西南喀斯特关键带降雨-径流关系及植物水分利用研究取得进展

在生态环境脆弱的西南喀斯特地区，强烈的岩溶作用形成了复杂的地表、地下双重水文地质结构，该区域水文过程迅速且植物生长易受水分供给不足的限制。因此，深入了解喀斯特坡面关键带水文过程及其与植被的相互作用对该区域旱涝灾害防控、植被优化配置具有重要的理论和实践意义。以往基于模拟降雨（降雨强度为40至120mm h^-1）的研究表明，喀斯特坡地壤中流符合“充填-溢出”理论，而地表径流满足“超渗-蓄满”产流机制且降雨强度阈值约为40mm h^-1（Wang et al., 2020）。然而，在全球变化背景下，喀斯特坡地多界面径流路径及其产流阈值的关键带结构控制机制尚不明确。此外，喀斯特基岩出露生境植物根区水分的补给机制仍缺乏充分认识，制约了未来降水格局变化背景下对喀斯特关键带植物-土壤-基岩系统间的相互作用关系及其水文效应的评估。

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依托木连小流域喀斯特关键带地表-地下三维监测平台，结合自然水文监测和氢氧稳定同位素示踪技术，分析了降雨和地表-地下径流的相互关系及其对植物根区水源的影响，并进一步揭示关键带结构对径流产生的影响机制。

在降雨和地表-地下径流关系方面，以不同关键带结构的12个三维监测小区（5m×20m）为研究对象，监测了43场自然降雨事件的径流特征。据统计，监测期内日降雨量介于2.2~105.6mm，最大小时降雨强度范围介于1.0~42.6mm h^-1(平均为13mm h^-1)，大于岩土界面稳定入渗率的降雨仅1场（42.6mm h^-1）。与模拟降雨试验结果类似，自然降雨条件下喀斯特坡地地表产流少（平均径流系数：2.2%）。当降雨量大于45mm时，地表径流机制由“蓄满”向“超渗-蓄满”转变，并且随雨强的增加，“超渗”逐渐占主导。表层岩溶带径流的平均径流系数为31.2%，远高于壤中流（平均径流系数：3.8%）和地表径流的径流系数，是喀斯特坡地水量平衡的主要组成部分。表层岩溶带重要的水文调节功能凸显在旱季长期无雨且地表径流和壤中流断流情况下依然能维持稳定的供水。研究利用分段模型分析降雨和径流的非线性行为（即阈值行为）发现，与非喀斯特地区不同，喀斯特坡地存在多种降雨-径流阈值关系类型（图1）。通过结构方程模型分析径流和环境因子（土壤深度、碎石含量、植物根系长度、裸岩率）的相互作用，研究发现土壤厚度是影响地表径流的一级控制因素，在陆面水文过程模型中应引起重视。

为进一步厘清土壤厚度对降雨—径流关系的控制作用，以不同土壤厚度的两个三维小区（66cm vs. 35cm）为研究对象，基于1×1m的空间调查表征两个小区的关键带结构分异，同时监测径流及其氢氧稳定同位素动态以解析产流机制（图2）。结果表明，区别于深厚土层坡地，浅薄土层的坡地地表地形（土壤层）和基岩地形高度耦合，并且与壤中流呈显著的负线性关系。这种土-岩耦合结构导致浅薄土层坡地地表径流少，仅占总径流量的3%（厚土坡地为20%），且雨水更容易入渗至表层岩溶带。同位素水文分割显示，浅薄土层的“新水”比例更高，支持了上述结论。地表径流、壤中流与降雨量之间存在显著的阈值行为在浅薄土层坡地地表径流和壤中流的雨量阈值分别为39mm和79mm。相对地，土壤层的储水作用在厚土层坡地被凸显，表现为更高的地表径流（45mm）和壤中流（91mm）雨量阈值，并且湿度因子（土壤水分和降雨强度）对径流的解释率更高。这意味着深厚土层的径流更容易通过降雨和水分亏缺特征进行预测，而浅薄土层则存在较大的随机性和不可控性。该结果强调了喀斯特关键带结构的空间异质性在水文过程研究中的重要性。

为表征水文过程和植物水分利用的关系，科研人员以石生环境（大块孤立裸岩）中的8种乔灌植物为研究对象，动态监测了植物的氢氧稳定同位素变化，通过分段线性混合式水分滞留时间模型，量化了喀斯特关键带石生环境植物根区水分补给及其滞留时间的季节变化。结果表明，植物根区水源在生长季具有明显季节变化（图3）。根区水分补给比例在雨季开始时迅速增加，较高的补给比例在整个生长季频繁出现。根区新旧水的动态混合过程深刻影响着根区水分的平均滞留时间。8种乔灌植物根区水分平均滞留时间具有明显季节变化，其中浅根植物根区水分平均滞留时间在2d至73d范围内变化，而深根植物在2d至116d范围内变化。生长季中深浅根植物根区水分滞留时间的不同反映了这些石生环境共生植物经过生境过滤后已不存在明显的水分竞争关系。综上，研究从频繁的根区水分补给和平均滞留时间两方面揭示了在降雨充沛的喀斯特地区降水频率对多石少土生境植物生长更重要。

相关研究成果分别以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为题，发表在Journal of hydrology上。研究工作得到国家自然科学基金重点项目、广西自然科学基金创新研究团队等的资助。

图1.地表径流（绿色）、岩土界面壤中流（蓝色）与降雨量关系图

图2.深厚土层（a）和浅薄土层（b）坡地降雨—径流关系概念模型

图3.出露基岩生境8种植物根区水分补给比例（β）季节动态