喀斯特地區(qū)水循環(huán)方式獨特，水流以垂向運動為主，水文過程與降雨、土壤、植被、巖性、表層巖溶帶結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。然而，從三維立體的視角，將喀斯特關(guān)鍵帶作為一個整體進行水文過程的研究還明顯不足。
中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特站生態(tài)修復(fù)研究團隊付智勇助理研究員在陳洪松研究員和王克林研究員的指導(dǎo)下，針對喀斯特坡面地表徑流少、水分去向不明的問題，通過開挖深入基巖的斷面（深4m），采用模擬降雨的方法，研究了喀斯特坡面植被-土壤-表層巖溶帶體系中三維水文過程及其影響因素，同時結(jié)合水量平衡方程，對表層巖溶帶蓄水和深層滲漏進行了估算，初步探討了表層巖溶帶水文調(diào)蓄功能，并提出了典型喀斯特坡面地上、地下水文過程的概念模型。
研究的主要結(jié)論如下：（1）在差異化巖溶作用下，喀斯特表層巖溶帶地形起伏劇烈，土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)表現(xiàn)出極其復(fù)雜的三維耦合構(gòu)造。（2）地表徑流僅在高雨強條件下出現(xiàn)且產(chǎn)流量少（2%-15%），起始產(chǎn)流時間與壤中流基本一致，表現(xiàn)為蓄滿產(chǎn)流機制。（3）壤中流為主要產(chǎn)流過程（15%-45%），具有極強的空間變異，其產(chǎn)流后快速上升，降雨停止后快速下降，表現(xiàn)為優(yōu)先流的特點；壤中流起始產(chǎn)流降雨量主要受到前期水分狀況的影響，受降雨強度的影響小，表現(xiàn)出蓄滿產(chǎn)流的特征。（4）表層巖溶帶在降雨水分的調(diào)蓄過程中表現(xiàn)出主導(dǎo)性作用（33%-63%）；其水文調(diào)蓄功能具有極大的變化幅度（68mm-273mm），且主要受控于前期含水量，而受到降雨強度的影響較小。以上研究為構(gòu)建喀斯特近地表水文過程模型提供了理論參考，同時能為該區(qū)有限水資源的合理配置以及植被恢復(fù)提供現(xiàn)實指導(dǎo)。
上述研究成果分別以Role of epikarst in near-surface hydrological processes in a soil mantled subtropical dolomite karst slope: implications of field rainfall simulation experiments、Subsurface flow in a soil-mantled subtropical dolomite karst slope: A field rainfall simulation study為題發(fā)表在Hydrological processes和Geomorphology上。該研究得到了國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和國家自然科學(xué)基金項目的資助。
圖1 通過模擬降雨研究喀斯特坡面土壤-表層巖溶帶耦合體系下的三維水文過程
圖2 不同起始邊界條件下喀斯特土壤-表層巖溶帶水文路徑及其水量分配比例