地球关键带涵盖了从植被冠层顶部到地下水底部的广泛区域，是由岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大气圈构成的复杂系统，对维持陆地生态系统的运转和人类生存至关重要。黄土关键带是世界上的典型地球关键带之一。中国黄土高原是全球黄土分布最广、堆积最厚、记录地学信息最丰富的地区，因此成为全球黄土关键带研究的代表性区域。然而，该区域长期面临着土壤侵蚀、水土流失、生态环境脆弱等严峻问题。土壤水文过程深刻影响着该关键带中的物质迁移、水分循环、植被生长及一系列生物地球化学循环过程，是黄土关键带服务功能的关键控制过程之一。尽管已有大量研究关注黄土关键带土壤水文过程，但对于多尺度深剖面土壤水分的时空演化及其对区域气候变化、植被恢复等重大工程的响应与反馈等问题的理解仍然有限。鉴于此，王云强研究团队针对这些关键问题开展了深入研究，取得如下进展：

1）小流域尺度：依托陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站，以顾屯小流域为对象，开展深剖面土壤水分时空动态监测及其驱动因素研究，获得5.5年的逐月土壤水分数据（监测深度为0-5 m，共89个样点）（图1a）。研究发现土壤水分的季节性变化主要集中在0-100 cm土层，且南北向坡面间的水分差异显著，蒸散主导了浅层土壤水分的空间分布；90%以上的年降水在0-300 cm土层进行季节循环（图1b）（Liu et al., 2024）。基于全剖面数据分析发现，流域内90.7%的样点存在下伏土壤干层，平均干层厚度为262 cm，干层内土壤含水量为9.5%，土地利用是流域尺度上土壤干层变化的主控因素（图1c）（Zhao et al., 2024a）。进一步评估了治沟造地工程对黄土关键带小流域土壤水文过程的影响，通过引入经验正交函数EOF，有效识别由空间结构和时间动态引起的EOF异常，EOF1和EOF2方差解释率分别达86%–97%和32%–53%；在实施和未实施治沟造地的对比流域中，源自空间结构的EOF1具有相似性，而源自时间动态的EOF2则存在差异，证明了治沟造地工程通过增加沟道蓄水，增强了沟道内土壤水分的时间稳定性（图1d-e）（Zhao et al., 2024b）。这些结果可为黄土关键带土壤水分管理、土壤干层调控提供科学参考。

图1 顾屯小流域空间分布及相对位置（a）；小流域不同深度年土壤水分储量变化量的空间格局（b）；小流域不同土地利用方式下平均土壤干层厚度的空间格局（c）；治沟造地小流域EOF1和EOF2的空间格局（d）；未治沟造地小流域EOF1和EOF2的空间格局（e）。

2）样带尺度：在黄土高原西北至东南方向，沿降水梯度（多年平均降水量介于300 mm至600 mm）布设观测样点，监测0-1800 cm土壤水分（图2a）。研究发现，人工植被的土壤水分亏缺现象比耕地更为严重（图2b）；在观测梯度内，0-1800 cm土壤剖面的相对土壤水分亏缺大都超过70%，威胁植被恢复和土壤水库功能；当降水量以100 mm梯度增加时，人工植被土壤剖面中的相对土壤水分亏缺将从72.3%显著降低至36.9%（图2c）（Zhou et al., 2024）。植被恢复、土壤深度和降水的自我调节机制共同调控黄土关键带深剖面中的土壤水分亏缺状况，这一结果强调了不同降水条件下合理植被恢复策略对于维持土壤水分平衡的重要性。

图2 黄土高原不同降雨梯度样带采样点空间分布及土地利用类型（a）；1800 cm剖面内耕地和人工植被平均可用储水量与降水梯度的线性拟合（b）；不同深度相对土壤水分亏缺随降水梯度的变化（c）。

3）区域尺度：团队进一步拓展研究尺度，对黄河流域（面积达795,000 km2）全域进行深剖面（0-500 cm）取样和测定（图3a，共475个样点），实测剖面土壤水力参数，进而建立了共享数据库（Tong et al., 2024），包含2924个土壤质地、2798个容重、2782个饱和导水率、1035个土壤水分特征曲线参数（图3b-c）。该数据库的建立，扩展了现有土壤剖面水力参数的深度范围，为黄土关键带及其他类似区域的水文、生态学研究提供了宝贵的数据资源支持。

图3 黄河流域土壤水力参数数据库样点空间分布（a）；数据库内不同土壤质地类型占比（b）；数据库内不同类型土壤水力参数数量（c）。

上述系列成果相继发表于国际学术期刊Hydrology and Earth System Sciences、Journal of Hydrology、Agricultural and Forest Meteorology、Catena、Scientific Data上。该研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2019YFA0607303）、国家自然科学基金（项目编号：U2243204、42307415、41971045、42177306、41977422）、中国科学院西部之光创新交叉团队等的共同资助。

相关文献：

Liu, S., Meerveld, I. V., Zhao, Y., Wang, Y.*, Kirchner, J. W. 2024. Seasonal dynamics and spatial patterns of soil moisture in a loess catchment. and Earth System Sciences. 28: 205-216. https://doi.org/10.5194/hess-28-205-2024

Zhao, Y., Wang, Y.*, Zhou, J., Qi, L., Zhang, P. 2024a. Spatiotemporal variation and controlling factors of dried soil layers in a semi-humid catchment and relevant land use management implications. Catena. 240: 107973. https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.107973

Zhao, Y., Wang, Y.*, Hu, W., Sun, H., Qi, L., Xu, L., Song, Y., Zhang, P. 2024b. Intensive land restoration projects alter mechanisms underpinning spatiotemporal soil moisture variability at a catchment scale: A case study in China. Journal of Hydrology. 630: 130739. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.130739

Zhou, J., Wang, Y.*, Li, R., He, H., Sun, H., Zhou, Z., Zhao, Y., Zhang, P., Li, Z. 2024. Response of deep soil water deficit to afforestation, soil depth, and precipitation gradient. Agricultural and Forest Meteorology. 352: 110024. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.11002

Tong, Y., Wang, Y.*, Zhou, J., Guo, X., Wang, T., Xu, Y., Sun, H., Zhang, P., Li, Z., Lauerwald, R. 2024. Dataset of soil hydraulic parameters in the Yellow River Basin based on in situ deep sampling. Scientific Data. 11: 740. https://doi.org/10.1038/s41597-024-03576-7