新疆生地所在Science Bulletin發(fā)文解析全球土壤水分40年動(dòng)態(tài)與數(shù)據(jù)不確定性
時(shí)間:2025-11-20
????土壤水分是連接全球水、能量和碳循環(huán)的關(guān)鍵變量,其精確監(jiān)測(cè)對(duì)于氣候預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和災(zāi)害預(yù)警(尤其是在水資源極度敏感的干旱區(qū))至關(guān)重要。然而,來(lái)自衛(wèi)星遙感、陸面過(guò)程模型和再分析系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)集,因其算法和觀測(cè)的差異,常常對(duì)同一地區(qū)的干濕狀況給出相互矛盾的結(jié)論,嚴(yán)重制約了這些寶貴數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用。
????針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所段偉利研究員團(tuán)隊(duì),系統(tǒng)評(píng)估了1980至2023年間23種全球主流土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集,并利用國(guó)際土壤水分網(wǎng)絡(luò)(ISMN)的992個(gè)地面觀測(cè)站點(diǎn)作為驗(yàn)證基準(zhǔn)。該研究的核心突破在于提出并實(shí)施了一套創(chuàng)新的“雙重驗(yàn)證框架”:不僅使用了全部站點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)評(píng)估,還篩選出483個(gè)位于高度均質(zhì)地表的高代表性站點(diǎn)進(jìn)行第二次精細(xì)評(píng)估,旨在精準(zhǔn)剝離并定量揭示站點(diǎn)空間代表性誤差對(duì)評(píng)估結(jié)果的關(guān)鍵影響。
????研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),全球土壤水分趨勢(shì)呈現(xiàn)復(fù)雜的雙重性:在1980-2023年的長(zhǎng)期尺度上,多數(shù)數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)微弱的變干趨勢(shì)(-4.30×10-4?m3?m-3?a-1);但在2010年后,部分產(chǎn)品則顯示出顯著的變濕信號(hào)(7.17×10-4?m3?m-3?a-1)。在性能評(píng)估方面,多數(shù)產(chǎn)品表現(xiàn)中等偏上(R≈0.5-0.7),其中來(lái)自美國(guó)宇航局(NASA)的SMAP系列遙感產(chǎn)品在捕捉時(shí)間動(dòng)態(tài)方面表現(xiàn)最優(yōu)(R≈0.7)。研究最重要的發(fā)現(xiàn)是,空間代表性誤差會(huì)嚴(yán)重掩蓋產(chǎn)品的真實(shí)性能,在驗(yàn)證難度極大的熱帶地區(qū),當(dāng)切換到高代表性站點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估后,產(chǎn)品的平均相關(guān)系數(shù)(R)顯著提升了0.41。然而,在干旱區(qū),不同產(chǎn)品的性能表現(xiàn)出高度的分散性,表明當(dāng)前在干旱環(huán)境下應(yīng)用這些數(shù)據(jù)面臨巨大挑戰(zhàn)。
????本研究定量揭示了站點(diǎn)空間代表性誤差對(duì)全球土壤水分產(chǎn)品評(píng)估的關(guān)鍵影響,并系統(tǒng)闡明了各數(shù)據(jù)集在不同氣候與土地利用場(chǎng)景下的優(yōu)劣勢(shì)。研究成果強(qiáng)調(diào),未來(lái)全球土壤水分研究應(yīng)摒棄“單一或普適性”的數(shù)據(jù)使用方式,轉(zhuǎn)向基于本研究框架的、面向應(yīng)用的精細(xì)化選擇策略,這對(duì)于提升全球,特別是干旱區(qū)水文氣候研究的可靠性提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)。
????以上研究結(jié)果以“Global soil moisture dynamics since 1980: datasets biases, trends, and science-informed selection”為題發(fā)表在《Science Bulletin》。中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所朱子陽(yáng)博士為第一作者,段偉利研究員為通訊作者。該研究得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)等項(xiàng)目的支持。
????論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.10.046

圖1:本研究采用的全球992個(gè)ISMN地面觀測(cè)站點(diǎn)空間分布

圖2:土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集與全球992個(gè)地面站點(diǎn)觀測(cè)值的散點(diǎn)密度對(duì)比圖