作者：李中恺, 李小雁, 周沙，杨晓帆，付永硕，缪驰远，王帅，张光辉，吴秀臣,杨超,邓元红
作者单位：北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室;北京师范大学自然资源学院;青海师范大学高原科学与可持续发展研究院;青海师范大学地理科学学院;北京师范大学水科学研究院
土壤-植被-水文耦合机制不仅是土壤学、生态水文学、地球系统科学等领域的研究热点, 也是可持续发展研究的重要内容. 然而, 不同学科通常在不同的时空尺度上研究土壤-植被-水文耦合机制, 不同尺度之间的机理联系研究较少.
北京师范大学联合青海师范大学的科研人员从不同空间尺度(从叶片气孔到流域/区域尺度)综述了土壤-植被-水文耦合研究的最新进展, 总结了土壤-植被-水文耦合过程的空间升尺度方法和建模方法.
不同尺度上6个典型的耦合过程与机制包括: (1) 叶片气孔及根土界面的碳水交换; (2) 植物根系和水分运移引起的土壤团聚体及剖面水力特性变化; (3) 植物冠层与根系对降水及土壤水的再分配; (4) 植被斑块与局部水文过程的相互作用; (5) 植被群落演替与土壤发育的联系; (6) 流域/区域水分收支与植被物候及生产力的联系.
同时, 针对土壤-植被-水文耦合过程的观测、机理、尺度转换方法和建模方法, 分别分析了其现有研究存在的局限和认识瓶颈. 为了深入整合不同时空尺度上的多种耦合过程, 未来研究应加强多尺度、多要素、多过程的土壤-植被-水文耦合机制研究, 开发新的尺度转换方法, 识别不同的反馈路径, 并在建模过程中考虑植物冠层参数和土壤水力参数的时变特性.
不同空间尺度的土壤-植被-水文耦合过程
六个典型的耦合过程与机制起作用的时空尺度(由不同颜色的椭圆代表）
整合了部分已知土壤-植被-水文耦合过程与反馈机制的模型概念框架
亮点论述：
未来展望
研究土壤、植被和水文过程的耦合过程与机制对于理解地球表层系统和实现可持续发展至关重要, 这吸引了生态学家、土壤学家、水文学家和气候建模者的广泛兴趣. 然而, 土壤-植被-水文耦合过程的观测、机理、尺度转换方法和建模方法仍存在许多局限性. 未来研究重点应放在下面几方面.
(1) 对存在于不同时空尺度上的土壤-植被-水文耦合过程进行深度整合, 尤其是需要一个能够将“快速生态水文过程”和“缓慢土壤过程”集成到一个数学模型中的框架. 为了实现这一目标, 今后的研究工作应加强多尺度、多要素、多过程的土壤-植被-水文耦合过程观测和机理研究, 发展尺度转换方法, 并深化不同学科之间的合作. 鉴于建立和维护一个土壤-植被-水文多尺度监测网络需要投入大量的财力和人力, 此类具有挑战性的项目最好通过一个研究平台(如美国国家科学基金会支持的关键带观测网络)来完成, 在该平台多个科学家团体可以合作研究不同时空尺度上的各种耦合过程.
(2) 加强对植物性状短期动态变化的关注, 以提高对土壤-植被-水文耦合过程的理解和模型模拟精度. 植物的短期生长动态会影响土壤剖面的水力特性(通过根系生长)、冠层截留量(通过叶片和茎干面积变化)以及土壤空间升尺度方法的适用性(通过根系空间分布). 未来的工作应该考虑到这一影响, 并探索适当的方法(如使用随机变量), 将短期植物性状动态与现有模型相结合.
(3) 更加关注气候变化与人类活动影响下土壤-植被-水文耦合与反馈机制的变化及其带来的生态环境效应. 如果我们不考虑气候变化引起的植被生理变化及其对大气的反馈, 就不可能对未来生态系统动态和区域水文循环做出有说服力的长期预测.
(4) 探寻不同的反馈途径, 并将其集成到现有土壤-植被-水文耦合模型中. 大量研究表明, 在ESM或LSM中加入“土壤-植被”或“植被-水文”反馈机制可以显著提高模拟精度. 因此有必要严格评估现有全球尺度模型中土壤-植被-水文耦合过程的模拟表现, 并将有关土壤-植被-水文耦合机制的现有知识集成到全球尺度模型中, 以建立对土壤-植被-水文耦合系统的统一理解, 提高大尺度模型的模拟精度.
