《CATENA》：Vegetation, soil, and weathered bedrock control hillslope rainfall-runoff processes on the Qinghai-Tibetan plateau
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•坡面水文连通性取决于植被、土壤深度以及风化基岩的情况。•灌木丛、森林和草原等不同植被类型对应的地表水系结构存在差异，这些差异会影响径流的生成路径与临界条件。•季节性的水分变化会使风化基岩从干燥的补充介质转变为湿润的传导通道。•暴雨时，地表连通性较弱；而持续降雨则会导致地下及垂直
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坡面水文连通性取决于植被、土壤深度以及风化基岩的情况。
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灌木丛、森林和草原等不同植被类型对应的地表水系结构存在差异，这些差异会影响径流的生成路径与临界条件。
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季节性的水分变化会使风化基岩从干燥的补充介质转变为湿润的传导通道。
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暴雨时，地表连通性较弱；而持续降雨则会导致地下及垂直方向的水流加快。
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风化基岩的厚度与水力传导性决定了水文连通性的差异性。
引言
坡面是降雨发生转化并形成径流的主要区域。其水文过程对于决定降雨在表层及地下环境中的分布、传输与转化起着至关重要的作用（Tetzlaff等，2014；McDonnell，2013；Hu等，2022）。水文连通性为理解坡面水文异质性提供了统一的分析框架。通过分析从土壤到地形等结构特征与降雨-径流响应等动态过程之间的相互作用，该框架能够系统地解释水、能量与物质的空间再分配规律（Xiao等，2022）。它决定了降雨在这些景观中的流动路径与传输效率，进而影响地表流的汇聚、地下流的侧向传输以及地下水的补给与排泄过程（Pirastru等，2022；Nanda和Safeeq，2023）。
坡面上的水文连通性的形成与范围是由多种因素共同决定的。地形特征、土壤容重、土壤质地、基岩的岩性及厚度都是影响水分入渗、储存与输送过程的关键物理因素（Hopp和McDonnell，2009；Zhang等，2022）。这些因素决定了水流的路径与流速。例如，地下流通常是由于低渗透性层如土壤与基岩交界处上方出现饱和带而产生的，这种饱和带有助于水在饱和区内的侧向移动（McDonnell等，2021；Appels等，2015）。坡面集水区的植被类型与前期土壤含水量也是决定水文过程的重要因素（Schoener和Stone，2019；Ye等，2023；Meng等，2022）。在植被覆盖较少的地区，地表水流的连通性增强，这会增加地表流的形成概率及其快速汇聚的可能性，进而提升洪水风险（Luo等，2024b；Cui等，2022）。相反，在植被覆盖密集的地区，冠层截留作用以及地表枯落物的存在会降低地表流速度，促进水分入渗，从而降低坡面的水文连通性，同时增强垂直方向的水文连通性（Shijie等，2024）。降雨强度也是影响水文过程的重要因素。强度较大的降雨事件，尤其是持续时间较短的强降水，往往超过土壤的入渗能力，从而导致地表流产生，进而增强坡面的水文连通性。而强度较低或持续时间较长的降雨则有利于水分充分入渗，从而减少地表流与侧向连通性，但会显著增强土壤层之间以及地表水与地下水之间的垂直水文连通性（McGuire和McDonnell，2010；Ye等，2023；Hopp和McDonnell，2009；Wang等，2022）。
几十年来，研究人员一直在深入研究降雨在坡面上的转化过程、径流形成的机制以及坡面与山谷之间的连通性。在坡面、集水区乃至流域等不同尺度上，已经开展了大量的监测、实验与建模研究（McGuire和McDonnell，2010；Rey等，2021；Coles和McDonnell，2018）。例如，在Panola Mountain研究流域中，人们通过观测土壤与基岩交界处的瞬时饱和时空分布特征及其与地下风暴响应之间的关联，运用“充满与溢出”理论来阐释沟蚀坡面的临界行为（van Meerveld等，2015）。研究表明，由土壤和风化基岩构成的非饱和带中的优先流现象，会对坡面与山谷之间的连通性产生重要影响（Uhlemann等，2024；Nimmo等，2017）。人们还研究了喀斯特坡面上水文响应的临界特性，指出了土壤深度与前期土壤含水量对地表流、地下流以及喀斯特渗流的影响（Wang等，2022）。在山区源头集水区中，地下临界带的分布对降水的分配起着关键作用，尤其是不同风化基岩结构对径流生成与水资源储存能力的影响（Chen等，2024）。
尽管取得了这些进展，但目前大多数相关研究都是在湿润温带或热带地区开展的。对于寒冷的半干旱高山环境中的坡面水文连通性，人们了解还相对较少。在这些地区，季节性冻结、薄薄的土壤以及多样的植被覆盖共同形成了独特的水文状况。青藏高原作为被誉为“亚洲水塔”的地区尤为重要。它是世界上海拔最高、面积最广阔的高原，通过亚洲各大河流为25亿多人提供水源。其寒冷的半干旱大陆性气候以及明显的海拔植被带谱（草原、森林、高山灌木）为研究在季节性水分胁迫条件下，植被-土壤-风化基岩复合体如何调控水文连通性提供了天然的实验场所。此前在青藏高原开展的研究主要集中在流域尺度上的蒸散作用、径流动态以及冰川-雪水水文学方面（Yu等，2025；Guo等，2025；Wang等，2026）。然而，能够明确区分地表流、地下土壤流以及风化基岩流，并在坡面尺度上进行详细观测的研究仍然十分缺乏。此外，在这种寒冷的半干旱环境中，风化基岩层作为水文调节因子的作用也尚未得到系统的量化研究。
因此，本研究的核心焦点就是植被-土壤-风化基岩复合体及其对坡面水文连通性的调控作用。具体而言，我们提出了三个研究目标：（1）量化植被-土壤-风化基岩组合对坡面降雨-径流过程的差异化调控效应，重点研究地表流（SF）、地下土壤流（SSF-S）以及风化基岩流（SSF-W）的临界条件与流动路径；（2）阐明风化基岩层作为关键水文界面，在不同季节性水分条件下对水资源储存、传输以及径流响应的调控机制；（3）分析地形特征与风化基岩属性对坡面梯度上水文响应的连通性及其时间动态的综合作用。本研究基于2017年至2021年期间在青藏高原东北部Pailugou集水区一个经过密切监测的坡面所收集的五年数据。研究结果旨在为在地球系统模型中准确量化地球关键带山区集水区的土壤水文循环过程提供重要的观测数据与关键参数。
章节摘要
研究地点描述
本研究区域位于中国青藏高原东北部的祁连山Pailugou集水区（北纬36°29′–39°43′，东经97°23′–103°45′，见图1）。Pailugou集水区的总面积为2.93平方公里，海拔范围在2700米至3860米之间。该区域的下部基岩以石灰岩为主，其上覆盖着30厘米至100厘米厚的土壤层。上层土壤的特征为
坡面上植被、土壤与风化基岩的特征
坡面上部以高山灌木为主，中部为森林，下部则为草原，这共同构成了连续且异质性较强的景观梯度。高山灌木区以草甸土为主，表面几乎没有泥炭化层，其下的腐殖质层厚度在20至30厘米之间。高山灌木区的土壤主要来源于坡面上方重力搬运下来的碎屑物质，
风化基岩作为水文调节因子的作用：空间格局与季节性变化
风化基岩层的厚度与水力特性决定了不同区域径流路径的分布情况（Sivapalan，2018；Wang等，2022；Appels等，2015）。我们的研究结果表明，这种调控功能具有很强的异质性，会随着植被-土壤-基岩复合体的变化而发生变化，并且会随季节性水分条件的改变而发生动态变化（Rempe和Dietrich，2018；Luo等，2023；Hunter等，2023；Betterle和Bellin，2024）。在高山灌木区，
结论
本研究表明，坡面的水文响应并非由单一因素决定，而是由空间结构要素（植被类型、土壤深度、风化基岩厚度）与时间驱动因素（如降雨特征、前期水分储量）的共同作用所形成的。基于五年间观测到的104次降雨-径流事件，我们得出以下结论：
(1) 风化基岩层是重要的水文调节因子。在高山灌木区
作者贡献说明
林鹏飞：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、方法学研究、正式分析、数据整理、概念构建。杨俊俊：文章撰写——审阅与编辑、方法学研究、数据整理。朱希：文章撰写——审阅与编辑、数据整理。田泉岩：文章撰写——审阅与编辑、数据整理。何志斌：文章撰写——审阅与编辑、方法学研究、资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42277481）、河西流域水循环野外站联合开放基金（项目编号：WCSHR-2025-03）以及甘肃省科技计划项目（项目编号：26JRRA148）的支持。我们还要感谢编辑以及匿名审稿人提出的宝贵意见与建议。
林鹏飞|杨俊俊|朱希|田泉岩|何志斌
