不同复垦模式对广西铝土矿矿区土壤抗蚀性和土壤养分的影响

《CATENA》：Effects of different reclamation patterns on soil erodibility and soil nutrients in bauxite mining area of Guangxi, China

　　

-植被复垦早期的土壤可蚀性高于农业复垦。-土壤质地是限制早期复垦生态恢复的关键因素。-农业复垦早期的生态效益高于植被复垦。-耦合协调度模型评估了不同复垦模式的生态效益。引言全球范围内，土壤侵蚀是一个重要的环境问题，它不仅消耗土壤养分和有机质，还会导致水库淤积、河床淤积和水污染（Bastola等，2018；Chen等，2022）。此外，不合理的土地利用导致土壤养分消耗，进一步加剧土壤侵蚀，严重制约农业可持续生产力的发展（Alewell等，2020；Tang等，2021）。丰富的矿产资源刺激了经济增长，对提高生活水平做出了重大贡献。与此同时，采矿活动引起的一系列环境问题，如土壤侵蚀，正受到越来越多的关注（Shobe等，2024）。因此，了解不同复垦模式对土壤可蚀性和土壤养分的影响，对于在矿区设计科学复垦措施至关重要。土壤可蚀性描述了土壤在降雨条件下对溅蚀和地表径流的易感性，反映其对侵蚀的敏感性（Veihe，2002；Zhu等，2026b）。在通用土壤流失方程（USLE）和修订的通用土壤流失方程（RUSLE）中，这种固有的抗侵蚀性通过土壤可蚀性K因子进行量化，该因子是预测土壤流失的核心参数（Olson和Wischmeier，1963；Zhang等，2008）。由于通过长期径流小区监测直接测量K因子成本高且空间受限，已开发了多种经验模型来从常规可测量的土壤理化性质估计K因子。广泛采用的方法包括EPIC（Williams等，1984）、SHIRAZI（Shirazi和Boersma，1984）和TORRI（Torri等，1997）。实际上，EPIC模型根据土壤质地和土壤有机碳含量计算土壤可蚀性K因子，这忽略了土壤结构对预测土壤流失的影响（Ma等，2025）。因此，其他指标也可以全面量化土壤可蚀性。这些指标包括平均重量直径（MWD）、粘粒率（CR）、土壤有机碳（SOC）、土壤有机碳胶结剂指数（SCAI）和土壤结构稳定性指数（SSSI）。具体而言，MWD广泛用于评估土壤团聚体稳定性，这在一定程度上反映了土壤团聚体抵抗雨滴溅蚀的能力（Van Bavel，1950）。CR反映土壤对侵蚀的敏感性，CR越高，抗侵蚀性越低（Bouyoucos，1935）。SOC与团聚体稳定性和入渗密切相关，也能表征土壤可蚀性（Zeng等，2024）。SCAI反映土壤有机质在结合土壤颗粒和增强团聚体稳定性方面的作用（Jiang等，2019）。SSSI反映土壤结构退化程度（Pagliai等，1995）。这些指标从不同角度描述土壤可蚀性和土壤抗侵蚀性。因此，近年来研究人员使用多种土壤可蚀性指标建立了综合土壤可蚀性指数（CSEI），该指数能够量化不同耕作方法、不同生物结皮覆盖梯度以及不同坡位对CSEI的影响（Chen等，2022；Ye等，2026；Zhu等，2026b）。以往的研究评估了矿区复垦对土壤有机碳和土壤团聚体的影响（Bi等，2023；Liu等，2025；Song等，2026）。然而，不同复垦模式对综合土壤可蚀性指数的影响很少受到关注，这限制了对复垦后土壤可蚀性演化及其内部驱动机制的理解。土壤养分是维持陆地生态系统生产力的关键物质基础，其浓度是土壤肥力的重要指标（Guan等，2020）。土壤有机碳影响土壤结构和肥力，不仅是全球碳循环的主要组成部分，还在土壤地表-大气温室气体交换中发挥重要作用（Davidson和Janssens，2006；Zhang等，2025）。一般来说，氮是限制植物生长的最重要土壤养分之一（Chen等，2018）。根据Hou等（2020）的全球元分析，陆地自然生态系统中地上植物生产普遍存在磷限制。钾是陆地生态系统中的重要养分，因为它与作物产量相关（Sardans和Pe?uelas，2015）。然而，由于施肥和管理实践的差异，生态恢复后土壤养分在时间和空间上的变化往往很大（Ge等，2020；Guan等，2020）。鉴于土壤有机碳、氮、磷、钾的重要作用，可以将多种土壤养分指标组合为综合土壤养分指数（CSNI），以评估不同生态恢复措施对土壤养分的影响。尽管矿区土地复垦对土壤养分的影响已受到广泛关注（Otremba等，2025；Sun等，2024；Zhang和Wang，2023；Zhang等，2023），但关于不同复垦模式对综合土壤养分指数影响的研究仍相对有限。土壤侵蚀是发生在所有土地利用方式中的自然现象（García-Ruiz等，2015）。土壤侵蚀导致细颗粒物和养分流失，破坏土壤结构，抑制植被生长，从而加剧侵蚀（Lal，2001）。以往研究表明，由于土壤侵蚀造成的表层土壤流失可能会增加土壤可蚀性，因为剩余的土壤可能更容易受到侵蚀（Gupta等，2024）。相反，较高的土壤养分促进形成更密集、更复杂的植被群落（Hautier等，2014）。植物地上部分拦截雨滴并减缓径流，而发达的地下根系巩固土壤（Stokes等，2009；Xia等，2019）。这些过程共同优化土壤质地，增强结构稳定性，最终降低土壤可蚀性（Zeng等，2024）。以往研究表明，土壤性质随土地利用类型变化，进而影响土壤可蚀性（Chen等，2023a；Gan等，2024；Wang等，2025）。一些研究还指出，不同土地利用类型之间的养分含量存在显著差异（Abindaw等，2026；Rafiq等，2026；Song等，2024）。然而，上述关于土壤可蚀性和土壤养分的多数研究是在非矿区进行的。其结论是否适用于矿区复垦土壤仍未知。因此，本研究提出了两个具体问题：第一，不同复垦模式下复垦土壤的土壤可蚀性和土壤养分变化是否与在矿区外一致。第二，哪种复垦模式提供了最佳的生态效益？复垦对于恢复土壤功能至关重要（Kumar等，2022）。改善土壤可蚀性和土壤养分状况是必要选择（Feng等，2019）。然而，鉴于上述现实，阐明广西铝土矿开采区不同复垦模式下土壤可蚀性和土壤养分之间的关系仍然具有挑战性。Bi等（2024）揭示了不同微地形下土壤团聚体稳定性与养分化学计量特征之间的耦合和协同关系。Ou等（2026）报道了造林条件下土壤水文与养分的耦合机制。然而，关于矿区土地复垦后土壤可蚀性与土壤养分之间耦合关系的研究仍相对有限。本研究假设，基于综合土壤可蚀性指数（CSEI）和综合土壤养分指数（CSNI）探索其关系，将有助于识别具有优越生态效益的复垦模式。本研究的创新之处在于对铝土矿开采区生态恢复的系统水平分析。通过整合结构方程模型和耦合协调度分析，本研究不再局限于简单的因果关系，而是强调土壤可蚀性和土壤养分之间的协同互动作为铝土矿开采区生态恢复的核心。总之，本研究旨在：（1）确定不同复垦模式对土壤可蚀性和土壤养分的影响；（2）识别不同复垦模式下影响土壤可蚀性和土壤养分的关键因素；（3）阐明广西铝土矿开采区各种典型复垦模式的生态效益。区域片段研究区、土壤采样和测量本研究区位于中国广西壮族自治区平果市（23°25′22″N，107°28′30″E）（图1）。该区域为亚热带季风气候，降雨丰富，光照充足。年平均日照时数为1682小时，年平均气温为21.5°C，年平均降雨量为1297毫米。降雨主要集中在6月至9月，无霜期超过347天。研究区以……为特征。不同复垦模式下的土壤可蚀性指标图2展示了不同复垦模式下的土壤可蚀性指标。对于植被复垦，RE小区的CR比RMU小区高57.83%（p<0.05）。对于农业复垦，RSP小区的GMD和MWD分别比RS小区高60.00%和46.94%（p<0.05），而RSP小区的K值分别比RM和RS小区高155.12%和174.58%（p<0.05）。此外，未观察到显著差异在……不同复垦模式对土壤可蚀性的影响通常，较高的CSEI值与增加的土壤可蚀性相关。在一项比较各种植被恢复方法的研究中，Zhu等（2019）报道森林的土壤可蚀性高于农田。Wang等（2019）报道农田的CSEI是林地的2.5倍。本研究结果表明，农业复垦的土壤可蚀性低于植被复垦，这与……的结论相反。结论本研究调查了植被复垦和农业复垦对中国广西省铝土矿开采区土壤可蚀性和土壤养分的影响。研究结果表明，不同复垦模式在复垦早期显著影响了土壤可蚀性和土壤养分。具体而言，植被复垦模式的土壤可蚀性大于农业复垦模式，而土壤养分状况……贡献者声明Jianjun Luo：构思、方法论、软件、初稿撰写、调查、审阅与编辑。Lei Gan：构思、审阅与编辑、指导、资金获取。Zhenhong Luo：调查、方法论、验证。Xiangjia Ge：形式分析、调查、方法论。Qitao Zhou：形式分析、调查。Jinsheng Huang：形式分析、资源、审阅与编辑、指导。Taiqing Huang：形式分析、资源。利益冲突声明作者声明他们不存在已知的可能影响本论文所述工作的财务利益或个人关系。致谢本研究受国家自然科学基金（42267040；42067002）和广西科技计划（Guike AD25069074）资助。作者感谢广西壮族自治区桂林农业水土资源与环境观测站、喀斯特地区水污染控制与水安全协同创新中心、广西桂林漓江生态环境观测站提供的平台支持。Jianjun Luo|Lei Gan|Zhenhong Luo|Xiangjia Ge|Qitao Zhou|Jinsheng Huang|Taiqing Huang