地球環境所在黃土關鍵帶深剖面土壤含水量的電阻率反演方面取得進展

　　土壤水分是地球關鍵帶中的重要變量，影響著降水入滲與再分配、土壤侵蝕、徑流產生、植物生長及相關生物地球化學過程。隨著氣候變化和人類活動的增強（如，極端乾旱和種植外來植物種等），深層土壤水分參與地表生物地球化學過程的頻率和幅度愈加突出，甚至影響著地球關鍵帶地表生態系統的穩定性和演替方向。因此，準確、高效的測定深層土壤水分的數量、儲量與時空動態特徵是深化這一科學認知的必要條件。當前，深層土壤水分的數據獲取技術與方法仍然面臨嚴峻挑戰，是地球關鍵帶土壤水文過程研究亟需拓展的重要方向之一。　　近日，中國科學院地球環境研究所研究員王雲強團隊，採用高密度電法儀（ERT）對黃土關鍵帶不同立地條件下（不同土地利用方式、土壤質地等）的53個剖面進行ERT掃描（圖1），結合69個中子管的土壤含水量（SWC）同步原位觀測，獲得2769對電阻率（ER）和SWC數據集，定量研究了ER和SWC的相互關係，構建了ER與SWC的最優模型，並進一步探討了ERT反演黃土關鍵帶深層土壤水分的敏感性與不確定性。

　　研究發現：（1）在不同立地條件下，ER與SWC均呈顯著的負相關關係，且ER在不同的土地利用（農地、林地和草地）、土壤質地（粉粘壤土和粉壤土）及土壤深度（0-1m和1m以下）之間存在顯著差異，表現為，林地（165.1 Ω m）>草地（111.7 Ω m）>農地（30.2 Ω m）（圖2）；粉壤土（99.1 Ω m）> 粉粘壤土（74.4 Ω m）；淺層（122.7 Ω m）> 深層（86.0 Ω m）。（2）通過1000次隨機抽樣，結合8種不同的模型方程，根據決定係數和均方根誤差確定了不同立地條件下的最優模型（p<0.01），誤差在可接受的範圍內（圖3）。（3）ERT反演SWC的不確定性和敏感性表明，基於黃土關鍵帶野外實測數據所建模型的不確定性較低，且具有較好的敏感性，在預測黃土關鍵帶土壤含水量方面具有較高精度和穩健性，適用於我國黃土高原和世界上其他黃土地區。

　　該成果在線發表在國際期刊Journal of Hydrology上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）（XDB40020203）和國家自然科學基金（41722106、41971045、41807020）等項目的共同資助。

　　圖1 黃土關鍵帶典型剖面的電阻率掃描結果：（a）電阻率（b）解析度（c）相對靈敏度（d）平滑靈敏度。黑線表示模型解析度指數為10，大於10說明結果可靠

圖2 黃土關鍵帶不同土地利用下的電阻率頻率分布

　　圖3 基於不同數據集的電阻率與土壤含水量的最優回歸模型的殘差分布。Alldata，所有樣本數據；SiLo，粉壤土樣本數據；SiClLo，粉粘壤土樣本數據；SD ≤ 100，0 - 1 m的樣本數據；SD ＞ 100，1 m以下樣本數據

[ 責編：戰釗 ]