土壤水力参数通常被视为时不变参数，在水文生态模拟中也通常被设定为固定数值。但实际上，土壤水力参数可因地貌演变、生态演变、以及火灾、耕作等扰动，发生明显变化。如何识别长期变化或短期扰动带来的土壤水力参数的时间变化规律，并揭示其内在机理，仍然是土壤水文领域的挑战。
为识别植被变化条件下土壤水力参数时变规律，本研究将窗口粒子滤波数据同化算法（Particle Batch Smoother，PBS）与非饱和土壤水动力模型相结合，应用于西双版纳热带雨林的气象、水热通量及土壤含水量观测数据。通过PBS数据同化方法及土壤水动力模拟，以5天为时间窗口，对土壤水力参数及土壤含水量进行重采样，分析后验土壤水力参数的时变规律。作为对比，基于广义似然不确定性估计方法（Generalized Likelihood Uncertainty Estimation，GLUE），获取时不变参数的后验分布。
研究发现，该地区的土壤水力参数呈现出规律的季节性变化，这与凋落物和陆地碳通量的季节周期变化密切相关。落叶季节，雨林凋落物可以补充土壤有机质，导致后续雨季的田间持水量和饱和导水率增加。然而，在温暖湿润条件下，土壤有机质的强烈分解，导致了田间持水量和饱和导水率的下降。受雨林生态系统季节周期变化的影响，相较于时不变的土壤水力参数，采用时变土壤水力参数可以显著提升土壤含水量和蒸散发的模拟精度。
图1. 基于PBS算法同化获得的土壤水力参数以10天为窗口的时间变化：（a）饱和含水量θs，（b）残余含水量θr，（c）参数n，（d）参数α，（e）饱和导水率Ks
图2 采用时变参与时不变参策略下各层土壤含水量及蒸发的模拟值与实测值对比：（a）5 cm土壤水，（b）20 cm土壤水，（c） 40 cm土壤水，（d） 蒸散发；右侧为土壤水及蒸发的模拟误差（模拟值与观测值之差）的箱线图
该研究证实了PBS数据同化算法在揭示变化环境下土壤水力参数的时变特征的应用潜力，并结合地表植被及水、热、碳通量数据分析了季节周期变化下土壤水力参数时变机理，为推进土壤水文机理研究提供了研究工具。
相关成果发表于《Geoderma》，第一作者为2022级水利工程硕士研究生李美骏，通讯作者为邵伟教授。其他作者包括捷克查理大学的苏烨（博士）、中国科学院西双版纳热带植物园宋清海研究员及张一平研究员、华东师范大学高红凯教授和天津大学董建志教授。本研究得到了国家自然科学基金（41807286）、青海省科技厅基础研究项目（2023-ZJ-705）和捷克科学基金会GAČRPIF OUT项目（242-201284）资助。
论文信息和链接：
Meijun Li, Ye Su, Qinghai Song, Yiping Zhang, Hongkai Gao, Jianzhi Dong, Wei Shao. Identified temporal variation of soil hydraulic parameters under seasonal ecosystem change using the particle batch smoother[J]. Geoderma, 2024, 442: 116782. DOI: 10.1016/j.geoderma.2024.116782
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2024.116782
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Wei Shao, Meijun Li, Yang Wu, Xieyao Ma, Qinghai Song, Yiping Zhang, Ye Su, Junjun Ni, Jianzhi Dong. Identification of varied soil hydraulic properties in a seasonal tropical rainforest, Catena, 2022, 212(5): 10614. DOI: 10.1016/j.catena.2022. 106104
https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106104
