中国南部典型坡地农田中，采用草篱措施后物理表层发育特征以及径流和沉积物响应的情况

《Soils and Foundations》：Characteristics of physical-crust development and runoff and sediment response under grass hedgerow measures in a typical sloping farmland in southern China

红壤区梯田边行植被调控物理结皮发育及径流泥沙响应机制研究。通过模拟降雨实验发现，香根草边行系统内、前及间隔区结皮厚度分别为2.81、3.90和5.79mm，显著影响孔隙结构及水文过程。结皮厚度随预降雨时长增加，导致坡面径流峰值增加18.6%，泥沙产量呈非线性响应。基于结皮特性的侵蚀模型较传统线性模型精度提升18.6%，为红壤区水土保持提供理论依据。

　　草篱笆是控制坡地农田土壤和水流失的重要措施之一。在中国南方红壤地区，特别是在雨季期间，土壤表面常常形成广泛的物理结皮，这使得对草篱笆坡面径流和泥沙产出的预测变得更加复杂，同时也降低了预测的准确性。本研究通过模拟降雨实验，探讨了草篱笆分布对物理结皮形成的影响，以及结皮形成程度对径流和泥沙产出的效应。研究结果表明，草篱笆的位置对其结皮的形成具有显著影响。在60毫米降雨量（降雨强度为30毫米/小时）后，草篱笆内部、草篱笆之间以及草篱笆前方的结皮厚度分别为2.81毫米、3.90毫米和5.79毫米，且这些区域的孔隙结构具有明显差异。随着降雨前的干燥时间增加，结皮厚度也会增加，进而导致随后30分钟降雨期间的坡面径流和泥沙产出显著上升。径流的增加初期迅速，随后逐渐减缓；而泥沙的产出则在初期缓慢增加，随后加速上升。这种变化趋势反映了结皮在不同发育阶段对径流和泥沙生成的差异性影响。

为了更准确地预测草篱笆坡面系统的径流和泥沙产出，研究团队基于结皮特性构建了一个预测模型。该模型在预测泥沙方面比传统基于降雨指数的线性模型提高了18.6%的准确性，同时在径流预测方面的表现也保持了较高的一致性。本研究首次在南方红壤地区草篱笆坡面系统中识别出物理结皮的发育特征及其对径流和侵蚀的响应，为防止结皮形成、管理土壤侵蚀以及在类似地区进行土壤和水资源保护提供了科学依据。

土壤侵蚀是全球环境面临的重要挑战之一，直接影响农田质量及土壤资源的可持续利用，但其间接影响也涉及土壤碳循环、气候变化以及粮食安全等方面。中国南方红壤地区因其高降雨量、破碎地形和强烈的人类活动干扰，成为水蚀的典型区域。目前，中国受水蚀影响的土地面积达105.1万平方公里，其中红壤地区占12%。该地区还拥有289万公顷的坡地农田，虽然仅占总面积的一小部分，但其开发程度和使用强度较高。频繁的降雨使得坡地农田中的土壤受到严重侵蚀，成为南方红壤地区土壤和水流失的主要区域。

生物措施是三种主要的土壤和水资源保护策略之一。这些措施通过多种方式控制土壤和水的流失：首先，植被冠层可以拦截雨水，减少雨滴的冲击力；其次，植物的根系可以改善土壤结构，提高土壤渗透性，从而减少径流；最后，植被可以增强土壤的抗侵蚀能力。在中国南方红壤地区，等高线草篱笆作为一种典型的生物措施，因其易于建立、不占用大量土地、能有效拦截径流和泥沙以及具有经济价值而被广泛应用。等高线草篱笆通过其地上茎叶减缓地表径流，改变径流的水动力学特性，降低径流的侵蚀能力，并促进泥沙在草篱笆前方的沉积。这些效应有助于控制土壤和养分的流失，进而提高土壤肥力和农田生产力。

已有研究表明，不同草篱笆植物种类和种植组合在南方红壤地区的坡地农田中对土壤和水资源保护具有显著效果。通过分析径流的水动力学特性、泥沙的产生以及作物的生产力，这些研究验证了草篱笆措施的有效性，并为在坡地农田中实施草篱笆措施控制土壤侵蚀提供了理论基础和实践案例。然而，现有研究尚未充分探讨草篱笆管理下坡面系统中物理结皮的发育过程及其对径流和泥沙产出的影响。

考虑到南方红壤地区的气候条件和侵蚀特征，实际应用中通常选择耐旱、耐逆境的多年生草本植物，如香根草（*Vetiveria zizanioides*）和金边黄杨（*Hemerocallis citrina*），并在草篱笆之间种植季节性作物，如花生和玉米。然而，草篱笆植物与间作作物之间生长周期的不一致，导致在非生长季节草篱笆之间出现较长时期的裸露土壤。在南方红壤地区频繁降雨的条件下，这种裸露状态会促进物理结皮的广泛形成。物理结皮的形成改变了土壤孔隙结构和坡面的水文过程，增加了坡面侵蚀建模的复杂性，并在一定程度上降低了草篱笆措施在控制坡地农田土壤侵蚀方面的效果。因此，有必要进一步研究草篱笆管理下坡面系统中物理结皮的发育过程及其对径流和泥沙产出的影响。

本研究在中国南方红壤地区典型坡地农田中划定了多个径流微区，并在实验田中安装了草篱笆，随后进行了常规的模拟降雨实验。实验结束后，从草篱笆内部、草篱笆之间以及草篱笆前方采集了未扰动的土壤样本，利用计算机断层扫描（CT）技术评估了这些样本的孔隙结构和物理结皮的发育特征。研究采用了两阶段的模拟降雨方案：首先，对不同微区的草篱笆管理坡面施加不同持续时间的模拟降雨，以形成不同发育程度的物理结皮；随后，在系统稳定后，施加相同的降雨条件，以分析不同发育程度的结皮对径流和泥沙过程的影响。

通过本研究，我们系统地分析了南方红壤地区草篱笆管理坡面系统中物理结皮的发育特征及其对径流和泥沙产出的影响。研究发现，草篱笆显著影响了土壤结皮的空间分布和结构异质性，其中结皮在草篱笆内部最薄，在草篱笆之间最厚。物理结皮的形成加速了径流的产生，同时抑制了泥沙的产出。这一发现有助于更准确地评估草篱笆措施在控制土壤侵蚀方面的效果，并为提高草篱笆管理坡面系统中侵蚀建模的精度提供了基础信息。

此外，本研究还揭示了物理结皮在不同发育阶段对径流和泥沙过程的调节作用。研究结果表明，随着结皮厚度的增加，径流的产生速度加快，而泥沙的产出则在初期缓慢增加，随后加速上升。这种变化趋势反映了结皮在不同发育阶段对径流和泥沙生成的差异性影响。基于这些发现，研究团队构建了一个新的预测模型，该模型在预测泥沙方面比传统模型提高了18.6%的准确性，同时在径流预测方面也保持了较高的性能。这一模型为南方红壤地区草篱笆管理坡面系统的径流和泥沙预测提供了更科学、更精确的工具。

本研究的意义不仅在于揭示了物理结皮的发育特征及其对径流和泥沙产出的影响，还在于为实际应用提供了理论支持和实践指导。通过深入分析草篱笆对物理结皮形成的影响，以及结皮对径流和泥沙过程的调控作用，研究为防止结皮形成、优化土壤侵蚀管理以及制定土壤和水资源保护规划提供了科学依据。此外，研究还强调了在实际应用中应充分考虑草篱笆植物与间作作物的生长周期差异，以减少非生长季节裸露土壤的暴露时间，从而降低物理结皮的形成风险。

本研究的结论为南方红壤地区及其他类似地区的土壤和水资源保护工作提供了重要的参考价值。在这些地区，草篱笆措施的实施需要综合考虑气候条件、地形特征和人类活动的影响，以实现最佳的土壤和水资源保护效果。同时，研究还指出，基于结皮特性的预测模型在实际应用中具有更高的准确性，这为未来在更大范围内的土壤侵蚀建模和预测提供了新的思路和方法。

总之，本研究通过系统的实验和分析，揭示了草篱笆管理下坡面系统中物理结皮的发育特征及其对径流和泥沙产出的影响。这些发现不仅加深了我们对草篱笆措施作用机制的理解，也为在南方红壤地区及其他类似地区实施有效的土壤和水资源保护措施提供了科学依据和技术支持。研究强调了结皮在不同位置和发育阶段对水文过程的复杂影响，并提出了基于结皮特性的预测模型，为未来的研究和实践提供了新的方向和工具。