碳酸鹽巖地貌占據(jù)了全球陸地面積的10%至15%，由于其強烈的可溶蝕性，導致土層淺薄，下伏表層巖溶帶裂隙、管道網絡遍布，空間異質性高，水文過程極其復雜且易受外界環(huán)境的影響。隨著全球變化的加劇，預測喀斯特區(qū)水文過程如何響應極端氣候及人類干擾變得至關重要。要在類似喀斯特區(qū)極高異質性地質背景下，實現(xiàn)基于有限參數(shù)條件的水文及物質遷移轉化過程的準確刻畫，關鍵在于深入研究水文過程、植被、土壤、表層巖溶帶、基巖和其他因素之間的相互反饋機制。
中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所陳洪松課題組，前期在小流域尺度上，通過物探發(fā)現(xiàn)土壤厚度與表層巖溶帶深度顯著正相關，小流域植被群落、土壤類型、巖溶發(fā)育程度之間呈現(xiàn)出很好的空間對應關系，然而喀斯特山坡巖土結構與水文功能之間的定量關系仍不清楚。
針對以上科學問題，陳洪松課題組依托環(huán)江站喀斯特坡地關鍵帶三維水土過程觀測平臺，綜合應用全坡面巖土探槽開挖、巖土結構定量刻畫、多界面水文水化學過程動態(tài)監(jiān)測等方法，于2019年4月至2022年5月期間共計監(jiān)測了158次喀斯特關鍵帶不同界面（地表徑流、巖土界面壤中流）降雨-產流事件，同時調查了土壤-表層巖溶帶結構參數(shù)（924組土壤厚度和表層巖溶風化程度配對數(shù)據(jù)）。結果表明：（1）土層厚度隨下伏表層巖溶帶風化程度的增加而增大，土層厚度與表層巖溶帶厚度呈顯著正相關關系（P<0.001）；（2）非極端降雨條件下（降雨量<50mm/12h），地表徑流量與土壤厚度顯著正相關（P<0.001），巖土界面壤中流與土壤厚度呈顯著負相關（P=0.0018），喀斯特山坡關鍵帶產流路徑發(fā)生轉變的臨界土壤厚度為50cm；（3）降雨量>50mm/12h條件下，不同厚度小區(qū)出現(xiàn)地表徑流與巖土界面壤中流共存的現(xiàn)象，且地表徑流與巖土界面壤中流顯著正相關，說明地表水文過程與地下水文過程之間出現(xiàn)明顯水文連通現(xiàn)象。（4）相比淺薄土壤，深厚土壤的淀積層發(fā)育，且具有較高的儲水能力和CO2濃度，促進了表層巖溶帶的發(fā)育，弱透水性淀積層及高透水表層巖溶帶導致地表徑流增加，巖土界面壤中流減少。這是喀斯特關鍵帶土壤-表層巖溶帶結構與水文過程共同演化的本質原因。研究發(fā)現(xiàn)的雙50閾值（50cm土壤厚度以及50mm降雨量），以及喀斯特關鍵帶結構-過程-功能的共同演化規(guī)律，能為喀斯特區(qū)水土資源可持續(xù)高效利用、高精度水土過程模型構建提供理論支撐。
上述結果以Co-evolution among soil thickness, epikarst weathering degree, and runoff characteristics on a subtropical karst hillslope為題，發(fā)表在SCI一區(qū)Top期刊Journal of hydrology上（IF=6.4），該研究得到廣西重點研發(fā)項目（AB22035058）、國家重點研發(fā)項目（2022YFF1300702）資助。
圖1 土層厚度與表層巖溶帶風化程度的關系
圖2 常規(guī)降雨條件下（降雨量<50mm/12h）徑流與土層厚度的關系
圖3 喀斯特坡地土壤-表層巖溶帶結構與水文過程協(xié)同演化機理示意圖
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