《CATENA》：Impact of plateau pika burrows on soil water infiltration: Insights from controlled experiments and numerical simulation
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高原鼠兔洞穴通过结构参数（如深度、直径）显著增强高海拔湿地土壤水分入渗效率，其中深度影响最大（62.67%增幅）。高密度洞穴导致入渗过度集中，削弱整体效果。
蔡志杰|吴秀杰|徐中原|胡伟妮|郝龙伟|刘宗旭|李建妮
成都理工大学环境与土木工程学院，中国四川省成都市610059
摘要
青藏高原上高密度的鼠兔活动改变了土壤性质并影响了水文过程。然而，关于鼠兔洞穴生态水文学的研究较为稀少。本研究基于实地调查，通过沙箱实验研究了鼠兔洞穴对优先流的影响。利用COMSOL软件进行数值模拟，探讨了洞穴结构参数（包括洞穴直径、深度、底部长度以及分离的洞口和底部部分）对水分渗透的影响。此外，还分析了不同洞穴密度对水分渗透的影响。
实验和模拟结果均证实，在不同降雨强度条件下，鼠兔洞穴中确实存在优先流现象。实验中，洞穴所在位置的土壤含水量比非洞穴区域高出16.2%。洞穴沙箱的底部排水最先发生，总排水量是非洞穴区域的8.6倍。模拟结果表明，在所有结构参数中，洞穴深度是最重要的因素：洞穴深度增加150%会导致渗透通量增加62.67%。洞穴直径次之，而洞穴底部长度的影响最小。单独考虑洞穴底部对促进水分渗透的贡献非常有限。此外，过高的洞穴密度会导致水分渗透过于局部化，从而削弱整体的增强效果。这些发现加深了我们对鼠兔洞穴对土壤水分运动和水文循环影响的理解，为生态水文学和水资源评估提供了宝贵的科学依据。
引言
青藏高原的高山湿地是重要的生态和水文系统，它们通过储水和固碳能力调节区域水分平衡、维持生物多样性并影响气候过程（Cheng和Jin，2013；Jiao等人，2025）。这些湿地位于永久冻土或季节性冻结的土壤之上，具有明显的冻融动态，直接影响水分储存、渗透和侧向地下流动（Hayashi等人，2016）。高山湿地中的泥炭土壤富含有机物且具有较高的水力传导性，对物理扰动极为敏感，这常常导致有机物分解和随后的土地沙漠化（Qin等人，2019）。由于穴居哺乳动物的活动，这种扰动在该地区很常见，它们会形成大孔隙，破坏土壤层的连续性（Wu等人，2019），并连接原本水力隔离的地表和地下层（Zhou等人，2020）。因此，洞穴系统不仅可能改变渗透速率，还可能影响冻结或部分冻结土壤中水分运动的时间、规模和路径。
高原鼠兔（Ochotona curzoniae）是一种小型草食性啮齿动物，分布在海拔3000–5000米的高山草甸和湿地边缘，是这些生态系统中的重要生物扰动因素（Wang等人，2024a）。其广泛的地下隧道系统具有浅深度、小直径和异常高的洞口密度（Wu等人，2019）。这些独特的洞穴特征使鼠兔成为关键物种，显著影响土壤结构、植被模式和地表过程（Feng等人，2020；Hilal等人，2024），并大幅增加渗透率和深层渗透（Hole，1981；Jarvis，2020）。近年来，青藏高原的高山草地退化主要是由于过度放牧、沟渠排水、全球变暖以及高原鼠兔数量的增加（Wu等人，2023；Hilal等人，2024；Wang等人，2024b）。
动物的挖洞活动通过创建优先流路径显著改变土壤水分渗透，其影响因物种和洞穴特征而异。蚯蚓洞穴通常直径为1–10毫米，呈垂直方向，通过形成连通良好的隧道来增加垂直水流，从而促进快速渗透（Fischer等人，2014；Ma等人，2021）。相比之下，喜马拉雅旱獭（Marmota himalayana）的大洞穴直径为28厘米，虽然有利于排水，但由于通道较为孤立，对水分保持的作用较弱（Wang和Hou，2021）；而深度更大的鼹鼠（Myospalax）洞穴则导致更局部的渗透效应（Cui等人，2023；Gan等人，2024）。值得注意的是，高原鼠兔特有的浅层（Wei和Zhang，2018）和密集（10–55厘米深度）洞穴网络能够促进横向水分再分配，并增加地表渗透（Tong等人，2023）。
洞穴特征（如隧道深度、横向扩展和洞口密度）的综合作用在调节土壤中的水流方面起着关键作用，特别是高原鼠兔的洞穴在高海拔生态系统中能有效促进快速渗透（Li等人，2025）。这些发现强调了挖洞策略在多种环境条件下塑造土壤水动力学和水分保持过程的重要性。以往的大多数研究主要定性地记录了渗透变化或地表径流模式（Chen等人，2017；Qin等人，2019），而没有区分洞穴深度、密度和孔径大小等单个参数的贡献。
为了定量研究生物洞穴的水文效应，通常采用沙箱实验和数值模拟方法来分析土壤中的优先流效应（Akay等人，2008；Zhang等人，2023a）。Akay和Fox（2007）使用实验室土壤柱进行了实验，其中包括一个与地表相连或埋藏的人工大孔和地下排水系统，以研究渗透过程中大孔与地下排水系统之间的直接联系。Zhang等人（2023b）将蚯蚓洞穴作为超渗透区纳入COMSOL软件中，模拟非穿透性和完全穿透性洞穴的数量、长度、平均直径和迂曲度等空间特征对水分渗透和传输过程的影响。Hou和Fan（2022）定义了高渗透单元和基质土壤区域，以研究裂缝中的非饱和土壤渗透，为类似情况下的优先流问题提供了研究方法。多项研究表明，COMSOL软件中的地下流模块可以使用Richards、Darcy和Brinkman方程模拟多孔介质中的单相和多相流动特性（Butler和Sinha，2012）。然而，很少有研究根据高山哺乳动物的洞穴特征对这些模型进行参数化。由于优先流会显著影响地下水分储存、养分淋溶和径流生成的时间（Tong等人，2023），填补这一知识空白对于改进这些敏感生态系统的水文模型和管理策略至关重要。
因此，本研究旨在定量评估高原鼠兔洞穴参数（特别是深度、长度、洞口大小和密度）对高山湿地环境中土壤水分渗透动态的独特贡献。开发了一个数值模型，使用COMSOL定量研究由鼠兔洞穴构成的非饱和介质中的大孔流水分渗透特性，并通过沙箱实验验证了模型结果。本研究选择了五个代表性参数：洞穴直径（D）、洞穴深度（H）、洞穴底部长度（L）、洞穴面积（Bs）和洞穴分布密度（BD），以分析不同基质条件下鼠兔洞穴结构对水分渗透特性的影响。研究结果为了解鼠兔地下挖洞活动对类似地区水分渗透过程的影响提供了重要见解。此外，本研究为未来在青藏高原进行的区域尺度定量研究奠定了科学基础。
研究区域和实地调查
研究区域位于青藏高原东部的佐日盖湿地（图1a），介于经度102°08′E至103°39′E和纬度32°56′N至34°19′N之间，海拔约为3500米。该地区具有大陆性季风高原气候，年平均气温为1°C，年平均降水量为656.8毫米/年，年平均潜在蒸发量为1232毫米/年。大部分降雨发生在7月、8月和9月。
沙箱实验
沙箱实验结果显示，洞穴系统对土壤水分渗透有显著影响。非洞穴沙箱中A3传感器（沙箱中心位置）、B3传感器（有洞穴沙箱中心位置）和C3传感器（洞穴入口处）的初始土壤含水量分别为19.1%、18.5%和21%。随着降雨开始，表土层的水分含量增加。A3和B3传感器记录到了最高的水压水平。
结论
随着青藏高原上放牧强度的增加和气候的持续变暖，了解鼠兔洞穴如何改变湿地的水文过程变得越来越重要。基于对洞穴系统的实地观察、沙箱实验和数值模拟，本研究阐明了洞穴结构如何控制土壤水分的渗透和再分配。
(1) 双重水文功能：鼠兔洞穴作为高效的优先通道，显著
CRediT作者贡献声明
蔡志杰：撰写——原始草稿、可视化、方法论、正式分析。吴秀杰：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、正式分析、概念化。徐中原：撰写——审稿与编辑、验证、监督。胡伟妮：验证、调查。郝龙伟：方法论、调查。刘宗旭：方法论、调查。李建妮：方法论、调查。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：吴秀杰表示获得了中国国家自然科学基金会的财务支持。徐中原表示获得了中国国家自然科学基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42207074和42307089）的支持。
