喀斯特区浅层岩溶裂隙土壤水分调蓄功能

Soil water storage and regulation functions of shallow karst fissures in karst areas

摘要

目的 明确喀斯特区浅层岩溶裂隙土壤水分变化特征，探究不同深度浅层岩溶裂隙土壤水分调蓄功能，为该地区水文调控及生态恢复提供科学依据。 方法 以喀斯特浅层岩溶裂隙土壤为研究对象，基于原位监测数据，系统分析土壤水分的垂直分布特征、降雨响应规律及储水能力，以揭示浅层岩溶裂隙土壤的水分调蓄机制。 结果 （1） 季节性降雨影响浅层岩溶裂隙土壤水分垂直分异，旱季条件下土壤水分稳定性随土层深度增加而增强；雨季条件下各土层水分变异系数（C_V）表现为S层（19.1%）>U₃层（14.6%）>U₁层（9.3%）>U₂层（8.9%），表明浅层土壤水分动态变化更为显著。（2） 4种典型降雨条件下，小雨事件仅触发S层水分变化，中雨事件显著影响U₃层，而大雨和暴雨则导致各土层均产生响应，且浅层（S，U₁）的响应程度显著高于深层（U₂，U₃）。（3） 受土层厚度影响，平均储水量表现为U₃层（314.6 mm）>U₂层（220.3 mm）>U₁层（128.7 mm）>S层（54.8 mm），其中旱季深层土壤（U₂，U₃）储水量变化较浅层（S，U₁）更为稳定。 结论 喀斯特浅层岩溶裂隙土壤水分调蓄功能受土壤水分垂直分异与对降雨响应的协同调控：旱季期间，深层土壤（U₂，U₃）通过稳定储水维持区域水文平衡；雨季期间，浅层土壤（S，U₁）通过快速水分动态响应实现高效调蓄。不同土层的储水能力分异显著，其中U₃层较高储水能力不仅对区域水资源供给具有关键支撑作用，同时也能够为喀斯特区植被恢复提供重要的水分保障。

Abstract

Objective This study aims to determine the characteristics of soil moisture changes in shallow karst fissures in karst areas and to explore the soil moisture regulation and storage functions at different depths， providing a scientific basis for hydrological regulation and ecological restoration in these regions. Methods In this study， shallow karst fissure soils in the karst area were taken as the research object. Based on in-situ monitoring data， the vertical distribution characteristics of soil moisture， rainfall response patterns， and water storage capacity were systematically analyzed to reveal their water regulation and storage mechanisms. Results （1） Seasonal rainfall affected the vertical differentiation of soil moisture in shallow karst fissures. Under dry season conditions， soil moisture stability increased with soil depth. Under rainy season conditions， the coefficients of variation （C_V） of soil moisture in each layer followed the order of S layer （19.1%）>U₃ layer （14.6%）>U₁ layer （9.3%）>U₂ layer （8.9%）， indicating that moisture dynamics were more significant in the shallow layers. （2） Under four typical rainfall conditions， light rain triggered moisture change only in the S layer， moderate rain significantly affected the U₃ layer， and heavy rain and rainstorms led to responses across all soil layers. Shallow layers （S， U₁） exhibited much stronger responses than deeper layers （U₂， U₃）. （3） Influenced by soil layer thickness， average water storage followed the order of U₃ layer （314.6 mm）>U₂ layer （220.3 mm）>U₁ layer （128.7 mm）>S layer （54.8 mm）. During the dry season， water storage in deep soil layers （U₂， U₃） was more stable than in shallow soil layers （S， U₁）. Conclusion The soil water regulation and storage functions of shallow karst fissure soils in karst areas are jointly regulated by soil moisture vertical differentiation and rainfall response. During the dry season， deep soil layers （U₂， U₃） maintain regional hydrological balance through stable water storage. During the rainy season， shallow soil layers （S， U₁） achieve efficient water regulation and storage through rapid dynamic moisture response. Water storage capacity varies significantly across soil layers， with the U₃ layer showing higher storage capacity. This layer not only plays a key role in regional water supply but also provides important moisture support for vegetation restoration in karst areas.

Graphical abstract

关键词

喀斯特 / 浅层岩溶裂隙土壤 / 水分调蓄

Key words

karst / shallow karst fissure soil / water regulation and storage

喀斯特地区作为全球典型的生态脆弱区，其岩—土结构特征显著影响着区域水文循环过程，浅层岩溶裂隙作为地表水—土壤水—岩溶水交互的关键界面，在维系喀斯特生态系统水文功能中具有特殊地位^［1-2］。其中浅层岩溶裂隙土壤作为该区特殊二元结构的物质基础，与发育的孔隙网络和裂隙系统构成了独特的“土壤—裂隙”复合介质^［3］。这种独特的组合通过动态调节降水入渗、径流分配与地下水补给，深刻影响着岩溶石漠化区生态水文格局^［4］。尤其在极端气候频发背景下，高敏感性和脆弱性使得喀斯特生态系统在面临极端气候事件时存在巨大的风险灾害^［5］。因此，喀斯特裂隙土壤水文过程引起广大学者的关注。

浅层岩溶裂隙土壤是喀斯特区水文过程的核心，主导降水资源的快速入渗与再分配，维系岩溶生态系统水分供给、缓解季节性干旱胁迫并驱动表层岩溶发育过程。研究表明，其独特的孔隙—裂隙网络通过对降雨进行再分配可将70%以上的降水迅速转化为裂隙储水与土壤持水等^［6］，这种动态调蓄机制在西南喀斯特区尤为关键。Yan等^［7］表明岩溶裂隙土壤水文调蓄功能与土壤性质、裂隙形态等因素有关；Peng等^［8］提出植被类型显著影响裂隙储水能力，植被为应对干旱胁迫通过调整根系构型适应性来影响裂隙土壤储水；Yu等^［9］发现裂隙填充土壤使根系水分利用效率提升23%~41%，而Luo等^［10］发现的“根系-裂隙”空间耦合策略，进一步解释了基岩裸露区植物对裂隙土壤储水的影响；当前研究仍存在系统性局限：现有研究多基于深层裂隙土壤（80—260 cm）的稳态水分特征^［11］，深层裂隙土壤水分变化对降雨量响应特征^［12］；却忽视浅层（0—80 cm）因优先流主导的剧烈时空异质性^［13］。相较于深层裂隙土壤，浅层岩溶裂隙土壤在自然降雨作用于地表后直接参与到“土壤-植被-大气”水文过程^［14］。除受土壤性质及岩溶裂隙形态因子影响外，岩-土界面优先流的存在使得浅层岩溶裂隙土壤水分过程难以预测^［15-17］。因此，对深入分析浅层岩溶裂隙土壤的水分调蓄机制，对进一步破解岩溶石漠化区水土资源配置失衡、石漠化治理等生态难题具有重要科学价值。

本文通过原位监测，探究喀斯特浅层岩溶裂隙不同深度土壤水分垂直特征，降雨响应特征以及储水量特征，揭示不同深度浅层岩溶裂隙土壤水分调蓄功能。研究不仅可深化对喀斯特生态水文过程的理解，也能为脆弱石漠化生态系统的可持续管理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于贵州省安顺市镇宁县双龙山街道新发社区新发小流域（105°49′30″—105°49′51″E，26°6′53″—26°7′23″N）。新发小流域属于典型的喀斯特石漠化流域，总面积约0.33 km²。研究区内岩石裸露，生境破碎，浅层岩溶裂隙发育，无落水洞、地下暗河、天窗等分布。地层岩性主要为三叠系中统关岭组第三段（T₂g³）的白云质灰岩。研究区内表层土壤较薄（平均20 cm），呈钙质特性，主要以黏壤土构成，土壤类型以石灰土为主。土地利用类型包含坡耕地、撂荒地、草地、灌木林地和次生林地。研究区海拔1 281~1 393 m，年均气温14.03 ℃。

1.2 试验设计

1.2.1 样地布置

喀斯特浅层岩溶裂隙存在高度的形态异质性，课题组前期的野外调查结果表明裂隙形态可以划分为矩形型、金字塔形型、漏斗形型、网型和菱形型，其中漏斗型裂隙在喀斯特浅层岩溶裂隙中占比最大（37.5%）。此外，裂隙倾角主要在60°~90°（76.39%），迹线长度主要在80~160 cm（76.39%）^［7，18］。为此，本研究选取了3条表层土壤厚度（22±3 cm）、倾角（85°~90°）和迹长（90~100 cm）相似，且分布距离较近的，垂直剖面形态为漏斗型的裂隙开展监测工作。为排除植被冠层及根系对裂隙土壤水文过程的影响，本研究选取的浅层岩溶裂隙地表无植被生长和遮挡。三条裂隙间的高差约为5 m，间距约30 m，呈品字形围绕气象站（图1）。每个裂隙内由上自下将浅层岩溶裂隙土壤划分为4层，地表S层（0—20 cm），U₁层（20—40 cm），U₂层（40—60 cm），U₃层（60—80 cm）。研究采用TDR（建大仁科）土壤水分监测系统监测土壤含水率变化情况，TDR土壤水分监测仪探头布设位置分别为20 cm，40 cm，60 cm和80 cm分别对应以上4个土壤分层，埋置时间为2018年3月1日，待扰动土层自然沉降2个月后开始正式采集数据。

1.2.2 数据采集

本研究监测时段为2018年5月1日至12月31日，研究区雨季为5月至10月，监测期涵盖了研究区的雨季与旱季，且该监测年份为非极端气象年。所监测到的降雨事件基本涵盖研究区中发生的主要降雨类型。降雨事件按照中国气象局降雨分级标准进行分类^［19］，共分5类，分别为小雨（<10 mm/d）、中雨（10~25 mm/d）、大雨（25~50 mm/d）和暴雨（50~100 mm/d）、大暴雨（100~250 mm/d）。TDR土壤水分监测系统每10 min获取一次土壤含水率数据。降雨量数据通过新发小流域中心位置的小型气象站每10 min获取一次。

1.3 数据分析

使用Excel 2013处理数据，SPSS 18.0进行统计分析，并Origin 2022软件中进行绘图。按不同层次计算土壤储水量^［20］，计算公式为：

S_i =10θ_i ×h_i （1）

式中：S_i 为第i土壤储水量（mm） ；θ_i 为土壤体积含水率（cm³/cm³） ；h_i 为土层厚度（cm）。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

由图2可知，研究区发生的降雨事件以小雨（<10 mm/d）为主，占总降雨次数的71.7%，但其总降雨量仅为258.58 mm，占总降雨量的18.28%，主要集中在11—12月（旱季）。相比之下，中雨（10~25 mm/d）及以上的降雨事件主要集中在5—10月（雨季），其中大雨、暴雨和大暴雨事件虽然次数较少，但对总降雨量的贡献较高，尤其是暴雨事件，总降雨量达到430.00 mm。2018年监测期内，累计降雨量为1 414.33 mm，其中雨季降雨量累计1 269.25 mm，占总降雨量的89.74%。这表明研究区的降雨量季节性变化明显，雨季降雨量集中且强度较大，而旱季则以小雨为主，降雨量相对较少。

2.2 浅层岩溶裂隙土壤水分垂直变化特征

由图3可知，研究期间喀斯特浅层岩溶裂隙土壤含水率随深度增加呈显著递增趋势（p<0.01），且土壤含水率变化受季节性因子影响呈现显著差异（p<0.05）。雨季各土层（S， U₁，U₂，U₃）含水率分别为30.5%，34.2%，38.1%和40.6%，显著高于旱季对应层的21.1%，28.3%，34.0%和35.8%。

土壤水分垂直变化一般取决于降雨和蒸发过程的相互作用，季节性变化、地形地貌和土壤自身性质等因素也是重要的影响因子。在研究岩溶裂隙土壤水分垂直变化过程中，通常采用标准差（SD）和变异系数（C_V）两个指标，将剖面土壤水分垂直变化划分为4个层次：速变层（C_V≥30%和 SD≥4%）、活跃层（C_V：20%~30%和 SD：3%~4%）、次活跃层（C_V：10%~20%和 SD：2%~3%）和相对稳层（C_V≤10%和 SD≤2%）。在实际划分过程中，受地形地貌、土地利用等因素的影响，难以同时满足标准差（SD）和变异系数（C_V）的划分标准，此时按照变异系数划分岩溶裂隙土壤水分的垂直变化^［21］。

由表1可知，根据监测期、雨季和旱季的日平均土壤含水率变异系数，对浅层岩溶裂隙土壤含水率垂直变化分层发现：整个监测期内，浅层岩溶裂隙地表S层为活跃层，U₂层表现为相对稳定层，其余层次表现为次活跃层；雨季S层和U3层为次活跃层，U₁层和U₂层为相对稳定层；旱季S层C_V达33.2%，显著高于雨季同层位的19.1%（p<0.01），20 cm以下均为相对稳定层。

整体而言，速变层（C_V>30%）仅存在于旱季表层，次活跃层主要分布U₁，U₃层（C_V：12.8%~19.1%），相对稳定层主要集中于旱季（C_V：2.4%~8.5%），U₃层C_V最低（2.4%）。

2.3 浅层岩溶裂隙土壤水分动态变化特征

2.3.1 浅层岩溶裂隙土壤含水率动态变化特征

由图4可知，在整个监测期内，土壤含水率变化特征总体上受外界降雨条件驱动呈显著波动性变化。S层土壤含水率对降雨事件响应最为敏感，其波动幅度与降雨量呈显著相关性。尤其在旱季，受降雨中断影响，S层含水率由28.2%骤降至8.9%，降幅达68.4%，表明表层土壤水分运移受气候季节性调控作用显著。U₃层土壤含水率在雨季初期（5—6月）表现出强烈的降雨响应特征，其波动幅度显著高于其他土层，推测与深层土壤在雨季初期水分入渗速率加快有关；而旱季期间该层含水率趋于稳定，表现出土壤水分滞留时间延长。U₂层动态变化最为平缓，仅在极端降雨事件发生时出现短暂波动，说明该层具备较强的水分缓冲能力。U₁层与S层变化趋势相近，但对降雨事件的响应存在滞后性。综合表明，土壤水分垂向分异特征与降雨强度时序变化密切耦合，不同土层的水文功能具有显著的空间异质性和时间动态性。

2.3.2 浅层岩溶裂隙土壤水分对典型降雨事件的响应

研究选取监测期内单场前期连续无降雨天数为4日的小雨、中雨、大雨和暴雨的4次典型降雨事件，其中小雨事件总降雨量8.33 mm，总降雨历时270 min，平均雨强1.85 mm/h；中雨事件总降雨量20.33 mm，总降雨历时310 min，平均雨强3.94 mm/h；大雨事件总降雨量35.75 mm，总降雨历时250 min，平均雨强8.58 mm/h；暴雨事件总降雨量91.92 mm，总降雨历时540 min，平均雨强10.21 mm/h。

如表2和图5A所示，在小雨事件整个降雨过程中，仅地表S层土壤含水率对降雨过程表现出明显响应，U₁层含水率变化不明显，土壤含水率增幅仅有2.88%，而U₂，U₃层含水率始终维持稳定（波动幅度<0.1%）。在持续降雨60 min后，地表S层土壤含水率开始上升，随后110 min达到第一个含水率峰值（14.4%），持续20 min，进入衰退期120 min后随着降雨开始土壤含水率上升，经过110 min的上升期含水率达到本场降雨事件峰值（16.7%），相较于降雨前，土壤含水率增幅达63.73%。总体而言，浅层岩溶裂隙土壤含水率对小雨的响应不显著，岩溶区对小雨资源利用效率低。

在整个中雨降雨过程中，浅层岩溶裂隙各土层下的含水率都有显著变化，各土层对中雨事件降雨的响应特征存在明显分异（图5B）。降雨开始后，各土层对降雨的响应不同，其中地表S层响应最为迅速，响应时间仅为70 min；各土层土壤含水率峰值随着降雨历时不断变化，U₂层维持土壤最高含水率时间最长（140 min）；随着降雨结束，U₃层土壤含水率衰退时间最长，长达1 530 min，而S层、U₁层、U₂层分别为270，210，290 min。

降雨前后，U₃层土壤含水率增幅变化显著高于其余各层，含水率增幅为51.56%（U₃），显著高于7.08%（S），3.76%（U₁），1.78%（U₂）。总体来说，各浅层岩溶裂隙土壤均对中雨事件做出响应，U₃层对降雨事件的响应最显著。

图5D展示了浅层岩溶裂隙土壤不同深度（S， U₁，U₂，U₃层）含水率对暴雨事件的动态响应特征。观测数据显示，各土层对降雨的响应均存在显著滞后现象：U₁和U₂层土壤含水率在降雨开始120 min后首次出现变化，而U₃层的响应时间进一步滞后至190 min，可能与其深层裂隙介质中水分垂直渗透速率较低有关。值得注意的是，U₃层虽响应最晚，但其含水率最先达到峰值（39.5%），且S， U₁和U₂层的峰值时间分别滞后100，80，40 min。U₃层表现出独特的持水特性，其平台期长达920 min，显著长于其他土层，且未呈现明显衰退现象，表明该层土壤具有较强的水分滞留能力。相比之下，U₂层含水率变化波动最为显著，峰值达39.7%（高于其他土层），且衰退期长达2 490 min，该层土壤水分运移过程受裂隙结构或优先流路径的显著影响。综上，浅层岩溶裂隙土壤不同深度的含水率对暴雨事件表现出分异化的响应模式，深层土壤（U₃）以滞后但稳定的持水特征为主，而中层土壤（U₂）则呈现高动态性和长衰退期。

2.4 浅层岩溶裂隙土壤储水量变化特征

降雨是土壤水分的主要补给来源，土壤储水量变化受降雨量和植物蒸腾等因素共同影响^［21］。由表3可知，各层次浅层岩溶裂隙土壤储水量随深度增加呈阶梯式上升趋势，其中S层储水量最低（93.8 mm），U₃层储水量最高（500.8 mm），呈现出深层土壤（U₂和 U₃）具有更强的水分保持能力。最小储水量同样随深度递增，U₃层最小值（275.2 mm）约为S层（17.8 mm）的15.5倍，表明浅层土壤更易受外部环境（如蒸发、植被消耗）影响。

如图6所示，根据各土层储水量动态变化特征，结合降雨季节性分配规律，将浅层岩溶裂隙土壤储水量变化划分为3个典型阶段：相对稳定期、补给期及消耗期^［22］。具体表现为S层储水量对降雨响应最为敏感，其变化特征呈现显著阶段性。5月为相对稳定期（储水量变幅<10%）；6—11月进入消耗期（最大变幅可达208.6%）；水分补给期（12月），土壤储水量因气温降低，植被生长活动减弱，土壤水分活性减弱而缓缓上升，土壤储水增加量由降雨量大小决定。U₁层土壤储水量动态响应模式与S层高度相似，但消耗期滞后约15 d。深层土壤中，U₂层储水量年际变幅较缓（<12%），表现出较强的水分缓冲能力。值得注意的是，U3层在雨季（5—7月）受集中降雨驱动，储水量激增至峰值500.8 mm，较旱季最大储水增量可达225.6 mm，其变化幅度显著高于其他土层。结果表明，土壤储水动态的垂直分异特征与岩溶裂隙土层深度及降雨量密切相关。

3 讨 论

3.1 浅层岩溶裂隙土壤水分时空动态垂直分异与降雨响应

本研究显示，浅层岩溶裂隙土壤水分季节变化显著，土壤平均含水率随土层深度的增加而增加，这与张君等^［12］的研究结果相同。雨季各土层平均含水率S（30.5%）、U₁（34.2%）、U₂（38.1%）、U₃（40.6%）远高于旱季平均含水率（21.1%，28.3%，34.0%，35.8%）（图4）。陈洪松等^［21］基于喀斯特地区洼地剖面土壤含水率变化研究指出，与非喀斯特区相比，喀斯特洼地体积含水率垂直变化分层较少，只包括活跃层、次活跃层和相对稳定层，没有速变层。但本研究发现，在喀斯特浅层岩溶裂隙土壤水分垂直变化分层中有速变层的划分。由表2可知，受季节因子影响，S层土壤在旱季土壤含水率垂直变化分层表现为速变层（C_V：33.2%>30%），这可能与喀斯特区地质背景的不同略有差异。本研究发现，浅层岩溶裂隙土壤水分存在时空动态垂直分异。监测期内，各土层（S—U₂）土壤含水率垂直变化表现为随土层深度增加而逐渐稳定，但深层次（U₃）土壤含水率垂直变化表现为中等变异（表1）。随时间变化各层土壤含水率变化有所差异：在雨季内，地表（S）和深层（U₃）土壤含水率表现为中等变异（次活跃层），其余各层相对稳定，这可能与雨季降雨充沛和浅层岩溶裂隙独特的“土壤—裂隙”复合介质密切相关^［3］；在旱季，随土层加深土壤含水率垂直变化趋势相对稳定，这与高阿娟等^［23］研究结果一致。

喀斯特浅层土壤水分变化是一个受降雨、季节变化、植被类型、土壤结构和裸露基岩影响的复杂过程，且与非喀斯特区具有更强的空间时间异质性^{［11，16，24］}。研究显示，在降雨条件下，浅层岩溶裂隙不同深度土壤水分的降雨响应显著不同。根据监测期内浅层岩溶裂隙土壤含水率随降雨的动态变化特征（图4），U₃层土壤水分在雨季初期对降雨变化波动较大，季节变化显著，而U₂层土壤水分季节变化相对稳定，土壤水分保持时间较长；浅层土壤（S和U₁）水分在雨季初期对降雨变化相对稳定，季节变化显著，但S层土壤水分对降雨响应较快，干湿交替明显。

本研究发现喀斯特浅层岩溶裂隙不同深度土壤水分的降雨响应显著不同（图5）。小雨事件（总降雨量8.33 mm）仅触发S层土壤水分响应（增幅63.73%），深层（U₂，U₃）无显著变化，表明喀斯特区对小雨资源的低效利用^［24］。中雨事件（20.33 mm）则显著影响各土层，尤其深层（U₃）含水率增幅达51.56%，衰退期长达1 530 min（表2，图5B），说明中等强度降雨通过缓慢渗透有效补给深层水分，与Yan等^［25］关于岩溶区水分恢复机制的结论相似。大雨（35.75 mm）和暴雨（91.92 mm）事件下，水分动态呈现“表层滞水—中层过渡—深层速排”的梯度特征：大雨时S层含水率增幅最大（24.31%），但深层（U₃）因优先流路径发育导致响应滞后且衰退迅速（5.66%增幅，20 min滞后）；暴雨中U₃层虽响应最晚（190 min），却最早达到峰值（39.5%）并维持长平台期（920 min），而U₂层（峰值39.7%）因裂缝网络影响呈现剧烈波动与超长衰退期（2 490 min）。此外，岩溶裂隙与裂隙土壤共同构成的岩-土界面，因土壤-基岩界面形成渗透差，形成优先流路径，这不仅加快壤中流的出发，也提高土壤垂直入渗速率^{［15，17］}。本研究得出，小雨事件中U₁层土壤对降雨的响应时间与S层土壤水分响应时间相似，其原因为在降雨过程中，水分优先沿岩-土界面迅速下渗，形成优先流通道使得U₁层土壤对降雨响应更加迅速。在中雨事件中，U₃层土壤相较于U₁，U₂层土壤对降雨响应分别提前30 min，20 min，深层土壤对降雨响应更迅速，与曾红等^［16］研究结果相似。即距离出露基岩越近的土壤优先流发育程度更弱，使得岩—土界面优先流对于深层土壤的影响更显著。总之，在喀斯特地区中雨是深层岩溶裂隙土壤水分恢复的关键驱动力，强降雨事件（大雨、暴雨）则通过裂隙结构加剧水分垂向迁移的异质性。降雨事件对喀斯特区裂隙土壤水分变化具有重要影响，本研究对极端降雨事件的研究较浅，未来研究将增加长时间的监测以及极端降雨事件的捕捉，以加深降雨事件对裂隙土壤水分影响的理解。

3.2 浅层岩溶裂隙土壤储水量特征及其水分调蓄特征研究

本研究显示喀斯特浅层岩溶裂隙土壤的储水量特性显著受土层深度和季节性降雨的共同影响，呈现出鲜明的垂直分异特征与动态响应规律。由表3可知，土壤储水量呈显著垂向阶梯式分异特征。平均储水量特征变化为S（54.8 mm）<U₁（128.7 mm）<U₂（220.3 mm）<U3（314.6 mm），S层最大储水量仅93.8 mm，而U₃层高达500.8 mm，增幅达433.9%（图6）。深层土壤（U₂和U₃层）的最小储水量（191.4~275.2 mm）约为浅层（S， U₁）的5.1~15.5倍。这表明深层岩溶裂隙土壤具有较强的水分储存能力，能有效缓冲外界环境（如蒸发、植物蒸腾）的短期扰动。这可能与岩溶裂隙土壤水分调蓄功能有关：一方面，在降雨后延缓深层土壤水分下渗，增加土壤水分滞留时间；另一方面，在水分匮乏时期对深层土壤水分的补给。相比之下，浅层土壤储水量波动剧烈，尤其在S层，其最小储水量极低，印证了表层土壤对气候因素的高度敏感性^［26］。不同土层对降雨的季节性响应存在显著差异。S层储水量变化呈现出“稳定期—衰退期—补给期”三阶段模式，其中在水分消耗期（6—11月）最大变幅达208.6%，表明浅层土壤水分补给与流失速率极快。U₁层虽响应模式相似，但衰退期滞后约15 d，这与水分向下迁移的时间滞后有关。深层土壤中，U₂层年际变幅<12%，凸显其作为“水分缓冲区”的功能；而U₃层在雨季受集中降雨驱动，储水量峰值达500.8 mm，增量显著（225.6 mm），表现出深层裂隙对降水的快速吸纳与储存能力。

总而言之，在浅层岩溶裂隙土壤水分变化过程中，相邻两土层土壤水分变量之间的相关性相对较高：在时间序列中，土壤层越深，相邻土壤层的水分时间稳定性越强^［24］。例如在各土层土壤含水率随降雨的动态变化特征中（图4），深层土壤U₂和U₃层土壤水分变化相似性较高。在典型降雨事件响应中，尽管各土层水分对大雨和暴雨事件响应显著，但深层土壤水分变化相对浅层较小（图5），裂隙土壤整体对大雨和暴雨水利用效率不高；此外，中雨事件带来的降雨量较少，但U₃层土壤水分变化相较于其他土层极其显著，水分增幅大，较长衰退期（表2）。Yang等^［18］分析3个岩溶裂隙中填充物水力特性得出，其水力性质和水文生态功能取决于裂隙填充物的理化性质和层状结构。Yan等^［7］进一步研究了不同取样位置及裂隙形态对裂隙土壤性质的影响，发现浅层岩溶裂隙土壤的容重和黏粒含量随土层深度增加而显著增加，且漏斗状裂隙垂直剖面的土壤容重明显高于其他裂隙类型。深层土壤较高的黏粒含量以及漏斗状裂隙的结构特征共同导致土壤内部压力增大、孔隙度降低，从而促进了土壤水分向下运移，有利于更多水分的储存。这一现象与本研究中U₃层土壤表现出的较强持水性结果相一致。此外，研究发现U₁，U₂层土壤水分在降雨事件后的消退期较长，这主要受裂隙形态控制：随着土层加深，裂隙与土壤形成的优先流通道减少，导致土壤水分向下运移速率减缓，延长了水分滞留时间。整体而言，浅层岩溶裂隙土壤S层处于土壤-大气界面，土壤水分受气候变化影响，对降雨响应敏感，土壤储水增量较低（76.0 mm），水分调蓄能力差；U₁和U₂层是土壤水分的缓冲区，一方面补给上层土壤水分消耗，另一方面慢速渗透补给下层土壤；U₃层位于岩-土界面深处，能够收集来自不同路径（入渗流、岩土界面流、地下水）的水源^［27］，土壤储水增量大（255.6 mm），对中等及以上降雨显著，且水分衰退期较长，拥有较好的水分调蓄能力。

Nie等^［28］研究表明，喀斯特地区植物根系主要分布于表层疏松土壤中，呈横向发育特征，其对土壤结构的影响主要集中于浅层。植被根系在浅层土壤中不仅增加土壤孔隙度，提升土壤持水能力，还促使降水入渗后土壤水分更多地发生水平流动，从而改变了优先流的运移路径。此外，不同植被类型对土壤水分动态及优先流特征具有显著影响。对比草地与林地发现，林地优先流发生频率（22.92%）显著高于草地（14.92%），且林地深层土壤对水分的响应更为明显，其土壤储水能力也显著优于草地^［29］。植被覆盖还会改变降雨的再分配过程，影响地表土壤对降雨的响应，提高水分入渗率，并减缓浅层土壤水分蒸发^［30］。同时，植物生长发育过程中的水分消耗也会影响土壤的储水功能。因此，在喀斯特浅层岩溶裂隙环境中，植被因素可能对裂隙土壤水分响应降雨的机制及其自身的储水性能产生重要影响。由于本研究重点在于探索浅层岩溶裂隙土壤储存及其对降雨的响应规律，研究结果初步揭示该部分土壤的水分调蓄能力，证实了裂隙土壤具备为喀斯特坡地植被提供水源的能力。本研究内容没有考虑植被的影响，而裂隙土壤作为喀斯特坡地植被重要的根系生境，植被因素对裂隙土壤储水能力的影响不容忽视，在今后的研究中可以进一步探索植被因素对裂隙土壤水文过程的作用，以加深对喀斯特浅层岩溶裂隙土壤水分运移特征与水文功能的理解。

4 结 论

（1） 自然降雨监测内，喀斯特浅层岩溶裂隙土壤含水率随深度递增且雨季显著高于旱季。本研究中，S土壤旱季水分变异显著，其余各层相对稳定，U3土壤水分变化在雨季为中等变异。浅层岩溶裂隙土壤水分垂直分异特征与季节性降雨有关。

（2） 不同降雨强度下，岩溶裂隙土层的水分响应特征呈现差异性。在小雨事件中，表层（S层）土壤对降雨响应最为敏感。中雨事件则促使优先流沿岩-土界面加速发展，显著提高水分向深层迁移的速率，导致深层（U₃层）土壤含水率响应加快，并呈现显著提升（增幅达51.56%）。强降雨事件期间，各土壤层对降雨过程均表现出显著响应。同时，垂向水分异质性增强，其中U1和U2层土壤水分在降雨停止后表现出较长的衰退期。

（3） 浅层岩溶裂隙土壤水分最大储水增量为U₃（225.6 mm）>U₂（144.0 mm）>U₁（90.4 mm）>S（76.0 mm），裂隙土壤储水增量随土层深度变化显著变大。受季节性降雨、降雨强度以及裂隙形态等因素影响，深层（U₂，U₃）较浅层（S， U₁）具有更强的储水能力和环境缓冲能力。

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基金资助

国家自然科学基金“草海流域水文地质特征及面源污染响应机制”(42467045)

国家自然科学基金“喀斯特碳酸盐与碎屑岩交互区坡面土壤侵蚀过程与机理”(42167044)