作者:陈洪松等 来源:《水文学杂志》 发布时间:2023/12/12 13:44:41
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喀斯特山坡岩土结构与水文功能协同演化机制获揭示

 

碳酸盐岩地貌占据了全球陆地面积的10%至15%,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,水文过程极其复杂且易受外界环境影响。随着全球气候变化的加剧,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,有待进一步研究水文过程、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研究员陈洪松课题组,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。

喀斯特坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程监测平台。付智勇 摄

针对以上问题,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,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;非极端降雨条件下,地表径流量与土壤厚度显著正相关,岩土界面壤中流与土壤厚度呈显著负相关,喀斯特山坡关键带产流路径发生转变的临界土壤厚度为50厘米;降雨量大于每12小时50毫米条件下,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。

喀斯特山坡水土过程监测平台。付智勇 摄

同时,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。

据介绍,研究发现的双50阈值(50厘米土壤厚度以及50毫米降雨量)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。

上述研究成果近日在线发表于Journal of hydrology上。该研究得到了国家重点研发项目、广西重点研发项目的资助。(来源:中国科学报 王昊昊 付智勇)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130499

 
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