藺鵬飛,朱 喜, 何志斌, 杜 軍, 陳龍飛

1 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站,中國科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室,蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

土壤水分是一個綜合的狀態(tài)變量,連接著一系列的水文、生態(tài)、氣候和地質(zhì)學(xué)過程,如：徑流產(chǎn)生、蒸散發(fā)、能量分配、溶質(zhì)運移和地表物質(zhì)能量交換等過程[1- 9]。不同土層的土壤水分往往表現(xiàn)出不同的水文過程和生態(tài)功能[10]。表層或者淺層土壤水分通常是植被生長的常用水分來源,受到降水入滲和蒸散發(fā)的強烈影響,而深層土壤水分通常發(fā)揮“土壤水庫”的作用。在水分限制的生態(tài)系統(tǒng)中,土壤水分是植被恢復(fù)重建、水資源管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子[11- 13]。在干旱區(qū)山地,土壤水分尤為重要,特別是會影響山區(qū)徑流的產(chǎn)生[14]。量化不同時空角度的土壤水分不但在理論和實踐當中具有重要的應(yīng)用[15],而且可以在植被恢復(fù)過程中為目標物種提供最佳空間位置提供一定的理論依據(jù)[16]。因此,了解土壤水分及其時空動態(tài)變化對農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水土保持以及水資源的高效管理具有重要的意義[17]。

土壤水分時空變異性受到眾多因素的影響,包括氣候[18- 19]、地形[20]、土層深度[5,21- 22]、植被類型[23- 26]、以及土地利用和土地覆蓋狀況[27- 30]等。同時由于其對不同控制因子和過程的強烈的非線性和復(fù)雜的反饋機制,土壤水分表現(xiàn)出強烈的時空變異性[31- 32]。因此,在水文和土壤科學(xué)中準確量化土壤水分特征仍然是一個重大的挑戰(zhàn)[33]。

在現(xiàn)有的土壤水分數(shù)據(jù)獲取方法中,手動或者是原位自動觀測數(shù)據(jù)被認為是最直接而且最為精確的數(shù)據(jù)[34]。然而,傳統(tǒng)的原位觀測不但費時費力,而且僅能夠提供一些被選擇點的信息。遙感技術(shù)是一種快速和高效獲得較大尺度上土壤水分的方法[35- 36],但由于其獲取的土壤水分信息具有較粗的時空分辨率并且對地面粗糙度、植被以及地形的失真效應(yīng)極為敏感,因此該技術(shù)在驗證或者校正過程中也存在一些困難[37- 40]。而通過傳統(tǒng)的方法(如稱重法,時域反射儀,頻率反射儀和中子管法)進行遙感數(shù)據(jù)驗證則需要大量的原位采樣,這樣不但費時費力而且很難用于監(jiān)測較大區(qū)域的土壤水分[41]。因此,探索能夠優(yōu)化采樣點的數(shù)目并且能夠快速準確估計樣地平均土壤水分的方法是非常的必要的。為了實現(xiàn)這個目標,科學(xué)家們進行了各種嘗試,其中之一就是土壤水分穩(wěn)定性研究。當前土壤水分穩(wěn)定性研究已經(jīng)獲得了大量的證實,利用時間穩(wěn)定性概念指導(dǎo)相應(yīng)的實踐活動可以大大的節(jié)省財力和物力。因此,以土壤水分時間穩(wěn)定性概念為主線,強調(diào)氣候-地形-土壤-植被等因素的有機結(jié)合,系統(tǒng)研究不同植被類型土壤水分時間穩(wěn)定性特征以及影響因素在不同尺度上的差異,從而更加深入地認識和了解土壤水分穩(wěn)定性概念的研究與應(yīng)用,并探討如何利用代表性測點準確預(yù)估不同尺度各種生態(tài)系統(tǒng)的平均土壤水分含量,是植被恢復(fù)重建、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理所需的有效手段。本文在總結(jié)國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上,從時間穩(wěn)定性概念、研究方法、應(yīng)用和影響因素等方面,綜述了土壤水分穩(wěn)定性近年來的研究進展,并展望了未來研究應(yīng)重點關(guān)注的科學(xué)問題。

1 時間穩(wěn)定性概念提出及研究方法

1.1 時間穩(wěn)定性概念的提出

過去近半個世紀以來,土壤水分時空變化在不同尺度不同生態(tài)系統(tǒng)類型當中已經(jīng)得到了廣泛的研究[8,34,42- 44]。同時研究也發(fā)現(xiàn)由于強烈的時空變異性,根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計理論掌握土壤水分信息需要搜集大量的樣品,這樣不但費時費力而且花費巨大的財力。因此,研究者便開始思考如何快速地獲取一個區(qū)域的平均土壤水分狀況。在這種需求下,時間穩(wěn)定性的概念從大量時空變異的研究中應(yīng)運而生。Vachaud等[45]首先發(fā)現(xiàn)并提出了時間穩(wěn)定性概念,他們在3個試驗地(草地、橄欖樹和小麥)土壤水分的研究過程中發(fā)現(xiàn),如果把所有測定點從小到大排列起來,一些樣點每次測量總是能夠很好地代表試驗地的平均土壤水分,而另外一些樣點每次測量總是高于或者低于整個樣地的平均土壤水分,這種土壤水分空間模式隨著時間變化的相似性就稱為時間穩(wěn)定性現(xiàn)象(Temporal stability)。此后,雖然時間穩(wěn)定性概念也被一些學(xué)者用來檢驗土壤水分空間模式在時間上是否具有持續(xù)性[46- 47],然而土壤水分時間穩(wěn)定性現(xiàn)象還是被廣泛的學(xué)者所認可[37,48- 51]。根據(jù)不同的表達方式,一些類似的術(shù)語如“時間穩(wěn)定性”(Time stability)、“時間持續(xù)性”(Temporal persistence)、“秩穩(wěn)定性”(Rank stability)或“順序穩(wěn)定性”(Order stability)等也被用于相關(guān)研究當中[12,52- 53],但后續(xù)的研究還是更多地沿用了“Temporal stability”這一名詞[37,54- 56]。

1.2 時間穩(wěn)定性研究方法

目前,時間穩(wěn)定性研究方法主要有3種：一是相對差分法[45],公式1為樣點i在時間j,土層深度k的土壤水分(θijk)的相對差分值,公式2為所有樣點在j時間k土層深度的土壤水分的平均值；然后利用公式3和式4計算獲得各個樣點的相對差分(MRD)和相對差分的標準差(SDRD),然后把所有樣點按照 MRD 由小到大的順序排列起來,并標注出每一個樣點的 SDRD,通過這種方式可以很容易地找到哪些樣點一致地高于均值,哪些樣點一致地低于均值,哪些樣點總能夠一致地代表研究區(qū)的均值；第二種方法是Spearman 秩序相關(guān)系數(shù)法[45],主要反映測量樣點的空間模式在時間上的相似性,利用式5計算出各個測定時間之間的秩序相關(guān)系數(shù)(rs),其值越接近于1說明土壤水分的空間模式在時間上越相似,即土壤水分的時間穩(wěn)定性越強；第三種方法是累計概率函數(shù)[45],通過計算不同測定時間的累計概率函數(shù),通過分析不同測定時間各測點土壤水分累計概率的相似性來判斷時間穩(wěn)定性的強弱。如果一些樣點的含水量在不同水分狀況下都正好等于或接近于50%,那么這些樣點就是可以用來代表平均土壤水分狀況的代表性測點。此外,趙培培[57]還用譜分析的方法研究了時間穩(wěn)定性,并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“異常值”不影響譜特征,但是卻會降低Spearman秩相關(guān)系數(shù)。相對而言,Spearman秩相關(guān)系數(shù)和相對差分的方法被更加廣泛地用于土壤水分時間穩(wěn)定性的研究中[1,37,51, 56]。SDRD和rs是判定時間穩(wěn)定性的兩個最重要的指標,但是兩者之間又有明顯的差異,前者表示具體樣點時間上的穩(wěn)定性,而后者是指所有樣點空間模式在時間上的相似性,SDRD 越小說明樣點的時間穩(wěn)定性越強,而rs越接近于1,表明土壤水分的空間模式在不同時間上越相似[58]。

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rs為Spearman秩相關(guān)系數(shù),表示土壤水分分布格局在不同時刻的相似性,式中n為樣點總數(shù),Rij是在位置i和時間j觀測值的秩,而Rij′則是觀測值在同一個測量點i而在不同時間j′的秩。

1.3 代表性測點的選擇指標

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目前還沒有一個公認的代表性測點的選擇標準,大部分研究者選擇使用第一種方法。通過第一種方法鑒定的代表性測點可以直接用來預(yù)測研究區(qū)的平均水分狀況并且已經(jīng)在不同研究區(qū)得到成功應(yīng)用[37,49,66- 67],而其他的三種方法雖有各自的優(yōu)點但同時也存在自身的缺點,并且還沒有被大量研究所證實具有更高的預(yù)測精度。以上四種鑒定代表性測點的方法都是基于前期大量土壤水分實測數(shù)據(jù),一般來說,應(yīng)該在一年的測量周期內(nèi)比較平均地測定13—15次,顯然,鑒定代表性測點的前期工作也是非常繁瑣的。因此,在研究過程中,研究者對所選擇的代表性測點所具備的特征給予了特別的注意,比如,這些測點的土壤質(zhì)地,在坡面的位置等,希望能通過這些簡單觀測找到代表性測點的共性,以省去前期大量的測定工作。因此,這種先驗地鑒定代表性測點的方法有著很大的實用價值[61,63,68]。

2 土壤水分時間穩(wěn)定性應(yīng)用

時間穩(wěn)定性概念已被許多學(xué)者廣泛認識并應(yīng)用于土壤水分的研究之中[13, 39,49,63, 68]。除了土壤含水量外,土壤儲水量和土壤水勢也具有時間穩(wěn)定性特征[45,54,68-70]。時間穩(wěn)定性概念主要有3個方面應(yīng)用：一是找出研究區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的代表性樣點,并在不同時刻利用這些樣點直接或間接預(yù)測或估計研究區(qū)域的平均土壤水分狀況以及對土壤水分進行尺度推繹[13,49,56,58,61,71- 73]；二是利用時間穩(wěn)定性概念進行插值獲得由于儀器故障而缺失的土壤水分數(shù)據(jù)[57,74- 75]；三是驗證或者校正遙感手段獲得的土壤水分數(shù)據(jù)[1,25,55,64]。目前,時間穩(wěn)定性概念已被廣泛應(yīng)用于各種土地利用類型,例如草地生態(tài)系統(tǒng)[45,55,63],農(nóng)地生態(tài)系統(tǒng)[51,54],林地生態(tài)系統(tǒng)[76]和農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[77- 78]；以及不同氣候環(huán)境區(qū),例如干旱半干旱氣候區(qū)[31,63,68,79],半濕潤氣候區(qū)[37,62]和濕潤氣候區(qū)[64]。Liwata等[80]更是在北半球(60-68° N)梯度上研究了土壤水分的穩(wěn)定性。此外,該概念也已被應(yīng)用于不同土層深度[62,80],不同尺度[31,51,56,81],不同的測定時段[54,63,82- 83]以及不同的測定儀器[8,64,72,84]所獲得的土壤水分的研究,并取得了重要進展。

鑒定代表性測點來預(yù)測研究區(qū)的平均土壤水分狀況已經(jīng)成為時間穩(wěn)定性概念最重要的應(yīng)用之一[60]。由于代表性測點可以預(yù)測研究區(qū)的平均土壤水分,因而在需要獲取土壤水分均值的情況下,不再需要大范圍的采樣,而只需在特定的時間點去測定代表性測點的土壤水分即可,這樣可以節(jié)省大量的人力和物力。朱青等[85]在土壤水分時間穩(wěn)定性和層次聚類分析的基礎(chǔ)上,選取典型監(jiān)測樣點組合,采用逐步多元線性回歸構(gòu)建各樣點土壤含水量與典型監(jiān)測樣點土壤含水量的定量關(guān)系,并利用其預(yù)測不同時期各樣點的土壤含水量,發(fā)現(xiàn)該土壤水分優(yōu)化監(jiān)測方法可以在大大削減野外監(jiān)測工作量的同時保證監(jiān)測的效率。Kamgar等[47]在一個12 m×15 m的小區(qū)尺度高密度布設(shè)了200個測量點,比較了用自舉算法(Bootstrapping)和時間穩(wěn)定性概念兩種方法研究預(yù)測平均土壤水儲量所需的最小樣本數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一種方法最少需要收集10個樣本而后者只需要3個。不過代表性測點的個數(shù)因不同的研究區(qū)而異,如一個、兩個、甚至多個[48,60,86]。Vanderlinden等[70]研究發(fā)現(xiàn)找到一個可以代表不同土壤深度水分狀況的代表穩(wěn)定性點比較困難。Tallon和Si[12]僅發(fā)現(xiàn)一個測點可以同時代表兩個土層深度的平均土壤水分狀況,而Gao和Shao[58]卻沒有找到一個測點可以同時代表3個土層的平均土壤水分狀況。Gube等[54]發(fā)現(xiàn)土壤水分代表穩(wěn)定性測點隨土壤深度而異。Jia等[81]在黃土高原一個典型坡面 HB 上發(fā)現(xiàn)單一代表性測點可以代表 0—1,1—2 m和 2—3 m 3個土層深度的平均土壤水分狀況,然而,相鄰坡面 HA 沒有發(fā)現(xiàn)類似代表性樣點,這可能與坡面HB 土地利用和植被分布較 HA 更加單一有關(guān)。另外,Penna等[84]和Wang等[8]的研究也發(fā)現(xiàn)一個代表性測點可以同時代表多個土層深度的平均土壤水分狀況。

一般情況下,代表性測點都具有相對平均的坡向、坡度和海拔等特征[25,61]。Gao等[56]指出估計平均土壤水分的最佳測點位置應(yīng)該具有相對高的粘粒含量、坡度平緩、并且地表相對較平,該結(jié)果在美國Walnut Creek 流域也得到了證實[64]。Jacobs等[64]和Martinez等[59]也發(fā)現(xiàn)最穩(wěn)定的測點擁有中等或者相對高的粘粒含量。但是,目前基于土壤水分的相關(guān)變量來先驗地鑒定代表性的測點還沒有定論,研究者之間的發(fā)現(xiàn)甚至是相互矛盾的。例如,da Silv等[50]發(fā)現(xiàn)粘粒含量和有機質(zhì)含量比與地形相關(guān)的變量能更好地鑒定土壤水含量代表性測點,相反,另外的研究卻發(fā)現(xiàn)地形和植被變量而不是土壤質(zhì)地對于鑒定代表性測點更加重要[68,73]。Mohant和Skaggs[1]認為土壤水分在沙壤土比粉壤土有更好的時間穩(wěn)定性,而Jacobs等[64]發(fā)現(xiàn)具有中等到中等偏高的粘粒含量(28%—30%)的樣點可以代表研究區(qū)的平均土壤水分狀況。Hu等[31]卻在同一個流域在流域尺度上發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地是土壤水分穩(wěn)定性的主要控制因子,而Schneider等[55]認為土壤特性不能完全反映代表性測點的特征?？傊?土壤水分時間穩(wěn)定測點已經(jīng)被證明可以應(yīng)用于土壤水分的監(jiān)測,因此如何更加高效地選出最優(yōu)的代表性測點將是下一步工作的重點之一。

3 土壤水分時間穩(wěn)定性的影響因素

能很好地預(yù)測研究區(qū)平均土壤水分含量的測點是那些能代表流域平均特征的樣點[25,61],特別是那些與土壤水分密切相關(guān)的特征,這是因為土壤水分與不同特征之間的相關(guān)性不同,因此,明確土壤水分時間穩(wěn)定性指標的影響因素是先驗鑒定土壤水分代表性測點的前提條件。土壤水分時間穩(wěn)定性特征受多種因素影響,例如土壤性質(zhì)、地形因子、植被屬性、氣候因素等[37, 60-61, 68,73]。揭示不同尺度土壤水分時間穩(wěn)定性與各種影響因素的關(guān)系,將有助于研究區(qū)穩(wěn)定代表性樣點的確定和預(yù)估其他研究區(qū)土壤水分狀況[70]。然而,由于研究區(qū)域、采樣尺度、采樣時間等的不同,目前關(guān)于以上因素對土壤水分時間穩(wěn)定性的影響并沒有統(tǒng)一的結(jié)論[87]。在地形復(fù)雜的區(qū)域,相對海拔對時間穩(wěn)定性具有強烈的影響[25,37,58, 61,81],而在地形相對平坦的區(qū)域,地形對土壤水分影響很小或者沒有影響[49,63]。土壤屬性對土壤水分的重要作用主要是通過土壤顆粒組成、有機質(zhì)含量和土壤結(jié)構(gòu)等能改變土壤的持水和導(dǎo)水能力而實現(xiàn)的。土壤屬性在時間尺度上的變異性比較少,但是其在空間尺度上卻有很強的變異性,如,土壤飽和導(dǎo)水率的大小在很短的距離內(nèi)就可能出現(xiàn)幾個數(shù)量級的變化[88],這不可避免地會導(dǎo)致土壤水分在空間上的變化。Hawle等[89]在流域尺度發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地對土壤水分有顯著影響。Mohanty和Skaggs[1]利用遙感足跡數(shù)據(jù)研究不同土壤類型下0—5 cm土壤水分的時間穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)沙壤土的時間穩(wěn)定性特征好于粉壤土。Hu等[31]在一個面積為 20 hm2的流域內(nèi)利用中子儀測定獲得的0—80 cm的土壤水分,卻發(fā)現(xiàn)砂土樣點的時間穩(wěn)定性顯著強于沙壤和粉壤土,而沙壤土和粉壤土樣點之間的時間穩(wěn)定性特征無顯著差別。Zhao等[63]利用 Pearson 相關(guān)分析在內(nèi)蒙古平坦草原檢驗了土壤屬性和時間穩(wěn)定性指標(MRD)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤屬性對時間穩(wěn)定性有重要影響,其中砂粒含量和有機質(zhì)含量比粘粒含量和容重在控制時間穩(wěn)定性方面有更大的作用。Gao等[56]對黃土高原小流域坡地棗林0—60 cm土壤水分的時間穩(wěn)定性特征進行了分析,發(fā)現(xiàn)對研究區(qū)土壤水分模擬效果最好的代表性樣點為相對粘粒含量較高、坡度較平緩、地表較平滑的點,這與 Grayson和Western[61]和Jacobs等[64]部分研究結(jié)果一致。不同研究區(qū)土壤和地形等因素對土壤水分時間變異和穩(wěn)定性的影響不同,因此探索主要影響因素如采樣設(shè)計、地形、土壤、植被、氣候等的單一及綜合作用對不同區(qū)域土壤水分時間穩(wěn)定性研究也將是今后研究的重點。

植被對土壤水分動態(tài)有著重要的作用,因為植被不僅可以改變土壤的入滲和持水能力,而且可以通過減小蒸發(fā)和根系吸水改變土壤水分含量和分布[90-91]。與土壤和地形因子比較,植被隨時間變化性更強,因而植被對土壤水分的影響有強烈的季節(jié)依賴性。Hupet和Vanclooster[90]發(fā)現(xiàn)玉米生長期對土壤水分的變異性有不可忽視的作用。Hawley 等[89]研究發(fā)現(xiàn)植被的出現(xiàn)降低了地形對土壤水分變異性的影響。Kamgar 等[47]利用Spearman秩序相關(guān)系數(shù)法,發(fā)現(xiàn)根系活動會使得土壤水分穩(wěn)定性減弱。Schneider等[55]也發(fā)現(xiàn)放牧管理和植被蓋度是相對平坦的半干旱草原土壤水分穩(wěn)定性的主要影響因素。然而,在較大的尺度上土地覆蓋或者植被對土壤水分的空間分布影響有限[21]。由于土壤水分穩(wěn)定性和植被格局穩(wěn)定性反饋機制的存在,會使得植被和土壤水分變異性的“因果效應(yīng)”關(guān)系更加復(fù)雜[92-93]。Teuling和Troch[94]發(fā)現(xiàn)在非脅迫的條件下,生長季植被可以增加土壤水分的變異性,但是在土壤水分低于一個特定的閾值并且蒸散主要受制于供給和土壤控制的時候,植被會降低土壤水分的變異性。Zhao等[63]發(fā)現(xiàn)植被的出現(xiàn)讓土壤水分動態(tài)變得更加復(fù)雜,進一步地,Gómez-Plaza等[68]指出植被覆蓋的變化會降低土壤水分的時間穩(wěn)定性,他們發(fā)現(xiàn)當植被處于生長期時,土壤水分的時間模式比較弱,而當冬季植被停止生長時,土壤水分的時間穩(wěn)定性增強。Mohanty和Skaggs[1]發(fā)現(xiàn)土壤水分時間穩(wěn)定性的變化程度依賴于植被蓋度和地形條件。Jia和Shao[73]分析研究了神木六道溝小流域農(nóng)地、撂荒地、苜蓿地和檸條地4種植被類型下土壤儲水量的時間穩(wěn)定性特征,發(fā)現(xiàn)苜蓿草地時間穩(wěn)定性最強,且植被蓋度和地上部生物量是主要影響因素。Jia等[81]對黃土高原典型坡面草地土壤儲水量時間穩(wěn)定性分析結(jié)果表明,除了土壤質(zhì)地、海拔外,植被生物量和凋落物量對剖面土壤儲水量時間穩(wěn)定性也有顯著影響。然而如果在一個相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)并且測定周期一致的情況下,植被對土壤水分穩(wěn)定性的影響會降低,例如Hu 等[31]在流域尺度內(nèi)分析了砂壤和粉壤土中長芒草和檸條的時間穩(wěn)定性特征,發(fā)現(xiàn)這兩種植被的時間穩(wěn)定性指標沒有顯著差異,類似地,Vachaud 等[45]在一個隨季節(jié)變化輕微的均勻草地中研究土壤水分時,發(fā)現(xiàn)了很強的間穩(wěn)定性?？梢?植被對土壤水分時間穩(wěn)定性的影響主要取決于測定時間以及植被特征。

土壤水分時間穩(wěn)定性還具有深度依賴性和空間尺度依賴性。通常情況下,深層土壤水分時間穩(wěn)定性較淺層土壤水分更強[31,54,58,81]。冉有華等[95]對黑河流域土壤水分進行了時間穩(wěn)定性分析,發(fā)現(xiàn)表層土壤水分最不穩(wěn)定,40 cm深度以下基本穩(wěn)定。Heathman等[62]對美國大平原南部地區(qū)土壤水分時間穩(wěn)定性分析結(jié)果也表明大部分地區(qū)的表層水分穩(wěn)定性不如剖面土壤水分。然而,Hu等[31]在黃土高原六道溝小流域發(fā)現(xiàn)表層土壤水分(0—20 cm)時間穩(wěn)定性較深層土壤水分更強,這可能與研究尺度和觀測季節(jié)不同有關(guān)。許多研究者發(fā)現(xiàn)土壤水分時間穩(wěn)定性的影響因素依賴于研究尺度[52,68,82],即采樣密度、研究區(qū)面積不同,得到的影響水分時間穩(wěn)定性的主要因素也不相同。在土壤水分空間變異性存在尺度依賴性的啟發(fā)下,Kachanosk和de Jong[52]提出時間穩(wěn)定性的尺度性問題,并對樣帶土壤儲水量的空間依賴性進行了研究。Gómez-Plaza 等[68]進一步分析了樣帶尺度內(nèi)不同空間尺度下0—20 cm土壤含水量的時間穩(wěn)定性的控制性因子。Biswas和Si[82]用小波分析的方法研究了樣帶尺度內(nèi)土壤儲水量在不同尺度下的控制因子,不同的是他們發(fā)現(xiàn)海拔對土壤水分的影響在每一種尺度下都是最重要的。在二維尺度上時間穩(wěn)定性的尺度性也被廣大學(xué)者所研究,但是得出的結(jié)論卻不盡相同。Schneider等[55]和Brocca等[37]認為隨著采樣尺度的增加,由于增加了由土壤、地形和植被引起的變異性,會導(dǎo)致時間穩(wěn)定性指標(MRD的極差)增大。例如,在較小研究區(qū)Grayson和Western[61]、Comegna和Basile[46]發(fā)現(xiàn)MRD的極差均小于40%,Cosh等[49]、MartínezFernández和Ceballos[51]分別在150 km2和1285 km2的區(qū)域內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)MRD的極差較大,兩個研究區(qū)的MRD的極差都達到了100%,有的甚至超過了200%。然而,Cosh等[96]在一個面積與Cosh等[49]相差不多并且采樣深度相似的研究中發(fā)現(xiàn)MRD的極差僅50%；在坡面尺度上,Jia等[81]卻發(fā)現(xiàn)深層土壤水分的MRD的極差超過100%。土壤水分時間穩(wěn)定性的其他指標如SDRD和Spearman秩相關(guān)系數(shù)與MRD的情況類似。相關(guān)學(xué)者將這些差異歸因于不同的實驗安排、測定技術(shù)以及由地形、土壤、植被等引起的差異[68,70]。顯然,通過這樣簡單的比較來獲得采樣尺度對時間穩(wěn)定性指標的定量關(guān)系是不現(xiàn)實的,因為,不同的研究之間不僅采樣尺度發(fā)生變化,同時其他與土壤水分時間穩(wěn)定性相關(guān)的因素隨著試驗位置和時間也在發(fā)生變化,很難將采樣尺度引起的時間穩(wěn)定性指標的變化與其他相關(guān)因素帶來的變化區(qū)分開來,因此,時間穩(wěn)定性的尺度性需要更加深入系統(tǒng)的研究。

4 展望

自Vachaud等[45]將時間穩(wěn)定性的概念提出以來,該概念已被廣泛認識并應(yīng)用于不同尺度、不同測定周期、不同采樣設(shè)計和方法、不同生態(tài)系統(tǒng)類型、不同氣候區(qū)的土壤水分研究,并取得了重要進展。但是由于影響土壤水分時間穩(wěn)定性的因素較為復(fù)雜,同時土壤水分時間穩(wěn)定性還具有強烈的季節(jié)、深度和空間尺度依賴性,致使相關(guān)研究結(jié)果存在一定的區(qū)域差異,有的甚至相互矛盾。根據(jù)不同研究中存在的問題和目前生態(tài)水文學(xué)發(fā)展需求,提出幾點未來研究中的努力方向：

(1)多因素綜合作用的研究。土壤水分時間穩(wěn)定性受到氣候、地形、植被和土壤屬性的綜合影響。但總體來講,一些研究仍然存在一些矛盾的結(jié)論,并且缺乏一些對時間穩(wěn)定性影響的潛在控制因子如土壤水力性質(zhì)和測定時期邊界條件如降水和蒸散的異質(zhì)性或者同質(zhì)性的探討[70]。許多研究也表明土壤水分時間穩(wěn)定性受到控制因子的混合作用而不是單一因子的作用。因此,借助于相關(guān)統(tǒng)計模型(如：時空統(tǒng)計模型)可能會實現(xiàn)對影響土壤水分穩(wěn)定性各種因子相互作用的進一步探索,并且對影響因子的時空組成加以區(qū)分。

(2)尺度推繹。土壤水分時間穩(wěn)定性具有強烈空間尺度依賴性,尺度問題也已成為當今生態(tài)水文學(xué)研究中的一個焦點和難點。如何從坡面或者小流域尺度上的研究結(jié)論推繹到大流域,這對驗證遙感獲得的土壤水分數(shù)據(jù)和估計區(qū)域尺度的土壤水分至關(guān)重要。然而近幾年土壤水分時間穩(wěn)定性研究中也出現(xiàn)了一些跨尺度方法,如通過隨機抽樣分析、最優(yōu)組合分析、時間穩(wěn)定性分析以及時間平滑相關(guān)分析等方法[97],將點尺度或者較小尺度上的數(shù)據(jù)上推到區(qū)域尺度,有效解決了較大時空尺度上相關(guān)信息收集、處理和驗證問題,從而為解決尺度問題提供了重要的技術(shù)手段和方向。然而,在大區(qū)域的尺度性研究過程中采集所需要的大量數(shù)據(jù)非常困難,需要消耗大量的人力和物力,并且用傳統(tǒng)方法在大的區(qū)域進行采樣需要較長的周期,因此將“3S”技術(shù)、計算機模擬和野外實測有機的結(jié)合起來是未來研究尺度問題的一個方向。

(3)代表性測點的高效選擇?；谕寥浪值南嚓P(guān)變量來先驗地鑒定代表性測點還沒有定論,研究者之間的發(fā)現(xiàn)甚至是相互矛盾的。土壤水分的相對差分的空間變異性(極差范圍)通常會隨著采樣范圍的增加而增大。雖然找到時間穩(wěn)定性測點對研究區(qū)土壤水分進行持續(xù)監(jiān)測是土壤水分時間穩(wěn)定性的重要應(yīng)用之一,但是隨著尺度的增加,估計土壤水分均值的最佳代表性測點能否在空間上保持不變亦或者是在哪種尺度上改變,仍然是一個未解決的問題[70]。此外,在數(shù)據(jù)有限的情況下,如何快速高效的找出代表性測點也應(yīng)是未來研究的重要內(nèi)容之一。

(4)植被恢復(fù)區(qū)和氣候敏感區(qū)的研究與應(yīng)用。時間穩(wěn)定性概念已經(jīng)在不同植被類型以及氣候區(qū)進行了大量的研究,然而隨著全球氣候變化,林線上升,林線附近區(qū)域土壤水分受氣候變化比較敏感,研究該區(qū)域的土壤水分穩(wěn)定性可以為該區(qū)域植被對全球氣候變化的適宜性評價以及未來發(fā)展預(yù)測等提供理論借鑒。此外,大規(guī)模的植被恢復(fù)工程在我國已經(jīng)陸續(xù)實施,如何通過研究適宜植被恢復(fù)區(qū)的土壤水分時間穩(wěn)定性,并快速的找出代表該區(qū)域平均土壤水分的測點位置,從而用于指導(dǎo)植被恢復(fù)重建,將是未來研究的熱點。

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