适度枯落物生物量有利于半干旱草原的土壤水分补充

《Journal of Hydrology》：Moderate litter biomass benefits soil water replenishment in semiarid grasslands

　　草地凋落物截留容量及其对径流和入渗的影响已进行了量化研究。- 模拟降雨法测得的凋落物截留容量显著高于浸泡法。- 二裂蒿（*Artemisia gmelinii*）凋落物的截留比例和入渗比例较高，而披碱草（*Bothriochloa ischaemum*）和针茅（*Stipa bungeana*）凋落物的径流比例较大。- 中等凋落物生物量（约100 g m?2）时土壤水分补充量最大。- 直立凋落物显著增加了降雨总截留量。## 引言凋落物层由落叶、枯枝、细枝及其他有机碎屑组成，是森林、灌丛和草地生态系统的重要组成部分（Gomyo和Kuraji，2016；Zhou等，2018；Pereira等，2022）。作为冠层与土壤界面之间的过渡层，凋落物参与生物地球化学循环并调节水文过程（Li等，2013；Zhu等，2021）。凋落物通过截留水分、吸附持水以及改变地表粗糙度等方式重新分配降雨，从而影响地表径流和土壤水分入渗（Dunkerley，2015；Zhu等，2020）。部分截留水分经蒸发返回大气，构成生态系统截留损失（Sato等，2004）。另一方面，凋落物覆盖可减少土壤蒸发，并通过改善地表入渗条件促进深层土壤水分补充（Magliano等，2017；Pereira等，2022；Castagnolli等，2023）。因此，理解这些水文功能对于解释流域径流和评估植被恢复的生态水文效益至关重要（Sato等，2004）。凋落物对降雨的截留是指被截留在凋落物表面和层间储存空间中的降水部分（Zhao等，2022；Han等，2025）。截留容量通常采用浸泡法（Tu等，2022；Zhang等，2022）或模拟降雨与水平衡法（Sato等，2004；Du等，2019）进行评估。浸泡法将凋落物完全浸没，广泛用于测定最大截留容量（C_max）（Castagnolli等，2023）。然而，浸泡法会破坏自然堆积的凋落物结构，可能高估或低估实际场地截留量（Zhang等，2022；Han等，2024）。相比之下，小区尺度的模拟降雨和原位水平衡监测能保留凋落物结构，所得估算更接近现场条件（Zhou等，2018）。截留通常由C_max和最小（即有效）截留容量（C_min）来表征。后者指自由重力排水停止后，由表面张力和基质吸力保持的水分（Sato等，2004；Du等，2019；Deng等，2023）。通过阻止部分降雨到达矿质土壤，凋落物截留可能限制干旱和半干旱地区土壤水分的补充（Li等，2013；Raj?o等，2023）。凋落物通过水动力、物理和生物化学过程调节地表径流和土壤入渗（Cui等，2022；Cui和Pan，2023）。凋落物覆盖增加了地表水力粗糙度，从而降低径流流速。由此导致的表层水停留时间增加为坡面入渗提供了更多机会（Tu等，2022；Raj?o等，2023）。凋落物还能消散雨滴动能，减少溅蚀，并抑制土壤结皮形成（Pereira等，2022；Castagnolli等，2023）。通过减弱土壤热通量，凋落物减少了无效蒸发，有助于在根区保留植物可利用水分（Sato等，2004；Sayer，2006）。凋落物层中的非毛管大孔隙可与土壤孔隙相连，形成向下水分运输的优先通道（Li等，2021；Raj?o等，2023）。在更长时间尺度上，凋落物分解产生的有机质可以稳定土壤团聚体、降低容重并增加总孔隙度（Zhang等，2022）。这些过程共同调节降雨在径流和入渗之间的分配。降雨特征、凋落物属性、地形特征、土壤物理性质和根系特征共同决定了凋落物截留以及径流和入渗的分配。降雨量和雨强决定了凋落物层饱和的快慢以及径流开始的时间（Du等，2019；Xia等，2019）。在小雨量事件中，凋落物可能截留所有来水；而在强降雨中，雨量可能超过其截留容量并产生地表径流（Cui和Pan，2023）。凋落物类型影响截留和排水，因为阔叶和针叶凋落物在比表面积、微观结构和孔隙网络连通性方面存在差异（Li等，2013；Han等，2025）。阔叶凋落物通常比针叶凋落物持水更多，且总截留容量随生物量增加而增大（Deng等，2023）。坡度也通过增加水流的引力分量来约束水文分配。随着坡度增大，更快速的向下排水会降低有效凋落物截留并促进径流产生（Du等，2019；Han等，2024）。土壤物理性质决定了入渗的边界条件。特别是土壤容重、质地和初始土壤含水量控制着入渗速率和入渗容量（Jourgholami等，2022；Luo等，2025）。草本植物密集的须根系可以增加土壤孔隙度并创造优先流通道（Niu等，2024）。这些因素共同决定了凋落物截留效率以及随后的径流和入渗分配。尽管森林凋落物的生态水文功能已被广泛研究（Gomyo和Kuraji，2016；Du等，2019；Xia等，2019；Chen等，2025），但草地凋落物却知之甚少。其水文效应通常被认为较小，因为草地凋落物比森林凋落物更薄且数量更少（Fry等，2013）。然而，在半干旱的黄土高原上，如退耕还林还草等恢复项目增加了植被覆盖和生产力，导致凋落物持续积累（He等，2022）。在这种积累凋落物下的降雨分配仍然不清楚。半灌木型草地物种直立凋落物的水文作用也鲜有关注（Niu等，2023）。因此，未来恢复过程中凋落物的持续积累将如何改变降雨重新分配仍不确定。本研究采用事件尺度的水平衡框架，将降雨分配为凋落物截留、地表径流和土壤入渗三个部分。我们假设凋落物生物量增加会提高截留量，而入渗量则呈非线性响应，因为更大的地表粗糙度可能促进入渗，而截留和横向排水可能减少到达土壤的水分。我们的研究目标是：（1）比较浸泡法和模拟降雨法测得的凋落物截留容量；（2）确定地表凋落物生物量梯度和直立凋落物如何调节地表径流和土壤入渗；（3）识别凋落物属性、地形特征、土壤物理性质和根系特征如何影响凋落物截留、径流和入渗。## 章节摘要### 地点描述实验在中国陕西省延安市安塞区指坊沟流域进行（36°42′42″~36°46′28″ N，109°13′46″~109°16′03″ E，图1a、b）。该流域位于黄土丘陵沟壑区，是生态恢复项目的典型案例研究区。流域面积为8.3 km2，海拔范围为1,046~1,409 m。年平均蒸发量为1,500~1,900 mm。主要土壤类型为钙积褐土，其特征为……### 凋落物截留容量采用模拟降雨法测得的地表和直立凋落物降雨截留容量（C_s）显著高于浸泡法（C_i），高出2.54~6.82倍（表1，*p* < 0.001）。在模拟降雨法下，二裂蒿地表凋落物的C_s显著高于披碱草和针茅。在浸泡法下，二裂蒿地表凋落物的C_i显著高于披碱草，而披碱草……### 凋落物层对降雨截留的影响我们的结果表明，模拟降雨法测得的地表和直立凋落物截留容量均显著高于浸泡法（表1），这与以往研究一致。例如，Gao等（2024）报告用水平衡法测得的冠层截留量比浸泡法高1.93~3.47倍。Yu等（2012）采用模拟降雨法……### 结论本研究表明，凋落物类型和层厚是影响所研究半干旱草地事件尺度降雨分配的主要因素。具体而言，二裂蒿不规则且碎片化的凋落物表现出更高的截留和入渗能力，而禾本科物种（披碱草和针茅）的凋落物促进横向排水并增大地表径流。较陡的坡度与更大的径流和更低的实际入渗相关。### CRediT作者贡献声明**Yang Luo：** 撰写——初稿，验证，方法论，概念化。**Kemiao Li：** 软件，调查，数据管理。**Jie Zhang：** 可视化，方法论，调查。**Bingcheng Xu：** 撰写——审阅与编辑，指导，项目管理，资金获取。### 利益冲突声明作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Bingcheng Xu拥有授权编号为CN103439245A的专利。若有其他作者，则声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。### 致谢本研究得到中国国家自然科学基金（项目编号：41771553）的资金支持。Yang Luo|Kemiao Li|Jie Zhang|Bingcheng Xu