《CATENA》：Moss-biofilm cover modulates hydrodynamic erosion on varied rock-surface morphologies under sheet flow
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本研究通过室内降雨模拟实验，系统分析了不同岩面形态（凸、凹、斜面）及苔藓覆盖对喀斯特坡面径流系数、泥沙流失和水动力参数的影响，揭示了岩面流侵蚀机制，发现斜面径流量最高（较凹面高16.5%、凸面高5.3%），凸面侵蚀最弱（泥沙量较凹面少33.95%），苔藓显著降低初始径流系数并减少流速差异（89.7%），使凸面-垂直形态成为主要侵蚀驱动因素。
作者：左增、刘东东
贵州大学资源与环境工程学院，教育部喀斯特地质资源与环境重点实验室，中国贵阳550025。
摘要
在岩石荒漠化地区，苔藓作为先锋植物生长在以岩面径流为主的喀斯特斜坡上；它们如何与微地形（倾斜平面、凹面、凸面）相互作用，共同调节径流、水力特性和侵蚀过程仍不清楚。通过降雨模拟实验，本研究系统地探讨了岩面形态和苔藓覆盖对径流系数、泥沙产量和水动力参数的影响，以阐明岩面径流驱动的侵蚀机制。结果表明，倾斜岩面产生的径流量最大，其径流系数比凹面和凸面分别高出16.5%和5.3%。凸面遭受的侵蚀最为严重，损失的泥沙量比凹面和倾斜面多出33.95%和50.25%。苔藓显著降低了所有形态下的初始径流系数，并将流速差异缩小了89.7%。它还消除了凹面的低侵蚀优势，使得凸面-垂直方向成为最易受侵蚀的表面（侵蚀增加了28.8%-53.8%），因此成为坡面侵蚀的主要驱动因素。岩面与土壤表面的水动力之间存在直接联系；不同岩面形态产生的径流通过改变坡面水流分布，间接影响基岩坡面的侵蚀过程，导致水流集中或分散。研究结果为针对性保护和可持续土地管理提供了重要见解。
引言
岩石荒漠化正在全球许多地区蔓延，特别是在喀斯特山区，这代表了一场严重的生态危机（Jiang等人，2014年）。裸露的基岩改变了坡面的“表皮”，使得土壤层变得更薄、更破碎，从而降低了雨水渗透到地下的能力（Jiang等人，2014年）。更多的雨水转化为“岩面径流”，在岩面上快速流动（Wang等人，2016年）。这种径流沿着岩-土界面向下侵蚀（Cen等人，2024年），像刀一样逐渐刮走土壤，加剧了岩石荒漠化（Li等人，2011年）。然而，裸露的岩石也产生了两种相反的效果：（i）坝效应：凸形岩体拦截部分径流，减缓其流速并减少被冲走的土壤总量（Zhang等人，2024年；Cerdà，2001年）；（ii）快速渗透路径：岩-土缝隙成为“地下高速公路”（Wang等人，2018年；Zhao等人，2020年），使部分水分快速渗入地下（Zhang等人，2024年），补充地下水（Sohrt等人，2014年）。这种渗透比水分直接通过土壤表面渗透更快更深（Zhao等人，2018年）。最终的侵蚀结果受坡度、岩体覆盖比例、土壤厚度和植被密度的综合影响（Chen等人，2012年；Jomaa等人，2012年）。在陡峭的岩体覆盖坡面上，土壤薄且植被稀疏的情况下，侵蚀率最高（Lange等人，2003年；Fu等人，2011年）。相反，复杂的岩体形态、丰富的裂缝和茂密的植被有助于径流滞留和深层渗透，有效减轻侵蚀（Zhang等人，2023年）。
岩面的几何形态——无论是凸形、倾斜平面还是凹形——是调节岩-土界面侵蚀强度的关键因素。这种调节主要通过径流的重新分布实现：凹形表面使径流汇聚，导致最严重的侵蚀；凸形表面使径流分散，导致最轻微的侵蚀；倾斜平面表面则具有中间效应（Yang等人，2023年；Cen等人，2024年）。因此，凸形表面可以形成最宽的土壤保护缓冲区，而凹形表面形成的缓冲区最窄。这种差异性侵蚀深刻改变了界面附近的土壤性质（Zeng等人，2023年）。岩面径流对土壤的侵蚀主要集中在距离界面0-2厘米的狭窄带内（Liu等人，2022年）。由于分形维数与粘土含量正相关，与沙含量负相关，这表明岩面形态通过水力分选间接影响土壤的可侵蚀性（Zeng等人，2023年）。养分动态也遵循相同规律：界面处氮和磷的损失（和输入）顺序为凹形>倾斜平面>凸形（Yang等人，2023年）。这些发现将岩体形态与喀斯特生态系统的水文和养分循环联系起来（Shen等人，2019年；G?ransson等人，2014年）。先前的研究表明，岩石本身可以显著降低剪切应力（52%-89%）和水的流体力（63%-89%）（Niu等人，2019年），而露头对降雨径流具有重要的重新分配作用（Wang等人，2016年）。然而，目前缺乏系统的定量研究来揭示不同岩面形态如何控制近地表水力变量的空间异质性（如流速、剪切应力和径流深度），以及这些水力差异如何直接驱动岩-土界面侵蚀过程（Zhang等人，2000年）。
苔藓作为关键的先锋植物（Meng等人，2022年），在控制岩石荒漠化和保护土壤与水资源方面发挥着重要作用，因为它们对岩面径流过程和水动力模式有显著影响（Juan等人，2023年；Kang等人，2025年）。深入研究这种影响的必要性主要源于以下三个方面：（i）苔藓能有效阻挡岩面侵蚀，减少土壤和水分损失（Tu，2022年）。例如Brachythecium rutabulum可以通过覆盖裸露的基岩显著降低径流速度（Liu等人，2018年），从而延长水分渗透时间并减少土壤侵蚀（Leng等人，2022年）。研究表明，苔藓覆盖可以将超过50%的降水转化为地下水或地下径流，使地表径流比例降至1%-17%，显著降低短时强降雨引起的侵蚀风险（Tu等人，2022年）。同时，它们的植物体和根状体可以有效地拦截径流和空气中的细颗粒，促进沉积和土壤稳定（Cheng等人，2019年；Tu等人，2021年）；（ii）苔藓可以主动改变区域水文路径和径流分布模式。它们重新塑造了喀斯特斜坡上的径流生成过程，使地下水流动成为主要的径流形式（Tu等人，2022年）。不同苔藓物种在水文调节功能上存在差异：例如Brachythecium rutabulum显著抑制地表径流，而在某些条件下也会影响地下径流的分布。这意味着通过选择特定物种可以主动调节区域水循环路径。这一功能与其强大的水分保持能力密切相关：苔藓的饱和水分吸收率可达780.4%-1705.6%（Zhang等人，2018年），从而实现高水分保持能力，延缓径流形成并促进渗透（Cheng等人，2019年）。例如Eurohypnum leptothallum的最大水分保持能力可达其干重的14倍（Tu等人，2021年）；（iii）苔藓改善了微生境，为生态恢复奠定了基础（Charron和Quatrano，2009年）。它们不仅可以通过覆盖调节岩面的温度和湿度（其水分吸收能力是裸露土地的两倍），还可以通过分泌物和凋落物积累养分，形成“种子岛”，为后续高等植物的生长创造关键条件（Wang等人，2022年；Tu等人，2022年）。此外，苔藓具有繁殖迅速、耐旱和耐瘠瘠条件以及易于人工栽培的特点（Shen等人，2017年；Wang等人，2011年）。Brachythecium rutabulum和Eurohypnum leptothallum被认为是控制岩石荒漠化的适宜先锋物种（Tu等人，2021年）。苔藓调节径流生成和分布，影响喀斯特岩面上的水动力过程和土壤稳定性。阐明其作用机制对于理解该地区的生态水文过程、开发基于苔藓的生物控制技术以及促进岩石荒漠化控制具有重要意义。苔藓在控制岩面上的具体作用仍有待进一步研究，特别是它们的附着机制如何影响岩坡侵蚀。嗜岩苔藓如何与不同的岩面形态协同作用以调节坡面侵蚀过程？探索这些问题将为相关研究提供关键的理论基础。
在喀斯特地区，不同岩面形态引起的径流侵蚀和水动力效应尚不清楚，苔藓覆盖的岩面对岩石坡面侵蚀的正面或负面影响也不清楚。因此，本研究通过室内模拟降雨实验系统分析了不同岩面形态和苔藓对径流水动力参数（流速、剪切应力、流体力等）的影响，揭示了它们与侵蚀强度的动态响应关系。为了解决这些问题，我们设计了五种不同的岩面形态（凹-平行、凹-垂直、凸-垂直、凸-平行和倾斜平面）以及两种岩面条件（有或无苔藓覆盖）。每个实验包括两次降雨事件（E1和E2），E2在E1后6小时进行，以了解雨季喀斯特地区第二次降雨事件的时空演变特征。本研究的目标是：（i）揭示苔藓覆盖对不同岩面形态下径流和泥沙产量的影响；（ii）分析苔藓覆盖对不同岩面形态下岩面水流和土壤表面径流水力特性的影响；（iii）揭示喀斯特山区岩面水流引起的岩石坡面侵蚀的内在机制。研究结果揭示了苔藓覆盖与岩面形态之间的相互作用如何控制岩面水流水力特性，为开发完全整合岩面水流过程的“岩-土双重界面”侵蚀预测模型提供了不可或缺的理论基础和参数框架。
实验装置
通过在中国贵阳贵州大学资源与环境工程学院的模拟降雨实验室进行的一系列模拟降雨实验，研究了不同岩面形态和条件对喀斯特山区侵蚀和水流水力参数的影响。实验中使用的摆动式降雨模拟器可以通过控制摆动频率、持续时间和速率来调节降雨强度和持续时间。
不同岩面形态下苔藓对岩-土坡面径流的影响
2A显示了在不同岩面形态和有无苔藓覆盖条件下，径流系数随降雨持续时间的变化情况。在裸露的岩面上，倾斜平面的径流系数最高，比凹面高16.50%，比凸面高5.26%；当存在苔藓时，凹面的径流系数始终比凸面低14.53%，并且在E2事件中苔藓降低了初始径流系数。
不同岩面形态对岩-土坡面径流侵蚀和水动力参数的影响
岩坡上的径流生成过程受到四个核心因素的共同调节：地形、降雨强度、土壤性质和岩面形态（Assouline等人，2006年；Qin等人，2018年；Wang等人，2024年）。其中，岩面形态（凸形、倾斜或凹形）主要通过以下三种方式影响这一过程：（i）作为不透水屏障抑制渗透；（ii）形成优先流道集中径流；（iii）作为...
结论
本研究通过模拟降雨实验系统分析了不同岩面形态和岩面苔藓对径流系数、泥沙损失和水动力特性的影响，揭示了岩面水流的侵蚀动态机制。两个连续的土壤侵蚀事件E1和E2由两次暴雨事件引发；E2在E1后6小时进行。结果表明，在E1中，倾斜岩面产生的径流量最大，而...
CRediT作者贡献声明
左增：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析，数据管理。刘东东：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢贵州省科学技术基金（ZD[2025]068）、国家自然科学基金（项目编号42567044）和贵州大学实验室开放项目（SYSKF2025-116）提供的财政支持。
