碳酸鹽巖溶蝕作用發(fā)育的喀斯特地貌占全球陸地面積約15%，并為1/4人口提供穩(wěn)定水源。中國西南是全球喀斯特出露面積最大的區(qū)域，強烈的溶蝕作用使得西南喀斯特具有地表-地下二元三維水文結(jié)構(gòu)特征，形成了土壤水分入滲速率快、優(yōu)先流發(fā)育顯著且空間異質(zhì)性極強的復雜水文格局。氣候變化背景下，這種快速滲透與弱儲水性雙重屬性增加區(qū)域巖溶干旱與洪澇的風險。當前研究圍繞土壤水分入滲基本特征、類型和路徑等方面開展了大量研究，但對入滲過程“快速性”的量化及其受巖土結(jié)構(gòu)的控制作用仍不足，限制了喀斯特降雨-入滲-產(chǎn)流機制研究的進一步深化，制約了巖溶區(qū)域的水資源管理及其對氣候變化的響應。
本研究依托中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，以地表-地下三維水土過程監(jiān)測坡地小區(qū)為研究對象（圖1），開展長期高密度和高頻率（5-min）土壤水分動態(tài)觀測，基于時間序列分析量化坡地土壤水分常規(guī)入滲和優(yōu)先流對降雨事件的響應特征，并進一步揭示以土壤厚度作為巖土結(jié)構(gòu)代表因子對水分運動的影響機制。
基于土壤水分對降雨的響應，量化響應時間、絕對變化和濕潤鋒運移速度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)喀斯特區(qū)雨水可以更迅速穿透土壤剖面，表現(xiàn)為土壤水分濕潤鋒速度（1373 mm h-1）遠高于非喀斯特區(qū)（17mm h-1至610 mm h-1）。受微地形空間異質(zhì)性影響，土壤水分響應時間和濕潤鋒速度由上坡到下坡、從表層到深層整體逐漸增大（圖2）。相對厚土覆蓋山坡，土壤水分入滲指標在淺土覆蓋山坡變幅更大、坡位之間差異更明顯，與土壤堆積弱化入滲過程受水力梯度影響有關(guān)。降雨量和強度對入滲的貢獻（30.9~63.9%）顯著高于前期水分條件（12.7~26.1%），并且土壤厚度的增加可能弱化地形和降雨特征對入滲過程的控制作用。結(jié)果強調(diào)精細監(jiān)測在表征土壤水分入滲空間異質(zhì)性方面的關(guān)鍵作用，并量化了喀斯特坡地水文過程快速性特征。
基于分層土壤水分對降雨事件響應的先后順序區(qū)分了土壤大孔隙流和巖土界面優(yōu)先流兩種類型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)喀斯特坡地大孔隙流占主導（> 63%），但在短時間強降雨事件易觸發(fā)的巖土界面?zhèn)认蛄饕彩侵匾膬?yōu)先流類型。優(yōu)先流出現(xiàn)頻率在下坡高于上坡，與土壤水力特性空間分布格局有關(guān)。在平均土壤較厚山坡，土壤深度與優(yōu)先流頻率呈顯著負相關(guān)關(guān)系（R2=0.54）（圖3）。相對的，優(yōu)先流頻率與土壤深度在淺土覆蓋山坡沒有相關(guān)性，但受到降雨強度和前期土壤水分的影響更突出。這些結(jié)果強調(diào)土壤厚度空間異質(zhì)性對水分優(yōu)先流特征的影響，進一步豐富了喀斯特坡地復雜的入滲-產(chǎn)流理論。
研究成果分別以Regulation of preferential flow by soil thickness on small hillslopes with complex topography through intensive high‐frequency soil moisture monitoring和Characterizing rapid infiltration processes on complex hillslopes: Insights from soil moisture response to rainfall events為題發(fā)表在Journal of Hydrology（2024）和Nature Index期刊Geophysical Research Letters（2025），陳洪松研究員為通訊作者、張君博士后為第一作者。研究得到國家自然科學基金重點項目、區(qū)域聯(lián)合重點項目和青年基金項目支持。
圖1 研究樣地概況、土壤水分監(jiān)測點布設及土壤厚度空間分布
圖2 不同坡位和深度土壤水分濕潤鋒運移速度
圖3 高程和土壤厚度與優(yōu)先流頻率相互關(guān)系
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