Высокочастотный мониторинг выявляет сложные процессы инфильтрации и приоритетного стока в карстовых склонах

Исследование под руководством профессора Чэнь Хунсона из Института субтропического сельского хозяйства Китайской академии наук (CAS) раскрыло механистическое влияние толщины почвы (как репрезентативного лито-структурного фактора) на динамику движения воды. Результаты опубликованы в журналах Journal of Hydrology и Geophysical Research Letters.

Карстовые ландшафты, формируемые растворением карбонатных пород, покрывают около 15% поверхности суши Земли и обеспечивают стабильные водные ресурсы для четверти населения планеты. Юго-Западный Китай содержит крупнейшую в мире обнаженную карстовую область, где интенсивные процессы растворения создали отчетливую поверхностно-подземную двойную трехмерную гидрологическую структуру. Эта уникальная система характеризуется быстрой инфильтрацией почвенной влаги, развитым приоритетным стоком и крайней пространственной неоднородностью гидрологических процессов. В условиях изменения климата двойные атрибуты быстрой инфильтрации и слабого удержания воды усиливают риски карстовой засухи и наводнений.

На основе данных станции мониторинга и исследований карстовых экосистем Хуанцзян (CAS) ученые провели детальное исследование склоновых участков с использованием интегрированных 3D-систем мониторинга поверхностно-подземной гидрологии. С помощью долгосрочных высокоплотных и высокочастотных (с интервалом 5 минут) наблюдений за влажностью почвы и анализа временных рядов были количественно оценены характеристики отклика почвы на осадки как для обычной матричной инфильтрации, так и для приоритетного стока.

Результаты показали, что в карстовых областях осадки проникают в почву значительно быстрее: скорость фронта увлажнения почвенной влаги (1373 мм/ч) существенно превышает таковую в некарстовых регионах (17–610 мм/ч). Время отклика влажности почвы и скорость фронта увлажнения увеличиваются от верхней к нижней части склона и от поверхности к более глубоким слоям почвы. Также было выявлено увеличение изменчивости параметров инфильтрации на склонах с более тонким почвенным слоем из-за снижения регулирования гидравлического градиента. Интенсивность и количество осадков оказывали большее влияние на инфильтрацию (30.9–63.9%), чем исходная влажность почвы (12.7–26.1%). Увеличение толщины почвы может ослаблять топографический и дождевой контроль над процессами инфильтрации.

Исследователи также идентифицировали два ключевых типа приоритетного стока: сток по макропорам и боковой сток на границе почва-коренная порода. Установлено, что в карстовых склонах доминирует сток по макропорам (более 63%), в то время как боковой сток на границе раздела, запускаемый кратковременными интенсивными дождями, также играет критическую роль. Приоритетный сток чаще возникал в нижних частях склона, чем в верхних, из-за пространственной вариабельности гидравлических свойств почвы. На склонах с более толстой почвой наблюдалась отрицательная корреляция между глубиной почвы и частотой приоритетного стока, тогда как на склонах с маломощным почвенным покровом такой корреляции не было, и более значительную роль играли интенсивность осадков и исходная влажность.

«Существующие исследования широко изучили фундаментальные характеристики, типы и пути инфильтрации почвенной влаги, — отметил доктор Чжан Цзюнь, научный сотрудник. — Наши новые результаты углубят понимание механизмов "осадки-инфильтрация-сток" в карстовых системах и позволят разработать более эффективные стратегии управления водными ресурсами в условиях изменчивости климата».