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LI-2100 | 喀斯特坡地的水文秘密:雨水与植被如何左右土壤水分和径流?

来源:
时间: 2025-09-24

在地球的水循环中,土壤水就像“中枢神经”,连接着大气、植被和水文过程。气候变化加剧干旱,土壤缺水成了生态系统的“紧箍咒”。在喀斯特山区,浅薄的土层和复杂的地貌,让水分变化更为“变幻莫测”,这给植被恢复和水资源管理带来巨大挑战。

那么,坡地上的土壤水分到底是谁在操控?是天上的雨,还是地上的植物?

01 研究背景:喀斯特——天然的水文实验室

喀斯特地区土层浅薄、裂隙发育,是研究复杂坡地水文过程的理想场所。已有研究关注过地形和土壤厚度等因素,但降雨特征与植被类型如何共同作用于土壤水分和产流机制,一直没有明确答案。

(图1.(a)研究区和(b)中国西南部贵州省关岭喀斯特生态系统观测研究站观测点的位置。(c)花生、花椒和弃耕地土壤水分传感器和土壤水分同位素采样点示意图。红色数字表示土壤水分传感器的安装位置,蓝色数字表示土壤水同位素样品的采集点。)

02 实验设计:同位素追踪水的“身份证”

研究团队在贵州关岭喀斯特生态系统观测站,选取了同一坡面上的三个样地:

· 花生地(PN)—— 高覆盖度农田

· 花椒地(ZB)—— 乔木型经济林

· 弃耕地(AL)—— 裸露度高、植被稀疏


通过连续两年的观测,团队监测了土壤水分含量、稳定同位素(δ²H、δ¹⁸O)组成以及地表径流。同位素就像水的“指纹”,帮助我们分辨径流是来自新下的雨,还是土壤里存的“旧水”。

样品水分提取采用了全自动真空冷凝抽提系统(LI-2100 Pro,北京理加联合科技有限公司),保证了土壤和水样中氢氧同位素信号的完整性和准确性。

图2.  三个实验小区的坡地土壤水动态

03 主要发现:植被与降雨的“双重控制术”

1、土壤含水量差异明显

· ZB(0.26) > PN(0.23) > AL(0.21),坡脚普遍比坡顶湿润。

· AL 干湿交替最频繁,ZB 相对最稳定。

2、同位素揭示水分路径

· 花生地:水分均匀渗透,下坡δ²H富集(+8.7%)。

· 弃耕地:优先流显著,下坡δ²H反而贫化。

· 花椒地:中坡位置出现局部截留,导致同位素富集。

3、径流形成机制随降雨而变

· 小雨(<15mm):径流主要来自土壤旧水,以基质流为主。

· 大雨(>30mm):优先流通道被激活,雨水直接贡献超50%,在 AL 样地最突出。

· 连续降雨会加剧优先流,促进快速侧向径流。

总结:植被影响土壤“怎么存水”,雨水决定径流“从哪来”。

图3. 降雨、土壤水和径流水样的氢氧稳定同位素


表1.三个样地在雨季和旱季期间土壤水的δ²H、δ¹⁸O和lc-excess值的统计结果。SD表示标准差,CV表示变异系数。


  图4 土壤水δ²H和lc-excess值的时空分布特征


 图5.16次降雨事件中不同深度水源对径流贡献的MixSIAR模型分析结果


图6.16次降雨事件中不同坡位水源对径流贡献的MixSIAR模型分析结果


图7.不同植被类型和降雨情景下浅层土壤水文过程的概念模型

04 启示与应用:科学修复山区生态

· 植被恢复要重视覆盖度与根系

高覆盖度物种(如花生、花椒)能有效减少蒸发和径流,增强蓄水能力。

· 极端降雨需纳入水资源管理

特别是要考虑优先流对径流的放大作用。

· 减少裸地暴露

裸露地表更易形成快速径流,加剧水土流失。


发表期刊:Journal of Hydrology(2025)【影响因子:6.3】

研究单位:贵州师范大学、贵州喀斯特山地生态与土地利用观测研究站、贵州理工学院等

研究地点:中国西南部贵州省关岭喀斯特生态系统观测研究站

使用设备:LI-2100 Pro全自动真空冷凝抽提系统


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