碳酸鹽巖溶蝕作用發育的喀斯特地貌占全球陸地面積約15%，并為1/4人口提供穩定水源。中國西南是全球喀斯特出露面積最大的區域，強烈的溶蝕作用使得西南喀斯特具有地表-地下二元三維水文結構特征，形成了土壤水分入滲速率快、優先流發育顯著且空間異質性極強的復雜水文格局。氣候變化背景下，這種快速滲透與弱儲水性雙重屬性增加區域巖溶干旱與洪澇的風險。當前研究圍繞土壤水分入滲基本特征、類型和路徑等方面開展了大量研究，但對入滲過程“快速性”的量化及其受巖土結構的控制作用仍不足，限制了喀斯特降雨-入滲-產流機制研究的進一步深化，制約了巖溶區域的水資源管理及其對氣候變化的響應。

本研究依托中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站，以地表-地下三維水土過程監測坡地小區為研究對象（圖1），開展長期高密度和高頻率（5-min）土壤水分動態觀測，基于時間序列分析量化坡地土壤水分常規入滲和優先流對降雨事件的響應特征，并進一步揭示以土壤厚度作為巖土結構代表因子對水分運動的影響機制。

基于土壤水分對降雨的響應，量化響應時間、絕對變化和濕潤鋒運移速度。結果發現喀斯特區雨水可以更迅速穿透土壤剖面，表現為土壤水分濕潤鋒速度（1373 mm h^-1）遠高于非喀斯特區（17mm h^-1至610 mm h^-1）。受微地形空間異質性影響，土壤水分響應時間和濕潤鋒速度由上坡到下坡、從表層到深層整體逐漸增大（圖2）。相對厚土覆蓋山坡，土壤水分入滲指標在淺土覆蓋山坡變幅更大、坡位之間差異更明顯，與土壤堆積弱化入滲過程受水力梯度影響有關。降雨量和強度對入滲的貢獻（30.9~63.9%）顯著高于前期水分條件（12.7~26.1%），并且土壤厚度的增加可能弱化地形和降雨特征對入滲過程的控制作用。結果強調精細監測在表征土壤水分入滲空間異質性方面的關鍵作用，并量化了喀斯特坡地水文過程快速性特征。

基于分層土壤水分對降雨事件響應的先后順序區分了土壤大孔隙流和巖土界面優先流兩種類型。結果發現喀斯特坡地大孔隙流占主導（> 63%），但在短時間強降雨事件易觸發的巖土界面側向流也是重要的優先流類型。優先流出現頻率在下坡高于上坡，與土壤水力特性空間分布格局有關。在平均土壤較厚山坡，土壤深度與優先流頻率呈顯著負相關關系（R2=0.54）（圖3）。相對的，優先流頻率與土壤深度在淺土覆蓋山坡沒有相關性，但受到降雨強度和前期土壤水分的影響更突出。這些結果強調土壤厚度空間異質性對水分優先流特征的影響，進一步豐富了喀斯特坡地復雜的入滲-產流理論。

研究成果分別以Regulation of preferential flow by soil thickness on small hillslopes with complex topography through intensive high‐frequency soil moisture monitoring和Characterizing rapid infiltration processes on complex hillslopes: Insights from soil moisture response to rainfall events為題發表在Journal of Hydrology（2024）和Nature Index期刊Geophysical Research Letters（2025），陳洪松研究員為通訊作者、張君博士后為第一作者。研究得到國家自然科學基金重點項目、區域聯合重點項目和青年基金項目支持。

論文鏈接：1?2

圖1 研究樣地概況、土壤水分監測點布設及土壤厚度空間分布

圖2 不同坡位和深度土壤水分濕潤鋒運移速度

圖3 高程和土壤厚度與優先流頻率相互關系