《CATENA》：Precipitation on the spatiotemporal variations of soil volumetric water content at different depths in forested catchments
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土壤体积含水量（VWC）时空动态受降水与地形交互作用影响，研究在新西兰两个森林集水区（湿润 Mahurangi 与中等湿润 Ashley）分析 0-100 cm 土层 VWC 变异特征。结果表明：VWC 随深度增加而趋于稳定，空间异质性降低；降水贡献超过 65% 的 VWC 时空变率，短时强降水主导湿润区，中长期降水影响较明显；地形因子（TWI、PFC、TPI）在 30-100 cm 土层显著调控 VWC 空间分布，但表层地形驱动存在区域能力差异。
朱红芬|迪安·F·米森|塞拉吉斯·萨莱金|普里西拉·科贝特-拉德|薛建明
山西农业大学资源与环境学院，中国山西省太古市030801
摘要
在森林流域中，降水与地形之间的相互作用对控制土壤体积含水量（VWC）动态的影响在土壤不同深度和各种环境条件下仍知之甚少。本研究调查了新西兰两个具有不同降水、土壤和地质条件的森林流域中多个深度（0–100厘米）的VWC动态。通过连续的VWC数据和小波一致性方法，我们量化了VWC、降水和地形因素之间的多尺度关系。结果表明，VWC随深度增加而增加，而空间变异性减小，反映了VWC水平与空间异质性之间的反比关系。降水解释了超过65%的VWC时间变化，其中在湿润流域中短期效应占主导，在中等湿润流域中长期影响更为显著。降水通常会减少空间VWC的变异性，尽管这种减少受到干湿循环、树木物候活动（活跃期和休眠期）以及流域特定特征的影响。地形因素——特别是地形湿度指数（TWI）、平面曲率（PFC）和地形位置指数（TPI）——显著影响了30–100厘米深度处的VWC空间分布，然而，在不同流域中表层土壤的主要地形驱动因素有所不同。这些发现强调了降水、地形和土壤深度在塑造VWC时空模式方面的复杂相互作用。通过阐明这些关系在不同尺度和环境背景下的情况，本研究有助于开发改进的森林景观土壤水分监测和水文建模框架。
引言
土壤体积含水量（VWC）是一个基本的水文变量，它连接了地表和大气过程，在调节水、能量和碳循环中起着关键作用（Páez-Bimos等人，2023；Yang等人，2024）。它在各种生态水文、水文气象和水文过程中都处于核心地位（Amatya等人，2016；Corradini，2014；McMillan和Srinivasan，2015；Xu等人，2024），无论是在空间上还是时间上（Lee和Kim，2019b；Western等人，2004；Wiekenkamp等人，2016）。通过土壤剖面量化VWC的时空动态对于推进水文、土壤学和生态建模至关重要（Wang等人，2023b），特别是在气候变化对土壤-植被-大气相互作用的背景下（H?ck等人，2024；Sun等人，2023；Vereecken等人，2014）。此外，随着精准森林管理和生理森林生长模型对准确VWC制图需求的增加，我们需要加深对森林生态系统中空间变化及其与影响因素之间关系的理解（Sch?nauer等人，2022）。
VWC的变异性由静态因素（如土壤质地、深度、水力性质、地形）和动态因素（如降水和植被活动）共同驱动（Lee和Kim，2019a；Liang和Uchida，2014；Vereecken等人，2014；Vereecken等人，2016）。以往的研究强调了土壤水分的空间组织，表明局部控制（如局部地形）和非局部控制（即侧向表面和地下流动）都会影响土壤水分分布（Grayson等人，1997；Takagi和Lin，2012）。其他研究表明，地形控制的相对重要性会随着时间和水文状态从样地尺度到景观尺度而变化（Kaiser和McGlynn，2018）。然而，大多数研究集中在样地或景观尺度上的空间变异性，或在离散时间点上的时间变异性，往往忽略了降水如何与地形相互作用以调节多个时间尺度和土壤深度上的VWC时空动态。
Vachaud等人（1985）提出的时间稳定性概念被广泛用于评估空间VWC模式的持久性并确定代表性采样位置（Hu和Si，2016b；Hu等人，2017；Wang等人，2021；Zhu等人，2024）。然而，降水和地形如何共同调节这种时间稳定性仍不够清楚，特别是在森林和山区流域中。研究表明，干湿循环强烈影响VWC的变异性，但关于时间稳定性的结果并不一致。例如，Liu等人（2025）报告在湿润期间稳定性更高，而Xu等人（2021）观察到在干燥和湿润期间稳定性都较高。长时间干旱后的降水，或长时间降雨后的干旱，可能会引发VWC的时间不稳定（Dari等人，2019；Gao等人，2020；Liu等人，2022）。此外，特定地点的物理特征，如坡度位置、土壤深度和质地，可以在短时间尺度（几小时到几周）内主导变异性（Ehrhardt等人，2021；Jia和Shao，2013；Lee和Kim，2022；Li等人，2022；Mohanty和Skaggs，2001；Yang等人，2025）。来自山区流域的证据进一步表明，与地形的空间相关性可能在更长的时间尺度上持续存在，而短期的降水事件可能会破坏这些模式（Li等人，2024；Lv等人，2019；Wang等人，2023a）。这些发现共同强调了需要在多个时间尺度上分析VWC动态，同时考虑干湿转换和植被物候阶段（休眠期与活跃期）。这样的分析可以阐明降水和地形如何共同控制VWC随时间和深度的组织。然而，休眠期和活跃生长期之间时间稳定性及其地形控制机制的差异仍不清楚。理解这些机制对于改进水文尺度推断至关重要，因为基于点的VWC数据的代表性通常会随着土壤水分状况的变化而变化。因此，确定稳定空间模式出现的时间和地点可以提高流域尺度建模的准确性，并为森林水资源管理策略提供信息。
在这项研究中，我们选择了新西兰的两个森林流域——Mahurangi（湿润气候）和Ashley（中等湿润气候），这两个流域在植被（Pinus radiata D. Don人工林）和流域大小上相似，但在降水、土壤和地质条件上有所不同。本研究的目标是：（1）研究VWC的空间变化如何在不同深度和时间尺度上演变；（2）评估降水对VWC时间和空间变异性的影响；（3）探讨降水与地形因素之间的相互作用如何塑造VWC的空间分布。
研究区域和实验设置
本研究选择了新西兰的两个森林流域，Ashley和Mahurangi。Ashley流域具有中等湿润气候，20年平均年降水量为800毫米，平均日温度为12.2摄氏度，年蒸散量为780毫米。Mahurangi流域具有湿润气候，20年平均年降水量为1600毫米，平均日温度为14.2摄氏度，年蒸散量为980毫米（图1）。这两个流域都
不同深度的VWC时空分析
表层土壤（10厘米）的平均VWC在Ashley流域为0.23立方米/立方米，在Mahurangi流域为0.37立方米/立方米（表1），这与它们各自的年降水量水平相对应。在两个流域中，平均VWC随深度增加而增加。例如，在Mahurangi流域，10厘米、30厘米、60厘米和100厘米深度的平均VWC分别为0.37、0.39、0.41和0.41立方米/立方米。时间标准差（SDt）和随时间的变化系数（CVt）都随深度减小，
VWC的空间变异性与平均值之间的关系
VWC随深度一致增加，而其空间变异性减小，表明深度与变异性之间存在反比关系（表2）。这一趋势表明，随着深度的增加，水文稳定性提高，这可能是由于表面扰动（如蒸发）减少和矿物-有机相互作用增强，从而促进了更均匀的VWC分布（Gao和Shao，2012）。因此，浅层土壤（<60厘米）充当了短暂的水文缓冲区，而深层土壤
结论
土壤体积含水量随土壤深度增加而增加，而其空间变异性趋于减小，揭示了VWC水平与空间异质性之间的反比关系。降水被确定为VWC时间变异性的主要驱动因素，在湿润期间减少了空间变异性，并在不同尺度上增强了时间稳定性。
地形因素，包括TWI、TPI和PFC，是不同深度VWC空间分布的关键决定因素，
作者贡献声明
朱红芬：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，概念化。迪安·F·米森：撰写——审稿与编辑，监督，方法论，调查，资金获取，数据管理，概念化。塞拉吉斯·萨莱金：撰写——审稿与编辑，方法论，调查，正式分析，数据管理。普里西拉·科贝特-拉德：撰写——审稿与编辑，调查，数据管理。薛建明：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们想感谢Scion和国家水大气研究所（NIWA）的野外工作人员在建立森林流量研究站点和数据收集方面所做的宝贵工作。同时，也感谢Jennifer L. Owens博士和Christine Dodunski的宝贵贡献。我们还要感谢iwi、土地所有者和森林管理者提供对其森林的访问和支持。这项研究得到了森林流量研究计划（合同编号
