喀斯特占我國國土面積約1/3，其中西南喀斯特是全球碳酸巖連片出露面積最大的區(qū)域。由于碳酸巖強(qiáng)烈的可溶蝕性，導(dǎo)致土壤層淺薄，下伏表層巖溶帶管道、裂隙網(wǎng)絡(luò)遍布，空間異質(zhì)性高，水文過程復(fù)雜且迅速。然而，由于技術(shù)手段的限制，如何刻畫土壤-表層巖溶帶厚度及其復(fù)雜性仍然是當(dāng)前研究的難點(diǎn)，限制了對喀斯特關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)與水文過程的相互作用機(jī)制的認(rèn)識，制約了西南喀斯特區(qū)植被恢復(fù)初見成效背景下的生態(tài)水文功能評估。
中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所陳洪松課題組依托環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站建立的喀斯特關(guān)鍵帶觀測平臺，綜合地球物理勘探、水文氣象、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，量化了喀斯特小流域土壤-表層巖溶帶厚度空間分布特征，明確了峰叢洼地小氣候（溫度-水分）穩(wěn)定性及其影響因素，初步揭示了關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)對水文過程的影響。
基于地球物理勘探技術(shù)量化了小流域土壤和表層巖溶帶厚度空間分布及其影響因素。小流域平均土壤厚度（1.1 m）遠(yuǎn)低于表層巖溶帶厚度（6.3 m），兩者在空間上高度正相關(guān)，隨海拔增加而減小。坡地占小流域總面積的79%，僅貢獻(xiàn)了47%的土壤體積，平均土壤和表層巖溶帶厚度遠(yuǎn)淺于洼地（圖1）。地形、土壤性質(zhì)和植被類型對表層巖溶帶厚度的總解釋率高達(dá)63%，其中土壤厚度（21%）、土壤容重（8%）、土壤碎石含量（6%）是影響其發(fā)育的主要因素（圖2）。
峰叢洼地尺度，植被類型表現(xiàn)出明顯的坡面分異，沿坡向上由喬-灌-草向灌-草過渡，導(dǎo)致能量（太陽輻射）對土壤-表層巖溶帶溫度的控制作用隨著海拔降低而減弱。風(fēng)化強(qiáng)度決定峰叢洼地整體水文特性及微環(huán)境特征。強(qiáng)風(fēng)化山坡土壤層較厚，節(jié)理裂隙發(fā)育，整體滲透性強(qiáng)（0.73 m d-1）；弱風(fēng)化山坡整體滲透性弱（0.07 m d-1），但局部管道裂隙發(fā)育，具有優(yōu)先流特征。環(huán)境溫度每變化1℃，強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化坡面土壤表層巖溶帶（300 cm）溫度變化幅度分別為±0.28 ℃和±0.32 ℃。降雨事件過程中，由管道裂縫組成的優(yōu)先流發(fā)育區(qū)（弱風(fēng)化山坡）的降溫效果尤為突出（圖3）。
上述系列研究成果分別發(fā)表在《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)》（2021）、《土壤學(xué)報(bào)》（2023）、Geoderma（2022）和Journal of Environmental Management（2023）期刊上。研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、廣西自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等資助。
圖1 小流域土壤及表層巖溶帶厚度分布圖
圖2 基于廣義線性模型的表層巖溶帶厚度分析和表層巖溶帶Kriging等值線圖
圖3 土壤-表層巖溶帶溫度空間分布及其對降雨的響應(yīng)