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西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤淺薄、巖石裸露率高，巖溶作用形成地表和地下雙層結(jié)構(gòu)，水文過(guò)程迅速且時(shí)空異質(zhì)性高。在全球氣候變化背景下，極端氣候發(fā)生頻率增加，旱澇災(zāi)害較嚴(yán)重，亟需探明喀斯特流域水文過(guò)程及其調(diào)控機(jī)制。與非喀斯特地區(qū)土壤層調(diào)控水文過(guò)程為主不同，喀斯特地區(qū)水文過(guò)程主要由植被、土壤、表層巖溶帶及管道、裂隙耦合而成的復(fù)雜多界面結(jié)構(gòu)控制。然而，如何定量評(píng)估土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)及多重儲(chǔ)水/導(dǎo)水介質(zhì)（管道、裂隙、基質(zhì)）對(duì)徑流的調(diào)蓄作用，是提升喀斯特流域水源涵養(yǎng)功能面臨的主要難題；如何評(píng)估流域水文過(guò)程對(duì)植被變化的響應(yīng)，是衡量區(qū)域生態(tài)恢復(fù)工程水文效應(yīng)的重要指標(biāo)。

中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站陳洪松課題組依托木連小流域水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合物探技術(shù)和穩(wěn)定氫氧同位素/水化學(xué)（NO3-、TOC、Ca2+、Mg2+、HCO3-）示蹤技術(shù)，分析地表溪流水和不同類型泉水的補(bǔ)給過(guò)程，評(píng)估土壤-表層巖溶帶和管道-裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)對(duì)溪流水補(bǔ)給的調(diào)蓄作用。研究發(fā)現(xiàn)，溪流水平均滯留時(shí)間為43周，間歇泉（1號(hào)泉水）平均滯留時(shí)間（23周）明顯低于常流泉（2號(hào)泉水，201周）。這是因?yàn)殚g歇泉補(bǔ)給區(qū)內(nèi)裸巖率高，土壤和表層巖溶帶相對(duì)淺薄且管道裂隙發(fā)育，導(dǎo)致含水層儲(chǔ)水空間小、調(diào)蓄能力差，對(duì)降雨響應(yīng)更敏感。雖然在周尺度上，間歇泉、常流泉和溪流水新水補(bǔ)給比例分別可達(dá)到80%、60%和55%，但是在年際尺度上溪流水和泉水均主要受到舊水補(bǔ)給（>90%），降雨通過(guò)與前期地下水充分混合后補(bǔ)給泉水和溪流水。此外，小流域地表溪流水的主要補(bǔ)給源不是出流泉水（旱季補(bǔ)給比例較高，但最大不超過(guò)25%），而是以壤中流和表層巖溶帶水為主的地下徑流。

研究人員以NO3-為示蹤劑，將溪流水補(bǔ)給來(lái)源概化為土壤和表層巖溶帶兩種儲(chǔ)水介質(zhì)，應(yīng)用二元混合模型，發(fā)現(xiàn)表層巖溶帶是溪流水最重要的補(bǔ)給來(lái)源。次降雨事件中，土壤水對(duì)溪流水的貢獻(xiàn)量最大僅為16.8%；而在年尺度，土壤水平均供水量為1.4%。將表層巖溶帶進(jìn)一步細(xì)分為管道、裂隙、基質(zhì)，根據(jù)水流在三種導(dǎo)水介質(zhì)中的滯留時(shí)間不同而引起的電導(dǎo)率值的差異，應(yīng)用電導(dǎo)率頻率分布（CFD）方法，發(fā)現(xiàn)由于小流域巖溶化發(fā)育程度較低，基質(zhì)流均是溪流水最主要的補(bǔ)給來(lái)源（旱季>80%、雨季>55%），而管道在小流域富水階段也是重要的排水通道（最大10%-15%）。

在區(qū)域尺度，研究人員分析20世紀(jì)80年代至2015年龍江流域（1.6萬(wàn)km2）及其3個(gè)子流域（環(huán)江流域，中洲小江流域和東小江流域）水文要素的時(shí)空變化特征及其與植被覆蓋變化的關(guān)系，定量、半定量區(qū)分氣候變化和植被恢復(fù)對(duì)徑流的影響。研究發(fā)現(xiàn)，4個(gè)流域2003年至2015年徑流量較1985年至2002年減少，降雨量對(duì)年徑流減少的貢獻(xiàn)率為17.5~52.9%，顯著低于非喀斯特流域的研究結(jié)果，表明喀斯特流域徑流對(duì)植被變化的響應(yīng)更加敏感。植被恢復(fù)能夠有效提升區(qū)域水文調(diào)節(jié)功能，退耕還林等人類活動(dòng)改變徑流在季節(jié)尺度上的分配，其對(duì)非汛期徑流增加的貢獻(xiàn)率與流域喀斯特地貌占比呈負(fù)相關(guān)。在喀斯特地貌占比較大的龍江流域（81%）和環(huán)江流域（66%），植被恢復(fù)是非汛期徑流增加的主要原因；而在喀斯特地貌占比較小的中洲小江流域（61%）和東小江流域（26%），植被覆蓋未發(fā)生突變，非汛期徑流增加主要受氣候變化影響。

相關(guān)研究成果以Hydrological Response of Karst Stream to Precipitation Variation Recognized through the Quantitative Separation of Runoff為題，發(fā)表在Science of the Total Environment上；以Seasonal Recharge of Spring and Stream Waters in a Karst Catchment Revealed by Isotopic and Hydrochemical Analyses為題，發(fā)表在Journal of Hydrology上；以Separating the Relative Contributions of Climate Change and Ecological Restoration to Runoff Change in a Mesoscale Karst Basin為題，發(fā)表在Catena上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院國(guó)際伙伴計(jì)劃、廣西自然科學(xué)基金、中科院西部學(xué)者項(xiàng)目的資助。

圖1.泉水和溪流水平均滯留時(shí)間估算（左）和新舊水補(bǔ)給比例的季節(jié)性變化特征分析（右）

圖2.溪流水補(bǔ)給來(lái)源（管道、裂隙、基質(zhì)）季節(jié)性變化特征

圖3.1985至2015龍江流域植被變化（左）及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)季節(jié)尺度徑流變化的貢獻(xiàn)（右）