碳酸盐岩地貌占据了全球陆地面积的10%至15%，由于其强烈的可溶蚀性，导致土层浅薄，下伏表层岩溶带裂隙、管道网络遍布，空间异质性高，水文过程极其复杂且易受外界环境的影响。随着全球变化的加剧，预测喀斯特区水文过程如何响应极端气候及人类干扰变得至关重要。要在类似喀斯特区极高异质性地质背景下，实现基于有限参数条件的水文及物质迁移转化过程的准确刻画，关键在于深入研究水文过程、植被、土壤、表层岩溶带、基岩和其他因素之间的相互反馈机制。
中国科学院亚热带农业生态研究所陈洪松课题组，前期在小流域尺度上，通过物探发现土壤厚度与表层岩溶带深度显著正相关，小流域植被群落、土壤类型、岩溶发育程度之间呈现出很好的空间对应关系，然而喀斯特山坡岩土结构与水文功能之间的定量关系仍不清楚。
针对以上科学问题，陈洪松课题组依托环江站喀斯特坡地关键带三维水土过程观测平台，综合应用全坡面岩土探槽开挖、岩土结构定量刻画、多界面水文水化学过程动态监测等方法，于2019年4月至2022年5月期间共计监测了158次喀斯特关键带不同界面（地表径流、岩土界面壤中流）降雨-产流事件，同时调查了土壤-表层岩溶带结构参数（924组土壤厚度和表层岩溶风化程度配对数据）。结果表明：（1）土层厚度随下伏表层岩溶带风化程度的增加而增大，土层厚度与表层岩溶带厚度呈显著正相关关系（P<0.001）；（2）非极端降雨条件下（降雨量<50mm/12h），地表径流量与土壤厚度显著正相关（P<0.001），岩土界面壤中流与土壤厚度呈显著负相关（P=0.0018），喀斯特山坡关键带产流路径发生转变的临界土壤厚度为50cm；（3）降雨量>50mm/12h条件下，不同厚度小区出现地表径流与岩土界面壤中流共存的现象，且地表径流与岩土界面壤中流显著正相关，说明地表水文过程与地下水文过程之间出现明显水文连通现象。（4）相比浅薄土壤，深厚土壤的淀积层发育，且具有较高的储水能力和CO2浓度，促进了表层岩溶带的发育，弱透水性淀积层及高透水表层岩溶带导致地表径流增加，岩土界面壤中流减少。这是喀斯特关键带土壤-表层岩溶带结构与水文过程共同演化的本质原因。研究发现的双50阈值（50cm土壤厚度以及50mm降雨量），以及喀斯特关键带结构-过程-功能的共同演化规律，能为喀斯特区水土资源可持续高效利用、高精度水土过程模型构建提供理论支撑。
上述结果以Co-evolution among soil thickness, epikarst weathering degree, and runoff characteristics on a subtropical karst hillslope为题，发表在SCI一区Top期刊Journal of hydrology上（IF=6.4），该研究得到广西重点研发项目（AB22035058）、国家重点研发项目（2022YFF1300702）资助。
图1 土层厚度与表层岩溶带风化程度的关系
图2 常规降雨条件下（降雨量<50mm/12h）径流与土层厚度的关系
图3 喀斯特坡地土壤-表层岩溶带结构与水文过程协同演化机理示意图