《International Soil and Water Conservation Research》：Aggregate stability thresholds and sediment sorting governed by soil net force under different woodland restoration types
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本研究针对不同植被恢复类型对土壤抗蚀性差异的机制尚不明确的问题，通过对比23年恢复期后四种林地类型的土壤性质和侵蚀过程，揭示了树种通过改变土壤有机质(SOM)含量和官能团组成(如芳香-C、多糖-C)，进而改善土壤表面电荷特性，优先增强范德华引力，显著降低净排斥力。研究发现净力与团聚体稳定性呈强非线性关系，并存在约12 atm的临界阈值，控制着团聚体从逐渐释放到爆炸性破碎的转变。该机制阐明了土壤净力如何介导差异性侵蚀结果，为恢复工程中的树种选择提供了科学依据。
土壤侵蚀是一个全球性的环境威胁，它导致土地退化和水污染。为了控制土壤侵蚀，植被恢复已被广泛采用作为一种有效的策略，其主要通过增强土壤团聚体的稳定性来实现。然而，恢复的效果因植被类型的不同而存在显著差异，这主要是由于根系、凋落物质量和分解速率的不同，进而影响了土壤有机质（SOM）的动态和土壤结构。例如，松针中高含量的多酚会影响微生物活性并减缓凋落物分解速率，从而减少SOM的积累。不同森林中有机碳官能团的差异也会影响土壤有机碳（SOC）的储存、积累和稳定。尽管宏观尺度的研究证实了这些差异，但这些差异在土壤颗粒层面是如何产生的机制仍未得到量化。
为了填补这一知识空白，一项发表在《International Soil and Water Conservation Research》上的研究将目光投向了土壤颗粒间最基本的相互作用力。研究人员提出，土壤颗粒之间的净力是连接植被类型、土壤结构稳定性和侵蚀过程的关键机制环节。他们假设，植被类型通过改变SOM官能团（如芳香-C、多糖-C）来影响土壤表面电荷特性，从而显著调节颗粒间的净力，并最终决定团聚体稳定性和侵蚀沉积物的分选特征。
为了验证这一假设，研究团队在位于青藏高原东缘的九寨沟自然保护区（世界自然遗产地，喀斯特景观）选择了四种常见的造林地进行研究。这些林地在23年前（2001年）由农田转变为林地，包括一种阔叶林：以五台山栎（Quercus wutaishanica, QW）为主的森林；以及三种针叶林：以油松（Pinus tabulaeformis, PT）、云杉（Picea asperata, PA）和冷杉（Abies faxoniana, AF）为主的森林。此外，还选择了在2023年停止耕作的弃耕地（FL）作为对照。研究旨在（1）量化不同树种造林如何通过改变SOM来影响土壤净力；（2）对比不同林地类型下土壤净力与团聚体稳定性之间的定量关系并识别潜在阈值；（3）评估林地类型间土壤净力的差异如何导致不同的沉积物分选模式。
本研究的关键技术方法主要包括：对来自不同林地类型的土壤样本进行基本理化性质分析（如pH、SOM、钙碳酸盐含量Cc、颗粒大小分布PSD）和土壤有机碳官能团分析（使用傅里叶变换红外光谱FTIR）；通过联合测量法测定土壤表面电荷特性（包括比表面积SSA、表面电位、表面电荷密度、阳离子交换容量CEC）；基于DLVO理论框架，利用土壤表面性质参数理论计算土壤净力（包括范德华吸引力Pvdw、静电排斥力PE和水合排斥力Ph）；采用湿筛法（以乙醇代替水）测定不同电解质浓度下的团聚体稳定性，并计算平均重量直径（MWD）；利用室内降雨模拟装置进行土壤侵蚀试验，测定不同电解质浓度下的径流沉积物浓度（Sc）、沉积物有效颗粒大小分布、富集比（ER）和聚合率（AR）。
3.1. 林地类型对关键土壤性质的调控作用
经过23年的造林，不同树种创造了截然不同的土壤理化环境，主要表现为对SOM的调控。QW土壤的SOM含量最高（102.38 g kg-1），FL最低（34.18 g kg-1）。胡敏酸与富里酸比值（HA/FA）在QW土壤中最高（4.55），表明阔叶林下形成了更高级、稳定的腐殖质组成。FTIR光谱分析显示，从FL到QW，芳香-C和多糖-C官能团的相对丰度逐渐增加。这些变化直接增强了土壤表面电荷特性，QW土壤具有最大的比表面积（SSA, 71.33 m2g-1）、表面电位（-106.78 mV）和阳离子交换容量（CEC, 22.05 cmol kg-1）。相关性分析表明，SOM含量和官能团类型共同影响了土壤的表面电荷特性。
3.2. 不同林地类型下土壤净力与团聚体稳定性的关系：阈值响应
土壤净力的计算结果显示，净力大小顺序为QW < PT < PA < AF < FL，即QW土壤的净排斥力最小。净力随颗粒间距增大而减小，随电解质浓度降低（离子屏蔽减弱）而增大，但在浓度低于10-2mol/L后变化趋缓。团聚体稳定性（以MWD表示）随净排斥力的增加而非线性降低。最重要的是，研究发现净力与MWD之间存在一个约12 atm的临界阈值。当净排斥力超过此阈值时，MWD呈指数式“爆炸性”下降，表明团聚体发生灾难性的完全结构破坏。这一关系在所有林地类型中遵循同一主曲线，表明净力是控制团聚体稳定性的普适性关键因素。
3.3. 土壤净力对不同林地类型侵蚀沉积物分选的控制作用
3.3.1. 沉积物浓度
降雨模拟实验中，沉积物浓度顺序为FL > AF > PA > PT > QW，与土壤净力梯度完全一致。沉积物浓度与土壤净力之间存在强烈的正指数相关关系，证实较低的净排斥力（如QW下）从根本上降低了土壤颗粒被剥离和运输的敏感性。
3.3.2. 侵蚀沉积物颗粒大小分布（PSD）
侵蚀沉积物中粘土颗粒的流失量顺序为QW < PT < PA < AF < FL。粉砂占所有土壤侵蚀沉积物的50%以上。与原始土壤相比，沉积物中粘土和粉砂富集，砂粒贫化。降低电解质浓度增加了沉积物中细颗粒（粘土和粉砂）的比例，减少了粗颗粒（砂）的比例，这些变化在浓度低于10-2mol/L后减弱。
3.3.3. 侵蚀沉积物富集比和聚合率
粘土和细粉砂的富集比（ER）始终大于1，表明它们被优先迁移，而砂粒则被贫化（ER <1）。富集程度遵循土壤净力顺序：FL > AF > PA > PT > QW。聚合率（AR）分析显示，对于粘土和细粉砂，AR值小于1，表明它们以团聚体形式运输。但随着净排斥力增加，其AR值接近1，转向分散的单颗粒运输。相反，在高净力土壤（如FL, AF）中，粗粉砂和砂粒的AR大于1，表明它们是以较细分散颗粒附着形成的复合团聚体形式运输。
3.3.4. 土壤侵蚀过程中颗粒分选与净力相关性分析
细颗粒（粘土、粉砂）的ER随净力增加呈指数增长，并在约12 atm的团聚体破碎阈值附近富集速率明显加快。同时，粘土和细粉砂的AR随净力从负转正而急剧下降，在较高排斥力（>12 atm）下稳定在1附近。相反，粗粉砂和砂的AR在超过12 atm阈值后显著增加。这定量地揭示了净力控制沉积物分选的两条关键规则：一是通过阈值控制的初级颗粒供应来决定细颗粒富集程度；二是将细颗粒的运输模式从团聚态转换为分散态，从而促进其粘附到砂粒上形成复合载体。
该研究的讨论部分进一步深化了上述发现的意义。首先，它明确了不同林地类型通过调控SOM官能团（特别是芳香-C和多糖-C）来影响土壤表面电荷特性，进而调节颗粒间作用力。其关键机制在于，SOM的增加优先并显著地增强了范德华吸引力（Pvdw），从而导致净排斥力系统性降低。这修正了SOM仅作为粘结剂或通过减少静电排斥来改善土壤结构的传统认知。
其次，研究揭示的土壤净力与团聚体稳定性之间的非线性、阈值依赖关系，定义了两个明确的力学失稳阶段：当净力由负转正时触发的“初始失稳”，以及净排斥力超过约12 atm临界阈值时激活的“爆炸性破碎”。这为预测土壤结构在水蚀过程中的稳定性提供了更精确的力学基础。
最后，也是最核心的贡献，是阐明了土壤净力作为侵蚀“源-汇”过程的中心调控者。林地类型通过设定土壤净力，不仅决定了侵蚀源——土壤团聚体的初始结构状态（是稳定的团聚体还是易分散的初级颗粒），还预设了颗粒在径流运输过程中的相互作用模式（是作为稳定团聚体、分散单颗粒还是复合载体）。这种层级式的调控机制（设定初始状态 -> 选择侵蚀路径 -> 决定最终输出）深刻地解释了为何不同林地类型会表现出差异显著的抗蚀性。净力约12 atm的阈值成为一个关键的物理转折点，区分了以团聚体剥离为主的“ detachment-limited ”侵蚀和以初级颗粒供给为主的“ supply-limited ”侵蚀。
综上所述，这项研究从土壤颗粒间基本作用力的微观视角，成功打通了从植被类型->SOM化学组成->土壤表面性质->颗粒间净力->团聚体稳定性阈值->侵蚀过程与沉积物分选的完整机制链条。它不仅深化了对植被水土保持功能内在机理的理解，而且为生态恢复工程中基于土壤力学性质优化树种选择提供了重要的科学依据和可量化的关键阈值（~12 atm）。未来的研究可在此基础上，进一步验证该机制在不同土壤类型和气候条件下的普适性，并探索将土壤净力这一微观参数有效整合到宏观土壤侵蚀模型中的可行途径。
