《CATENA》：Effect of vegetation restoration on soil infiltration at gully heads in the loess plateau Pisha sandstone region
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本研究以黄土高原Pisha砂岩区Getuodian小流域为对象，通过双环入渗法和实验室分析，对比了松树人工林、李子树人工林、沙棘人工灌木林、柠条人工灌木林和天然草场的土壤稳定入渗率（SIR），发现SIR呈乔木林>灌木林>天然草场的趋势。关键驱动因素包括土壤有机碳（SOC）、团聚体稳定性（MWD、GMD）及黏粒含量，其联合贡献率达87.45%。建立的SIR经验模型（R2=0.982）可有效预测沟头区土壤入渗，为黄土高原植被恢复提供水文评估依据。
吴吉|杨光|王晨光|马云霞|王子萌|卢乃静|韩学英
内蒙古农业大学沙漠控制科学与工程学院，中国呼和浩特 010018
摘要
土壤渗透对于评估干旱和半干旱地区植被恢复的潜力和稳定性具有重要意义。然而，不同类型的植被如何影响皮沙砂岩地区沟头处的土壤渗透机制仍不清楚。因此，本研究重点关注黄土高原皮沙砂岩地区的典型小流域——葛头店。通过原位双环渗透法和实验室分析，测量了五种植被类型下的土壤稳定渗透率（SIR）和土壤性质：扁叶松（PT）和西伯利亚李（PS）人工林，沙棘（HR）和科氏锦鸡儿（CKS）人工灌木林，以及天然草地（NG）。结果表明：SIR的趋势始终为：人工林 > 灌木林 > 天然草地。在人工林中，扁叶松的稳定渗透率最高，为2.81毫米/分钟；而在灌木林中，科氏锦鸡儿的稳定渗透率最高，为1.48毫米/分钟。土壤有机碳（SOC）、粒径大于0.25毫米的粗大颗粒比例（R）、颗粒稳定性（通过平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）测量）以及粘粒含量对SIR的影响最大。这五个因素共同贡献了87.45%的SIR，显著高于单个因素的影响。SOC通过促进粗大颗粒的形成、增强颗粒稳定性并提高粘粒含量间接影响SIR。此外，基于这些因素与SIR之间关系的经验模型能够准确预测SIR（R2 = 0.982）。这些发现为评估黄土高原的水文过程提供了宝贵的参考。
引言
黄土高原是中国生态脆弱的地区，遭受严重的土壤侵蚀（Zhao等人，2020年），这对该地区及下游地区人民的生命和财产构成了重大威胁。为了应对由此造成的严重土壤侵蚀问题，1999年启动了“退耕还林”计划。经过多年的恢复，该地区的植被覆盖率从2000年的27.4%上升到了2019年的57.5%（Chen等人，2015年；Song等人，2022年），从而有效减少了径流和沉积物（Liang，2020年；Vergani和Graf，2016年；Liu，2020a）。植被恢复显著减少了土壤侵蚀并大大改善了土壤渗透性（Liu等人，2023年）。
土壤渗透能力是决定降水在土壤中分布和土壤持水潜力的关键水文特征（Govaerts等人，2007年）。最近的研究使用初始渗透率、累积渗透率、平均渗透率和稳定渗透率（SIR）来表征土壤渗透能力（Zhang等人，2023年；Ren等人，2020年）。SIR是评估土壤水文功能的重要参数，因为它展示了土壤在长期水分输入条件下的持续渗透能力。研究表明，SIR对地表径流产生的临界阈值有决定性影响，并在流域尺度上的径流-沉积物产生过程中起着重要作用（Ran等人，2019年；Basha，2011年）。与其他渗透参数相比，SIR可能更准确地反映土壤在连续水分输入下的真实渗透性能，从而有助于评估植被恢复对土壤渗透性的影响以及优化流域水文模型，这对提高土壤肥力和水分储存及逆转土地退化至关重要。
研究表明，土壤容重（BD）、土壤有机碳（SOC）、总孔隙度（TPS）、总氮（TN）、土壤颗粒稳定性和土壤质地显著影响SIR（Lepore等人，2009年；Jarvis等人，2013年；Liu等人，2018年；Liu等人，2019年）。此外，随着SOC、TPS、氮含量和颗粒稳定性的增加，土壤渗透率通常会增加；而较高的BD和粘粒含量通常与较低的渗透率相关（Huang等人，2024年；Sun等人，2018年；Tejedor等人，2013年）。在这些因素中，有机质和粘粒含量对渗透的影响可能因其浓度而异。Boyle等人（1989年）提出，有机质将土壤颗粒结合成团聚体，从而改善土壤结构并促进渗透。然而，其他研究表明，在某些条件下，特别是当有机质含量较低且变化范围较窄时，土壤渗透性可能会随着有机质含量的增加而降低（Huang等人，2019年）。此外，有机质在干燥土壤条件下会降低土壤的水力传导性并增强土壤的拒水性（Jarvis等人，2013年）。土壤质地，尤其是粘粒含量，对土壤渗透有显著影响，研究表明粘粒含量增加会导致土壤渗透率下降（Alletto和Coquet，2009年）。然而，其他研究表明，一定范围内的粘粒含量可能对土壤结构稳定性有积极贡献（Deng等人，2013年；Zhu等人，2010年；Wu等人，2016年），不同植被类型对土壤SIR的影响也各不相同（Wang等人，2023b；Zhang等人，2024年；Bi等人，2014年）。前述分析表明，土壤渗透受多种因素影响，这些因素对渗透改善的综合效应及其潜在机制尚未完全量化，这是一个值得进一步研究的课题。
沟头是谷线与肩线交汇处的集水区。由于黄土高原沟头地形陡峭且土壤侵蚀严重，该处的土壤性质与流域其他区域有显著差异（Wang等人，2021年；Chen等人，2023年；Guo等人，2020年）。研究表明，土壤性质会影响植被生长，进而间接改善土壤渗透性能（Qiu等人，2024年；Jiao等人，2011年）。皮沙砂岩地区作为黄土高原典型的生态脆弱区域，其成岩程度低，土壤颗粒之间的胶结强度差，结构完整性低，被称为“地球的癌症”，该地区的沟头回蚀较为严重。然而，目前关于不同类型植被对皮沙砂岩地区沟头渗透影响的研究相对较少。准确评估皮沙砂岩地区沟头的渗透能力有助于评估植被恢复在沟头的稳定性和长期有效性，以及极端天气条件下的重力侵蚀风险预警。基于此，本研究选择了位于黄土高原皮沙砂岩地区的典型小流域——葛头店作为研究区域。通过研究不同植被类型对沟头渗透的影响及其驱动因素的差异，旨在为皮沙砂岩地区沟头的土壤渗透模型构建提供参考。本研究的主要目标是：（1）比较不同植被恢复方式（扁叶松人工林、西伯利亚李人工林、沙棘人工灌木林、科氏锦鸡儿人工灌木林和天然草地）下土壤性质和沟头渗透的差异；（2）阐明植被恢复对沟头渗透变化规律；（3）确定影响沟头渗透的关键因素；（4）构建估算沟头土壤渗透的经验模型。
研究区域
研究区域
位于准格尔旗（111°08′–111°11′E，39°54′–39°57′N）的小流域葛头店，总面积为7平方公里，属于皮沙砂岩地区，具有典型的大陆性季风气候，年平均温度为7.3℃，极端最高温度为38.3℃（1999年7月28日）；极端最低温度为-30.9℃（1971年1月2日）。作为半干旱地区，该流域的降水量在时间和空间上分布不均，年平均降水量为
土壤渗透和稳定渗透率特性
稳定渗透率（SIR）是定义土壤渗透能力的关键参数，在降雨-渗透-径流转化过程中起着重要作用。根据土壤水分渗透曲线（图2），不同植被类型的土壤在36–45分钟内达到稳定渗透。总体而言，趋势为：树木 > 灌木 > 天然草地。在树木林中，扁叶松和西伯利亚李的人工林的渗透率分别是天然草地的2.68倍和2.01倍。
树木、灌木和草地之间土壤稳定渗透率的差异
本研究显示，不同植被类型下的土壤SIR顺序为：人工林 > 灌木林 > 天然草地。当Qiu等人（2024年）研究树木、灌木和草地对坡地土壤渗透的影响时，发现不同植被类型的土壤稳定渗透率从高到低依次为：灌木林 > 人工林 > 天然草地。这与本研究的结果不一致，可能是
结论
黄土高原皮沙砂岩地区沟头的不同植被类型显著影响了土壤SIR。与天然草地相比，人工林表现出更高的土壤SIR，其中扁叶松人工林的SIR最高，为2.81毫米/分钟；而在灌木林中，科氏锦鸡儿人工林的SIR最高，为1.48毫米/分钟。粘粒含量、MWD、GMD、SOC和R是影响SIR的关键因素
作者贡献声明
吴吉：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，调查，数据分析，数据整理。杨光：写作 – 审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，方法论，调查，资金申请，概念化。王晨光：写作 – 审稿与编辑，监督，方法论。马云霞：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。王子萌：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了内蒙古自治区“揭开清单并掌握控制权”项目（编号：2024JBGS0023）的支持。
