未铺砌道路改变汇流网络加剧山地森林小流域土壤有机碳流失

《Journal of Hydro-environment Research》：Unpaved road-altered confluence networks exacerbate soil organic carbon loss in mountainous forested catchments

本文聚焦山地森林小流域，揭示了未铺砌森林道路通过改变汇流网络结构（如提升节点可达性、水文连通性）加剧土壤有机碳（SOC）流失的机制。研究结合图论、随机森林模型与分段结构方程模型（Piecewise SEM），指出沉积物特性（如中值粒径D50、比表面积）是SOC流失的关键驱动因子（贡献度37.68%），强调了道路管理对森林碳固存的重要性。

　　

研究亮点

森林道路显著改变了山地小流域的汇流网络特征，提高了沿线路线的整体可达性和水文连通性。结果导致流域出口处沉积物的中值粒径（D₅₀）增大，而比表面积减小。土壤有机碳（SOC）流失比率（1.02、0.61和0.68）显著高于未受道路影响的小流域（0.50），表明流域内SOC流失呈加剧趋势。SOC流失与森林道路、流域特征、沉积物特性及降雨特征均呈显著相关。其中，沉积物特性（D₅₀和沉积物比表面积，贡献度37.68%）和流域特征（粗糙度、节点重要性指数和潜在流指数，贡献度34.07%）对流域SOC流失的贡献最大。比表面积成为流域SOC流失的最显著驱动因子（p < 0.01），其次是路-流坡面上的路径粗糙度（p < 0.05）。分段结构方程模型进一步阐明，降雨和沉积物特性直接影响SOC流失，而森林道路则通过改变流域内的汇流网络和沉积物特性间接影响SOC流失。这些结果表明，管理森林小流域的碳固存应考虑道路对水文过程的影响，特别是路-流坡面上路径引起的局部水文变化。

汇流网络的改变

在所有三种情景下，未铺砌森林道路和路-流坡面上的路径降低了汇流网络中大多数节点的可达性（Shi值）（图4a）。在自然汇流情景（N1）中，只有一小部分网络节点（24.7%）表现出较高的可达性（0.00 < Shi < 0.02）。相比之下，道路汇流情景（N2）显示39.7%的节点具有较高的可达性。此外，与道路汇流情景（N2）相比，实际汇流情景（N3）中节点的可达性进一步增强。

小流域汇流网络的变化

在山地森林小流域中，森林道路作为一种线性土地利用特征，能够影响流域的地形特征。这通过改变汇流网络的空间分布模式，导致含沙径流的流路发生变化（Heckmann et al., 2018, Zhao et al., 2022）。在自然汇流情景（N1）中，流路主要由自然地形起伏决定，径流通常从高处流向低处。

结论

本研究结合图论、随机森林模型和分段结构方程模型（Piecewise SEM），强调了未铺砌森林道路在驱动中国中部某山地森林小流域SOC流失中的作用。森林道路和路-流坡面上的路径显著影响流域的水文连通性以及含沙径流的输送。我们的分析表明，森林道路提高了节点可达性，增加了潜在流指数和残余流指数，并改善了水文连通性。