在季节性干湿气候区，城市绿地、生态修复区以及工程边坡中的浅层非饱和土壤对土壤水分-温度的耦合动态表现出高度敏感性。这种动态过程调节着近地表水文过程、植被存活以及裸露边坡的抗侵蚀和抗退化能力。降雨与蒸发的频繁交替加剧了水热波动，加速水分流失，增强热应力，并增加土壤对外力侵蚀的敏感性。气候变化通过增加降水变率以及极端干-湿、冷-热循环的频率，进一步加剧了这些响应。因此，在多变的气候条件下，有效调控近地表水热状况已成为维持土壤稳定性、支持植被生长和增强生态恢复力的关键。
近期研究越来越关注通过两大类近地表干预措施来提升浅层土壤的水热恢复力：地表覆盖和浅层土壤改良。基于植被的地表覆盖，如草坪，通过冠层截留、遮荫、蒸散发以及根系对浅层土壤基质的改造来影响近地表的水热传输。这些过程对于边坡稳定和城市绿化尤为重要，密集的纤维状根系系统能够加固表层土壤并平抑短期水热波动。相比之下，浅层土壤改良剂通常通过直接改变近地表土壤固有的水力和热力性质来调节水热行为。生物炭是一种通过生物质热解产生的富碳改良剂，它能增加土壤的持水能力并降低导热系数，从而改善粗质地或退化土壤的水热缓冲性能。尽管植被覆盖和生物炭改良通过根本不同的机制运作——一种通过土壤-大气交换介导，另一种通过地下结构改造——但两者都旨在调节浅层土壤区内的水热行为。
植被对土壤水热过程的影响已在实验室、受控环境和野外等多种尺度上得到研究。一系列室内实验，包括土槽试验、蒸渗仪试验和离心机模型试验，一致表明根系通过增强团聚、增加孔隙连通性和促进优先流路径的发展来改变土壤结构和水文行为。野外调查进一步证实，植被会影响降雨事件期间的水分入渗模式、水分保持和吸力演变。特别是，工程边坡上常用的浅根草本植物，因其密集的纤维状根系网络，能够延缓湿润锋推进并减少事件后的水分损失。然而，尽管基于过程的土壤-植被-大气相互作用建模取得了进展，但在自然水文气候变率下的长期验证仍然有限，这限制了对累积降雨模式、昼夜温度循环和间歇性干燥如何塑造浅层土壤水热行为的理解。
关于生物炭的研究最初集中于碳封存和土壤肥力提升。最近的研究则考察了其在多种环境条件下对土壤水分动态和水力行为的作用。室内实验一致表明，生物炭能改善土壤保水性，特别是在粗质地或结构退化的土壤中。基于野外和建模的研究进一步指出，生物炭通过改变土壤-水分保持特性和水力传导度来影响土壤水热过程。然而，现有大多数研究探讨的是在受控条件下，生物炭的粒径、施用量和原料类型等特性如何影响单一的水力或热力参数。考察其在真实气候强迫下对耦合土壤水热过程影响的研究则少得多。因此，其在野外环境中的过程级水热行为仍未得到充分约束。
尽管与植被和生物炭相关的研究取得了实质性进展，但仍存在几个关键的知识空白。现有研究以短期实验室或受控野外实验为主，这些实验无法再现自然降雨-蒸发循环的完整时间变率，也无法再现这些循环在浅层土壤中产生的累积水热响应。一个主要的根本原因是缺乏能够在真实气候条件下连续捕捉多变量数据集（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。数据的稀缺也限制了基于过程的水热模型的校准和验证，降低了这些模型解析主导过程并准确表征近地表调控效应的能力。此外，基于生态（植被）和基于工程（改良）策略的相对水热效能，很少在可比的气象条件下进行评估，导致它们的差异化调控能力未得到充分量化。
为填补这些空白，本研究将长期高分辨率户外监测与基于过程的数值模拟相结合，旨在探究不同近地表覆盖物与改良剂如何在自然降雨-蒸发循环下影响浅层土壤水热动态。我们建立了一个受控的户外土槽实验，对三种代表性干预措施（裸地、草坪植被和生物炭改良土壤）的土壤温度、体积含水量和基质吸力进行了连续的多深度测量。这些观测数据能够详细刻画不同处理方式对气象强迫的特定水热响应，特别是降雨驱动的入渗动力学及随后的干湿演变过程。该监测数据集进一步支持了对一个耦合水热运移模型的校准和验证，随后利用该模型分析主导过程，并直接在相同气候强迫下比较基于植被和基于改良剂的干预措施的调控行为。通过结合多变量野外观测和机理模型，本研究从过程层面深入揭示了在季节性变化环境中，不同的近地表管理措施是如何调节入渗、蒸发和热传导路径的。
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