土壤-植被-水文耦合研究可以帮助我们更好地理解地球系统不同圈层之间的相互作用，进而为理解地球表层系统提供坚实的理论基础。对土壤-植被-水文耦合过程与机制的研究从20世纪80年代开始就逐渐成为许多学科的研究热点。然而，生态学、水文学、土壤学和气候学等领域的学者通常在不同的时空尺度上研究土壤-植被-水文耦合机制，不同尺度之间的机理联系很少，这极大地限制了相关知识的跨学科整合。如何将快速的生态过程、水文过程与缓慢的土壤过程进行机理上的连接，仍是目前的一个重大挑战。

土壤-植被-水文耦合过程在很大程度上取决于尺度。在一个尺度上观察到的现象或总结出的规律在另一个尺度上并不总是有效。文章总结了不同空间尺度下六种具有代表性的土壤-植被-水文耦合过程与机制(图1)，包括：（1）叶片气孔及根土界面的碳水交换；（2）植物根系和水分运移引起的土壤团聚体及剖面水力特性变化；（3）植物冠层与根系对降水及土壤水的再分配；（4）植被斑块与局部水文过程的相互作用；（5）植被群落演替与土壤发育的联系；（6）流域/区域水分收支与植被物候及生产力的联系。此外，气候变化可以影响土壤-植被-水文耦合过程的强度和方向，而人类活动对土壤-植被-水文耦合机制既有积极影响, 也有消极影响, 这取决于研究区域的气候、经济、人口和管理政策。

图1 不同空间尺度的土壤-植被-水文耦合过程

q _intr, q _thru, q _stem, q_lift, q _root, q _inf分别代表植被冠层截留、穿透雨、树干茎流、水力提升水、根系吸水以及土壤入渗。Tr, P, ET, R分别代表蒸腾、降水、蒸散发和径流

如何将不同的尺度联系起来,如何通过小尺度过程理解和预测大尺度现象，一直是各领域的研究热点。文章将“植被-水文耦合过程”的空间升尺度方法归纳为三种，即经验统计法、数学模型法及等效参数替代法，并通过具体的例子进行了解释说明。对于土壤水文过程的空间升尺度，文章分别以土壤水分运移多尺度模型和土壤水力参数空间升尺度为例，回顾总结了相关研究进展。

模型作为对现实物理过程的提炼与简化，是研究土壤-植被-水文耦合机制的重要手段。文章将土壤-植被-水文耦合模型的发展分为三个阶段，归纳为四种类型（单个过程的模型、多尺度多过程集成模型、多模式耦合模型、其他类型模型），并对每种类型的模型做了回顾及优缺点分析（表1选取了一些代表性多过程集成模型，展示了其优缺点）。在此基础上，对土壤-植被-水文耦合模型的未来发展趋势与挑战做了展望（图2展示了未来土壤-植被-水文耦合模型的概念框架）。

表1 不同多过程集成模型的模块比较

本表旨在说明不同的多过程集成模型在模拟土壤-植被-水文耦合过程时的优缺点，其中CLM5.0和Noah MP属于陆面过程模型，CoupModel、ORCHIDEE和LPJ-GUESS属于陆地生物圈模型，另外两个则是流域生态水文模型。符号“√”表示该模型包含的模块可以完全地模拟左边对应的耦合过程（过程①-⑥参见图1），“O”表示该模型包含的模块可以部分地模拟左边对应的耦合过程，“×”表示该模型无法模拟左边对应的耦合过程。

图2 整合了部分已知土壤-植被-水文耦合过程与反馈机制的模型概念框架

实线表示土壤、植被和水文过程之间的联系(或反馈). Ψx、Rx、Ψr、Rr、Ψs、Rs分别表示木质部、根系和根际土壤的水势和导水率; A、Tr、gs、Ψg分别为光合速率、蒸腾速率、气孔导度和保卫细胞水势; T、P、e、ET、S↑, L↑ 分别为气温、降水、饱和蒸气压、蒸散发、向上短波和向上长波

文章针对土壤-植被-水文耦合过程的观测、机理、尺度转换方法和建模方法，分别分析总结了其现有研究存在的局限和认识瓶颈。例如，在田间条件下监测三维根系动态仍然是一个巨大的挑战；在长时间尺度上，能够从机理上描述土壤化学或物理风化过程的方程还不成熟；只有少数大尺度模型考虑了短期内根系生长对土壤水力特性的影响等。

文章提出，为了深入整合不同时空尺度上的多种耦合过程，未来研究应加强多尺度、多要素、多过程的土壤-植被-水文耦合机制研究，开发新的尺度转换方法，识别不同的反馈路径，并在建模过程中考虑植物冠层参数和土壤水力参数的时变特性。此外，应该更加关注气候变化与人类活动影响下土壤-植被-水文耦合与反馈机制的变化及其带来的生态环境效应。

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中文版: 李中恺, 李小雁, 周沙, 杨晓帆, 付永硕, 缪驰远, 王帅, 张光辉, 吴秀臣, 杨超, 邓元红. 2022. 土壤-植被-水文耦合过程与机制研究进展. 中国科学: 地球科学, 52(11): 2105-2138

英文版: Li Z, Li X, Zhou S, Yang X, Fu Y, Miao C, Wang S, Zhang G, Wu X, Yang C, Deng Y. 2022. A comprehensive review on coupled processes and mechanisms of soil-vegetation-hydrology, and recent research advances. Science China Earth Sciences, 65(11): 2083-2114, https://doi.org/10.1007/s11430-021-9990-5