中国黄土丘陵沟壑区典型流域基于土壤微结构的土壤侵蚀性评估与模型改进

《CATENA》：Soil erodibility assessment and model improvement based on soil microstructure in a typical watershed of the loess hilly-gully region, China

　　

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  将土壤微结构纳入EPIC模型可提高K因子的估算精度。
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  团聚体稳定性是土壤可蚀性的主要直接驱动因子。
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  根系性状对土壤可蚀性的总效应最大。
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  细根（< 0.5 mm）对降低可蚀性的贡献最大。

引言

土壤侵蚀被广泛认为是土地退化的严重威胁，会造成巨大的生态和环境损害（Liu等，2020）。全球土壤侵蚀速率估计每年达250至400亿吨，这比自然土壤形成速率高出数个数量级（Gallo等，2023；Wuepper等，2020）。气候变化与人类活动的叠加影响可能进一步加速未来几十年的土壤侵蚀（Guerra等，2020；Bezak等，2024）。因此，理解土壤侵蚀动态并识别其关键驱动因子，对于有效的水土保持至关重要。

土壤可蚀性是土壤侵蚀预测模型中的关键参数，反映了土壤对侵蚀作用的固有敏感性（Saygin等，2018）。通用土壤流失方程（USLE）及其修订版（RUSLE）是目前应用最广泛的土壤侵蚀经验模型。在这些框架中，土壤可蚀性因子（K）被定义为标准小区条件下单位降雨侵蚀力下所测得的平均土壤流失量（Wischmeier和Smith，1978）。传统上，K因子的确定需要长期的野外观测。然而，由于巨大的经济和时间的限制，这类研究往往难以实施。为解决直接测量K因子的困难，研究人员开发了将K与土壤基本理化性质相关联的回归方程。这些方程由EPIC（Williams等，1984）、TORRI（Torri等，1997）和SHIRAZI（Shirazi和Boerama，1984）等模型代表，利用已发表的实测可蚀性值进行校准。该方法通过有限的土壤实测性质来估算K值，从而提供了一种方法成熟、成本效益高的解决方案。需要指出的是，这些经验模型仅在其开发所使用的数据范围内可靠，超出该条件的外推存在重要的局限性。例如，Zhang等（2016）报告指出，利用这些模型估算的中国K值普遍低于美国的K值。先前的研究利用中国东部13个标准农田小区的实测数据，对EPIC和SHIRAZI等模型进行了区域校准（Zhang等，2008）。尽管EPIC模型的预测精度相对较低（R² = 0.38），但由于其适用于中国典型的土壤类型，已被广泛应?于中国各地。然而，当农田在"退耕还林"等倡议下转化为林地或草地时，EPIC和SHIRAZI等经验模型的精度无法得到保证。这些模型主要依赖土壤质地和有机质含量。仅凭土壤粒径分布和有机质含量无法反映植被恢复带来的土壤结构改善。因此，这些模型为这种转化后的景观估算的K值很可能偏高。

土壤团聚体被认为是土壤结构的基本单元，是土壤质量和结构稳定性的关键指标（Ma等，2022）。土壤团聚体粒径分布常用于评估土壤结构，通常采用施加外力的破坏性方法（Rabot等，2018）。它是结构完整性的敏感指标，为了解土壤通气性、水力传导性、生物功能、作物生产力及抗侵蚀能力提供了关键信息（Wang等，2016a）。因此，与传统经验模型中所使用的颗粒组成参数相比，土壤团聚体可能更能准确量化植被恢复所诱发的结构改善。这些考虑揭示了一个关键局限性：尽管土壤抗侵蚀能力本质上与团聚体架构密切相关，但仅依赖颗粒组成的传统模型未能考虑到这种结构转变。中国集约化农业管理措施，如秸秆还田和施肥，往往增加了农田土壤有机碳储量，这可能通过有机质的疏水特性增强土壤结构（Sarker等，2022）。然而，由于频繁的机械扰动，这些系统仍然容易受到降雨和径流侵蚀。这一矛盾强调了在经验土壤可蚀性模型框架中纳入土壤结构特征——特别是团聚体稳定性指标——的必要性。这种整合可能提高农业生态系统中侵蚀动态的预测精度，从而有助于弥合管理措施与侵蚀缓解效果之间的差距。

植被恢复是水土保持和生态系统修复的有效策略（Zhang和Shangguan，2016）。先前的研究表明，农田的抗侵蚀能力显著低于林地、草地和弃耕地，且土壤可蚀性更高（Wang等，2019；Li等，2025）。在中国，"退耕还林"计划通过土地利用转换推动植被恢复，从根本上改变了植被特征和土壤性质，从而增强了土壤侵蚀控制效果（Wang等，2019）。此外，植物根系通过机械缠绕和颗粒黏结增强土壤结构稳定性，而根系分泌物和凋落物分解则促进土壤有机碳积累和团聚体形成（Reubens等，2007；Qiu等，2015；Sun等，2016）。植被恢复还可以增加多价阳离子的浓度并影响阳离子交换过程，从而增强对土壤结构完整性至关重要的颗粒间结合力（Yu等，2017；Su等，2025）。因此，植被恢复通过综合调控地表覆盖、土壤水分、团聚作用和理化性质来增强土壤抗侵蚀能力（Ma等，2023）。

黄土丘陵沟壑区历史上遭受严重的土壤侵蚀。这在很大程度上是由于其极度破碎的地形和密集的沟壑网络，导致了持续的社会经济和生态退化（Wang等，2016b）。自1999年实施"退耕还林"计划以来，大面积农田被转化为多年生植被，从根本上改变了土壤结构和可蚀性（Zhao等，2017）。然而，现有对不同土地利用类型土壤可蚀性的评估仍然严重依赖基于土壤质地和有机质的经验模型，这些模型未能考虑到植被诱导的土壤结构改善。鉴于该地区显著的土地利用变化，定量解构恢复生态系统中土壤可蚀性驱动因子是必要的。考虑到黄土高原显著的环境异质性，本研究聚焦于丘陵沟壑区的一个典型小流域，探讨不同土地利用类型下土壤可蚀性差异的机制。具体而言，本研究旨在：（1）通过整合微结构参数重新校准传统可蚀性模型（EPIC、TORRI、SHIRAZI）；（2）定量分析"退耕还林"计划下土壤可蚀性的驱动因子。我们假设将土壤微结构纳入经验可蚀性模型将提高其在恢复生态系统中的预测性能。这种基于机制的重新校准有望为景观尺度水土保持规划中可蚀性模型的空间外推提供理论基础。

章节摘要

研究区域

本研究在中国陕西省延安市_ansai县志房沟流域开展（109°13′–109°16′ E，36°42′–36°46′ N），流域面积为8.27 km²（图1）。志房沟流域是黄土高原丘陵沟壑区的一个代表性小流域，被广泛用于植被恢复和土壤侵蚀过程的研究。该流域海拔介于1010至1431 m之间，沟壑密度为4.20–8.06 km·km^?2，地表破碎程度

五种典型土地利用类型的土壤化学性质

在五种土地利用类型的表土层中，土壤有机质含量在8.63至12.76 g·kg^?1之间，阳离子交换量在7.72至8.59 cmol·kg^?1之间，pH值在8.39至8.56之间（图2）。林地的土壤有机质含量显著高于灌木地和草地，分别高出47.83%和44.54%（p < 0.05）。农业土地利用（果园和农田）的有机质含量居中，低于林地但略高于

基于土壤微结构修正的经验土壤可蚀性模型评估

传统经验土壤可蚀性模型一般基于观测数据集建立，主要依赖分散状态的颗粒粒径组成。同时，其适用性可能受限于开发时的环境条件，且其捕捉植被恢复所诱导的结构变化的能力往往有限。因此，通过整合土壤微结构相关信息来修正这些模型，可能会提高其性能并

结论

将农用地转化为林地、灌木地和草地显著降低了土壤可蚀性，且修正后的K值随土壤深度增加而增大。根系性状、团聚体稳定性和土壤化学性质共同调控土壤可蚀性。将土壤微结构纳入EPIC模型改善了K因子的估算效果，而其在TORRI和SHIRAZI模型中的适用性则较为有限。总体而言，植被恢复增强了黄土地区的土壤抗侵蚀能力

CRediT作者贡献声明

马金龙： 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，调查，形式分析，数据整理。于晓兵： 方法学，调查。杨燕芬： 写作 – 审阅与编辑，指导，项目管理，经费获取。周立波： 方法学，调查。刘国宾： 指导，项目管理。赵佳明： 软件，调查。王兵： 写作 – 审阅与编辑，指导，项目管理，经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究获得了国家自然科学基金（资助编号：U25A20826）、国家自然科学基金（资助编号：42377352）和国家自然科学基金（资助编号：42130717）的资助。感谢中国科学院水土保持研究所安塞试验站成员提供的技术帮助。

马金龙|于晓兵|杨燕芬|周立波|刘国宾|赵佳明|王兵