岩土界面对土壤渗透性以及喀斯特地区生态系统演替过程中水分时空分布的影响

《CATENA》：Impacts of rock-soil interface on soil infiltration and spatio-temporal water distribution during ecosystem succession in karst areas

本研究通过染色追踪和灌溉试验，结合土壤水分监测与物理性质分析，系统评估了喀斯特地区草地、灌木林和森林不同演替阶段岩土界面优先流（PF-RSI）特征及其对土壤入渗的影响。结果表明，随着生态系统演替，PF-RSI extent增加但水分转移减弱，土壤密度阻碍入渗却促进PF-RSI发展，而孔隙结构和团聚体则促进入渗但抑制PF-RSI。研究揭示了PF-RSI在区域水文循环中的作用及其与土壤特性的相互作用机制。

　　在喀斯特地貌区域，土壤与岩石界面的特性对水文过程具有重要影响。该区域独特的地质结构和水文特征，使得土壤水的入渗和迁移呈现出与非喀斯特地区不同的规律。本研究通过染色示踪喷洒实验和灌溉实验，结合土壤水分含量监测与土壤物理性质调查，系统评估了草甸、灌木林和森林等不同生态系统中岩石-土壤界面优先流（PF-RSI）的特征。研究发现，随着生态系统的演替进程，PF-RSI的范围逐渐扩大，但岩石表面向土壤的水分转移能力减弱，同时岩石-土壤界面对土壤入渗的影响力也有所下降。此外，降雨后土壤水分的空间异质性和时间稳定性均有所降低，表明PF-RSI在不同生态系统中展现出差异化的生态水文功能。

在喀斯特地区，岩石和土壤之间的相互作用是水文循环的重要组成部分。岩石不仅能够作为自然的雨水收集器，其孔隙结构还能促进水分向地下渗透，从而补充地下水并减少地表径流。同时，岩石还能够为周围的植被提供额外的水分和养分，改善土壤的化学性质和生物活性，创造有利于植物生长的微环境。然而，随着生态系统的自然演替，这些功能可能会发生变化，甚至逐渐减弱。在生态系统演替的早期阶段，植被稀疏，岩石暴露在外，容易受到侵蚀，形成光滑且缺乏附生植物的表面，从而提高雨水的收集效率，并引导其更有效地渗透到土壤中。然而，在森林成熟阶段，树冠截留雨水，使得雨水无法直接作用于岩石表面，同时岩石表面的粗糙度和附生植物的增多会降低雨水的收集和输送效率。尽管如此，岩石-土壤界面仍然是喀斯特地区水分入渗的关键环节，对区域水循环和土壤水动力学具有深远的影响。

本研究的重点在于探讨不同生态系统演替阶段中PF-RSI的演变特征及其对土壤水分入渗和水文补给的调控作用。研究假设，随着生态系统从草甸向灌木林再向森林演替，PF-RSI的形成机制和其对水文过程的贡献会发生显著变化。为了验证这一假设，本研究采用染色示踪技术，精确量化不同生态系统中优先流的发育情况，并全面评估其在土壤水分入渗系统中的相对重要性。同时，通过详细的野外采样调查，系统分析了土壤的物理特性，包括土壤容重、孔隙结构、团聚体分布等，以及水分含量在时空上的演变模型，旨在从微观到宏观尺度全面揭示喀斯特地区优先流现象的形成机制和驱动因素。

土壤容重是影响PF-RSI发育的重要因素之一。研究发现，土壤容重与优先流的发展呈显著负相关，即土壤容重越高，优先流的发育越弱。然而，土壤容重与优先流对土壤水分入渗的贡献却呈正相关，说明高容重土壤中优先流的作用更加显著。这一现象可能与土壤结构的紧实程度有关，高容重土壤通常具有较低的孔隙度和渗透性，导致水分难以通过均匀扩散的方式进入土壤，从而更倾向于沿着岩石-土壤界面形成的优先路径流动。此外，土壤的宏观孔隙度和宏观团聚体含量对PF-RSI的影响也较为复杂。宏观孔隙度较高和团聚体含量丰富的土壤，其水分入渗能力更强，但同时PF-RSI的形成受到抑制，表明这两种土壤特性在调控优先流方面存在相互竞争的关系。

研究还发现，不同生态系统中PF-RSI的分布特征存在显著差异。在森林生态系统中，PF-RSI的深度最大，其次是灌木林，最后是草甸。这一结果表明，随着生态系统的演替，PF-RSI的范围逐渐扩大，但其对土壤水分入渗的相对贡献却呈现出下降趋势。这种变化可能与植被覆盖度的增加有关，植被的生长不仅能够改善土壤结构，还能通过根系活动形成复杂的水分输送网络，从而影响优先流的分布和强度。例如，草甸生态系统中，植被密度较低，根系分布较浅，导致优先流的范围较大但深度较浅；而在森林生态系统中，根系的深入发展使得水分能够更有效地沿着岩石-土壤界面渗透，形成更深的优先流路径。然而，随着植被覆盖度的增加，优先流的强度可能逐渐被削弱，因为更多的水分被植被截留，减少了直接通过岩石-土壤界面入渗的水量。

PF-RSI在喀斯特地区的生态水文功能具有重要意义。它不仅能够显著提高土壤水分的入渗效率，还能增强生态系统在干旱条件下的水分供应稳定性。优先流的存在使得水分能够快速穿透土壤层，减少地表径流的形成，从而降低土壤侵蚀的风险。此外，优先流还能促进土壤水分的深层迁移，为地下水补给提供重要的通道。然而，随着生态系统的演替，PF-RSI的调控作用可能发生变化，甚至被削弱。例如，在生态系统演替的早期阶段，岩石-土壤界面的优先流可能对土壤水分的补充起到关键作用；而在成熟阶段，植被的覆盖和根系的深入发展可能使得优先流的作用被其他水文路径所取代，从而降低其对整体水循环的贡献。

本研究的结果表明，喀斯特地区的水文过程是一个由植被、土壤、地表喀斯特带和地下裂隙网络共同调控的复杂系统。在这一系统中，岩石-土壤界面的优先流现象不仅受到地质结构的影响，还与生态系统演替密切相关。因此，理解PF-RSI在不同生态系统中的演变规律，对于优化水资源管理、提高土壤水分利用效率以及推进生态修复具有重要意义。特别是在喀斯特地区，由于其独特的地貌特征，岩石-土壤界面的优先流可能在水文过程的调控中发挥更为关键的作用。因此，研究PF-RSI在不同生态演替阶段中的表现，有助于揭示其在生态系统健康维护和水文过程调控中的潜在价值。

此外，本研究还强调了多尺度比较研究的重要性。尽管已有研究初步揭示了岩石在不同生态系统中水分收集功能的变化，但关于PF-RSI在不同演替阶段中对水分输送和入渗的具体贡献及其内部机制仍需进一步探索。喀斯特地貌的多样性决定了其水文过程的复杂性，因此，单一尺度的研究可能无法全面反映PF-RSI在不同环境条件下的表现。通过多尺度的比较分析，可以更准确地评估PF-RSI在不同生态系统中的功能差异，并为制定科学合理的生态恢复和水资源管理策略提供依据。

在实际应用中，PF-RSI的调控作用可能对农业灌溉、水资源保护和生态修复等领域产生重要影响。例如，在干旱或半干旱地区，优先流的存在可以显著提高土壤水分的利用效率，减少水分的损失，从而提高作物的生长条件。然而，在某些情况下，优先流可能导致水分过快地渗透到地下，减少地表的水分供给，影响植被的生长。因此，如何在不同生态系统中合理利用PF-RSI的调控功能，成为生态保护和水资源管理的重要课题。

本研究的发现也为未来的研究提供了新的方向。首先，需要进一步探讨PF-RSI在不同喀斯特地貌类型中的表现差异，例如在石灰岩、白云岩和碳酸盐岩等不同岩石类型下的优先流特征。其次，研究PF-RSI与其他水文路径（如土壤矩阵流和地表径流）之间的相互作用，有助于更全面地理解喀斯特地区的水文过程。此外，PF-RSI的形成机制可能受到多种因素的影响，包括气候条件、植被类型、土壤质地和人为活动等，因此，需要综合考虑这些因素对优先流的调控作用。

最后，本研究的结论表明，生态系统演替对PF-RSI的调控作用具有显著影响。随着植被的增加和土壤结构的改善，PF-RSI的范围可能扩大，但其对土壤水分入渗的相对贡献却可能下降。这种变化趋势提示我们，在进行生态恢复和水资源管理时，需要充分考虑植被覆盖度和土壤物理性质的变化，以优化水文调控策略。同时，岩石-土壤界面的优先流现象在不同生态系统中的表现差异，也提醒我们，在评估喀斯特地区的水文过程时，不能忽视其独特的地质结构和生态特征。只有通过深入研究PF-RSI的演变规律，才能更好地理解喀斯特地区的生态水文机制，并为可持续发展提供科学依据。