黄土高原不同植被群落覆盖沟道土壤抗侵蚀性的季节性变化规律及驱动机制

推荐：针对半干旱区植被恢复沟道土壤抗侵蚀性(Kr和τc)季节动态不明的问题，研究人员通过7次野外采样和室内冲刷实验，揭示五种植物群落(CL/AS/CK/HR/RP)覆盖沟道的土壤抗侵蚀性季节变化特征，发现草类群落平均Kr(0.17 m s-1)仅为灌木和乔木的47.8%和30.6%，其季节性变化主要受土壤黏聚力(Coh)、贯入阻力(PR)、水稳性团聚体(WSA)和根系密度(RMD)调控，建立了Kr预测模型(R2=0.91)，为生态修复提供理论支撑。

　　

在广袤的黄土高原上，沟壑纵横的地貌既是自然演化的见证，也是水土流失的伤痕。这片被称为"地球上最厚黄土堆积"的区域，每年因侵蚀损失的土壤高达16亿吨，其中60%-90%的泥沙源自沟道侵蚀。尽管1999年启动的"退耕还林工程"已使植被覆盖率从32%提升至63%，但关于植被恢复后沟道土壤抗侵蚀能力如何随季节变化的科学认知仍存在空白。这正是《International Soil and Water Conservation Research》最新发表的研究试图解答的核心问题。

中国科学院水利部水土保持研究所的研究团队选择了典型小流域——志丹县纸坊沟流域的5种稳定沟道（2种草类、2种灌木、1种乔木群落），在2023年5-10月以3周为间隔进行了7次采样。研究采用钢环法采集3150个原状土样，通过可调坡度的4米长水槽开展6种水力条件（剪切应力6.66-15.02 Pa）下的冲刷实验，测定土壤剥离能力(D_c)，进而计算表征抗侵蚀性的两个关键参数：细沟可蚀性(K_r)和临界剪切应力(τ_c)。同步测定了土壤容重(BD)、黏聚力(Coh)等8项近地表特征(NSSCs)，运用偏最小二乘回归(PLSR)和结构方程模型(SEM)解析驱动机制。

3.1 不同植物群落沟道近地表特征的季节变化
数据显示，草类群落(CL)的土壤黏聚力(8.01 kPa)和根系密度(2.16 kg m^-3)显著高于灌木和乔木群落。季节尺度上，Coh、PR、WSA和RMD呈明显增长趋势，其中CL群落的K_r季节变幅达65.4%，远高于乔木群落的22.5%。

3.2 土壤抗侵蚀性的季节变异规律
草类群落展现出最强的抗侵蚀性，其平均K_r(0.14 m s^-1)仅为乔木群落的30.6%，而τ_c(6.91 Pa)是灌木群落的1.45倍。所有群落的抗侵蚀性均随生长季推进而增强，其中CL群落的τ_c增幅达18.7%，变化系数(CV)揭示草类群落的季节变异性最显著。

3.3 近地表特征与抗侵蚀性的关联
PLSR分析显示，Coh、PR、WSA和RMD是影响K_r的关键因子(VIP>1)。路径分析揭示RMD通过直接(-0.48)和间接(-0.44)双重路径降低K_r，而SEM证实根系通过增强土壤结构稳定性提升抗侵蚀性。

4.3 细沟可蚀性估算模型
建立的复合模型K_r=(-0.311ln(PR·RMD)+1.553)e^{(-0.129Coh-WSA)}展现出优异预测性能(NSE=0.91)，为沟道侵蚀模型提供了关键参数化方案。

这项研究首次系统揭示了植被恢复沟道抗侵蚀性的季节动态规律，证实草类群落能更有效提升脆弱沟道土壤稳定性。但研究者也指出，单纯草本植被可能难以抵御极端降雨引发的重力侵蚀，建议采用"灌草结合"的生态修复模式。该成果不仅深化了对半干旱区沟道侵蚀机理的认识，更为黄土高原"山水林田湖草"系统治理提供了科学依据。值得注意的是，研究发现的根系-土壤复合体强化机制，为全球类似生态脆弱区的侵蚀防治提供了新思路，其中建立的K_r预测模型可直接服务于过程侵蚀模型的本地化应用。未来研究需拓展到不同类型沟道和更长的时间尺度，以全面评估植被恢复的长期生态效益。