基于陆面模式的喀斯特土壤水分优化模拟与时空变异机制研究

Soil moisture is the critical factor for vegetation rehabilitation and ecological environment construction in karst region. The simulation of soil moisture dynamic changes and temporal-spatial variations is of important significance for Karst Ecology and Geography Study, and rocky desertification. This project focuses on the change process and distribution pattern of soil moisture in karst catchment. By applying the comprehensive methods of site-specific monitoring, experimental analysis and mechanism model, simulation optimization of soil moisture in different typical karst sites will be carried out in the sample plot scale, including the parametric optimization of land surface process model for soil moisture characteristics function, and sensitivity analysis combined with the measured soil moisture for parameters calibration and verification. And then combined with the soil and plant characteristics, the process of soil moisture dynamic change and its driving mechanism will be analyzed. Based on the simulation and mechanism analysis of soil moisture in the sample plot scale, the spatial pattern of soil moisture in watershed scale will be revealed. And Spatial heterogeneity and its single factor and multifactor interaction by the Geographic Detector and Geographically Weighted Regression. Through the above study, simulation capacity of land process model for soil moisture will be promoted, and the study on the analysis of soil moisture from dynamic process to the pattern characteristics will be improved in karst region.

土壤水分作为喀斯特地区植被恢复和生态重建的关键限制因子，其动态变化模拟与时空变异特征对喀斯特生态学和地理学研究以及石漠化治理具有重要意义。本项目聚焦典型喀斯特流域土壤水分变化过程与分布格局，综合定位监测、实验分析、模型模拟等手段，在样地尺度针对土壤水分特征关系开展陆面过程模式的参数化方案优化，辅以敏感性分析并结合实测土壤含水量进行参数率定和模拟验证，实现不同典型喀斯特植被样地的土壤水分的优化模拟；在此基础上，结合土壤和植被属性特征，辨识辨识不同样地土壤水分动态变化规律及其影响机理；进一步基于样地模拟与机理分析，在流域尺度上揭示土壤水分空间分布格局，并采用地理探测器和地理加权回归模型，辨识其空间异质性及单因素贡献度和多因素交互作用影响。通过上述内容将有助于提高陆面过程模式对喀斯特土壤水分模拟能力，推进喀斯特水分从过程到格局的耦合解析。

喀斯特生态系统作为典型的地球关键带，其生态过程、水文过程对整个地球系统具有重要影响。本项目以“过程模拟-格局解析”为总体思路，围绕喀斯特流域生态水文过程，综合应用野外调查、实验分析以及模型模拟等手段，开展喀斯特生态水文过程重要产流服务的空间格局和影响机制的科学研究。.在项目执行期间，首先基于地理学结构-功能和景观生态学的景观格局-生态功能相关理论，定量剖析了景观格局与植被活动的关系，探讨了西南岩溶流域景观破碎化指数与植被覆盖度之间的空间非平稳关系，分析了不同岩性和地貌类型等环境因素对两者空间关系的影响，研究结果为模型优化模拟和影响机制的分析提供了背景理论。其次，基于率定校准的SWAT水文模型，对喀斯特流域产流服务（包括地表、地下、蒸散发等）进行模拟，并结合空间梯度分析和全局回归模型，剖析不同服务变量的空间变异特征，并量化了不同因素的影响程度。最后，聚焦喀斯特土壤水分，综合考虑降水、海拔、坡度、地质条件、土地利用类型、植被覆盖度等因素，基于地理探测器中的因子探测器、交互作用探测器模块，剖析了土壤水分分别与地表径流、地下径流、蒸散发空间关系格局的主导影响因子及因子间的交互影响程度。在本项目的支持下，构建了1个喀斯特典型样地气候、土壤、植被要素数据库；发表了4篇学术论文，其中SCI2篇；参编了1部英文专著；参加国际学术报告1次。.本项研究工作成果，可为石漠化综合治理和生态系统恢复重建提供科学指导建议，并有助于推进喀斯特生态系统水文过程和生态系统服务研究领域的发展与创新，更好地促进典型的地球关键带可持续发展。