植被修复后的沟壑系统中溶解有机物的空间异质性，受侵蚀过程与生态过程的共同作用影响

《CATENA》：Spatial heterogeneity of dissolved organic matter in vegetation-restored gully systems as shaped by coupled erosional and ecological processes

本研究通过紫外-可见光谱和荧光激发-发射矩阵光谱联用技术，揭示半干旱地区沟谷系统中溶解有机物（DOM）的空间分异规律及其驱动机制。结果表明，表层DOM以植物腐殖化物质为主，中层和深层以微生物蛋白质类物质为主，沟谷头部侵蚀导致显著变化，地形与侵蚀过程的交互作用调控DOM分布，对碳封存和生态恢复具有重要意义。

　　在干旱和半干旱地区，沟壑系统是关键的生态区域，植被恢复能够显著影响溶解有机质（DOM）的动态变化，从而调控碳循环和生态系统功能。然而，目前关于这一过程的研究仍显不足。因此，本研究通过紫外-可见光谱和荧光激发-发射矩阵光谱（EEM）结合平行因子分析（PARAFAC）的方法，对典型半干旱地区沟壑系统的土壤DOM的空间差异模式进行了系统分析。结果显示，沟壑系统底部（GSF）的表层（TL，0–2厘米）中，溶解有机碳（DOC）含量为76.80毫克/千克，分别比中层（ML，3–20厘米）和底层（BL，21–50厘米）高1.3倍和1.9倍。表层DOM主要由类腐殖质成分（如植物来源的高分子物质）构成，占比达65.8%，而底层则以类蛋白质成分（如微生物代谢产物）为主，占比为62.1%。此外，在永久性沟壑的头部，DOM浓度和组成发生了显著变化，表明沟壑系统在不同位置对DOM的影响具有明显的空间异质性。

DOM的组成和浓度也受到景观位置（如流域、沟壑系统底部和沟壑系统坡岸）的显著影响。在流域的表层中，类腐殖质成分的含量比沟壑系统底部和坡岸分别高出13%和14%。这些差异主要源于土壤侵蚀引起的地貌变化及其对地表特征（如生物结皮性质、植物凋落物和根系密度）分布的影响。DOM的动态变化不仅受植被类型和土壤深度的影响，还受到地形特征（如坡度、坡向和位置）的调控。例如，在半干旱地区，降雨集中导致沟壑系统形成复杂的侵蚀网络，这为研究植被恢复对土壤DOM动态的影响提供了理想的环境。研究还发现，长期的植被恢复可以显著提升土壤有机碳（SOC）的固存能力，改善土壤结构和抗侵蚀性能，进而影响DOM的组成和含量。

本研究进一步揭示了沟壑系统内部不同地貌单元（如流域、暂时性沟壑和永久性沟壑）对DOM的影响。在植被恢复后的沟壑系统中，地表特征（如生物结皮和植物覆盖）发生了显著变化，这种变化也直接体现在DOM的特性上。例如，在暂时性沟壑的表层，DOM主要来源于植物凋落物和生物结皮，而在永久性沟壑的表层，则可能受到更强烈的侵蚀作用，导致DOM的来源和组成发生变化。同时，DOM的浓度和组成在沟壑系统的不同位置表现出明显的差异，这可能与地形变化引起的水文连通性变化和沉积物源汇关系有关。

在土壤深度方面，DOM的含量和组成也表现出显著的垂直差异。表层DOM的含量和芳香性均高于中层和底层，而底层则以微生物代谢产物为主，分子量较低。这种垂直分布模式与全球范围内的DOM结构简化趋势一致，表明随着土壤深度的增加，DOM的来源逐渐从植物转向微生物。此外，研究还发现，不同地形位置对DOM的分子量和芳香性有显著影响，特别是在沟壑系统的坡岸部分，北坡和流域的DOM分子量和芳香性均高于南坡和沟壑底部。这可能与地形差异导致的土壤水分、养分和光降解条件的不同有关，进而影响生物结皮的发展和凋落物的分解。

本研究采用的多参数分析框架，将光谱特征与环境因素（如地形、植被和土壤侵蚀）相结合，为理解沟壑系统中的碳循环和DOM动态提供了新的视角。通过平行因子分析，研究人员能够识别出DOM的不同荧光组分，并探讨其来源和转化机制。例如，类腐殖质成分（C1和C3）在表层和中层的占比较高，而类蛋白质成分（C2和C4）则在底层更常见。这些发现不仅有助于揭示DOM的形成和转化过程，也为未来的土壤碳管理和生态恢复提供了科学依据。

此外，本研究还发现，DOM的特性受到多种因素的共同影响，包括植被恢复、地形特征和土壤侵蚀。例如，植被恢复能够促进生物结皮的形成和植物凋落物的积累，从而增强DOM的稳定性。而在沟壑系统的头部，由于土壤侵蚀作用强烈，DOM的浓度和组成可能发生显著变化，这可能与微生物活动和DOM的分解速率有关。这些结果表明，沟壑系统不仅是碳循环的重要场所，也是生态恢复和碳固存的关键区域。

研究还强调了沟壑系统在碳循环中的重要性。通过分析DOM的垂直和水平分布模式，研究人员发现，不同地貌单元对DOM的影响存在显著差异。例如，流域的DOM分子量和芳香性较高，而沟壑底部的DOM则更多受到微生物活动的影响。这些发现不仅有助于理解碳在不同地貌单元中的迁移和转化，也为制定有效的土壤碳管理策略提供了理论支持。

在方法上，本研究采用了系统的土壤采样和光谱分析技术，以确保数据的准确性和可靠性。研究人员在沟壑系统的不同景观位置（如流域、沟壑底部和坡岸）和不同土壤深度（0–2厘米、3–20厘米和21–50厘米）进行了详细的采样和分析。通过使用紫外-可见光谱和荧光激发-发射矩阵光谱，研究人员能够更全面地了解DOM的组成和特性。这些技术的应用不仅提高了研究的精度，也为未来类似研究提供了可借鉴的方法。

本研究的创新之处在于，首次将沟壑系统的地貌单元与土壤剖面信息相结合，揭示了植被恢复过程中DOM的空间变化机制。这种整合方法有助于建立植被恢复、沟壑形态和DOM过程之间的直接联系，为理解土壤-地貌-碳之间的相互作用提供了新的视角。研究结果表明，植被恢复不仅能够增强土壤碳固存能力，还能通过改善土壤结构和减少侵蚀，提高生态系统的稳定性。

然而，本研究也存在一些局限性。首先，研究的时间范围仅限于秋季，虽然这是观察水侵蚀和植被恢复的关键时期，但未能涵盖季节性变化对DOM特性的影响。其次，研究仅关注了一种典型的沟壑系统，而未探讨不同发育阶段的沟壑系统对DOM特性的影响。此外，研究主要集中在黄土高原地区，尽管该地区的地貌和气候条件具有代表性，但其结果在其他地区的适用性仍需进一步验证。最后，由于半干旱地区碳循环对气候变化和人类活动高度敏感，未来的研究应扩展到流域或区域尺度，以更好地评估人类干扰和未来气候情景对DOM动态的影响。

综上所述，本研究通过对沟壑系统中DOM的空间变化进行系统分析，揭示了植被恢复对碳循环和生态系统功能的影响机制。研究结果不仅为理解DOM的形成和转化提供了新的视角，也为未来的土壤碳管理和生态恢复策略提供了科学依据。通过将地貌异质性和侵蚀-植被相互作用纳入碳核算框架，本研究强调了沟壑系统在调控碳通量和维持生态系统稳定中的重要作用。有效实施沟壑系统恢复和植被管理，不仅能够减少土壤侵蚀，还能增强碳固存能力，从而促进生态系统的恢复和气候变化的缓解。