在中国西南部喀斯特坡地不同条件下，土壤干裂对水分渗透的影响

《Soil and Tillage Research》：Influence of soil desiccation cracks on infiltration under different conditions of karst hillslope in Southwest China

喀斯特地貌区干缩裂缝发育特征及其对入渗影响研究。采用单环入渗法揭示不同土地利用（耕地/草地/果园）和裂缝强度下裂缝形态演变规律，发现裂缝初始入渗增强效应随湿润过程衰减，果园土壤裂缝 persistence 最强，累计入渗率提升达71.11%。基于裂缝宽度修正的 Horton 模型可有效提升喀斯特区水文模拟精度。

　　

张思琪|张凯利

北京师范大学地理科学学院地理学系，中国北京100875

摘要

中国西南部是一个独特的地貌单元，其特点是地形崎岖、土壤层薄且碳酸盐岩基岩破碎。尽管该地区接收大量季风降雨，但地表径流量却非常少。在全球变暖加剧的情况下，由土壤收缩引起的干裂在碳酸盐岩土壤中普遍存在，这些干裂成为水分优先流动的路径，给水文预测带来了重大不确定性。本研究旨在阐明干裂在水文中的作用，以改进喀斯特地区的径流和侵蚀模型。我们调查了一个代表性喀斯特坡面（50×80厘米范围，样本量n=390）上的土壤干裂形态，并通过单环渗透仪实验（样本量n=36）评估了不同干裂强度（控制组、小裂隙、中裂隙、大裂隙）和土地利用类型（耕地、草地、果园）对渗透的影响。研究结果表明：喀斯特坡面上的干裂非常普遍，裂隙比例、长度密度、宽度和深度分别为0.45%至12.02%、0.006–0.050厘米·厘米^-2、0.15–1.96厘米和1.8–22.46厘米，裂隙主要呈水平或垂直方向分布。裂隙的形成受到土壤、地形、植被和土地利用方式相互作用的影响，其中土壤-植被相互作用在裂隙形成和演变中起主导作用。干裂通过优先流动显著增加了初始渗透量，但在湿润过程中裂隙闭合后这种效应减弱。植被恢复延长了裂隙的持续存在时间，从而增强了优先流动作用，这种效果在果园土壤中最明显，其次是草地和耕地。与未裂隙土壤相比，有小裂隙、中裂隙和大裂隙时，累计渗透量分别增加了7.03–29.33%、20.15–43.56%和42.18–71.11%。最后，我们开发了一个结合裂隙宽度的改进版霍顿模型，以准确捕捉渗透动态。研究结果揭示了干裂在喀斯特坡面上的水文重要性，并为改进中国西南部喀斯特地区的径流和侵蚀模型提供了有效框架。

引言

喀斯特是一种独特地貌单元，其特征是地形崎岖、土壤层薄且不连续，以及高度破碎的碳酸盐岩基岩（Ford和Williams，2007年；Perrin等人，2003年）。中国西南部拥有世界上最大的喀斯特区域之一，面积约为54万平方公里，居住着超过1亿人（D’Ettorre等人，2024年；Jiang等人，2014年）。强烈的季风降雨和广泛的人为干扰共同作用，使得该地区极易发生土壤侵蚀，导致大面积的岩石沙漠化（Jiang等人，2014年）。除了严重的侵蚀外，喀斯特地区的严重水分流失还严重限制了生态系统的供水能力，阻碍了生态恢复（Fu等人，2025年；Peng和Dai，2022年）。尽管年降水量较高，但年地表径流系数通常低于10%，这一现象通常归因于喀斯特的双层结构（Chen等人，2012年；Peng和Wang，2012年；Zhang和Zhang，2025年）。然而，覆盖在基岩上的碳酸盐岩土壤具有较高的水分保持能力、较高的黏土含量和较低的饱和水力传导性（Peng等人，2020年；Zhang等人，2021年），这引发了一个关键问题：降雨是如何迅速从土壤表面传输到上层喀斯特的？最近的研究表明，由土壤收缩引起的干裂在近地表土壤中普遍存在，并作为重要的优先流动路径，显著增强了地下渗透并抑制了地表径流（Greve等人，2010年；Luo等人，2021年）。在气候变化的背景下，极端干旱和降雨的频率和强度增加预计将促进裂隙的形成，从而加剧其对坡面水文和侵蚀过程的影响（Dai，2013年；Gebrechorkos等人，2025年）。因此，阐明干裂的水文作用对于改进喀斯特地区的径流和侵蚀模型至关重要。

在过去几十年中，实验室实验、理论分析和数值模拟方面的重大进展加深了人们对土壤干裂形成、扩展及其水文功能的理解（Luo等人，2023年；Luo等人，2021年；Tang等人，2021年；Tang等人，2020年）。总体而言，干裂的形成和扩展受土壤内在性质（如黏土矿物学、团聚体结构、黏土含量和压实密度）以及外部环境因素（如温度、湿度、湿润-干燥循环和边界条件）的影响（Tang等人，2020年；Tang等人，2008年；Zeng等人，2020年）。作为该领域的先驱，Tang团队系统研究了土壤水分在反复湿润-干燥循环下的裂隙形态动态变化，并研究了干裂对膨胀黏土中优先流动的影响（Cheng等人，2021年；Tang等人，2020年；Zeng等人，2022年）。然而，大多数先前的研究仅限于使用土壤浆液或压实柱的小规模实验室实验，无法充分反映野外干裂的规模和结构复杂性。尽管实验室和野外研究提供了关于干裂动态及其对坡面和流域水文影响的见解（dos Santos等人，2016年；Favre等人，1997年；Inoubli等人，2016年；Luo等人，2025年），但这些研究主要针对非喀斯特土壤，限制了其在喀斯特景观中的适用性。

近年来，人们越来越关注干裂对中国西南部喀斯特地区坡面水文的影响，但仍存在许多知识空白。首先，现有研究主要集中在岩土界面处的裂隙，而不是土壤基质内的干裂（Liu等人，2022年；Peng等人，2024年；Yang等人，2023年）。例如，Peng等人（2024年）研究了在不同土壤厚度条件下岩土界面处干燥收缩裂隙的发展，而Liu等人（2022年）表明岩土界面处的近地表裂缝促进了快速的水分垂直传输。Cen等人（2023年）进一步报告称，岩土界面处的土壤颗粒容易发生向下迁移。与岩土界面裂缝不同，土壤基质内的干裂可以自由扩展，表现出高度的形态可塑性和明显的时空变异性，尤其是在长期干旱条件下。此外，一些研究通过结合染料追踪的实验室柱实验来隔离单个裂隙，并评估其形态和连通性对优先流动的影响（Guan等人，2024年；Hou等人，2023年；Liu和She，2020年）。例如，Liu和She（2020年）通过渗透和蓝色染料追踪实验研究了裂隙深度、配置和夹杂物对碳酸盐岩红土中优先流动的影响。然而，这些研究通常使用具有固定孔隙的人造裂隙，无法捕捉自然干裂的动态闭合过程。因此，迫切需要开展原位研究，以揭示碳酸盐土壤中干裂的形成及其对喀斯特坡面水文的影响。

尽管干裂被认为是优先流动的关键通道，但由于土壤膨胀和裂隙闭合的同时发生，其在湿润过程中的持续存在仍不确定。一些研究者报告称，由裂隙引起的优先流动是短暂的，很快就会降至与未裂隙土壤相当的水平（Cheng等人，2021年；Liu等人，2003年；Morales等人，2021年），而另一些研究者则认为即使在裂隙部分或完全封闭后，优先流动仍可以持续（Greve等人，2010年；Luo等人，2021年；Sander和Gerke，2007年）。Luo等人（2025年）证明，即使闭合，深层主要裂隙仍作为主要的渗透通道，而浅层次级裂隙则保留了地表径流并延缓了深层土壤饱和。这些不同的观察结果表明，裂隙引起的优先流动的持续存在高度依赖于具体环境条件。这些疑问促使我们思考：哪些因素决定了湿润过程中干裂的动态行为？干裂在不同环境条件下如何影响土壤渗透？它们在裂隙土壤中对水文过程的影响程度如何？在中国西南部，自21世纪初实施“ Grain for Green”计划以来，大规模的土地利用变化将大量农田转化为森林和草地（Wang等人，2022年），这些变化显著改变了土壤的物理化学和生物特性（如土壤结构、有机质含量和植被覆盖），这些都直接影响干裂的形成和演变（Bordoloi等人，2020年；D?rner等人，2009年；Ge等人，2025年）。然而，关于非饱和土壤裂隙的研究主要集中在裸露或耕作土壤上，对土地利用对裂隙发育的影响关注较少。

为了解决上述问题，我们在一个典型的碳酸盐岩基岩覆盖的喀斯特坡面上进行了全面的野外调查。通过单环渗透实验评估了不同裂隙强度（小裂隙、中裂隙、大裂隙）和土地利用类型（耕地、草地、果园）下干裂的水文效应，未裂隙土壤作为对照组。研究目标如下：（1）研究喀斯特坡面上土壤干裂的发展；（2）量化不同裂隙强度和土地利用类型下干裂对渗透的影响；（3）评估并改进考虑干裂的渗透模型。研究结果可以为提高径流和侵蚀预测提供有价值的见解，支持土壤和水资源保护措施，促进中国西南部的可持续发展。

研究区域

研究区域

本研究在中国西南部贵州省北部的Huyangshui流域进行，该流域是一个面积为20.9平方公里的典型喀斯特流域，位于亚热带湿润季风气候区（图1）。从地貌上看，该流域位于喀斯特高原上，海拔范围为900至1055米，平均海拔为1012.7米。该地区的年平均气温为15.6摄氏度，极端温度范围为-3摄氏度至38.5摄氏度。年降水量平均

裂隙的几何特征

如图2和图3所示，野外调查显示，干裂在中国西南部黄色土壤覆盖的喀斯特坡面上普遍存在。调查的裂隙面积比例（R_cr）、长度密度（L_cr）、宽度和深度分别为0.45%至12.02%、0.006–0.050厘米·厘米^-2、0.15–1.96厘米和1.80–22.46厘米，平均值分别为4.46%、0.018厘米·厘米^-2、0.79厘米和7.55厘米。此外，还发现土地利用类型对裂隙的形成有重要影响

喀斯特坡面上土壤干裂的发展

在全球变暖、城市热岛效应加剧以及极端干旱和降雨事件频率增加的背景下，由于土壤水分逐渐流失，由土壤收缩引起的干裂变得越来越普遍（Dai，2013年；Gebrechorkos等人，2025年）。在长期干旱结束时的野外观察记录显示，裂隙比例、长度密度、宽度和深度的最大值分别为12.02%、0.050厘米·厘米^-2、1.96厘米和22.46厘米。研究结果证实

结论

本研究强调了干裂在中国西南部喀斯特坡面上塑造渗透动态的关键作用。野外观察表明，干裂在喀斯特坡面上广泛存在且发育良好，形成了复杂且空间分布无序的网络，主要呈水平或垂直方向。干裂的形成反映了地形、土壤性质、植被结构和土地利用管理的综合影响

作者贡献声明

张凯利：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。张思琪：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查实施、数据分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：41730748）的支持。我们衷心感谢所有宝贵的意见和建议，这些意见帮助我们提高了手稿的质量。