《Journal of Hydrology》：Integrated multi-scale ecohydrogeological monitoring of spatio-temporal dynamics in karst critical zones
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喀斯特环境对水文气象变化的脆弱性促使建立多尺度生态水文监测框架，以斯洛文尼亚森林喀斯特含水层为案例，通过整合地表与地下监测点、改进降水观测系统、定制喀斯特土壤渗流水测量技术，揭示喀斯特临界带（KCZ）水文-生态耦合机制，同时指出传感器防护、遥感整合及跨学科协作等现存挑战。
Nata?a Ravbar|Metka Petri?|Mitja Ferlan|Uro? Novak|Janez Kermavnar|Lado Kutnar|Aleksander Marin?ek|Daniel ?lindra|Bla? Kogov?ek|Erika Kozamernik|Cyril Mayaud|David ?tefani?|Sara Skok|Janez Mulec|Stanka ?ebela|Ur?a Vilhar
斯洛文尼亚萨兹大学（SAZU）喀斯特研究所（ZRC SAZU），地址：Titov trg 2，邮编SI-6230，Postojna
摘要
当前的环境问题凸显了喀斯特环境对水文气象模式变化和植被扰动的脆弱性，这需要一个统一的、跨学科的策略来全面理解这些现象。本文批判性地审视了当前的研究现状。为了克服已识别的研究空白，本文提出了一种针对喀斯特关键区域（KCZ）及其时空变异性的综合多尺度生态水文地质监测方法。以斯洛文尼亚的森林喀斯特含水层为例，展示了该监测框架的优势和局限性。该方法结合了地表和地下监测点，并采用了适应喀斯特环境挑战的先进技术，以解析水流动态并制定定制的数据收集策略。研究结果强调了监测和采样方法在异质环境中的有效性和进步，特别是通过改进降水监测系统将采样范围扩大了近五倍，并提高了降水量和穿透量的测量精度。此外，还开发了适用于喀斯特土壤的专用渗滤仪技术以及用于洞穴探索的微观尺度适应措施，以应对具有显著变异性的环境中的仪器放置难题。然而，在实现时空代表性以及确保雪量监测、土壤溶液采样和滴流测量的操作可靠性方面仍存在挑战。尽管如此，这种综合方法仍有助于改善喀斯特关键区域的生态水文地质过程监测，促进跨学科合作和环境资源管理。
引言
当代社会日益关注水文气象模式变化、极端天气事件和自然灾害的影响，因为这些因素会改变植被覆盖、水循环和其他生态水文地质过程（Condon等人，2021年；P?rtner等人，2022年）。在所有脆弱的环境中，具有喀斯特孔隙性的含水层尤为突出，因为它们具有高度动态的水文过程，极易受到各种环境干扰的影响（Ford & Williams，2007年）。
喀斯特含水层覆盖了全球约15%的土地表面，在欧洲占比高达五分之一，是重要的水资源，满足了世界大部分的饮用水需求（Hartmann等人，2014年；Stevanovi?，2019年；Goldscheider等人，2020年）。同时，喀斯特地区提供了无价的生态系统服务，包括独特的、依赖地下水的栖息地，这些栖息地拥有丰富的生物多样性以及遗传物质（Siegel等人，2023年）。随着对喀斯特水资源需求的增加，了解和监测环境变化对喀斯特水文和生态的潜在影响变得至关重要。忽视这些变化可能导致长期后果，如水资源短缺或洪水、水质恶化以及喀斯特水文的其他负面影响（Long等人，2018年；Kova?i?等人，2020年；Klaas等人，2020年；Morrissey等人，2021年）。另一方面，将数据整合到区域和全球层面，并简化大量高质量数据的评估，极大地推动了喀斯特水文学领域的发展（例如Goldscheider等人，2020年；Olarinoye等人，2020年）。
最近的研究表明，植被覆盖变化对水文过程有重要影响，但这些影响尚未得到充分理解。现有的研究主要集中在非喀斯特环境中，并且局限于小范围的研究（Carrière等人，2020年；Tramblay等人，2020年；Vilhar等人，2022年）。在喀斯特地区进行的研究中，关于渗透、补给和地下水流动过程的综合研究存在明显不足。与水资源质量和数量相关的问题也研究不足，缺乏评估喀斯特水文广泛影响的整体性区域研究（Vilhar等人，2022年）。此类研究需要持续监测，以确保在整个研究过程中收集到一致且可靠的数据。
目前全球各地为喀斯特生态水文研究建立的监测站点缺乏一种能够应对喀斯特地区复杂性的统一方法，这些地区涉及多个环境领域。这些站点还存在跨学科合作不足的问题，不同学科的专家参与度较低（Cantonati等人，2020年）。技术挑战包括难以进入的地点、不适当的采样设备以及土壤和地下直接水文测量的复杂性，这些都阻碍了在区域或流域尺度上对地下水补给的评估和量化。小范围内的多样地形，尤其是难以通行的洼地和喀斯特沟壑，进一步增加了研究的复杂性（Breg Valjavec等人，2022年）。
喀斯特地形的异质性导致土壤条件的极端变异性和多样的森林发育阶段，这使得识别具有代表性的监测站点变得困难（Kobal等人，2015年）。尽管地下洞穴学研究提供了关于地下结构和水流的原位数据（Heimel & Tobin，2022年），但大多数水洞难以进入。此外，很少有研究站点拥有大量钻孔，无法在大范围内对水文地质信息进行代表性插值。虽然传统的抽水测试等方法提供了有价值的数据，但它们仅反映了井周围的状况，通常无法全面描述整个含水层的情况（Stevanovi?等人，2024年）。从土壤或地下水流中采样也存在问题，因为样本难以收集且浑浊，需要额外的实验室处理。
近年来，包括遥感、计算机技术和人工智能技术（如数值建模和机器学习）在内的有前景的非侵入式野外方法展示了在喀斯特地区提供新的补给和流动过程见解的潜力（Watlet等人，2018年；Wunsch等人，2022年；Cinkus等人，2022年）。然而，缺乏可靠的野外数据以及含水层的地表和地下异质性限制了先进研究方法的应用（Sarrazin等人，2018年）。此外，现有的水文模型往往过于简化，未能充分校准到实地测量数据。此外，不同学科之间缺乏合作，无法在喀斯特含水层的不同空间和时间尺度上整合水文和生物过程，尽管地下水循环与储存、地表水以及喀斯特栖息地中生物的空间分布之间存在强烈的直接互动（Bonacci等人，2009年；Vilhar等人，2022年）。
为应对这些挑战，本研究通过创新的多学科方法，推进了喀斯特关键区域复杂生态水文过程的监测（Moore等人，2015年；Seidl等人，2017年；Mollenhauer等人，2018年）。具体而言，它旨在通过以下方式加强进一步研究的基础：i.) 批判性地回顾该领域的现状并识别关键研究空白；ii.) 提出一种统一的监测策略，整合影响喀斯特生态水文的多种因素，并关注空间和时间变异性；iii.) 评估现有监测网络在森林喀斯特含水层中的优势和局限性。
通过整合这些目标，本研究提出了一种多尺度方法，以阐明流动和传输机制，并优化喀斯特关键区域的数据收集。它为大气-地质圈-水圈-生物圈之间的喀斯特生态水文提供了新的见解，为这一高度相关的话题提供了全球独特的视角。这样的综合框架对于制定有效的管理策略至关重要，因为喀斯特系统对影响水资源、生物多样性和土壤稳定性的地表活动非常敏感。
部分摘录
喀斯特关键区域
本节首先定义了喀斯特关键区域（KCZ）的概念，随后对喀斯特环境中的生态水文监测现状进行了批判性回顾，指出了关键的研究空白。基于这些发现，我们提出了一种统一的监测策略，整合了影响喀斯特生态水文的多种因素，重点关注空间和时间变异性。该框架旨在指导更有效的综合监测工作的发展。
喀斯特关键区域监测的优化
为了说明所提出的策略，我们在一个属于eLTER研究网络和欧洲LifeWatch研究基础设施的森林喀斯特含水层进行了案例研究（Pipan等人，2018年）。该地点处于测试新监测方法和研究创新的前沿，因此被选为评估所提出监测系统优势和局限性的案例站点。选择该地点还因为它在方法论上最为契合。
空间变异性视角
鉴于我们关注KCZ监测的原则以及获得的丰富数据，我们仅展示部分结果，以说明和更好地理解现有监测网络的功能，并通过案例研究结果支持整体监测方法的必要性。例如，在Planina洞穴上进行的结构-岩性测绘显示，白云岩和白云岩角砾岩层夹杂在主要的石灰岩中。
推进喀斯特环境中的生态水文监测
研究结果表明，喀斯特地区的自然条件具有显著的变异性和异质性。观察到的模式无法仅用一两个因素来解释，而是由多个因素的相互作用和协同作用造成的。因此，所描述的监测方法的新颖之处在于其多圈层的方法论，在提出的喀斯特关键区域观测框架内得到了应用和验证。与传统监测系统相比，
结论与新视角
本研究指出了喀斯特生态水文监测中的关键研究空白，包括缺乏大规模、整体性的研究，这些研究未能解决渗透、补给和地下水流动问题。当前的研究往往集中在非喀斯特环境中，或者仅限于小范围的研究，对水资源质量和数量的考虑不足。此外，现有的监测网络存在碎片化、跨学科合作不足和技术挑战，限制了其效果。
未引用的参考文献
Baker等人，2021年；Baker等人，2024年；Cantón等人，2010年；De Oliveira等人，2015年；ICOS，2022年；ICP Integrated Monitoring，2022年；INSPIRE欧洲空间信息基础设施，2024年；ISO 5667–1，2023年；Polk等人，2021年；USGS，2006年；Willimas，2008年。
CRediT作者贡献声明
Nata?a Ravbar：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、资源管理、方法论研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Metka Petri?：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论研究、数据管理、概念化。Mitja Ferlan：方法论研究、调查、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究是在eLTER预备阶段项目（eLTER PPP）、eLTER高级社区项目（eLTER PLUS）以及“提升斯洛文尼亚RRI空间国际竞争力的研究基础设施——RI-SI-LifeWatch”框架内进行的，得到了斯洛文尼亚共和国、教育科学体育部以及欧盟欧洲区域发展基金的资助。我们感谢斯洛文尼亚研究机构在资金上的支持。
