西南喀斯特坡地土壤-表层岩溶带结构与水文过程协同演化
作者：环江站 更新时间：2023-12-02
碳酸盐岩地貌占据了全球陆地面积的20%，由于其强烈的可溶蚀性，导致土层浅薄，下伏表层岩溶带裂隙、管道网络遍布，空间异质性高，水文过程极其复杂且易受外界环境的影响。随着全球变化的加剧，预测喀斯特区水文过程如何响应极端气候及人类干扰变得至关重要。要在类似喀斯特区极高异质性地质背景下，实现基于有限参数条件的水文及物质迁移转化过程的准确刻画，关键在于深入研究水文过程、植被、土壤、表层岩溶带、基岩和其他因素之间的相互反馈机制。
中国科学院亚热带农业生态研究所环江喀斯特生态系统观测研究站陈洪松课题组，前期在小流域尺度上，通过物探发现土壤厚度与表层岩溶带深度显著正相关，小流域植被群落、土壤类型、岩溶发育程度之间呈现出很好的空间对应关系，然而喀斯特山坡岩土结构与水文功能之间的定量关系仍不清楚。
针对以上科学问题，陈洪松课题组依托环江站喀斯特坡地关键带三维水土过程观测平台，综合应用全坡面岩土探槽开挖、岩土结构定量刻画、多界面水文水化学过程动态监测等方法，于2019年4月至2022年5月期间共计监测了158次喀斯特关键带不同界面（地表径流、岩土界面壤中流）降雨-产流事件，同时调查了土壤-表层岩溶带结构参数（924组土壤厚度和表层岩溶风化程度配对数据）。结果表明：（1）土层厚度随下伏表层岩溶带风化程度的增加而增大，土层厚度与表层岩溶带厚度呈显著正相关关系（P<0.001）；（2）非极端降雨条件下（降雨量<50mm/12h），地表径流量与土壤厚度显著正相关（P<0.001），岩土界面壤中流与土壤厚度呈显著负相关（P=0.0018），喀斯特山坡关键带产流路径发生转变的临界土壤厚度为50cm；（3）降雨量>50mm/12h条件下，不同厚度小区出现地表径流与岩土界面壤中流共存的现象，且地表径流与岩土界面壤中流显著正相关，说明地表水文过程与地下水文过程之间出现明显水文连通现象。（4）相比浅薄土壤，深厚土壤的淀积层发育，且具有较高的储水能力和CO2浓度，促进了表层岩溶带的发育，弱透水性淀积层及高透水表层岩溶带导致地表径流增加，岩土界面壤中流减少。这是喀斯特关键带土壤-表层岩溶带结构与水文过程共同演化的本质原因。研究发现的双50阈值（50cm土壤厚度以及50mm降雨量），以及喀斯特关键带结构-过程-功能的共同演化规律，能为喀斯特区水土资源可持续高效利用、高精度水土过程模型构建提供理论支撑。
上述结果以Co-evolution among soil thickness, epikarst weathering degree, and runoff characteristics on a subtropical karst hillslope为题，发表在SCI一区Top期刊Journal of hydrology上（IF=6.4），该研究得到广西重点研发项目（AB22035058）、国家重点研发项目（2022YFF1300702）资助。（付智勇 撰稿）
图1 土层厚度与表层岩溶带风化程度的关系
图2 常规降雨条件下（降雨量<50mm/12h）径流与土层厚度的关系
图3 喀斯特坡地土壤-表层岩溶带结构与水文过程协同演化机理示意图