喀斯特地区水土保持措施对降雨 - 土壤水分 - 径流 - 泥沙级联系统的统计解耦

《Ecological Engineering》：Statistical decoupling of the rainfall-soil moisture-runoff-sediment cascade system by soil and water conservation measures in karst regions

　　

摘要
水土保持措施通过调节降雨–径流–泥沙级联过程来减轻侵蚀。大多数传统评价仅衡量泥沙减少的量，很少考虑这些措施是否从根本上改变了侵蚀级联过程中的统计关系，我们将这一现象称为"统计脱耦"。为弥补这一空白，我们提出了一种统计脱耦框架，作为评估喀斯特生态系统保护成效的一个新维度。利用中国西南某五处径流小区（分别代表裸地、造林、灌丛、顺坡耕作和等高耕作）五年的自然降雨数据（158次侵蚀性事件），我们采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）量化了降雨–土壤水分–径流–泥沙通径上的处理效应。结果表明，造林实现的最大泥沙减少量为98.45%（相对于裸地），其次为灌丛（86.06%）和等高耕作（31.65%）；相反，顺坡耕作使土壤流失增加了15.44%。泥沙产生主要由低频极端暴雨驱动（IV型事件，占比10.15%）。此外，PLS-SEM揭示了各小区对产沙量解释力的显著差异：裸地表现出强耦合（R2=90.6%），而造林则表现出近乎完全的脱耦（R2=2.20%）。灌丛（19.7%）、等高耕作（18.2%）和顺坡耕作（35.70%）的取值居中。路径分析表明，基于植被的措施似乎大幅削弱了降雨–泥沙通径，而顺坡耕作维持了被削弱但完整保留的联系，从而加剧了侵蚀。此外，在多数小区中，土壤水分未表现出显著的中介作用，这反映了喀斯特地形土壤浅薄、渗漏迅速的特征。最终，我们将保护成效分为数量维度和结构维度。我们认为顺坡耕作在这两方面均属失当型，并提出统计脱耦作为衡量长期稳定性的关键补充指标。该框架为优化喀斯特地区生态工程设计提供了稳健的理论基础。

引言
土壤侵蚀是一个全球性环境问题，威胁人类栖息地与可持续发展（Shuai et al., 2016; Cao et al., 2020）。该过程通常导致土地退化并引发下游灾害（Lal, 1998; Niu et al., 2021; Wei et al., 2025a, Wei et al., 2025b），在喀斯特地貌中则呈现出独特而复杂的挑战。喀斯特地区以成土缓慢、土层浅薄以及显著的双层水文结构为特征，该结构包含相互连通的表面和地下排水网络，如裂隙、溶洞和地下暗河。因此，这些地区的土壤流失同时受地表径流和严重的地下渗漏驱动。这种复合侵蚀直接引发并加剧石漠化（Syvitski et al., 2005; Fang, 2021; Peng and Dai, 2022; Xu et al., 2023）。由于持续的气候变化预计将进一步加剧这些侵蚀风险（Eekhout and deente, 2022; Yin et al., 2025），系统理解关键驱动因素与缓解因素之间的相互作用，例如侵蚀性降雨与植被格局（Fu et al., 2011），对于评估保护成效和制定有效的控制策略至关重要。

降雨是土壤侵蚀的主要驱动力。关键参数包括降雨量、最大30分钟强度（I30）和历时，共同调节这一过程，而由这些参数组合定义的具体降雨类型也起到关键作用（Zhou et al., 2016; Zhu et al., 2021）。强降雨量、强暴雨和长历时被广泛认为是加剧径流和土壤流失的关键因素（Chen et al., 2018）。降水增多会提高土壤水分并促进结皮形成，从而降低入渗率，进而加剧径流和土壤流失（Liu et al., 2020）。同时，高强度降雨通过增加雨滴动能破坏土壤结构（Zhao et al., 2022; Zhang et al., 2025）。降雨侵蚀力通常用于表征这些参数的综合作用（Assouline and Ben-Hur, 2006; Zhou et al., 2016），与径流和产沙量密切相关（Chen et al., 2018）。值得注意的是，极端降雨事件贡献不成比例，单次事件可能占年土壤流失量的高达35%。此外，侵蚀速率与降雨特征之间表现出显著的非线性关系（Panagos et al., 2015）。

中国西南地区具有脆弱而高度敏感的喀斯特地貌，其特点为成土缓慢、土层浅薄以及土壤与基岩直接接触（Peng et al., 2019; Yang et al., 2022; Wei et al., 2023; Wei et al., 2025b）。因此，阐明这些脆弱地区侵蚀过程对降雨的响应，对于提高侵蚀预测精度和优化保护策略至关重要。坡面径流和产沙量是降雨特征与下垫面条件共同作用的结果。作为调节土壤侵蚀的关键生物因素，植被通过冠层截留、凋落物缓冲和根系固结显著减轻径流和土壤流失（Gyssels, 2005; Zhou et al., 2016）。研究表明，植被覆盖主要控制径流生成和侵蚀控制，与径流和产沙量减少率呈显著正相关（Tian et al., 2023; Wei et al., 2023; Bai et al., 2024; Zhang et al., 2025）。在植被类型方面，林地通常提供最有效的保护功能（Zhang et al., 2025），而森林与灌丛相结合的组合模式也能取得优异效果（Zhou et al., 2016）。例如，黄土高原退耕还林工程已显著降低土壤侵蚀模数（Zhang et al., 2022）。然而，这些发现向喀斯特地区迁移的能力存在固有限制。与黄土高原深厚均质的土壤不同，喀斯特地貌土壤浅薄且具有双层水文结构，这意味着地表植被恢复必须应对复杂的地上和地下水土交换。此外，植被的缓解效应表现出降雨阈值响应。例如，当降雨量从30 mm增加到90 mm时，泥沙减少效率从98%降至74%（Li et al., 2022）。由于土地利用变化会改变植被覆盖并可能显著削弱降水对产沙量的总效应（Tian et al., 2023），因此土地利用变化背景下植被与降雨相互作用驱动的侵蚀动态亟待进一步研究。

耕作方式通过改变地表粗糙度和微地貌来调节雨水分配，最终影响土壤侵蚀动态（Zhao et al., 2024）。与顺坡垄作相比，等高垄作显著降低平均土壤侵蚀率，并使侵蚀强度主要维持在轻微水平。相反，传统顺坡耕作在一些山地农业区仍很普遍，但通过加速水流汇集可严重加剧侵蚀（Shi et al., 2025）。等高耕作形成小地表垄埂，通过持水、吸水和延时降低峰值径流。这种延时稳定了土壤团聚体并提供二次缓冲（Zhang et al., 2024）。然而，由于不同耕作措施在各种降雨强度下的保护效应存在差异（Zhao et al., 2021），其内在过程仍有待进一步阐明。

生态水文学越来越多地将坡面侵蚀视为级联系统，强调能量和质量在降雨、入渗、径流和泥沙输移这一连续体中的非线性传递（Wainwright et al., 2011）。这些内部要素之间的联结强度，即水文连通性，直接决定侵蚀响应的量级（Gao et al., 2024）。水土保持措施主要通过改变下垫面性质起作用，从而可削弱级联传递并弱化侵蚀链（Feng et al., 2026）。尽管水文变量之间关系的衰减已在水文连通性、功能连通性和生态系统韧性等理论概念下被广泛讨论（Bracken et al., 2013; Wainwright et al., 2011），但其作为评估特定保护措施的诊断工具的定量应用仍十分有限。传统评价主要关注泥沙减少量。本研究在建构既有生态水文学理论的基础上，将统计脱耦操作化——它并非完全新颖的物理现象，而是通过偏最小二乘结构方程模型导出的一个具体、可量化的宏观指标。这种方法引入了一个新的结构维度，用以评估保护实践是否从根本上改变了系统对气候强迫的统计依赖。

喀斯特地区土壤浅薄、水文复杂，并具有显著的地表与地下双层结构。在这些环境中，这种脱耦动态既至关重要又十分脆弱，导致传统土壤侵蚀模型在很大程度上失效（Li et al., 2023）。因此，定量揭示保护措施在喀斯特背景下如何重塑这一级联系统，并阐明该脱耦的物理通径，是极为必要的。此类知识对于指导这些脆弱地区机械式生态工程实践的设计必不可少。

以贵州省为中心的西南喀斯特地区是全球范围最广的喀斯特地貌之一（Jiang et al., 2014）。该地区成土缓慢，土层浅薄贫瘠（Zhang et al., 2016b）。因此，土壤在强降水期间极易侵蚀且难以恢复（Li et al., 2019），而强烈的人类活动进一步加剧土壤流失和石漠化（Zhang et al., 2016a）。以往研究大多探讨降雨、径流与产沙量之间的联结关系（Cheng et al., 2020; Yang et al., 2022; Yi et al., 2022; Yan et al., 2024）。尽管植被和耕作措施可显著改变降雨对侵蚀的直接影响，但现有结论主要源自模拟实验（Han et al., 2024; Xiao et al., 2025; Zeng et al., 2025）。这些模拟往往难以捕捉自然降雨在较长时间段内的全部影响。

近期研究已在自然条件下评估植被与降雨类型对喀斯特坡面的综合影响（Wei et al., 2023）。然而，这些因素之间的相对贡献和复杂相互作用仍未得到充分量化，这制约了保护措施的最优配置。因此，系统理解降雨、植被与耕作之间的相互作用，对于评估侵蚀控制成效至关重要（Fu et al., 2011）。此外，仅依据产沙量的变化来评估保护实践是不完整的。要判断一项措施在数量上有效还是可能存在失当，需评估这些实践是否改变了降水、径流与泥沙之间的统计关系。打破这种水文级联，才能体现保护实践真正的结构效率。

为弥补这一知识空白，本研究使用了中国西南典型喀斯特地区2018至2022年五年的连续观测数据。分析包括五处设置了不同水土保持措施的径流小区。在此期间共记录了158次独立侵蚀性降雨事件，在各小区共产生453个响应观测值。总体目标是刻画包含降雨、土壤水分、径流和泥沙的系统在喀斯特坡面上的动态响应。通过绕开仅关注数量级的常规评价，我们提出了一种由偏最小二乘结构方程模型驱动的统计脱耦框架。本研究的具體目标如下：
1）量化各种水土保持措施的泥沙减少成效，并识别在各干预下主要驱动产沙量的具体降雨类型。
2）阐明不同保护措施下降雨、径流与产沙量之间的差异性相关模式。
3）采用偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）评估这些措施削弱降雨、径流与泥沙之间统计通径的有效性，从而判断是否实现了真正的统计脱耦。
4）基于脱耦梯度对保护成效进行分类，分为数量有效性（泥沙减少量大但残余耦合强）和结构有效性（泥沙减少量大的同时耦合被削弱）。该分类为所实施措施的持久稳健性提供了进一步洞察。

分节片段
研究区
兴义湖监测点位于中国西南贵州省兴义市（25°06′03″ N, 104°50′22″ E）。径流小区设于邻近的兴义河流域内。该流域面积36.12 km2，其中12.46 km2正在发生水土流失。该地区属亚热带湿润山地季风气候，年降水量介于1300至1600 mm之间，降雨多与湿季高温同期出现。年均……

侵蚀性降雨类型特征
我们采用K-means聚类将158个独立气象侵蚀性降雨事件分为四类不同类型。由于这些事件在五个不同径流小区上进行监测，共产生453个有效的小区级侵蚀响应（表3）。为避免过早的机理性解释，这些类型仅根据其物理特征命名。I型代表短历时、小量型模式，降雨强度最低。

不同降雨制度下的沉积物削减效果与侵蚀响应

我们的结果表明，五种保护措施在沉积物削减量和降雨响应模式方面存在显著差异。就沉积物削减量而言，除顺坡耕作小区外，所有处理小区相对于裸地对照均显著减少了土壤流失。小区1的幼林造林实现了最高的削减效率，达到98.45%，其次是小区3的灌木林为86.06%，小区5的等高耕作为31.65%。相反，

结论

本研究表明，保护措施从根本上改变了喀斯特山坡上降雨、径流和沉积物级联过程中的统计关系。尽管植被干预和等高耕作在典型条件下能有效抑制侵蚀，但不频繁的极端暴雨仍然是总沉积物产出的主要驱动因素。偏最小二乘结构方程模型实证证实了这些保护措施之间存在显著的统计解耦梯度。

CRediT作者贡献声明

Kunqian Yue：撰写—初稿，可视化，方法学，调查，数据整理，概念化。Jiacheng Lan：撰写—审阅与编辑，验证，监督，项目管理，经费获取，形式化分析。Xianwen Zhang：软件，资源，数据整理。Li Qin：验证，监督，数据整理。Yongxiang Jiang：可视化，方法学，数据整理。Ruitao Mao：可视化，验证，数据整理。Quanzhong Sun：验证，数据整理。

出版同意

所有作者均知情同意本出版物的发表及其内容。

伦理审批与参与同意

不适用。

资助

本研究得到以下项目的资助：贵州省高层次人才特殊支持计划科技创新领域青年拔尖人才（黔科协KJLYRC-[2026]134），2018年贵州省高层次创新型人才培养计划（项目编号：09S0011/111），贵州省2024年研究生科研项目（项目编号：2024YJSKYJJ157）。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

我们感谢匿名审稿人和编辑提出的宝贵意见，帮助改进了本文。本研究还得到以下项目的资助：贵州省高层次人才特殊支持计划科技创新领域青年拔尖人才（黔科协KJLYRC-[2026]134），2018年贵州省高层次创新型人才培养计划（项目编号：09S0011/111），贵州省2024年研究生科研项目（项目编号：2024YJSKYJJ157）。

Kunqian Yue|Jiacheng Lan|Xianwen Zhang|Li Qin|Yongxiang Jiang|Ruitao Mao|Quanzhong Sun|Jiaojiao Du|Zhongxian Liu

贵州师范大学喀斯特科学学院/国家喀斯特荒漠化控制工程技术研究院，贵州贵阳 550001，中国