碳酸盐岩溶蚀作用发育的喀斯特地貌占全球陆地面积约15%，并为1/4人口提供稳定水源。中国西南是全球喀斯特出露面积最大的区域，强烈的溶蚀作用使得西南喀斯特具有地表-地下二元三维水文结构特征，形成了土壤水分入渗速率快、优先流发育显著且空间异质性极强的复杂水文格局。气候变化背景下，这种快速渗透与弱储水性双重属性增加区域岩溶干旱与洪涝的风险。当前研究围绕土壤水分入渗基本特征、类型和路径等方面开展了大量研究，但对入渗过程“快速性”的量化及其受岩土结构的控制作用仍不足，限制了喀斯特降雨-入渗-产流机制研究的进一步深化，制约了岩溶区域的水资源管理及其对气候变化的响应。
本研究依托中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站，以地表-地下三维水土过程监测坡地小区为研究对象（图1），开展长期高密度和高频率（5-min）土壤水分动态观测，基于时间序列分析量化坡地土壤水分常规入渗和优先流对降雨事件的响应特征，并进一步揭示以土壤厚度作为岩土结构代表因子对水分运动的影响机制。
基于土壤水分对降雨的响应，量化响应时间、绝对变化和湿润锋运移速度。结果发现喀斯特区雨水可以更迅速穿透土壤剖面，表现为土壤水分湿润锋速度（1373 mm h-1）远高于非喀斯特区（17mm h-1至610 mm h-1）。受微地形空间异质性影响，土壤水分响应时间和湿润锋速度由上坡到下坡、从表层到深层整体逐渐增大（图2）。相对厚土覆盖山坡，土壤水分入渗指标在浅土覆盖山坡变幅更大、坡位之间差异更明显，与土壤堆积弱化入渗过程受水力梯度影响有关。降雨量和强度对入渗的贡献（30.9~63.9%）显著高于前期水分条件（12.7~26.1%），并且土壤厚度的增加可能弱化地形和降雨特征对入渗过程的控制作用。结果强调精细监测在表征土壤水分入渗空间异质性方面的关键作用，并量化了喀斯特坡地水文过程快速性特征。
基于分层土壤水分对降雨事件响应的先后顺序区分了土壤大孔隙流和岩土界面优先流两种类型。结果发现喀斯特坡地大孔隙流占主导（> 63%），但在短时间强降雨事件易触发的岩土界面侧向流也是重要的优先流类型。优先流出现频率在下坡高于上坡，与土壤水力特性空间分布格局有关。在平均土壤较厚山坡，土壤深度与优先流频率呈显著负相关关系（R2=0.54）（图3）。相对的，优先流频率与土壤深度在浅土覆盖山坡没有相关性，但受到降雨强度和前期土壤水分的影响更突出。这些结果强调土壤厚度空间异质性对水分优先流特征的影响，进一步丰富了喀斯特坡地复杂的入渗-产流理论。
研究成果分别以Regulation of preferential flow by soil thickness on small hillslopes with complex topography through intensive high‐frequency soil moisture monitoring和Characterizing rapid infiltration processes on complex hillslopes: Insights from soil moisture response to rainfall events为题发表在Journal of Hydrology（2024）和Nature Index期刊Geophysical Research Letters（2025），陈洪松研究员为通讯作者、张君博士后为第一作者。研究得到国家自然科学基金重点项目、区域联合重点项目和青年基金项目支持。
图1 研究样地概况、土壤水分监测点布设及土壤厚度空间分布
图2 不同坡位和深度土壤水分湿润锋运移速度
图3 高程和土壤厚度与优先流频率相互关系