喀斯特地貌研究新进展:南京林业大学和贵州大学团队揭示径流路径分配关键因素
论文题目：《Runoff pathway redistribution determined by rainfall and shallow karst fissures drives dissolved carbon allocation in abandoned karst farmland》原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2026.1353432026年3月20日，南京林业大学和贵州大学研究团队在国际水文学领域期刊《Journal of Hydrology》发表学术论文《Runoff pathway redistribution determined by rainfall and shallow karst fissures drives dissolved carbon allocation in abandoned karst farmland》。杨雪为第一作者，严友进和戴全厚为共同通讯作者。喀斯特地区广泛发育浅层裂隙，降雨发生后，地表径流不仅沿土壤表面迁移，还会沿裂隙快速向地下输送。这种“地表—地下”双重输移过程决定了溶解性有机碳（DOC）和溶解性无机碳（DIC）的去向，但目前关于不同降雨条件下，浅层喀斯特裂隙如何改变溶解碳迁移路径仍缺乏系统认识。该研究通过构建不同裂隙孔隙度的喀斯特撂荒地小区，在天然降雨条件下连续监测不同径流路径中的DOC和DIC变化，揭示了“降雨类型—裂隙结构—径流路径—碳分配”之间的耦合机制。研究发现：浅层喀斯特裂隙显著改变了溶解碳的迁移方式，使碳输出主通道由地表径流逐渐转向土壤—裂隙界面；频繁小雨尤其容易促进DOC沿裂隙向地下流失，而较高孔隙度则更有利于DIC输出。喀斯特地区约占全球陆地面积的15%，其碳循环过程受到岩溶裂隙、地下水和降雨过程的共同控制。碳酸盐岩风化能够消耗大气CO₂，并产生大量DIC，因此喀斯特生态系统通常被认为具有较强的“碳汇效应”。然而，真正决定碳汇强弱的，不只是风化产生了多少碳，还取决于这些碳最终通过什么路径被输送、保存或重新释放。在喀斯特坡地中，浅层裂隙（shallow karst fissures, SKF）普遍存在。降雨发生后，水流既可以形成地表径流，也可以通过裂隙向土壤深层和地下快速入渗。不同路径对应着不同类型碳的迁移：地表径流往往携带更多有机碳，而裂隙和地下径流更容易富集无机碳。因此，浅层裂隙可能改变DOC与DIC的比例，进而重塑喀斯特地区的碳收支。已有研究大多关注降雨量对径流和碳输出的影响，而较少考虑裂隙孔隙度及其与降雨类型的协同作用。特别是在撂荒农地中，土壤结构、植被覆盖和裂隙暴露程度均发生明显变化，可能使碳迁移路径与传统耕地显著不同。因此，明确不同裂隙孔隙度条件下，降雨如何驱动DOC和DIC在不同径流路径之间重新分配，是准确评估喀斯特地区碳汇的重要前提。- 浅层喀斯特裂隙是否会改变撂荒农地中DOC和DIC的主要输出路径？
- 不同裂隙孔隙度条件下，DOC与DIC的输出强度及其比例如何变化？
- 不同降雨类型（频繁小雨、短时强降雨等）是否会驱动碳输出路径重新分配？
- 浅层裂隙与降雨过程共同作用下，喀斯特地区碳汇评估会受到怎样的影响？
研究区位于贵州典型喀斯特撂荒坡地。研究团队设置了4种浅层裂隙孔隙度梯度：0%（CK，对照）、4%（KF4）、9%（KF9）和16%（KF16），以模拟不同发育程度的浅层喀斯特裂隙。- 土壤—裂隙界面径流（soil-matrix interface flow）
同时测定各径流路径中的DOC、DIC及总溶解碳（DC）浓度与输出通量，并结合降雨量、降雨频率和降雨持续时间，分析不同降雨事件下碳迁移的路径分配特征。通过比较不同裂隙孔隙度处理之间的差异，进一步量化浅层裂隙对DOC和DIC迁移的增强效应，以及不同降雨模式下碳输出主通道的转变过程。- 浅层喀斯特裂隙显著增强了溶解碳迁移，并改变了主要输出路径。随着裂隙孔隙度增加，溶解碳不再主要通过地表径流流失，而是逐渐沿土壤—裂隙界面和地下裂隙路径输出。
- 裂隙孔隙度越高，DIC浓度和输出通量越大。KF16处理中，DIC始终占主导地位，表明高孔隙度裂隙更有利于碳酸盐溶解产生的无机碳向地下迁移。
- 频繁小雨事件显著促进DOC沿裂隙路径输出。特别是在较低裂隙孔隙度条件下（KF4和KF9），DOC输出比例分别达到52.69%和51.54%，与DIC基本相当，说明小雨条件下有机碳更容易通过浅层裂隙向地下重新分配。
- 降雨类型决定了DOC和DIC的主导地位。短时强降雨更容易形成地表径流和无机碳输出，而频繁、持续时间较长的小雨则有利于DOC积累并通过裂隙持续向下迁移。
- 裂隙孔隙度和降雨过程之间存在明显耦合作用。低孔隙度裂隙主要改变DOC输出比例，而高孔隙度裂隙则进一步强化DIC损失，使喀斯特系统的碳输出由“有机碳主导”逐渐转向“无机碳主导”。
浅层喀斯特裂隙相当于连接地表与地下的“快速通道”。降雨发生后，水流优先沿裂隙入渗，削弱了传统地表径流过程，并改变了DOC和DIC的迁移路径。DOC主要来源于土壤表层有机质和植物残体。频繁小雨虽然难以形成强烈地表径流，但能够持续湿润土壤表层，使有机碳不断溶出，并通过浅层裂隙缓慢向下输送。因此，在低—中等孔隙度裂隙条件下，小雨更容易造成DOC的大量输出。相较之下，DIC主要来源于碳酸盐岩风化。裂隙孔隙度越大，雨水与岩石接触面积越高、停留时间越长，越有利于CaCO₃溶解并产生更多DIC。同时，高孔隙度裂隙还增强了深层渗漏，使无机碳更容易进入地下水系统。因此，在KF16等高孔隙度处理中，DIC输出明显占优势。这种“降雨过程决定DOC 运移，裂隙结构决定DIC 积累”的双重机制，使喀斯特撂荒地中的碳迁移表现出明显的路径重分配特征。传统碳汇评估往往只关注地表径流和土壤有机碳变化，忽略了裂隙介导的地下碳输出，因此可能低估喀斯特地区真实的碳损失。- 图3. 降雨模式和浅层岩溶裂隙孔隙度对径流产生空间分布的影响
- 图4. 降雨模式和浅层岩溶裂隙孔隙度对溶解碳损失浓度的影响
- 图5. 通过浅层岩溶裂隙孔隙度介导的不同水文途径的溶解碳损失浓度
- 图6. 降雨模式和浅层岩溶裂隙孔隙度对溶解碳损失通量的影响
- 图8. 溶解有机碳和溶解无机碳对溶解碳损失通量的比例贡献
本研究得到国家自然科学基金（42007054, 42167044, 42107355）、中国博士后科学基金（2020M673296）和国家重点研发计划（2023YFF130440102）的资助。Yang X, Yan Y, Dai Q, et al. Runoff pathway redistribution determined by rainfall and shallow karst fissures drives dissolved carbon allocation in abandoned karst farmland. Journal of Hydrology, 672, 135343 (2026).
