在黄土高原典型的种植园中，是否存在一个影响坡面水文过程的垃圾密度阈值？

《CATENA》：Does a threshold of litter density exist for hillslope hydrological processes in typical plantations on the Loess Plateau?

本研究选取黄土高原油松和 Robinia pseudoacacia 林场，通过设置不同凋落物密度的径流小区，分析降雨-截留-入渗-径流过程。结果表明：油松林凋落物密度阈值1200g/m2时显著减少地表径流，而 Robinia 林300g/m2即有效；油松林地表径流平均为 Robinia林的3.75倍，但水分消耗更高。分隔符：

　　本研究探讨了植被枯落物密度对坡面水文过程的影响阈值问题。植被枯落物在森林生态系统中发挥着关键作用，通过影响降水截留、入渗和地表径流，调节水循环过程。然而，对于不同植被类型，其枯落物密度对水文过程的阈值效应仍存在诸多未知。为此，我们选择了中国黄土高原上两种典型的林木种植类型——油松（Pinus tabulaeformis）和刺槐（Robinia pseudoacacia），在实验区域内设立了22个径流小区（每个小区面积为2.25平方米），并分别设置了6种不同枯落物密度的处理方式（从0到1800克/平方米，每种处理设置两个重复）。通过在2023-2024年雨季中对降水-截留-入渗-径流的完整过程进行观测，旨在量化枯落物密度对水文过程的影响阈值，并揭示其背后的机制。研究结果表明，当降雨量超过约10毫米时，两种林木类型均会开始产生地表径流。在森林条件下，枯落物密度对径流的影响存在明显的阈值效应，但其对入渗和消耗的影响相对较小。对于刺槐林，当枯落物密度超过300克/平方米时，径流基本保持稳定；而油松林的阈值则为1200克/平方米。此外，油松林的径流量是刺槐林的3.75倍，而刺槐林的土壤水分补给和水消耗则更为显著。这些差异主要归因于两种林木类型在林下植被和枯落物分解速率方面的不同。本研究的结果支持了枯落物密度对径流存在阈值效应的结论，并指出在黄土高原的水文条件下，油松林可能更有利于增加河流径流，减少降雨水的损失。

### 植被覆盖与水文过程的关系

近年来，大规模的植树造林活动在全球范围内实施，以控制土壤侵蚀并恢复生态系统，特别是在中国。中国目前拥有世界上最大的人工林面积。在黄土高原地区，植被覆盖率从1999年的31.6%增加到了2022年的63.6%。此外，黄河流域的年径流量从20世纪的392亿立方米下降到21世纪的255亿立方米，最低年径流量甚至低于140亿立方米。这些变化表明，植被恢复对降雨-径流过程具有重要影响。许多研究表明，植被覆盖的增加可以显著改变降雨-入渗-径流的动态过程。例如，有研究指出，植被覆盖的变化会导致全球平均径流量的变化达30.7%±22.5%。另一项针对59个流域的元分析显示，植被覆盖与径流模数和土壤侵蚀模数之间存在显著的负相关关系。同时，许多小尺度的对比现场研究也表明，植被恢复可以显著减少坡面径流。然而，目前对植被垂直结构如何减少径流并改变坡面水文过程的理解仍然不够系统，缺乏对机制的深入研究。

### 枯落物对水文过程的影响

许多研究已经指出，枯落物覆盖是改变降雨-入渗-径流过程的重要因素。在农田中，秸秆的存在可以增加降雨入渗，减少坡面径流和侵蚀；而在林地，枯落物则通过截留降水、减少雨滴冲击以防止地表结壳，并通过分解改善地表土壤结构，从而影响水文过程。一项研究指出，在没有枯落物分解的情况下，枯落物覆盖主要通过减少雨滴动能，从而降低径流并增加入渗，抑制地表结壳的形成。枯落物、雨滴溅蚀和结壳形成之间的相互作用主要受枯落物覆盖面积的影响，而不是其密度。当土壤表面完全暴露时，雨滴溅蚀和结壳形成最为显著。因此，研究枯落物密度对水文过程的影响阈值及其机制仍然是一个重要的研究领域，尤其是在不同类型的造林林地之间。

### 研究区域与实验设计

本研究在中国黄土高原的蔡家川流域进行，该地区位于110°39′45″–110°47′5″E, 36°14′27″–36°18′23″N，海拔范围为900–1513米。该地区属于半干旱大陆性气候，年均降水量约为579毫米，潜在蒸散发为1729毫米，年均温度为10.2°C，日照时间约为2563小时。1991年至2001年间，该地区经历了两次大规模的植树造林活动。主要的土地利用类型包括林地、农田、草地和果园，主要的造林树种为刺槐、油松和侧柏。实验区域的土壤类型为壤土，其中油松林的土壤容重（0–100厘米）为1.23克/立方厘米，刺槐林的土壤容重为1.29克/立方厘米。土壤总孔隙度（0–100厘米）分别为54%和51%。有机质含量（0–20厘米）分别为21.17克/千克和23.83克/千克。每个径流小区的坡度、叶面积指数和草本植物覆盖情况如表1所示。

在2023年5月，我们分别在两种林木类型中建立了不同枯落物覆盖处理的径流小区，包括0、300、600、900、1200和1800克/平方米。由于实验条件的限制，300克/平方米的处理未应用于油松林。每个处理设置两个重复，确保相同枯落物密度在重复小区中分布均匀，总计22个径流小区。在实验开始前，清除地表枯落物并平整土壤，以防止周围土壤水分和地表径流对实验小区的影响。每个径流小区周围安装了四块埋入土壤15厘米的 asbestos 板，以防止外部水分和径流对实验小区的干扰。每个径流小区的投影面积为1.5×1.5米，地表径流通过底部排水管引导至收集桶中。两个重复径流小区之间的距离为1.0米，相同枯落物处理应用于两个小区，以确保土壤水分采样区不受径流小区内部干扰。实验于2023–2024年的7月至8月期间进行，期间监测了降水、地表径流和土壤水分的变化。

### 数据收集与计算方法

在数据收集方面，我们通过多个雨量计测量降水，并在实验区域外安装自动气象站（HOBO，美国）以获取降水过程数据。地表径流通过安装在径流小区底部的收集桶进行测量，收集的水量随后通过量筒进行量化。径流深度用于估算径流小区在降雨事件中的地表径流量，其计算公式为：

$$ R = \frac{1}{1000} \times \frac{V}{1.5 \times 1.5} $$

其中，$ V $ 表示降雨后收集桶中收集的地表径流体积（毫升），$ R $ 表示对应径流小区的地表径流深度（毫米）。土壤水分补给通过在降雨前后48小时内采集土壤柱样进行测量。土壤样本在0–100厘米深度范围内每隔10厘米采集一次，在100–200厘米深度范围内每隔20厘米采集一次。这些样本被带回实验室，通过烘干法测定土壤含水量。通过比较降雨前后土壤含水量的变化，计算每次降雨事件的入渗量。

土壤水分储存（SWS）在特定时间段内的计算公式如下：

$$ SWS = \sum \frac{10 \Delta \theta_i d_i}{h \rho} $$

其中，$ SWS $ 表示土壤水分储存（毫米），$ \theta_i $ 表示土壤层的含水量（百分比），$ d_i $ 表示土壤容重（克/立方厘米），$ h $ 表示对应土壤层的厚度（厘米），$ \rho $ 表示水的密度（1克/立方厘米），$ i $ 表示土壤层的编号。通过计算降雨前后48小时的土壤水分储存，可以估算土壤水分补给（$ \Delta S $）。

消耗（C）通过水量平衡计算，即通过减去径流和土壤水分补给得到。由于实验条件的限制，土壤水分变化的钻探采样时间集中在降雨前后48小时内。由于降雨后土壤含水量较高，蒸散发可能高于正常水平，因此本研究的消耗分析包括了降雨前后48小时内的冠层截留、树干径流、枯落物截留和蒸散发。计算公式如下：

$$ C = P - R - \Delta S = ET + I_{canopy} + SF + I_{litter} $$

其中，$ C $ 表示消耗（毫米），$ P $ 表示降水（毫米），$ R $ 表示径流（毫米），$ \Delta S $ 表示降雨期间土壤水分补给（毫米，约为降雨前后48小时），$ ET $ 表示降雨前后48小时的蒸散发（毫米），$ I_{canopy} $ 表示冠层截留（毫米），$ SF $ 表示树干径流（毫米），$ I_{litter} $ 表示枯落物截留（毫米）。

根据降水量，本研究将降雨事件分为三类：轻度至中度（$ P \leq 25 $ 毫米）、强降雨（25 < $ P \leq 50 $ 毫米）和暴雨（$ P > 50 $ 毫米）。每种水文过程在降雨事件中的比例通过将多个典型事件的过程相加并比较总降雨量进行确定。在对径流、入渗和水消耗进行差异和显著性分析时，使用SPSS软件（SPSS for Windows Release 22.0）进行配对t检验，以比较不同枯落物密度下两种林木类型的水文变量。此外，还使用Python版本3.13（Python Software Foundation）进行置换检验和非参数分析，以比较拟合曲线。

### 实验结果

#### 降水与截留

2023至2024年，蔡家川流域的每日降雨分布如图2所示。2023年的总降雨量为577.47毫米，主要集中于8月（131.22毫米），占全年降雨量的23%。2024年的总降雨量为509.04毫米，主要集中在7月和8月。其中，7月降雨量为96.74毫米（占全年降雨量的19%），8月降雨量为130.46毫米（占全年降雨量的26%）。因此，本研究的主要观测期为2023和2024年7月至8月，共记录了11次地表径流事件。在2023年，记录了四次降雨事件：两次在7月，占当月降雨量的49%；两次在8月，占当月降雨量的67%。在2024年，三次降雨事件发生在7月，占当月降雨量的92%；四次发生在8月，占当月降雨量的98%。在相同枯落物密度下，刺槐林的地表径流截留量显著高于油松林。最低记录的降雨量为11毫米，此时两种林木类型的枯落物截留最大容量均被达到。因此，所有观测到的降雨事件中，枯落物截留量均达到最大值。在油松林中，枯落物密度从0到1800克/平方米时，最大截留量分别为0、0.91、1.36、1.82和2.72毫米，占总降雨量的0–25%。随着降雨量的增加，截留量显著减少。在11次降雨事件中，平均枯落物截留率为6%。在刺槐林中，枯落物密度从0到1800克/平方米时，最大截留量分别为0、0.78、1.57、2.35、3.14和4.71毫米，占总降雨量的0–43%。平均枯落物截留率为10%。刺槐林的枯落物截留能力是油松林的1.73倍。

#### 地表径流

在2023–2024年雨季，不同枯落物密度下，油松林和刺槐林的地表径流深度如图3(a)所示。与刺槐林相比，油松林的地表径流深度显著更高。油松林的地表径流是刺槐林的3.75倍。随着枯落物密度从0增加到1800克/平方米，油松林的地表径流深度通常呈下降趋势。其径流减少幅度为13%–82%。刺槐林的径流减少幅度为43%–66%。这表明，随着枯落物密度的增加，地表径流的减少效果显著。对于油松林，当枯落物密度达到300克/平方米时，径流显著减少，随后减少效果趋于稳定。不同枯落物密度对地表径流的影响较小，但枯落物的有无对径流的影响更为显著。进一步计算不同枯落物处理下的径流减少百分比，结果与上述趋势一致。在刺槐林中，枯落物密度为300克/平方米时，径流减少了51%。枯落物密度为600、900、1200和1800克/平方米时，径流减少幅度为12%–23%。增加枯落物密度对径流的抑制作用显著小于枯落物有无的差异。总体而言，当枯落物密度超过300克/平方米时，刺槐林的径流基本保持稳定，而油松林的枯落物对地表径流的抑制阈值为1200克/平方米。

#### 土壤水分补给

在2023–2024年雨季，不同枯落物密度下，油松林和刺槐林的土壤水分补给如图3(b)所示。由于观测条件的限制，土壤水分变化的分析主要集中在降雨前后48小时内的土壤水分变化。在相同降雨条件下，刺槐林的土壤水分储存（0–100厘米深度）的增加幅度大于油松林。当枯落物密度从0增加到1800克/平方米时，刺槐林的平均入渗系数是油松林的1.04倍。这一差异在枯落物密度为600和900克/平方米时显著。随着枯落物密度的增加，土壤水分补给通常增加。在油松林中，最大增加幅度为75%，而在刺槐林中，最大增加幅度为15%。在不同枯落物密度下，土壤水分补给与降水的关系通过线性方程拟合，结果表明在0–20厘米深度范围内，拟合效果更佳，说明降雨和枯落物对入渗的影响主要集中在表层土壤。更深层的入渗可能更多地受到土壤性质的影响。因此，后续分析基于0–20厘米深度的拟合结果。线性方程 $ \Delta S = aP + b $ 准确描述了两种林木类型在不同枯落物密度下的降水与土壤水分补给的关系。在枯落物密度从0到1800克/平方米时，油松林的 $ a $ 值（土壤水分变化对降雨变化的敏感性）在0.265到0.397之间，而刺槐林的 $ a $ 值在0.236到0.396之间。在较低枯落物密度（≤600克/平方米）下，刺槐林的 $ a $ 值高于油松林，表明随着降雨量的增加，土壤水分储存增加幅度更大。相反，在较高枯落物密度（≥900克/平方米）下，油松林的 $ a $ 值高于刺槐林，表明土壤水分储存对降雨的响应更大。统计分析表明，在不同枯落物密度下，拟合方程之间没有显著差异，说明在冠层覆盖条件下，枯落物密度对入渗响应的影响并不显著。

#### 总水消耗

在实验条件下，森林中的总水消耗包括冠层截留、树干径流、枯落物截留和蒸散发。本研究的计算结果显示，刺槐林的平均水消耗是油松林的1.31倍。观测表明，在相同降雨条件下，刺槐林的冠层截留和树干径流比例为油松林的0.85倍，而枯落物截留比例为油松林的1.73倍。此外，刺槐林的蒸散发比例为油松林的1.26倍。这些差异主要归因于刺槐林的叶面积指数较高，以及其叶形态和冠层结构的差异。刺槐林的叶面积指数通常高于油松林，这有助于其更好地截留降水。此外，刺槐林的叶片形态较为光滑，促进雨滴聚集并快速下落，从而减少地表径流。而油松林的叶片具有蜡质层，延缓雨滴下落并延长水的滞留时间，这有助于增加地表水的储存。通过进一步的分析，我们发现，随着枯落物密度的增加，水消耗量的变化趋势并不一致，表明水消耗与枯落物密度之间没有明显的正相关关系。然而，枯落物密度的增加会促进枯落物截留，同时抑制蒸散发。因此，枯落物密度对总水消耗的影响取决于降雨量，从而导致其对总水消耗的效应变化。此外，冠层截留和蒸散发在总水消耗中的贡献相对较小，因此枯落物密度对水消耗的影响有限。

### 讨论

#### 植被类型对水文过程的影响

针叶林和阔叶林在水文过程上存在显著差异，尤其是在降水截留、入渗、地表径流和蒸散发方面。冠层结构和叶片形态直接影响降水截留及其后续的再分配。在本研究中，油松林的冠层截留和树干径流的总和为26%，而刺槐林为22%，前者高出约18%。刺槐林的树干径流比例高于油松林，而油松林的冠层截留比例则更高。这可能与两种林木类型的叶面积指数和叶片形态有关。油松林的叶面积指数通常较高，有助于其更好地截留降水。而刺槐林的叶片较为光滑，促进雨滴聚集并快速下落，从而减少地表径流。此外，刺槐林的枝叶排列较为紧密，促进水分滞留和蒸发，而油松林的枝叶排列较为松散，有助于降水穿透冠层。因此，两种林木类型的水文过程存在显著差异。在黄土高原地区，油松林的叶面积指数通常高于刺槐林，这可能与其生长条件和气候特征有关。此外，刺槐林的枯落物分解速率较快，有助于改善地表土壤结构并调节径流。因此，即使在较低的枯落物密度下，刺槐林的枯落物也能显著影响径流。而油松林的枯落物分解速率较慢，对地表土壤结构的改善效果有限。因此，油松林的枯落物对径流的影响主要体现在直接截留上，而刺槐林的枯落物则通过分解改善土壤结构，从而对径流产生更显著的影响。

#### 枯落物密度对水文过程的影响

植被枯落物在森林中对降雨再分配起着关键作用，但在水文研究中往往被低估。枯落物通过截留降水直接影响入渗和径流，同时通过减少雨滴动能间接影响这些过程。因此，较高的枯落物覆盖和密度通常会减少径流的产生。在本研究中，随着枯落物密度的增加，地表径流通常减少，入渗增加。然而，两种林木类型对枯落物密度的响应不同。在油松林中，当枯落物密度达到1200克/平方米时，径流显著减少，而刺槐林在枯落物密度达到300克/平方米时，径流就开始显著减少。这一差异可能与两种林木类型的枯落物分解速率有关。油松林的枯落物分解速率较慢，其对径流的影响主要来自于直接截留。而刺槐林的枯落物分解速率较快，能够改善地表土壤结构并调节径流。因此，即使在较低的枯落物密度下，刺槐林的枯落物也能显著影响径流。此外，黄土土壤具有较高的粉砂含量和较低的团聚体稳定性，容易在高强度降雨下受到破坏。因此，雨滴冲击导致的地表结壳可能是观察到的阈值和相关差异的重要因素。在没有枯落物覆盖的情况下，两种林木类型均会发生地表结壳，但油松林由于草本植物覆盖较少，更容易形成结壳。然而，当枯落物覆盖达到一定水平时，结壳的形成可能被抑制甚至完全消除。这表明，枯落物密度对入渗和径流过程的影响存在阈值效应。随着极端降雨事件的增加，由于全球气候变化，结壳对裸露土壤的影响将变得更加显著，而枯落物的作用也将更加重要。此外，当枯落物密度超过1200克/平方米时，油松林的地表径流反而增加，这可能是因为高密度的枯落物形成了较密的覆盖层，促进了雨水沿枯落物表面的横向流动。

### 结论

本研究通过现场监测和水量平衡计算，量化了油松林和刺槐林中枯落物密度对水文过程的影响，并分析了其背后的机制。研究发现，当降雨量超过约10毫米时，两种林木类型均会开始产生地表径流。油松林的径流量是刺槐林的3.75倍。随着枯落物密度的增加，油松林的地表径流深度减少了13%–82%，而刺槐林减少了43%–66%。当枯落物密度超过300克/平方米时，刺槐林的地表径流基本保持稳定，而油松林的枯落物对地表径流的抑制阈值为1200克/平方米。刺槐林的平均入渗系数是油松林的1.04倍。土壤水分补给通常随着枯落物密度的增加而增加，最大增加幅度为油松林的75%和刺槐林的15%。本研究的水消耗分析包括了冠层截留、树干径流、枯落物截留和蒸散发。在相同降雨条件下，刺槐林的水消耗比例通常高于油松林。平均而言，刺槐林的水消耗是油松林的1.31倍。然而，水消耗与枯落物密度之间没有明显的正相关关系。总体而言，在森林条件下，枯落物密度对径流的影响存在明显的阈值效应，但对入渗和水消耗的影响相对较小。相比之下，油松林在降雨期间产生了更多的地表径流和较低的水消耗。这些差异主要归因于两种林木类型在林下植被和枯落物分解速率上的不同。刺槐林具有丰富的草本植物覆盖和快速分解的枯落物，有助于改善地表土壤结构。而油松林的草本植物覆盖较少，枯落物分解较慢，导致地表土壤较为紧实。这些结果支持了油松林可能比刺槐林更有利于增加河流径流并减少降雨水的损失。在水资源稀缺的地区，油松林可能是一个更优的选择。

### 作者贡献声明

- **冯娇牛**：撰写初稿、研究、形式分析、概念化。
- **程忠朋**：撰写初稿、监督、概念化。
- **兰马**：撰写评审与编辑。
- **崔永生**：撰写评审与编辑。
- **余崇**：撰写评审与编辑。