由降雨量和浅层喀斯特裂隙决定的径流路径重新分布，影响着废弃喀斯特农田中溶解碳的分布

《Journal of Hydrology》：Runoff pathway redistribution determined by rainfall and shallow karst fissures drives dissolved carbon allocation in abandoned karst farmland

喀斯特地区废弃农田中浅层裂隙孔隙率梯度对溶解碳迁移路径的影响研究，通过控制孔隙率（0%、4%、9%、16%）模拟降雨条件下的碳分配，发现孔隙率显著提升溶解无机碳（DIC）浓度并改变碳流失主导路径，从地表径流转向裂隙垂直迁移。频繁小雨事件加剧溶解有机碳（DOC）通过裂隙流失。研究揭示水文条件与裂隙孔隙率的协同调控机制，为喀斯特碳汇评估提供过程基础。

　　

薛阳|严友金|戴全侯|徐小金|张新欣|杨英冲|梅丽娜|王亮杰|甘凤玲|吴鹏飞

南京林业大学生态文明建设与林业发展研究所，中国南方可持续林业协同创新中心，南京 210037，中国

摘要

理解影响陆地碳汇的关键过程非常重要，尤其是在复杂的喀斯特地区，这些地区约占全球陆地面积的15%。喀斯特地貌以广泛的浅层喀斯特裂隙（SKFs）为特征，促进了独特的双重碳传输路径。本研究探讨了降雨引起的溶解碳（DC）在废弃喀斯特农田中的分配变化，重点研究了浅层喀斯特裂隙孔隙度（SKF-P）梯度如何调节这些过程。通过在自然降雨条件下进行的控制性试验，我们模拟了SKF-P梯度分别为0%（对照组CK）、4%（KF4）、9%（KF9）和16%（KF16）的废弃农田。结果表明，SKFs显著增强了DC的迁移和输出，使主要的碳损失途径从地表转移到了土壤-基质界面。较高的SKF-P通常会增加DC浓度，尤其是溶解无机碳（DIC）的浓度。然而，降雨模式对这些效应以及溶解有机碳（DOC）和DIC的相对贡献有着重要影响。值得注意的是，频繁的轻降雨事件通过浅层喀斯特裂隙途径加剧了DOC的输出。在孔隙度较低的处理组（KF4和KF9）中，DOC的损失比例与DIC相当（分别为52.69%和51.54%），这表明在这些条件下碳的重新分配途径发生了变化。这些发现强调了SKFs的剖面形态、降雨动态和废弃生态系统中的土壤条件之间的关键相互作用。SKFs介导的碳输出是喀斯特碳预算中一个重要但常被低估的组成部分，为了解这些地貌对水文事件的碳响应机制提供了见解。本研究为更准确地量化喀斯特碳预算提供了一个基于过程的框架，揭示了一个可能影响喀斯特碳汇评估的关键过程机制。

引言

在全球变化的背景下，陆地生态系统吸收和释放大气二氧化碳（碳汇和碳源）之间的动态平衡对于理解和预测气候变化至关重要（Prentice等人，2000年）。这在喀斯特生态系统中尤为重要，因为碳的迁移和转化起着极其重要的作用（Dong等人，2023年）。

喀斯特地貌约占全球陆地面积的15%，由于其独特的水文地质特征和碳酸盐岩基底，它们在碳循环中扮演着复杂的角色（Ford和Williams，2007年）。碳酸盐岩的溶解（CO₂–H₂O–CaCO₃系统）消耗大气中的CO₂并产生溶解无机碳，当这些碳进入地下水文系统时，可能成为长期的碳汇（Iglesias-Rodriguez等人，2008年；Liu等人，2018年）。然而，净碳汇效应不仅仅取决于初始的风化通量，还取决于碳在关键带内的后续命运（Liu等人，2010年）。最近的研究进一步指出，由于地下水容易受到大气条件的影响，它可能成为大气碳的重要来源，从而触发快速的CO₂释放（Klaus，2023年）。此外，二氧化碳的分压（pCO₂）会受到溶解有机物（DOM）的组成和反应性的显著影响（Hassan等人，2023年；Ge等人，2025年）。因此，准确量化喀斯特系统内部的碳传输路径对于减少对其净碳汇贡献的不确定性至关重要。

溶解碳（DC）包括溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC），是连接陆地和水生碳循环的关键媒介（Amiotte Suchet等人，2003年；Lapierre等人，2015年；Drake等人，2020年；Gao等人，2024a年）。在喀斯特系统中，DC的传输受到独特的“双层水文结构”和高度异质的关键带结构的调节（Bosch和White，2016年）。土壤-表层喀斯特界面是土壤和风化岩基底相互作用的关键区域（Fu等人，2016年），也是促进碳快速转移和转化的途径。在这个界面中，浅层喀斯特裂隙作为主要通道，形成了控制水和溶质垂直和侧向重新分布的复杂网络（Yan等人，2020年；He等人，2023年）。浅层喀斯特裂隙（SKFs）的异质性（如孔隙度、连通性）与降雨模式相互作用，从而决定了DC在不同径流途径中的分配和输出，并影响其最终的生物地球化学命运（Herman等人，2012年；Wang等人，2022a年）。

至关重要的是，土地利用变化，如中国西南地区的广泛农业废弃，创造了具有改变碳动态的独特生态系统（Liu等人，2020年；Nadal-Romero等人，2021年；Zhang等人，2023年）。废弃后土壤性质的变化（如有机物含量、结构）与喀斯特系统固有的水文地质复杂性相互作用，可能产生放大的或新的DC迁移和输出途径（Zhou等人，2023a年；Meng等人，2024年；Zhang等人，2025年）。然而，关于SKFs如何调节废弃后碳通量的机制理解仍然有限。现有研究往往依赖于流域规模的观测，未能分离和量化浅层喀斯特裂隙结构在改变水文途径和重新分配碳通量中的基本作用（Wang等人，2022b年；Zhu，2023年）。此外，常见的模拟降雨实验难以捕捉复杂自然降雨条件下的土壤物理化学-生物耦合过程的协同演变，从而无法完全阐明它们在调节通过浅层喀斯特孔隙系统传输溶解碳中的潜在机制（Wang等人，2022b年；Xiong等人，2024年）。

为了解决这些知识空白，我们设计了一个控制性的试验系统，使用不同孔隙度梯度（0%、4%、9%、16%）的压实土壤柱来模拟SKFs的水文功能。该设置旨在分离和研究控制DC途径分配的物理-水文过程——具体来说，裂隙孔隙度如何改变地下水的连通性。通过排除新鲜的碳酸盐岩基底，该设计简化了系统，从而将其与溶解过程分离。这种设计使我们能够在自然降雨条件下测试以下假设：（1）浅层喀斯特裂隙孔隙度（SKF-P）是决定DC（DOC和DIC）损失在表面侧向迁移途径（SUR）、土壤基质界面侧向迁移途径（SRI）和浅层喀斯特裂隙垂直迁移途径（SKF）之间分配的主要因素。（2）DC通量对不同自然降雨模式（强度、持续时间）的响应受到SKF-P的显著调节。通过阐明废弃喀斯特农田中孔隙度控制的水文碳重新分配机制，本研究为扩大碳通量规模和减少喀斯特碳评估的不确定性提供了基于过程的基础。我们的发现为了解废弃景观中的碳循环水文控制提供了关键见解，这是评估其长期碳汇潜力的关键因素。

研究区域、土壤采样和准备

本研究使用的土壤样本采集于2021年3月，来自中国贵州省贵阳市花溪区的一个斜坡农田（E 106°27′–106°52′，N 26°11′–26°34′，图1），该地区位于中国西南部的典型喀斯特区域。该地区具有亚热带季风气候，年平均降水量约为1300毫米，其中70%发生在4月至10月之间。年平均气温为15.3°C，无霜期为270天。

径流特征对降雨模式和浅层裂隙孔隙度的响应

在个别降雨事件期间，径流的空间分布受到SKF-P和降雨模式的显著共同影响（图3）。总体而言，在KF处理组（KF4、KF9、KF16）中，SRI是径流损失的主要途径。然而，在模式III期间，CK组和小孔隙度组KF4中，SUR成为主要途径。浅层喀斯特裂隙的存在减少了通过SUR的径流转换比例。例如，在KF9组中，径流损失

降雨事件和浅层裂隙对径流生成的交互作用

喀斯特地形中的独特地表-地下连通性，通过SKFs的介导，从根本上改变了坡面水文过程，并增强了径流途径的异质性（Liu等人，2010年；Gao等人，2024a年）。我们的结果清楚地表明，SKFs的存在增强了径流向地下迁移的趋势。与CK相比，SKF引起的径流损失可能是SUR引起的1.55到1.97倍（图3）。这一观察结果证实了SKFs的作用

结论

本研究表明，SKFs从根本上改变了废弃喀斯特景观中土壤溶解碳传输的水文途径。与CK相比，SKFs显著增强了径流中DOC和DIC的平均浓度（P?

作者贡献声明

薛阳：写作——审稿与编辑，写作——初稿，软件使用，方法论，调查，数据分析。严友金：写作——审稿与编辑，资源获取，项目管理，方法论。戴全侯：写作——初稿，资源获取，项目管理。徐小金：写作——初稿，调查。张新欣：写作——初稿，调查。杨英冲：调查，数据分析。梅丽娜：写作——初稿，方法论。王亮杰：

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

本研究的资金支持来自国家自然科学基金（42007054、42167044、42107355）、中国博士后科学基金（2020M673296）以及国家重点研发计划（2023YFF130440102）。

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