西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤淺薄、巖石裸露率高，強烈的巖溶作用形成地表、地下雙層結構，水文過程迅速且時空異質性高。在全球氣候變化背景下，極端氣候發(fā)生頻率增加，旱澇災害嚴重，亟需探明喀斯特流域水文過程及其調控機制。與非喀斯特地區(qū)土壤層調控水文過程為主不同，喀斯特地區(qū)水文過程主要由植被、土壤、表層巖溶帶以及管道、裂隙耦合而成的復雜多界面結構控制。但是，如何定量評估土壤-表層巖溶帶系統(tǒng)及多重儲水/導水介質（管道、裂隙、基質）對徑流的調蓄作用，是提升喀斯特流域水源涵養(yǎng)功能面臨的主要難題。此外，如何評估流域水文過程對植被變化的響應是衡量區(qū)域生態(tài)恢復工程水文效應的重要指標。
中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站陳洪松課題組依托木連小流域水文監(jiān)測系統(tǒng)，結合物探技術和穩(wěn)定氫氧同位素/水化學（NO3-、TOC、Ca2+、Mg2+、HCO3-）示蹤技術，分析了地表溪流水和不同類型泉水的補給過程，評估了土壤-表層巖溶帶和管道-裂隙-基質系統(tǒng)對溪流水補給的調蓄作用。結果發(fā)現(xiàn)，溪流水平均滯留時間為43周，間歇泉（1號泉水）平均滯留時間（23周）明顯低于常流泉（2號泉水，201周）。這是因為間歇泉補給區(qū)內(nèi)裸巖率高，土壤和表層巖溶帶相對淺薄且管道裂隙發(fā)育，導致含水層儲水空間小、調蓄能力差，對降雨響應更敏感。雖然在周尺度上，間歇泉、常流泉和溪流水新水補給比例分別可達到80%、60%和55%，但在年際尺度上溪流水和泉水均主要受到舊水補給（>90%），降雨通過與前期地下水充分混合后補給泉水和溪流水。另一方面，小流域地表溪流水的主要補給源不是出流泉水（旱季補給比例較高，但最大不超過25%），而是以壤中流和表層巖溶帶水為主的地下徑流。
以NO3-為示蹤劑，將溪流水補給來源概化為土壤和表層巖溶帶兩種儲水介質，應用二元混合模型，發(fā)現(xiàn)表層巖溶帶是溪流水的最重要補給來源。次降雨事件中，土壤水對溪流水的貢獻量最大僅有16.8%；而在年尺度，土壤水平均供水量為1.4%。將表層巖溶帶進一步細分為管道、裂隙、基質，根據(jù)水流在三種導水介質中的滯留時間不同而引起的電導率值的差異，應用電導率頻率分布（CFD）方法，發(fā)現(xiàn)由于小流域巖溶化發(fā)育程度較低，基質流均是溪流水最主要的補給來源（旱季>80%、雨季>55%），但管道在小流域富水階段也是重要的排水通道（最大10%-15%）。
在區(qū)域尺度，分析了1980s~2015年龍江流域（1.6萬km2）及其3個子流域（環(huán)江流域，中洲小江流域和東小江流域）水文要素的時空變化特征及其與植被覆蓋變化的關系，定量、半定量區(qū)分了氣候變化和植被恢復對徑流的影響。結果發(fā)現(xiàn)，4個流域2003~2015年徑流量較1985~2002年減少，降雨量對年徑流減少的貢獻率為17.5~52.9%，顯著低于非喀斯特流域的研究結果，表明喀斯特流域徑流對植被變化的響應更加敏感。植被恢復能有效提升區(qū)域水文調節(jié)功能，退耕還林等人類活動改變了徑流在季節(jié)尺度上的分配，其對非汛期徑流增加的貢獻率與流域喀斯特地貌占比呈負相關。在喀斯特地貌占比較大的龍江流域（81%）和環(huán)江流域（66%），植被恢復是非汛期徑流增加的主要原因；而在喀斯特地貌占比較小的中洲小江流域（61%）和東小江流域（26%），植被覆蓋沒有發(fā)生突變，非汛期徑流增加主要受氣候變化影響。
研究成果以Hydrological Response of Karst Stream to Precipitation Variation Recognized through the Quantitative Separation of Runoff為題發(fā)表在Science of the Total Environment期刊上；以Seasonal Recharge of Spring and Stream Waters in a Karst Catchment Revealed by Isotopic and Hydrochemical Analyses為題，發(fā)表在Journal of Hydrology期刊上；以Separating the Relative Contributions of Climate Change and Ecological Restoration to Runoff Change in a Mesoscale Karst Basin為題，發(fā)表在Catena期刊上。該研究得到國家自然科學基金、中科院國際伙伴計劃、廣西自然科學基金、中科院西部學者項目的資助。
泉水和溪流水平均滯留時間估算（左）和新舊水補給比例的季節(jié)性變化特征分析（右）
溪流水補給來源（管道、裂隙、基質）季節(jié)性變化特征
1985—2015龍江流域植被變化（左）及氣候變化和人類活動對季節(jié)尺度徑流變化的貢獻（右）