Science: 水文连通性限制了全球陆地水通量的分配
英文题目：Hydrologic connectivity constrains partitioning of global terrestrial water fluxes
作者：Stephen P. Good, David Noone, Gabriel Bowen
发表：Science, 10 Jul 2015, Vol 349, Issue 6244, pp. 175-177
DOI: 10.1126/science.aaa5931
摘要：
当径流以蒸散形式返回大气时，陆面降水并不会流入海洋。使用传统的水文方法较难将蒸散通量定量区分为截留、蒸腾、土壤蒸发和地表水蒸发，然而将其定量区分对了解水分循环及其相关的生态过程至关重要。研究结合了两种大规模的水流分配方法，量化了蒸散发的子成分及土壤水与地表水之间的水文连通性。结果显示，全球蒸腾占蒸散发的64%±13%，而65%±26%的蒸发源自土壤而非地表水。土壤水与地表水之间这种有限的连续性从根本上构建了流域水流过程的物理和生物地球化学相互作用。
研究背景：
在样地尺度上，蒸腾和蒸发通量可以通过蒸渗仪、叶式比色皿和植物茎流计等水文学设备直接测量，但这些技术在流域、区域或大陆尺度上仍然难以实施。经典的平推流水文学范式将这些通量联系起来，并假设进入土壤柱的渗透水会被植物利用，进而将之前储存的水排放到更深的土壤层，最终流入溪流。观察到的坡面优先流动路径和地球化学证据表明，植物使用的土壤水可能与快速通过土壤进入开放水体的水分离。如果这种水文分离在集水区内被确立为普遍现象，模型可能需要更复杂的水分运动和相关土壤生物地球化学的表示。两种不同的稳定同位素技术已成为区域到全球尺度流量分配的解决方案。基于径流的技术使用降水输入和流出径流的同位素比率差异来分配蒸散发，较大的差异表明更多的蒸发来自地表水。蒸散发基于的技术涉及直接测量区域上升蒸气流的同位素比率，并将其与蒸发和蒸腾流量的估计值进行比较。尽管这些方法有用，但都存在关键缺陷。相比之下，蒸散技术仅提供测量通量足迹内的信息，结果很难推断到异质地表覆盖区域或开放地表水区域，这些区域通常超出了传统通量监测站的足迹。
研究内容：
结合了两种大尺度通量区分方法来量化蒸散组分及结合水、植物可利用水分和流动性更强的地表水之间的水文连通性。研究发现，64%的陆地降水通过植物的蒸腾作用释放到大气中，而其他研究的这一比值远高于此，达到80%以上；6%来源于土壤的蒸发；3%来源于湖泊、小溪和河流的蒸发；而此前的研究表明，其他的27%则被植物拦截。另外，研究还发现，仅有38%的降水和融雪在进入地下水、湖泊或者河流之前通过与土壤的相互作用而被植物所利用。总体而言，土壤中发生的蒸发部分对径流和蒸散成分的敏感度比蒸散部分更高。
Figure.1 受全球D/H比值限制的大陆水文划分
(A)估计全球降水、蒸散量和径流δD值与200条最大河流中的23条进行了比较（23）。箱线图描述了模拟的中位数、第25和第75百分位数，而黄色方框描述了仅基于海洋和大气质量平衡的范围。同位素值用δ表示，其中，δD=R/RVSMOW-1，R为D/H同位素比值。(B)径流δD与蒸散量、T/ET（蓝色）、土壤蒸发量、EB/EB+M（红色）和a之间的关系。全球径流分布的核密度估计值，δD的PDF（黑色）。红色和蓝色阴影区域表示平均值，用5‰的移动窗口平滑，±表示两个标准误差，虚线表示所有模拟的中位数百分比。(C)本研究的T/ET的箱线图，现场研究的T/ET，以及本研究的EB/EB+M。(D)大陆蒸散量δD值与(B)相同。
Figure 2. 水文连通性和水文分配之间的关系
大陆水循环中D/H比值的蒙特卡罗模拟结果的双变量核密度图分布阴影，颜色较暗的区域更有可能。(A)总蒸散量、T/ET和(B)为土壤和地表水蒸发量，EB/EB+M。
Figure 3. 陆面水文通量划分
未被植被混合成土壤或流入地表水的陆地降水（年平均±1标准差）。土壤水分被植物根系通过蒸腾作用吸收，经过蒸发，然后泄漏到地表水中。在进入地表水的通量中，38%来自土壤，其余与降水直接通过优先流路径一致。不蒸发的地表水会以径流的形式返回海洋。
研究结论：
研究估计表明，束缚水域和流动水域之间的部分水文脱节在全球范围内是实质性的和普遍的，这对预测和监测河流和河流内的水量和质量具有影响。地表水系统的水文和水文化学性质受到近地表内物理流动路径的强烈影响，这里发现的低连通性表明，例如，河流生物地球化学可能对土壤带过程比水文连通性更高时更不敏感。虽然研究确定了一个单一的平均连通性值，但连通性随着地理位置和时间的变化而变化，因为优先流路径在全年中被激活和停止激活。事实上，连通性度量和土壤-水传输时间分布之间的关系可能是复杂的。鉴于全球范围内影响集水区的水量和水质问题的普遍性，改善对不同时间和空间尺度上水文连通性的理解至关重要。
研究意义：
该研究对于理解水质、植物生产率以及气候与生态系统的相互作用具有重要的意义。由于土壤仅与38%的水循环发生作用，因此，在预测水质时就必须考虑这一事实。而对植物蒸腾水量的研究则有助于我们进一步理解生态系统和农业的生产力。另外，由于植物叶子释放水分时，也在消耗二氧化碳，而土壤则无法做到。因此，了解植物蒸腾的水量还有助于我们理解植物如何有助于减缓全球变暖。
综上所述，这篇文章通过综合不同的研究方法，深入分析了水文连通性对全球陆地水流分配的影响，强调了在理解水文循环和生态系统功能时考虑水文连通性的重要性。研究结果为未来的水资源管理和生态保护提供了重要的科学依据。
文献来源：Stephen P. Good et al., Hydrologic connectivity constrains partitioning of global terrestrial water fluxes. Science 349, 175-177(2015). https://doi:10.1126/science.aaa5931.
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：侯鹏飞
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏