基巖風(fēng)化層是基巖在長期的物理、化學(xué)和生物作用下，逐漸破碎和分解形成的由顆粒狀、片狀和塊狀巖石碎片和有機(jī)物質(zhì)混合的風(fēng)化產(chǎn)物層。它作為聯(lián)系上層土壤和下層新鮮基巖的過渡帶，其厚度從幾米到數(shù)百米不等，是地球關(guān)鍵帶的重要組成部分，影響著水文循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)和碳循環(huán)等過程。

祁連山作為地球關(guān)鍵帶研究的特色區(qū)域之一，表層植被結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)斑塊狀分布，地下結(jié)構(gòu)以“上覆薄土層、下伏基巖風(fēng)化層”的土壤－巖石二元結(jié)構(gòu)為特征，其土壤平均厚度不超過1m，土壤層蓄水量非常有限。但木本植物能夠長期存續(xù)且沒有因為干旱而出現(xiàn)大量死亡的現(xiàn)象，是否歸因于這些“隱藏在石頭中”的基巖風(fēng)化層水分，需要研究案例來加以探索和驗證。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院科研團(tuán)隊對祁連山典型小流域土壤和基巖風(fēng)化層特征進(jìn)行了全面調(diào)查，分析了不同景觀單元下基巖風(fēng)化層結(jié)構(gòu)和儲水能力的變化，驗證了基巖風(fēng)化層儲水對徑流和植物用水的調(diào)節(jié)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，陽坡土壤層－基巖風(fēng)化層較厚，風(fēng)化碎屑破碎、松散；陰坡土壤層－基巖風(fēng)化層淺薄，裸巖率高，風(fēng)化碎屑質(zhì)地堅硬、體積較大，基巖風(fēng)化層剖面結(jié)構(gòu)在整個景觀中呈現(xiàn)系統(tǒng)變化?；鶐r風(fēng)化層剖面結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致區(qū)域產(chǎn)流方式和儲水量的不同。

草地徑流量是高山灌叢和森林區(qū)域的2.68倍和4.68倍。高山灌叢和森林以地下徑流為主，占總徑流量的89.3％～92.6％和53.6％～73.2％。草地以地表徑流為主，占總徑流量的79.4％～85.9％。高山灌叢和森林區(qū)域大約1／3～1／4的年蒸散量來自于基巖風(fēng)化層儲水，這些儲存在冬季進(jìn)行補(bǔ)給，在夏季和秋季供樹木使用。

基巖風(fēng)化層儲水量是土壤儲水量的4.7倍。豐水年，基巖風(fēng)化層水分飽和，表現(xiàn)為驅(qū)動徑流產(chǎn)生的直接存儲過程；枯水年，基巖風(fēng)化層水分匱缺，表現(xiàn)為不驅(qū)動徑流產(chǎn)生的間接存儲過程。其儲量動態(tài)變化受基巖的巖性和結(jié)構(gòu)、上覆土壤層厚度以及樹木蒸騰等多種因素共同影響。

本研究明確了基巖風(fēng)化層蓄水對于山地生態(tài)水文循環(huán)的影響是不可忽視的，需要將其納入生態(tài)水文循環(huán)過程的觀測和模擬研究中。

該成果以Modulation　of　evapotranspiration　and　stream　runoff　by　weathered　bedrock　in　arid　and　semi－arid　mountains為題發(fā)表于Science　of　the　Total　Environment。

西北研究院助理研究員藺鵬飛為論文第一作者，何志斌研究員為論文通訊作者。該研究獲國家自然科學(xué)基金項目和甘肅省科技計劃項目聯(lián)合資助。

論文鏈接：https：／／doi．org／10.1016／j．scitotenv．2024.172847

圖1　剖面中土壤和風(fēng)化基巖特征。SO：土壤，SA：　腐泥土，WB：風(fēng)化基巖。

圖2　土壤和基巖風(fēng)化層概念圖。

圖3　基巖風(fēng)化層的垂直通量（fd）對蒸散發(fā)（ET）的貢獻(xiàn)。雨季（2017年、2019年）和旱季（2018年、2020年、2021年）。