亚热带丘陵农田植被保护措施对坡面侵蚀的降雨模式依赖性调控：多方法分析

《Water》：Rainfall-Pattern-Dependent Regulation of Hillslope Erosion by Vegetation Conservation Measures in Subtropical Hilly Farmland: A Multi-Method Analysis

　　

南部江苏丘陵地区位于长江三角洲生态屏障内。土壤侵蚀对商品林发展和太湖水质构成威胁，因此迫切需要量化植被和降雨调控坡面侵蚀的机制。本研究在宜兴张渚建立了五个标准径流小区，并连续监测了2022年至2023年的径流和土壤流失。通过结合随机森林（Random Forest）建模、偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）和调节效应分析，研究人员评估了不同降雨类型下各驱动因素的贡献。结果表明，桃园（PEA + GRA）是最优生态模式，分别实现了超过54.09%和70.19%的径流和泥沙减效率。降雨是驱动径流的主导因素（r = 0.75），而最大30分钟降雨强度（I₃₀）是驱动土壤流失的主导因素（r = 0.82）。此外，在低至中等强度降雨事件中，植被属性主要控制水文响应；然而，在极端III型暴雨（24小时降雨超过50 mm）中，降雨量成为决定性因素。调节分析进一步揭示，植被高度和覆盖度对降雨到径流的初始过渡阶段具有显著的调节作用。这些发现为亚热带丘陵景观中最佳水土保持策略选择提供了基于证据的指导。

**研究背景与问题**
南方江苏丘陵位于长江三角洲生态屏障内，土壤侵蚀威胁商品林发展和太湖水质，亟需量化植被与降雨对坡面侵蚀的调控机制。现有研究多聚焦于不同土地利用类型的总体植被覆盖，而对不同经济作物的具体侵蚀减缓效果研究不足；植被高度很少作为独立变量；降雨模式对侵蚀的影响需进一步解析。为此，研究人员开展本研究，旨在通过多方法分析，量化五种代表性经济林管理方式对径流和土壤流失的调控，识别不同降雨类型下降雨特征与植被属性的相对重要性，并确定植被在降雨-径流-侵蚀级联中起调节作用的具体阶段。论文发表在《Water》。

**关键技术与方法**
研究人员在宜兴张渚水土保持技术示范园建立五个标准径流小区（20m×5m，10°坡度），包括PEA+GRA（桃园+自然草本，未除草）、PEA+WEE（桃园+清耕，定期除草）、CK（裸地对照）、TEA+ALO（茶园+顺坡种植）、TEA+CRO（茶园+等高种植）。连续监测2022-2023年共55次侵蚀性降雨事件。主要技术方法包括：（1）随机森林（Random Forest, RF）建模，用于量化各环境变量对径流和土壤流失的相对重要性；（2）偏最小二乘结构方程模型（Partial Least Squares Structural Equation Modeling, PLS-SEM），用于揭示因果路径和直接/间接效应；（3）调节效应分析，采用Hayes的PROCESS宏（模型1和模型7）检验植被属性对降雨-径流-土壤流失路径的调节作用。样本来源为研究区野外原位监测。

**研究结果**
**3.1 不同径流小区的径流和土壤流失**
通过两年连续监测，PEA+GRA在总径流和土壤流失方面表现最优，两年累计径流和土壤流失分别为4093.4 m3·hm?2和189.4 t·hm?2（相对于裸地对照的减少量），减流率和减沙率分别超过54.09%和70.19%。TEA+CRO（等高种植茶园）次之，而PEA+WEE（清耕桃园）和TEA+ALO（顺坡种植茶园）效果相对较差。裸地对照（CK）的径流和土壤流失均为最高。

**3.2 不同降雨模式下的径流和土壤流失**
根据中国降雨标准，将侵蚀性降雨分为三类：I型（24小时降雨<25 mm，低强度）、II型（25-50 mm，中等强度）、III型（>50 mm，高强度）。III型降雨产生的总径流和土壤流失分别为I型的2.6倍和3.6倍，成为主导侵蚀驱动力。PEA+GRA和TEA+CRO在所有降雨类型下均表现出最强的侵蚀抑制效果，而裸地对照在III型降雨下侵蚀最为严重。

**3.3 环境因子与径流和土壤流失的关系**
Pearson相关分析表明，径流与降雨量（r=0.75，p<0.01）和最大30分钟降雨强度（I₃₀，r=0.82，p<0.01）呈显著正相关，与植被高度和覆盖度呈显著负相关（p<0.05）。土壤流失与I₃₀和降雨量呈显著正相关，与前期土壤含水量呈负相关。主成分分析（PCA）显示，第一主成分（PC1）由植被结构和土壤水分解释，第二主成分（PC2）由降雨量和I₃₀解释。

**3.4 驱动机制**
随机森林（RF）分析揭示，在I型和II型降雨下，植被覆盖度是径流的主要驱动因子（贡献率分别为24.4%和26.9%），而在III型降雨下，降雨量成为绝对主导因子（25.2%）。对于土壤流失，I₃₀在所有降雨类型中均为绝对主导因子（贡献率分别为38.8%、34.6%和34.4%）。PLS-SEM分析表明，降雨因子（由降雨量和I₃₀合成）对径流和土壤流失的路径系数最大（β分别为0.75和0.82），植被高度和覆盖度对径流有显著负向直接影响，土壤孔隙度和前期含水量也起抑制作用。模型对径流和土壤流失的解释方差分别为54%和63%。调节效应分析进一步显示，植被高度和覆盖度仅显著调节降雨到径流的路径（β=0.7916，p<0.001），而对径流到土壤流失的路径无显著调节作用，表明植被的主要保护价值在于拦截降雨到径流的初始水文响应阶段。

**讨论与结论**
研究讨论指出，PEA+GRA的优越性源于树冠与草本层的协同：树冠消散雨滴动能，草本层增加地表水力糙度和入渗能力。等高种植（TEA+CRO）优于顺坡种植（TEA+ALO），因其可拦截径流路径。清耕桃园因缺乏底层植被，易受径流冲刷。III型极端降雨是年度径流和土壤流失峰值的主要驱动力，其高动能导致裸地侵蚀急剧增加。植被属性的调节作用集中在降雨-径流转换阶段，而非后续产沙过程。研究局限性包括监测期仅两年、样地数量有限，未来需长期多站点验证。结论部分总结：PEA+GRA减流减沙率分别达54.09%和70.19%；III型极端降雨（>50 mm/24h）产生的径流和土壤流失分别是I型的2.6倍和3.6倍，是主要侵蚀驱动力；植被主要调节降雨到径流的初始过渡阶段。建议在亚热带丘陵经济林地推广“树+草本”复合系统，改顺坡茶园为等高种植，并建立长期监测计划。