土壤水分時空變化研究的國內(nèi)外研究進展文獻綜述1.1土壤水分理論研究進展土壤水又稱土壤中非飽和帶水分，指由地下水面（即潛水面）向上到達地面土層中所含的水分。它是水資源的重要來源之一，土壤水分運移過程作為陸地水文循環(huán)中不可或缺的部分，在很大程度上影響了地表水、地下水以及大汽水的循環(huán)運動速率，一方面，土壤水的運動是降雨—產(chǎn)流計算、農(nóng)田灌概與排水設(shè)計以及地下水補給計算的基礎(chǔ)；另一方面，生態(tài)系統(tǒng)中的水運輸，例如徑流，滲透，蒸散和存儲，也對不同界面之間的水運輸過程中的降雨重新分配模式產(chǎn)生重大影響。同時，土壤水也是水資源形成，再分配，消耗等過程的主要部分。土壤水作為土壤肥力判斷的重要指標，其重要性早在15世紀初期就被人們認識到。到19世紀，俄國土壤學家B.B.道庫恰耶夫提出了“成土因素學說”，該理論把土壤視為歷史的自然產(chǎn)物，賦予土壤水特殊意義，建立土壤形成與其水分變化過程有機聯(lián)系的橋梁。這一期間，大多研究者立足于形態(tài)學觀點，通過定性分析和描述，研究非飽和土壤中水分的運移問題（來劍斌2003）。但由于土壤水問題涉到水文、氣候、植被和地形等多個方面，其復雜性使得以傳統(tǒng)方法研究土壤水分己經(jīng)不能夠解決實際困難（高建華等2011），因此，出現(xiàn)了對土壤水能和動力學的研究。1907年，E.白金漢（Buckingham）提出的毛管勢理論使人們開始從能量和動態(tài)方面去研究土壤水分。隨后，L.A.理查茲（Richards）發(fā)明了張力計，他結(jié)合了達西定律中研究非飽和流的方法，得出了非飽和流方程。伴隨土壤水分能量和動態(tài)觀點的提出，在有關(guān)土壤水分的研究領(lǐng)域中，水勢逐漸成為了生態(tài)系統(tǒng)中水循環(huán)問題統(tǒng)一的能量指標。1966年，J.Ｒ.菲利普（Philip）提出了SPAC理論，他認為水從土壤到植物體再到大氣的循環(huán)是通過水勢梯度的驅(qū)動力實現(xiàn)的，稱之為SPAC。水分能量關(guān)系由此得到了統(tǒng)一，這為生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化與水分運移研究奠定了基礎(chǔ)（張北贏等2007）?？傮w來說，國內(nèi)對土壤水的研究比較晚，大致可分為兩個階段：50年代以前，對土壤水分的研究還處于起步階段，還很分散（劉艷2016）。1955年到1965年間，蘇聯(lián)形態(tài)發(fā)生學在土壤水分上的應(yīng)用被引入中國，這極大地推動了我國土壤水分的發(fā)展（楊偉2009）。自70年代中期以后，土壤水分的能量概念（SPAC理論）在中國興起，這意味著我國的土壤水分研究進入了一個新階段（朱祖祥1979）。自此以后，由于以定性和間斷為主的形態(tài)學觀點存在局限性，以此為依據(jù)研究土壤水分的方法被逐漸淘汰，人們開始接納的是定量的、連續(xù)的能量觀點，土壤保持水分以勢能作為能量指標，并用水分特征曲線進行表征，即用確定的函數(shù)關(guān)系來表示土壤水分和土壤水勢之間的關(guān)系，普遍認同水分運移的驅(qū)動力主要來自于水勢梯度這一觀點（莊季屏1989）。后有學者以SPAC理論水分運移機制為出發(fā)點，并設(shè)計了與計算機相關(guān)的軟件來模擬SPAC的輸水機理（康紹忠等1992，邵明安等1991）。1.2土壤水分時空變異特征研究進展土壤水分時空變異受到土壤、地形、氣象和土地利用等諸多環(huán)境因子的綜合影響，使其時空變化具有一定的復雜性（Westernetal1999）。20世紀40年代，人們開始從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度分析土壤水分的空間分布，但在尺度上大多以斑塊和田間尺度為主。到了1970年，伴著分布式水文學的迅速發(fā)展，水文模擬中土壤水分的時空異質(zhì)性顯得尤為重要，研究尺度逐漸擴展到坡面乃至流域尺度上（Westernetal1998）。但是，僅從空間研究土壤水分已不能滿足土壤科學和水文學的實際發(fā)展需求，1970年代后期，遙感反演技術(shù)被引入到土壤水分研究中，同時也出現(xiàn)了對土壤水分時間穩(wěn)定性的研究，對土壤水分時空變化的研究也在不斷深化。1.2.1土壤水分空間變異性土壤水分的空間變異性主要體現(xiàn)在土層深度和坡位上。在降雨、蒸散發(fā)等過程的影響下，隨剖面深度的變化呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律，一般來說，處于上層的土壤水分更容易受外界因素的影響，其變異性隨著土層的增加而有所降低。土壤水分在土壤剖面上的變化趨勢大致可分為兩種，一是在降水較豐富背景下，土壤水分一般隨著深度增加逐漸減小，二是在相對干旱時段，土壤水分則呈相反的變化趨勢（李曉敏2019）。土壤水分的匯聚、入滲等過程因坡位不同有所區(qū)別，在坡向大致相同的同一坡面上，土壤水分一般沿坡面從下至上逐漸減小，但這種變化趨勢與坡面土地利用的分布有關(guān)，在土地利用相對較復雜的坡面，土壤水分的分布規(guī)律可能更復雜。一般采用經(jīng)典描述統(tǒng)計分析中的標準差（SD）與變異系數(shù)（CV）對土壤水分空間變異性進行定量化分析，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，地統(tǒng)計學方法的應(yīng)用逐漸成為了研究土壤水分空間異質(zhì)性的主要途徑之一（張超等2003）。自此，對于土壤含水量的空間變異性研究有了新的進展，開始從傳統(tǒng)的經(jīng)驗描述轉(zhuǎn)向定性與定量相結(jié)合的理論分析。Huangetal（2019）運用地統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)土壤水分隨著土層深度和時間變化，其空間依賴性也不斷變化。Wangetal（2001）等將濕潤季節(jié)和干燥季節(jié)土壤剖面含水量進行相比，發(fā)現(xiàn)后者的塊金值和基臺值較高，且基臺值和塊金值均沿土層從上至下逐漸增大，但變程的變化規(guī)律不明顯。隨著研究的不斷深入，新理論、新方法不斷被發(fā)掘，李小昱等（2000）引入分形理論研究土壤水分，結(jié)果表明，土壤水分具有明顯的分形特征。王軍等（2012）運用ArcGis中的空間內(nèi)插法研究了土壤水分的空間分布及其空間變異特征，指出克里金法對土壤含水量進行插值制圖，可以清楚地表明不同季節(jié)斑塊區(qū)土壤含水量的大小和排列方式。目前，對于坡面的土壤水分空間分布特征已有諸多研究（姚雪玲等2012，王冬冬2016，Heetal2020），但大多限于表層土壤，且大多集中于干旱和半干旱地區(qū)。因此，對三峽庫區(qū)典型紫色土坡面土壤水變異特征的研究十分必要。1.2.2土壤水分的時間穩(wěn)定性特征由于各種環(huán)境因子的影響，增加了土壤水分的時空變異性，要在研究區(qū)獲取平均土壤水分，一般要布設(shè)大量的觀測點進行長時序觀測，這樣不僅費時又費力。如此一來，如何在研究區(qū)準確、快速地獲取平均土壤水分已成為一個迫切需要解決的問題。在此條件下，產(chǎn)生了間穩(wěn)定性的概念。Vachaudetal（1985）首先利用時間穩(wěn)定性理論在田間尺度上對土壤水分進行了長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)域內(nèi)有些觀測點隨著時間推移不會有太大的變化，平均土壤水分、最大值或最小值在時間維度上表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，并稱此現(xiàn)象為土壤水的“時間穩(wěn)定性”，與之相對應(yīng)的點則被命名為“時間穩(wěn)定性點”，這些時間穩(wěn)定點可用來準確獲得研究區(qū)域的平均土壤水分。時間穩(wěn)定性技術(shù)具備低成本、省時省力等特點，在世界各地應(yīng)用廣泛。如不同土地利用：草地、果園、林地和農(nóng)地等（馮博2020，胡波等2021，劉繼龍等2014，Lietal2014）；不同研究尺度：小區(qū)尺度、坡面尺度和流域尺度等（丁聰?shù)?020，Jiaetal2013，Gaoetal2012,）；不同土層：土壤表層和土壤剖面（韓曉陽等2017，Heetal2020）。目前，主要有三種研究方法用以分析土壤水分的時間穩(wěn)定性特征：一是斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)法（rs），通過對各個測點觀測值在不同監(jiān)測日期觀測值進行排序，求出計算秩相關(guān)系數(shù)。秩相關(guān)系數(shù)介于-1～１之間，絕對值越靠近1，說明穩(wěn)定性越佳。二是相對差分法，第一步是計算觀察期內(nèi)每個觀察點土壤水分的相對差異，然后計算平均值（MRD）和標準偏差（SDRD），并以增量方式排列所有MRD值，并標記相應(yīng)的帶有誤差條的SDRD值，哪個點的SDRD值最小即代表時間穩(wěn)定性最佳，利用該點可直接對研究區(qū)平均土壤水分進行觀測。三是累計概率函數(shù)法，這是一種通過計算累積概率，把值接近于50％的樣點作為為時間穩(wěn)定性代表性測點的研究方法。目前，代表性測點一般選擇MRD約等于0（SDRD最小的前提下）的點可以作為代表性測點。但Starksetal（2006）的研究表明MRD接近于０的觀測點所對應(yīng)的SDRD并不一定最小，主觀意愿對代表性測點的選取影響較大，增大了預測誤差。于是，Zhaoetal2010在此基礎(chǔ)上作了優(yōu)化，提出了時間穩(wěn)定性指數(shù)（ITS），該方法將SDRD和MRD合二為一，該算法是將相MRD和SDRD各取平方后加和再開方，將計算出的ITS最小的點作為代表性測點，使得代表性測點的選擇更加標準化。土壤水分的時間穩(wěn)定性理論普遍存在于各個區(qū)域，目前已得到了廣泛的運用。國內(nèi)土壤水分時間穩(wěn)定性研究主要是在黃土高原區(qū)（Jiaetal2013，佘冬立等2010）和荒漠地區(qū)（張帥譜2017，Panetal2015，），且主要集中于表層；南方紫色土區(qū)土層淺薄、礫石含量高、坡度陡，在坡面土壤水分的監(jiān)測工作上相對薄弱，對該地區(qū)的土壤水分時間穩(wěn)定性特征尚不明確。時間穩(wěn)定性分析方法既可以選出代表性觀測點位，也能揭示坡面土壤水分空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的強弱，為揭示該區(qū)域背景下坡面土壤水分空間的分布及動態(tài)特征提供了有利條件。因此，深入了解紫色坡面土壤水分時間穩(wěn)定性特征很有必要性。1.3土壤水分時空變化影響因素研究影響土壤水分的因素多而復雜，涉及到生態(tài)環(huán)境中的各個方面。研究區(qū)域的大小是土壤水分空間變異的一大重要影響因素。一般來說，伴隨研究規(guī)模的增加，土壤水分的空間變異性也隨之增加，不同區(qū)域尺度下土壤水分的主要控制因素也存在一定差異。（Suoaetal2018）。從尺度劃分大致可分為兩類：一類是由氣候和植被特征決定的大尺度（楊磊等2011，陳曉瑩等2020，Huangetal2019），另一類則是由地形、土壤等決定的小尺度（王艷艷等2019，邱揚等2007）。其中，降雨在土壤水分中起主導作用，植被對土壤水分的影響主要與其類型和密度有關(guān)。土壤性質(zhì)對土壤水分的影響則以有機質(zhì)與顆粒組成為主，就一般而言，不論是有機質(zhì)含量還是土壤粘粒，土壤含水量會隨其含量的增加而增加。除此之外，地形因素（主要包括坡向、坡位和坡度等）也對土壤含水量空間格局起著重要影響（陳佳2009），而地形因子中以坡位和坡向為主要導向，有研究表明，陽坡土壤水分通常低于陰坡，坡腳土壤水分一般高于坡頂（王曉軍等2015，Yuetal20