在巖溶作用下，喀斯特區(qū)地上地下二元三維結(jié)構(gòu)發(fā)育，水文過程以地下過程為主?？λ固仃P鍵帶核心區(qū)（土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)）不僅是可溶性碳的主要儲存庫，也是水文和生物地球化學過程的熱區(qū)。然而，受喀斯特關鍵帶地下過程觀測技術的限制，土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)內(nèi)，多界面徑流組分的可溶性碳流失機制尚不清楚。該區(qū)以往設立的喀斯特生態(tài)系統(tǒng)科研樣地均借鑒黃土區(qū)、紅壤區(qū)以地表過程為主的監(jiān)測方法和技術手段，不能同時實現(xiàn)喀斯特地區(qū)特有的地上-地下過程耦合監(jiān)測，無法揭示喀斯特區(qū)關鍵帶地上-地下多界面三維空間內(nèi)水、土、生源要素的分布、遷移、轉(zhuǎn)化機理，難以滿足喀斯特地區(qū)植被恢復、水土流失阻控、地下水補給評估與水資源高效利用、面源污染防治、極端氣候事件應對等重大現(xiàn)實需求。針對以上問題，環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站研發(fā)了喀斯特坡地關鍵帶多界面三維水土過程監(jiān)測方法及平臺，實現(xiàn)了喀斯特關鍵帶多界面（大氣-土壤界面、土壤-表層巖溶帶界面、表層巖溶帶-基巖界面）產(chǎn)流及物質(zhì)遷移過程的實時動態(tài)監(jiān)測與樣品采集（圖1）。
近期，中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站王克林和張偉團隊依托以上喀斯特坡地關鍵帶多界面三維水土過程監(jiān)測平臺（4個處理，3個重復，共計12個小區(qū)），連續(xù)3年（2018-2020）同步觀測土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)內(nèi)地表徑流、巖土界面壤中流、表層巖溶帶側(cè)滲等多界面產(chǎn)流過程及可溶性碳流失過程，解析了喀斯特關鍵帶結(jié)構(gòu)因子（裸巖率、土厚、土厚變異系數(shù)、表層巖溶帶厚度、表層巖溶帶風化程度、基巖起伏度、土壤質(zhì)地等）與土地利用方式（自然恢復灌叢、牧草、經(jīng)果林、傳統(tǒng)玉米）對喀斯特關鍵帶多界面水文過程和可溶性碳流失通量的影響。
研究結(jié)果表明（圖2）：1）從水量平衡結(jié)果看出，喀斯特坡地關鍵帶水文過程表現(xiàn)出明顯的以地下過程為主的特點：表層巖溶帶側(cè)滲（70%）、巖土界面壤中流（27%）、地表徑流（3%）。整體而言，隨著人為利用強度的增加，喀斯特坡地地下水補給量顯著降低，地表徑流和巖土界面壤中流等淺地表橫向徑流逐漸增加，從而降低了土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)的水文調(diào)蓄功能，加劇了旱澇災害風險。2）土層厚度、基巖起伏度、土壤質(zhì)地是控制喀斯特關鍵帶多界面DOC和DIC流失通量的最重要的關鍵帶結(jié)構(gòu)因子。土層較厚且土壤-表層巖溶帶平整接觸的巖土系統(tǒng)更容易觸發(fā)淺地表橫向徑流驅(qū)動的可溶性碳損失。土地利用對喀斯特關鍵帶多界面產(chǎn)流及可溶性碳的控制作用遠小于關鍵帶結(jié)構(gòu)因子的影響，然而，與傳統(tǒng)玉米耕種及經(jīng)果林種植等高強度利用類型相比，保護性牧草種植表現(xiàn)出顯著的減少徑流、降低碳損失的保水固碳效果。3）極端降雨事件導致喀斯特坡地關鍵帶多界系統(tǒng)中的可溶性碳流失量高達平水年總流失量的2.5倍，極端降雨事件是喀斯特地區(qū)關鍵生源物質(zhì)流失的關鍵防控期。本研究為全球變化背景下喀斯特關鍵帶生源要素流失阻控和水土資源可持續(xù)利用提供了科學依據(jù)。
研究結(jié)果以Soluble carbon loss through multiple runoff components in the shallow subsurface of a karst hillslope: Impact of critical zone structure and land use為題發(fā)表在Catena。該研究得到了國家自然科學基金聯(lián)合基金、國家自然科學基金重點基金、廣西重點研發(fā)等項目資助。
圖1 喀斯特坡地關鍵帶多界面三維水土過程監(jiān)測平臺
圖2 喀斯特坡地關鍵帶多界面DOC、DIC流失特征及其關鍵影響因子