中国北方闪电河流域不同前期含水量条件下土壤剖面激活的深度依赖响应函数与降雨过渡区

《CATENA》：Depth-dependent response functions and rainfall transition zones of soil-profile activation under varying antecedent moisture in the Shandian River Basin, northern China

　　### 摘要要点- 仅在50厘米监测层的响应中出现了非线性跨站点增益。- 激活转变向更大的降雨量方向移动，并随深度增加而展宽。- 转变宽度随激活深度增加，从13.3毫米增至20.4毫米。- 前期含水量敏感性在50厘米监测层响应中最为显著。## 引言土壤含水量连接着降水输入、入渗、径流产生、蒸散发、根区水分可利用性以及地下储水（Western et al., 2002; Robinson et al., 2008; Seneviratne et al., 2010; Legates et al., 2011; Vereecken et al., 2014）。在半干旱流域，降雨事件往往是暖季土壤水分补给的主要来源。然而，降雨量并不必然描述一次事件的 hydrological 有效性。相同的降雨输入可能仅引起浅层湿润，也可能渗入更深层并增加剖面储水量，这取决于降雨结构、前期湿润度、土壤水力特性、植被及地形（Liu et al., 2020; Weligamage et al., 2023; Berthelin et al., 2023）。因此，降雨有效性应作为剖面响应来评估：土壤含水量是否响应、响应深度、以及在监测剖面中滞留了多少水分。降雨引发的土壤含水量响应具有显著的深度依赖性。浅层通常对降雨响应更频繁、更迅速，而深层往往表现出延迟、衰减或特定事件型响应。在中国西北祁连山区，Tian等（2019）发现，在大多数植被覆盖下，土壤含水量增量一般随深度递减，相邻层之间的响应时间差范围从负值到280小时不等。在一处具有永久植被覆盖的葡萄园中，da Silva-Dias等（2024）报道，在5厘米、15厘米和25厘米处，分别有79%、73%和67%的降雨事件显示出正的土壤含水量响应。Xu等（2024）进一步表明，在北方针叶云杉林中，土壤水与降雨的解耦随深度增加，触发土壤湿润所需的降雨量、持续时间和强度阈值也随剖面深度增大。这些研究说明了为何在利用土壤含水量观测评估降雨有效性时，需要针对深度建立响应函数。降雨特征被广泛认为是事件尺度土壤含水量响应的主要控制因素，但其影响随深度和站点条件而异。在三峡库区的一个丘陵流域中，Liu等（2020）发现降雨量是控制土壤含水量响应的主要降雨变量；当降雨量小于8毫米时未出现土壤含水量响应，而总降雨超过30毫米时，所有最深处的监测传感器均检测到土壤含水量增加。在岩溶丘陵坡面上，Zhang等（2024）报告，降雨指标对土壤含水量响应指标贡献44.3%–63.9%，超过前期土壤水分条件的贡献。类似的事件尺度研究还表明，降雨持续时间、强度及事件规模可调节复杂坡面和受管理土壤中响应时间、湿润深度以及湿润锋行为（Zhu et al., 2021; da Silva-Dias et al., 2024; Ljutic et al., 2024）。这些研究展示了降雨强迫的重要性，但多数报告的关系是通过响应频率、相关系数、类别对比或经验阈值来表达的。此类分析对降雨响应函数的形状以及从低到高激活概率的转变是否随土壤深度变化提供了有限信息。前期湿润度和近期降雨历史进一步调节降雨是停留在地表还是激活深层土壤层。前期土壤含水量长期以来被确定为控制降雨–径流响应及流域蓄水阈值的重要因素（Brocca et al., 2009; Penna et al., 2011; Nanda & Safeeq, 2023）。在农业田间，Ljutic等（2024）发现，较深的土壤含水量响应与更长的事件持续时间和更高的10日前期降雨量相关，且至少需要20毫米累积降雨才能产生优先流。在一项岩溶补给研究中，Berthelin等（2023）表明土壤含水量测量可支持基于事件的补给估算，并识别出约35% ± 8%的体积含水量阈值以启动有效入渗。在坡面尺度上，Wang等（2024）表明，基于阈值的快速流依赖于降雨量与前期土壤湿润度的共同作用。剩余的问题是，前期剖面含水量在所有激活深度上是否产生相似影响，还是随降雨驱动湿润向剖面深层传播而变得越来越重要。尽管降雨量和前期土壤含水量已被确立为土壤水运动的控制因素，但它们与土壤剖面激活之间的定量关系形式仍未得到充分解析。目前尚不清楚降雨引发的剖面激活是否可由近似线性的响应函数充分描述，或当激活扩展至更深层时非线性表述是否增加解释与预测信息。降雨与前期含水量的联合响应空间也很少被量化为针对深度的概率转变。因此，尚不确定更深的激活是否仅表现为向更大降雨量的位移，还是同时也伴随着从低到高激活概率的更宽转变。最后，前期湿润度可能并非对所有激活深度影响相同，但基于概率的降雨要求对前期剖面含水量连续变化的敏感性仍缺乏量化。降雨持续时间、近期降雨历史及土壤特性可能进一步跨站点调节这些关系。解决这些问题需要对响应函数、转变范围、边际敏感性和跨站点预测稳健性进行显式估计，而不仅仅是识别主要预测变量或孤立阈值。闪电河流域为回答这些问题提供了有用的多站点条件，因为其区域监测网络中可获得共位的降雨与多深度土壤含水量观测。利用2019–2022年非冻期20个站点的观测数据，本研究探讨事件降雨与前期剖面含水量如何塑造土壤剖面激活的线性与非线性响应函数，以及这些关系如何随激活深度和次级环境控制而变化。具体目标包括：（1）刻画降雨事件后土壤含水量响应的发生、幅度、有效湿润深度以及0–50厘米同步剖面储量变化；（2）比较将事件降雨、前期剖面含水量、事件持续时间、前期降雨历史及土壤特性与监测深度上的土壤剖面激活相联系的线性与非线性多元响应函数，并在补充敏感性分析中评估日尺度降雨结构代理变量；（3）识别针对深度的降雨转变区和前期含水量敏感性，推导连续的概率型降雨要求，并评估这些关系的跨站点预测稳健性。## 章节摘要### 研究区本研究在中国北部闪电河流域开展，位于东经115.5–116.5°、北纬41.5–42.5°之间。流域面积约10,000平方公里，构成滦河上游水系的一部分。监测区域地形相对平缓，站点海拔从约1280米至1470米。地表主要为草地覆盖，部分站点出现耕地和林地。监测站点的土壤一般为…### 土壤含水量响应的深度依赖特征在2019–2022年非冻期，从20个共位监测站点识别出共计955个有效降雨站点事件。土壤含水量响应显示出明确的深度依赖衰减模式，且该模式在不同降雨类别间有所差异（图2）。总体而言，响应概率随土壤深度增加而降低。在小降雨事件下，可探测的响应主要出现在浅层，3厘米处响应概率为0.39，降至50厘米处的0.07。### 土壤剖面激活的深度依赖响应函数与降雨转变区在闪电河流域，降雨引发的土壤含水量响应具有显著深度依赖性。响应概率从3厘米处的0.685降至50厘米处的0.173，同时中位响应幅度下降。这种垂直衰减表明，事件降雨量本身无法充分描述水文有效性，因为许多事件仅产生浅层湿润。该模式与多深度观测相符，即土壤含水量响应随深度减弱或滞后。### 结论本研究利用闪电河流域20个共位监测站点的955个降雨站点事件，量化了事件尺度土壤剖面激活及同步储量响应。土壤含水量响应概率从3厘米处的0.685降至50厘米处的0.173，而小降雨事件的同步中位ΔS????从0毫米增至大事件的12.90毫米。这些对比模式表明，单凭事件降雨量不足以唯一确定…### CRediT作者贡献声明**郑顺生：** 写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，软件。**刘全山：** 写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，验证，方法论。**崔宁波：** 写作–审阅与编辑，验证。**吴天傲：** 写作–审阅与编辑，方法论。**宫道志：** 写作–审阅与编辑，可视化。**蒋寿征：** 写作–审阅与编辑。## 利益冲突声明作者声明不存在已知的、可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。## 致谢本工作得到国家自然科学基金（52279041）、厦门大学高水平人才项目（YKJ26005R）和四川省科技计划项目（2024ZHCG0101）资助。作者感谢SMN-SDR团队和数据仓库为本研究提供的土壤水分与温度观测开放访问。本研究使用的数据集由国家青藏高原/第三方…