《CATENA》：Deconstructing soil detachment: integrated assessment of soil properties, root characteristics, and hydraulics under diverse land uses on the Chinese loess plateau
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•探究不同土地利用类型对土壤分离能力的独特调控规律。•确定水力参数是导致土壤分离的关键因素。•构建一个整合流速、水稳性聚集体及比根长的土壤分离模型。引言土壤侵蚀仍是全球范围内威胁土地生产力、粮食安全与生态安全的重大环境问题（Deng等，2025）。它主要包含三个过程：土壤分离、沉
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探究不同土地利用类型对土壤分离能力的独特调控规律。
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确定水力参数是导致土壤分离的关键因素。
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构建一个整合流速、水稳性聚集体及比根长的土壤分离模型。
引言
土壤侵蚀仍是全球范围内威胁土地生产力、粮食安全与生态安全的重大环境问题（Deng等，2025）。它主要包含三个过程：土壤分离、沉积物输运和沉积物沉积（Zhao等，2022）。作为土壤侵蚀的初始阶段，土壤分离为后续的沉积物输运和沉积提供了松散物质来源（Ferro和Nicosia，2023；Liu等，2024a）。土壤分离能力是指在无沉积物输运条件下，即无沉积物输运的明流状态下，土壤颗粒从土壤基质中分离的最大速率（Guanhua和Jiajun，2019）。它是估算地表径流引发土壤侵蚀率的关键指标，也被广泛应用于多种土壤侵蚀模型中（如水蚀预测项目WEPP模型）（Dymond和Vale，2018；Flanagan等，2001）。土壤分离主要受侵蚀动力（地表流）和抗侵蚀能力（土壤特性及根系特征）的影响。通常认为地表流的水力特性是驱动土壤分离过程的主导因素，随着坡度梯度和流量增大，土壤分离能力呈非线性上升，且其对流量变化的敏感度高于坡度角度的变化（Jiang等，2025；Zhang等，2021）。流速、水流功率、剪应力以及单位水流功率能够有效表征土壤分离现象，且与这些变量之间存在指数或线性关系。准确估算土壤分离能力对于精准模拟土壤侵蚀至关重要。
土壤特性和根系特征则是影响土壤分离能力的重要抗侵蚀因素。一般来说，随着土壤容重、有机质含量、团聚体中值直径以及黏聚力的增加，土壤分离能力会下降（Annabi等，2017；Erktan等，2016；Knapen等，2009）。土壤容重、团聚体中值直径、黏聚力和有机质含量都是可用于估算土壤分离能力的参数。植物根系也是抗侵蚀因素的重要体现形式，它们通过交织的根系网络以及具有黏附作用的分泌物将细小颗粒结合在一起，从而降低土壤分离能力（Gyssels等，2005）。虽然这种影响程度因根系特征而异，但根系总体上会对土壤分离产生抑制作用（Ma等，2022b；Ma等，2023；Wang等，2018）。通常情况下，随着根系质量密度、比根长、长度密度、体积密度以及表面积密度的增加，土壤分离能力会呈指数或幂函数形式下降。不过，目前关于哪种根系特征参数最能反映土壤分离过程，研究结果仍存在不一致性。
不同土地利用类型通过改变植被覆盖度、根系分布以及土壤的物理化学性质，进而调控土壤分离能力，因此成为决定土壤抗侵蚀能力的关键因素（Jiang等，2025；Qiu等，2022）。在自然生态系统里，由于植物组成和根系结构的差异，农业用地、森林和草地表现出不同的抗侵蚀能力（Lou等，2023）。与拥有深根树木的森林或以密集草本植物为主的草地相比，农业用地的作物根系较浅且分布稀疏，加之耕作会导致土壤结构进一步退化，其土壤分离能力通常要高得多（Evrendilek等，2004）。农田0–10厘米土层的根系密度明显低于以禾本科植物、乔木和灌木为主的森林和草地，分别比森林低52.83%，比林地低41.86%（Jiang等，2025）。因此，农田的土壤分离能力比草地高出一到两个数量级，这充分体现了土地利用类型对土壤易蚀性的显著影响（Li等，2015）。
黄土高原是全球土壤和水资源流失严重的地区，由于实施了包括“以粮代赈”在内的生态恢复工程，该地区的土地利用类型发生了较大变化（Wang等，2022）。目前的研究大多聚焦于单一因素的局部影响，而土壤的物理化学特性（如有机质含量或团聚体稳定性）与根系特征之间存在较高的相关性，这使得很难区分它们对土壤分离能力变化各自的贡献。更重要的是，现有研究尚未形成系统的机制框架，来阐明土地利用类型、土壤物理化学性质、根系特征以及地表流水力参数之间的相互作用机制。土地利用类型是重塑土壤结构和根系分布的最主要调控因素，土壤特性和根系特征共同决定了表土的固有抗侵蚀能力，而水力参数则是引发土壤颗粒分离的外部驱动力。这些因素之间的协同或拮抗作用最终决定了土壤分离能力的大小，但在黄土高原上，其完整的相互作用链条及主导控制路径仍不明确。此外，还需要通过系统化的定量研究，明确黄土区土壤分离能力对不同土地利用类型的响应机制及其背后的多因素耦合机制。为填补这一研究空白，本研究从黄土高原选取了具有代表性的农田（粟和德国谷子）、草地（披碱草和冰草）、灌丛（科尔沁锦鸡儿和沙棘）以及林地（刺槐和油松）作为研究对象。在六种不同的水力组合条件（17.5%–43.6%，0.86–1.43升/秒）下进行了变坡度水槽冲刷实验。本研究旨在：1）分析不同土地利用类型下土壤分离能力的变化规律；2）探究土壤分离能力与土壤特性、根系特征之间的关系；3）通过整合不同土地利用类型下的土壤特性、根系特征和水力参数，建立土壤分离能力的预测方程。
章节摘要
研究区域
本研究地点位于陕西省延安市安塞区的芝方沟流域（北纬36°46′28″–36°46′42″，东经109°13′46″–109°16′03″），海拔在1068至1309米之间。该地区属于半干旱大陆性气候，年平均气温约为8.8摄氏度，年降水量约为549毫米。超过70%的降水集中在6月至9月间，且多为短时强降雨。该地区的
不同土地利用类型下的土壤特性差异
不同土地利用类型之间的土壤特性存在显著差异，包括土壤质地（砂、粉粒和黏粒）、中值直径、容重、总孔隙度、黏聚力、水稳性聚集体以及有机质含量等（见表2）。土壤质地在12.34%到68.95%之间变化，其中粟地和刺槐地的砂、粉粒和黏粒含量最高。所有研究点的粉粒含量都在61.86%到68.95%之间，说明这些地区的土壤以粉质壤土为主。中值直径的数值在
土地利用类型和物种对土壤分离能力的影响
土地利用类型通过改变土壤特性和根系特征来调控土壤分离过程（Ma等，2022a；Yan等，2024）。在六种不同的剪应力作用下，不同采样点的土壤分离能力存在显著差异，数值范围为0.03–4.48千克/平方米·秒，平均数值在0.14到2.78千克/平方米·秒之间。农田的土壤分离能力最高，这主要是由于长期耕作和机械扰动破坏了土壤结构，降低了
结论
本研究分析了八种不同土地利用类型下土壤分离能力的变化规律，同时系统研究了水力参数、土壤特性、根系特征与土壤分离能力之间的差异及耦合关系。研究结果表明，不同土地利用类型下的土壤物理化学性质和根系特征存在显著差异。这些地区的土壤以粉质壤土为主，其中农田的砂粒含量最高，而林地的
CRediT作者贡献说明
王建芳：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，概念构思。李佳明：论文撰写——审阅与编辑，方法设计。刘国斌：论文撰写——审阅与编辑，概念构思。马伟伟：论文撰写——审阅与编辑，可视化处理。王冰：论文撰写——审阅与编辑，可视化处理。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了国家关键研发计划（编号：2023YFF1305103）以及甘肃省青年科技基金（编号：26JRRA652）的支持。同时，我们也感谢中国科学院水土保持研究所安塞研究站、水利部以及西北农林科技大学和甘肃农业大学在技术方面给予的帮助。
JianFang Wang|JiaMing Li|GuoBin Liu|WeiWei Ma|Bing Wang
