在不同近地表覆盖物和改良措施下，对土壤水热动力学的实验与数值研究

《CATENA》：Experimental and numerical investigation of soil hydrothermal dynamics under different near-surface covers and amendments

浅层土壤水热耦合过程调控机制研究

　　

吴冰|朱红虎|艾哈迈德·易卜拉欣|刘希峰|李彪|穆罕默德·A·梅吉德

南京大学地球科学与工程学院，中国南京210023

摘要

地表覆盖物和浅层土壤改良剂是两种常见的近地表干预措施，用于改变浅层土壤中的水热过程，但在自然气候条件下的调控机制和比较效果仍缺乏足够的量化研究。本研究结合了长期的户外土壤罐实验和高分辨率光电监测技术，量化了不同近地表覆盖物和改良剂对土壤水分动态、温度变化以及水热耦合过程的影响。在相同的气候条件下，研究了三种代表性的处理方式：裸土、草坪植被和添加了生物炭的土壤。在多个深度持续测量了土壤温度、体积含水量和基质吸力。利用特定地点的水力和热参数校准了一个基于过程的有限元模型，以再现湿润前沿、吸力梯度和温度剖面的时空演变，从而提供了对孔隙尺度控制机制的直观理解。结果表明，草坪覆盖物起到了浅层缓冲层与深层屏障的作用：冠层拦截和根区分层延缓了水分渗透，增强了近地表的水分保持能力，并减缓了昼夜温度波动。添加了生物炭的土壤具有双孔隙结构，形成了局部毛细屏障，限制了深层渗透并促进了浅层水分储存，其较低的热导率也有助于提高热缓冲效果。相比之下，裸土表现出相对连续的水分和热量垂直再分配，导致浅层水分波动明显且昼夜温度变化较大。这些发现为区分不同近地表覆盖物和改良剂在气候敏感条件下增强浅层土壤水热韧性提供了基于过程的框架。

引言

在季节性湿润-干燥的气候条件下，城市绿化带、生态恢复区和工程堤坝中的浅层非饱和土壤对耦合的水分-温度动态非常敏感，这些动态调节着近地表的水文过程、植被的存活以及裸露边坡的抗侵蚀和退化稳定性（Scaringi和Loche，2022；Hsu等人，2024；Ni等人，2024）。降雨和蒸发的频繁交替加剧了水热波动，加速了水分流失，增强了热应力，并增加了侵蚀力的影响（Ni等人，2015；Zeng等人，2024）。气候变化通过增加降水量变异性和极端湿润-干燥及热-冷循环的频率进一步恶化了这些现象（He等人，2020；Tang等人，2024）。因此，在多变的气候条件下有效调节近地表水热条件对于维持土壤稳定性、支持植被生长和增强生态韧性至关重要（Zhou等人，2024）。

最近的研究越来越多地关注通过两类近地表干预措施来提高浅层土壤的水热韧性：地表覆盖物和浅层土壤改良剂（Shen等人，2023；Gong等人，2024）。基于植被的地表覆盖物，如草坪，通过冠层拦截、遮荫、蒸散作用以及根系对浅层土壤结构的改良来影响近地表的水分和热量传递（Bordoloi和Ng，2020；Deng等人，2025）。这些过程在坡地稳定和城市绿化中尤为重要，因为密集的纤维根系可以增强表层土壤并调节短期水热波动（Zhou等人，2024）。相比之下，浅层土壤改良剂通常通过直接改变近地表土壤的内在水力和热性质来调节水热行为（Das和Ghosh，2024；He等人，2025）。生物炭是一种富含碳的改良剂，通过生物质热解产生，可以增加土壤的持水能力并降低热导率，从而改善粗粒结构或退化土壤的水热缓冲性能（Usowicz等人，2020；Khaledi等人，2023）。尽管植被覆盖和生物炭改良通过根本不同的机制发挥作用——一种通过土壤-大气交换，另一种通过地下结构改良——但两者都旨在调节浅层土壤区的水热行为。

关于植被对土壤水热过程的影响已在实验室、受控环境和野外尺度上进行了研究。一系列实验室实验，包括土壤罐测试、渗漏仪实验和离心机模型测试，一致表明根系通过增强团聚作用、增加孔隙连通性和促进优先流动路径的发展来改变土壤结构和水文行为（Pierret等人，1999；Carminati等人，2016；Cao、Zhu、Wu、Wang和Shukla，2021a；Cao、Zhu、Guo、Wu和Wang，2021b；Li等人，2022）。野外研究进一步表明，植被影响降雨事件期间的渗透模式、水分保持和吸力演变。特别是，常用于工程坡地的浅根草类植物由于其密集的纤维根系网络，能够延缓湿润前沿的推进并减少事件后的水分流失（Muzylo等人，2009；Scanlan，2009；Ng等人，2013；Giadrossich等人，2017；Deng等人，2025；Wang等人，2025）。然而，尽管在基于过程的土壤-植被-大气相互作用建模方面取得了进展，但在自然水文气候变异性下的长期验证仍然有限，这限制了我们对累积降雨模式、昼夜温度循环和偶发性干燥如何塑造浅层土壤水热行为的理解（Ni等人，2019；Lann等人，2024；Xiao等人，2024）。

关于生物炭的研究最初集中在碳封存和土壤肥力改善上（Lehmann和Joseph，2015；Woolf等人，2010）。最近的研究探讨了它在不同环境条件下的土壤水分动态和水力行为中的作用（Omondi等人，2016；Blanco-Canqui，2017；Lu等人，2023）。实验室实验一致表明，生物炭可以提高水分保持能力，尤其是在粗粒结构或结构退化的土壤中（Yu等人，2017；Zhou等人，2018；Ni等人，2020；Acharya等人，2024；Xie等人，2024）。基于野外和建模的研究进一步表明，生物炭通过改变土壤-水分保持特性和水力传导性来影响土壤水热过程（Gan等人，2022；Ng、Guo、Ni、Zhang和Chen，2022；Ng等人，2023；Apriyono等人，2024）。然而，大多数现有研究仅探讨了生物炭的某些特性（如粒径、施用量和原料类型）在控制条件下的单一水力或热参数的影响。很少有研究考察其在实际气候条件下的耦合土壤水热过程中的作用。因此，其在野外环境中的水热行为仍缺乏足够的量化。

尽管在植被和生物炭相关研究方面取得了显著进展，但仍存在几个关键的知识空白。现有研究主要依赖于短期实验室或受控野外实验，这些实验无法再现自然降雨-蒸发循环的全部时间变异性或它们在浅层土壤中产生的累积水热响应（Giadrossich等人，2017；Acharya等人，2024）。一个主要原因是缺乏能够在实际气候条件下连续捕获多变量数据集（包括水分、温度、基质吸力和浅层结构响应）的长期高分辨率监测技术（Bordoloi和Ng，2020）。数据集的稀缺也限制了基于过程的水热模型的校准和验证，降低了它们解析控制过程和准确表示近地表调控效果的能力（Ni等人，2019；Lann等人，2024）。此外，生态（基于植被）和工程（基于改良剂）策略的相对水热效果很少在可比较的气象条件下进行评估，导致它们的差异调节能力未能得到充分量化。

为了解决这些空白，本研究结合了长期高分辨率的野外监测和基于过程的数值建模，以研究不同近地表覆盖物和改良剂在自然降雨-蒸发循环下对浅层土壤水热动态的影响。建立了一个受控的户外土壤罐实验，以连续多深度测量三种代表性处理方式的土壤温度、体积含水量和基质吸力：裸土、草坪植被和添加了生物炭的土壤。这些观测结果有助于详细表征处理方式对气象条件的水热响应，特别关注降雨驱动的渗透动态和随后的湿润-干燥演变。监测数据集进一步支持了耦合水热传输模型的校准和验证，然后使用该模型分析了控制过程，并直接比较了在相同气候条件下的植被和改良剂干预措施的调控行为。通过结合多变量野外观测和机理建模，本研究提供了关于不同近地表管理措施如何调节季节性变化环境中渗透、蒸发和热传递路径的基于过程的见解。

部分摘录

区域背景和实验设计

该户外实验在中国江苏省南京市（32.06°N，118.78°E）进行，位于长江三角洲中部（图S1）。该地区具有湿润的亚热带季风气候，是中国降水量较为丰富的地区之一。这里有广泛的人为形成的斜坡、植被覆盖的堤坝和裸露的浅层土壤区域，为研究近地表土壤水热过程提供了具有代表性的环境背景。

实验结果

本节展示了在不同近地表覆盖物和改良剂条件下浅层土壤水热动态的实验结果。分析结合了长期连续监测和代表性降雨事件，以考察不同时间尺度上的土壤水热响应。

土壤水热动态的机理解释

基于开发的数值模型，本节通过基于模拟的分析深入探讨了不同近地表覆盖物和改良剂如何影响浅层土壤水热动态。虽然户外实验提供了多个深度的温度和水分动态的高分辨率数据，但某些内部过程，如湿润前沿的推进、基质吸力的再分配和特定层次的保持效应，仍然

对近地表调控系统的应用见解

通过结合野外实验观测和数值模拟，本研究在相同的气候边界条件下比较了裸土、草坪植被和添加了生物炭的土壤。在渗透行为、湿润前沿穿透深度、浅层水分保持和昼夜温度变化等方面观察到了明显且可重复的差异。

结论

本研究结合了高分辨率的户外土壤罐观测和基于过程的数值建模，以研究不同近地表覆盖物和改良剂（裸土、草坪植被和添加了生物炭的土壤）在相同气候条件下的浅层土壤水热响应。主要结论如下：

(1)

裸土表现出快速且相对连续的水分和热量垂直再分配，导致较大的昼夜温度变化和明显的

作者贡献声明

吴冰：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法论，调查，正式分析，数据管理。朱红虎：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。艾哈迈德·易卜拉欣：验证，软件，方法论，数据管理。刘希峰：调查，数据管理。李彪：撰写——审稿与编辑，概念构思。穆罕默德·A·梅吉德：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所述的工作。

致谢

本研究得到了国家杰出青年科学基金（资助编号：42225702）和国家重点研发计划（资助编号：2023YFF1303501）的财政支持。苏州南泽传感技术有限公司在光纤传感系统的开发中提供了重要的技术支持。特别感谢李杰和刘天祥在系统部署方面的协助，以及中山大学的曹定峰教授的帮助。