的稳健性。强相关性（r = 0.73，p < 0.001，RMSE = 0.25）表明，ERT反演的定量指数（QI）对于监测深层土壤...作者贡献声明孙辉：写作—审稿与编辑、写作—初稿、可视化、验证、软件、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。李瑞杰：验证、调查、正式分析、数据整理。王云强：写作—审稿与编辑、资源、概念构思。李自民：资源、项目管理、资金获取。张平平：验证、调查、数据...利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为会影响本文所报告的工作。致谢本研究得到国家自然科学基金（编号：42525706 和 U24A20629）、黄土科学国家重点实验室（SKLLQGPY2401）、中国科学院创新交叉团队-重点实验室项目（xbzg-zdsys-202412）和陕西省自然科学基金会（编号：2021JQ-974）的支持。孙辉 | 李瑞杰 | 王云强 | 李自民 | 张平平 | 周敬雄 | 赵亚丽 | 杨阳 | 祁丽君 | 徐宇婷 | 王婷