在生態(tài)環(huán)境脆弱的西南喀斯特地區(qū)，強(qiáng)烈的巖溶作用形成了復(fù)雜的地表、地下雙重水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，該區(qū)域水文過(guò)程迅速且植物生長(zhǎng)易受水分供給不足的限制。因此，深入了解喀斯特坡面關(guān)鍵帶水文過(guò)程及其與植被的相互作用，對(duì)該區(qū)域旱澇災(zāi)害防控、植被優(yōu)化配置具有重要的理論和實(shí)踐意義。以往基于模擬降雨（降雨強(qiáng)度為40至120mm h-1）的研究表明，喀斯特坡地壤中流符合“充填-溢出”理論，而地表徑流滿足“超滲-蓄滿”產(chǎn)流機(jī)制且降雨強(qiáng)度閾值約為40mm h-1（Wang et al., 2020）。然而，在全球變化背景下，喀斯特坡地多界面徑流路徑及其產(chǎn)流閾值的關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)控制機(jī)制尚不明確。此外，喀斯特基巖出露生境植物根區(qū)水分的補(bǔ)給機(jī)制也仍缺乏充分的認(rèn)識(shí)。這嚴(yán)重制約了未來(lái)降水格局變化背景下對(duì)喀斯特關(guān)鍵帶植物-土壤-基巖系統(tǒng)間的相互作用關(guān)系及其水文效應(yīng)的評(píng)估。
中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站陳洪松課題組依托木連小流域喀斯特關(guān)鍵帶地表-地下三維監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合自然水文監(jiān)測(cè)和氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，分析了降雨和地表-地下徑流的相互關(guān)系及其對(duì)植物根區(qū)水源的影響，并進(jìn)一步揭示關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)對(duì)徑流產(chǎn)生的影響機(jī)制。
在降雨和地表-地下徑流關(guān)系方面，以不同關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的12個(gè)三維監(jiān)測(cè)小區(qū)（5 m×20 m）為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)了43場(chǎng)自然降雨事件的徑流特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)期內(nèi)日降雨量介于2.2~105.6mm，最大小時(shí)降雨強(qiáng)度范圍介于1.0~42.6mm h-1(平均為13mm h-1)，大于巖土界面穩(wěn)定入滲率的降雨僅1場(chǎng)（42.6mm h-1）。與模擬降雨試驗(yàn)結(jié)果類似，自然降雨條件下喀斯特坡地地表產(chǎn)流少（平均徑流系數(shù)：2.2%）。當(dāng)降雨量大于45mm時(shí)，地表徑流機(jī)制由“蓄滿”向“超滲-蓄滿”轉(zhuǎn)變，并且隨雨強(qiáng)的增加，“超滲”逐漸占主導(dǎo)。表層巖溶帶徑流的平均徑流系數(shù)為31.2%，遠(yuǎn)高于壤中流（平均徑流系數(shù)：3.8%）和地表徑流的徑流系數(shù)，是喀斯特坡地水量平衡的主要組成部分。表層巖溶帶重要的水文調(diào)節(jié)功能凸顯在旱季長(zhǎng)期無(wú)雨且地表徑流和壤中流斷流情況下依然能維持穩(wěn)定的供水。用分段模型分析降雨和徑流的非線性行為（即閾值行為），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與非喀斯特地區(qū)不同，喀斯特坡地存在多種降雨-徑流閾值關(guān)系類型（圖1）。通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型，分析徑流和環(huán)境因子（土壤深度、碎石含量、植物根系長(zhǎng)度、裸巖率）的相互作用，發(fā)現(xiàn)土壤厚度是影響地表徑流的一級(jí)控制因素，在陸面水文過(guò)程模型中應(yīng)該引起重視。
為進(jìn)一步厘清土壤厚度對(duì)降雨—徑流關(guān)系的控制作用，以不同土壤厚度的兩個(gè)三維小區(qū)（66cm vs. 35cm）為研究對(duì)象，基于1×1 m的空間調(diào)查表征兩個(gè)小區(qū)的關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)分異，同時(shí)監(jiān)測(cè)徑流及其氫氧穩(wěn)定同位素動(dòng)態(tài)以解析產(chǎn)流機(jī)制（圖2）。結(jié)果表明，區(qū)別于深厚土層坡地，淺薄土層的坡地地表地形（土壤層）和基巖地形高度耦合，并且與壤中流呈顯著的負(fù)線性關(guān)系。這種土-巖耦合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致淺薄土層坡地地表徑流少，僅占總徑流量的3%（厚土坡地為20%），且雨水更容易入滲至表層巖溶帶。同位素水文分割顯示淺薄土層的“新水”比例更高，支持了上述結(jié)論。地表徑流、壤中流與降雨量之間存在顯著的閾值行為，在淺薄土層坡地地表徑流和壤中流的雨量閾值分別為39mm和79mm。相對(duì)的，土壤層的儲(chǔ)水作用在厚土層坡地被凸顯，表現(xiàn)為更高的地表徑流（45mm）和壤中流（91mm）雨量閾值，并且濕度因子（土壤水分和降雨強(qiáng)度）對(duì)徑流的解釋率更高。這意味著深厚土層的徑流更容易通過(guò)降雨和水分虧缺特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，而淺薄土層則存在較大的隨機(jī)性和不可控性。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性在水文過(guò)程研究中的重要性。
為表征水文過(guò)程和植物水分利用的關(guān)系，以石生環(huán)境（大塊孤立裸巖）中的8種喬灌植物為研究對(duì)象，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了植物的氫氧穩(wěn)定同位素變化，通過(guò)分段線性混合式水分滯留時(shí)間模型，量化了喀斯特關(guān)鍵帶石生環(huán)境植物根區(qū)水分補(bǔ)給及其滯留時(shí)間的季節(jié)變化。結(jié)果表明，植物根區(qū)水源在生長(zhǎng)季具有明顯的季節(jié)變化（圖3）。根區(qū)水分補(bǔ)給比例在雨季開始時(shí)迅速增加，較高的補(bǔ)給比例在整個(gè)生長(zhǎng)季頻繁地出現(xiàn)。根區(qū)新舊水的動(dòng)態(tài)混合過(guò)程也深刻影響著根區(qū)水分的平均滯留時(shí)間。8種喬灌植物根區(qū)水分平均滯留時(shí)間具有明顯的季節(jié)變化，其中淺根植物根區(qū)水分平均滯留時(shí)間在2d至73d范圍內(nèi)變化，而深根植物在2d至116d范圍內(nèi)變化。生長(zhǎng)季中深淺根植物根區(qū)水分滯留時(shí)間的不同反映了這些石生環(huán)境共生植物經(jīng)過(guò)生境過(guò)濾后已不存在明顯的水分競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。綜上，本研究從頻繁的根區(qū)水分補(bǔ)給和平均滯留時(shí)間兩方面揭示了在降雨充沛的喀斯特地區(qū)降水頻率對(duì)多石少土生境植物生長(zhǎng)更為重要。
研究成果以分別以Rainfall-runoff characteristics and their threshold behaviors on a karst hillslope in a peak-cluster depression region、Soil thickness controls the rainfall-runoff relationship at the karst hillslope critical zone in southwest China和Replenishment and mean residence time of root-zone water for woody plants growing on rocky outcrops in a subtropical karst critical zone為題發(fā)表在Journal of hydrology期刊上。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等資助。
文章鏈接：
1. Wang Sheng, Yan Yan, Fu Zhiyong*, Chen Hongsong*, 2022. Rainfall-runoff characteristics and their threshold behaviors on a karst hillslope in a peak-cluster depression region. Journal of Hydrology, 605, 127370. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.127370
2. Zhang Jun, Wang Sheng, Fu Zhiyong, Chen Hongsong*, Wang Kelin, 2022. Soil thickness controls the rainfall-runoff relationship at the karst hillslope critical zone in southwest China. Journal of Hydrology, 609, 127779. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127779
3. Luo Zidong, Nie Yunpeng, Ding Yali, Chen Hongsong*, 2022. Replenishment and mean residence time of root-zone water for woody plants growing on rocky outcrops in a subtropical karst critical zone. Journal of Hydrology, 603, 127136. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.127136
4. Wang Sheng, Fu Zhiyong*, Chen Hongsong*, Nie Yunpeng, Xu Qinxue, 2020. Mechanisms of surface and subsurface runoff generation in subtropical soil-epikarst systems: Implications of rainfall simulation experiments on karst hillslope. Journal of Hydrology. 580, 124370. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124370
圖1 地表徑流（綠色）、巖土界面壤中流（藍(lán)色）與降雨量關(guān)系圖
圖2 深厚土層（a）和淺薄土層（b）坡地降雨—徑流關(guān)系概念模型
圖3 出露基巖生境8種植物根區(qū)水分補(bǔ)給比例（β）季節(jié)動(dòng)態(tài)