黄土高原草地土壤抗侵蚀能力的季节性变化：直根系与须根系的对比研究及其生态修复意义

本研究针对黄土高原草地土壤侵蚀的季节性变化问题，通过对比直根系（如Artemisia capillaris）和须根系（如Bothriochloa ischcemum）草地的土壤抗侵蚀参数（Kr和τc），揭示了植被生长季内土壤抗侵蚀能力的动态变化规律。研究发现，须根系草地的Kr值显著低于直根系草地（低2.83倍），且多年生草本植物的抗侵蚀能力优于一年生植物。通过建立基于水稳性团聚体含量（WSA）和根表面积密度（RSAD）的预测模型（R2=0.85），为黄土高原生态修复提供了量化依据，对全球类似侵蚀区的土壤保护策略具有重要参考价值。

　　

论文解读

土壤侵蚀是全球性的生态难题，而中国黄土高原更是以年均5000-10000吨/平方公里的侵蚀速率成为全球水土流失最严重的区域之一。过去几十年，通过“退耕还林还草”等工程，黄土高原植被覆盖率显著提升，但一个关键科学问题始终悬而未决：不同根系类型的草地在生长季内如何动态影响土壤抗侵蚀能力？这一问题的答案，直接关系到生态修复工程的物种选择与实施时序。

中国科学院水利部水土保持研究所的研究团队在《Geoderma》发表了一项开创性研究。他们选取黄土高原腹地纸坊沟流域的四种典型草地——代表早期演替的一年生直根系植物黄花蒿（AS）和一年生须根系植物狗尾草（SV），以及演替后期的多年生直根系植物艾蒿（AG）和多年生须根系植物白羊草（BI），通过为期5个月的野外采样与室内模拟实验，首次量化了根系类型与生长阶段对土壤抗侵蚀参数（rill erodibility, Kr和critical shear stress, τ_c）的季节性影响。

关键技术方法
研究采用矩形钢环采集0-8 cm原状土样，通过固定床水力冲刷槽模拟6种剪切应力（5.94-18.58 Pa）下的土壤剥离能力（Dc），结合WEPP模型计算Kr和τ_c。同步测定根系形态参数（如根质量密度RMD、根表面积密度RSAD）和土壤理化性质（水稳性团聚体WSA、黏聚力Coh等），采用方差分解分析解析各因素贡献率。

季节性变化规律

• 根系动态：须根系草地的RSAD和RMD最高达直根系草地的5.22倍和4.63倍，且多年生植物根系生物量积累更显著。
• 土壤改良：生长季末期，水稳性团聚体含量提升34%，黏聚力增加21%，而总孔隙度降低10.4%。
• 抗侵蚀响应：Kr随生长季呈幂函数下降（R²=0.86-0.99），多年生草地Kr值仅为一年生草地的1/11.58；τ_c波动上升，最高达6.52 Pa。

根系类型的影响机制

• 须根系的优势：须根系草地通过高密度侧根网络（RSAD=0.21 m²/m³）形成“三维加固”，使Kr比直根系草地低64.3%。
• 土壤-根系协同：根系特性解释Kr变异的41%，其中RSAD贡献最大；而τ_c主要受土壤黏聚力驱动（贡献率18.8%）。

预测模型创新
建立的Kr预测方程Kr=26.30WSA^-4.86RSAD^-0.33（NSE=0.85），首次将WSA和RSAD作为核心指标，为动态评估土壤抗侵蚀能力提供了实用工具。

生态修复启示
该研究颠覆了传统植被恢复中“见绿即有效”的认知，揭示多年生须根系草本（如白羊草）可通过持续提升WSA和RSAD，实现土壤抗侵蚀能力的“双保险”。这一发现为黄土高原“以草固土”的精准修复策略提供了理论支撑，尤其对全球气候变化背景下极端降雨频发区域的侵蚀防控具有普适价值。未来研究可进一步纳入土壤化学指标，以完善τ_c的预测框架。