中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所生態(tài)水文研究團(tuán)隊(duì)在喀斯特坡地土壤水分入滲及優(yōu)先流過程研究取得新進(jìn)展
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(guó)西南是全球喀斯特出露面積最大的區(qū)域，強(qiáng)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(qiáng)的復(fù)雜水文格局。氣候變化背景下，這種快速滲透與弱儲(chǔ)水性雙重屬性增加區(qū)域巖溶干旱與洪澇的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)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(duì)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(jī)制研究的進(jìn)一步深化，制約了巖溶區(qū)域的水資源管理及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。
本研究依托中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，以地表-地下三維水土過程監(jiān)測(cè)坡地小區(qū)為研究對(duì)象（圖1），開展長(zhǎng)期高密度和高頻率（5-min）土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)，基于時(shí)間序列分析量化坡地土壤水分常規(guī)入滲和優(yōu)先流對(duì)降雨事件的響應(yīng)特征，并進(jìn)一步揭示以土壤厚度作為巖土結(jié)構(gòu)代表因子對(duì)水分運(yùn)動(dòng)的影響機(jī)制。
基于土壤水分對(duì)降雨的響應(yīng)，量化響應(yīng)時(shí)間、絕對(duì)變化和濕潤(rùn)鋒運(yùn)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(rùn)鋒速度（1373 mm h-1）遠(yuǎn)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(yīng)時(shí)間和濕潤(rùn)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(duì)厚土覆蓋山坡，土壤水分入滲指標(biāo)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(qiáng)度對(duì)入滲的貢獻(xiàn)（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(duì)入滲過程的控制作用。結(jié)果強(qiáng)調(diào)精細(xì)監(jiān)測(cè)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(duì)降雨事件響應(yīng)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(dǎo)（> 63%），但在短時(shí)間強(qiáng)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(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.54）（圖3）。相對(duì)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(qiáng)度和前期土壤水分的影響更突出。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)土壤厚度空間異質(zhì)性對(duì)水分優(yōu)先流特征的影響，進(jìn)一步豐富了喀斯特坡地復(fù)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目和青年基金項(xiàng)目支持。
圖1 研究樣地概況、土壤水分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及土壤厚度空間分布
圖2 不同坡位和深度土壤水分濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度
圖3 高程和土壤厚度與優(yōu)先流頻率相互關(guān)系