不同覆盖梯度下，生物结皮对果园土壤侵蚀性影响的时空差异控制机制

《Soil and Tillage Research》：Divergent temporal controls of biocrusts development on soil erodibility across coverage gradients in fruit forest land

本研究通过构建综合土壤侵蚀性指数（CSEI），分析了三峡库区不同地衣覆盖度果园土壤侵蚀性的季节动态及其耦合机制，发现高、低覆盖度下地衣的物理固结作用主导侵蚀性变化，而中等覆盖度则以结构改善为主，为精准水土保持管理提供依据。

　　

朱平宗|韩伟|潘振华|杨岚|冯涛|王定斌|陈立波|陈世奇|陈晓燕

西南大学资源与环境学院，中国重庆400716

摘要

作为陆地生态系统中的关键地表覆盖物，生物土壤结皮（biocrusts）通过直接保护地表（包括覆盖土壤表面和结合土壤颗粒）以及间接改善土壤结构，显著降低了土壤的侵蚀性。然而，土壤侵蚀性变化与生物土壤结皮发展之间的联系及其潜在机制仍不甚明了。因此，本研究旨在量化土壤侵蚀性的时间变化，并阐明不同覆盖梯度（高、中、低）下生物土壤结皮发展与土壤侵蚀性变化之间的耦合机制。本研究采用了由八个土壤侵蚀性指标衍生的综合土壤侵蚀性指数（CSEI）来评估土壤侵蚀性。结果表明：CSEI呈现出明显的时间变化趋势：从1月到5月逐渐下降，然后在9月达到峰值，之后从9月到11月迅速下降。与1月的CSEI相比，高、中、低覆盖梯度下的CSEI分别下降了24.77%、19.06%和14.23%，这表明生物土壤结皮的发展显著降低了土壤侵蚀性。CSEI的时间变化与生物土壤结皮生长特征的变化以及随之而来的土壤颗粒分布和结构的变化密切相关。值得注意的是，不同生物土壤结皮覆盖梯度下的影响机制存在显著差异。PLS-SEM分析表明，对于高和低覆盖梯度的生物土壤结皮，土壤侵蚀性的时间变化主要由其直接物理效应（如颗粒结合）控制；而对于中等覆盖梯度，则主要由其改善土壤结构的间接效应控制。这些发现有助于深入理解生物土壤结皮对土壤稳定性的影响，并为三峡库区（TGRA）果树林地的针对性管理提供依据。

引言

土壤侵蚀性反映了土壤对侵蚀力的敏感性，即降雨期间土壤被溅蚀和地表径流剥离的难易程度（Veihe, 2002; Zhang et al., 2008）。因此，量化土壤侵蚀性是预测土壤流失和实施水土保持措施的基本要求。由于它是广泛使用的土壤侵蚀预测模型（如USLE、CSLE及其衍生模型）中的关键变量（Duan et al., 2020; Olson and Wischmeier, 1963; Zhang et al., 2019），因此在自然条件下，降雨和气温存在显著的时间变异性，这不可避免地导致植被生长和土壤性质的时间变化，从而影响土壤侵蚀性（Chen et al., 2025; Liu et al., 2025; Wang et al., 2018; Zhang et al., 2018; Zhang et al., 2019）。因此，量化土壤侵蚀性的时间变化对于提高土壤侵蚀预测的准确性以及为水土保持措施的制定提供理论基础至关重要。

历史上，土壤侵蚀性K因子一直被广泛用于全球土壤侵蚀性的评估（Olson and Wischmeier, 1963）。然而，确定土壤侵蚀性始终耗时且需要大量人力和财力。因此，许多易于测量的、显著影响土壤侵蚀敏感性的土壤性质被用作土壤侵蚀性的指标。例如，结构稳定性指数（SSI）通过土壤颗粒分布和有机碳含量计算得出，是重要的土壤侵蚀性指标（Chen et al., 2023; Olson and Wischmeier, 1963; Torri et al., 1997）。因为细小土壤颗粒与有机质结合后容易形成土壤团聚体，从而增强土壤结构稳定性，防止土壤被溅蚀剥离（Gao et al., 2017; Zhu et al., 2024）。此外，平均粒径（MWD）、平均撞击次数（MND）和土壤崩解率（SRKs）通过调节径流流量和动能来决定地表径流的剪切强度，也被视为土壤侵蚀性的指标（Yu et al., 2006; Zhu et al., 2020）。通常，Ks值较高的土壤具有较低的地表径流率和较少的动能，从而降低土壤的剥离和运输能力，进而降低土壤侵蚀性（Wang and Zhang, 2021）。此外，土壤的固结力（Coh）和抗穿透力（PR）等固有剪切阻力性质也被用于评估土壤侵蚀性，因为它们分别描述了土壤在水平和垂直方向上抵抗剪切应力的能力（Parker et al., 1995; Wang et al., 2018）。

生物土壤结皮（biocrusts，BSCs）作为陆地生态系统的主要地表覆盖物，覆盖了全球约12%的陆地面积，在通过稳定土壤和降低土壤侵蚀性方面发挥着重要作用（Bowker et al., 2008; Cao et al., 2023; Chamizo et al., 2017; Gao et al., 2017; Guida et al., 2023; Rodríguez-Caballero et al., 2022）。生物土壤结皮通过调节地表径流对土壤侵蚀的影响是复杂的。一方面，生物土壤结皮的发展通过增加地表粗糙度间接促进径流渗透，从而降低径流速度和增加渗透时间（Rodríguez-Caballero et al., 2013; Kidron, 2015; Sadeghi et al., 2020; Wang et al., 2017b），从而降低径流侵蚀力；另一方面，生物土壤结皮的发展也可能通过改变土壤的渗透性质直接影响径流侵蚀力。然而，生物土壤结皮对土壤渗透性质的影响尚不明确，可能增加渗透（Chamizo et al., 2012a; Gao et al., 2017; Xiao et al., 2011），阻碍渗透（Eldridge et al., 2020; Kidron et al., 2020; Wang et al., 2017a; Xiao et al., 2019），或者对渗透没有显著影响（Chamizo et al., 2016; Williams et al., 1999）。因此，关于生物土壤结皮通过调节地表径流对土壤侵蚀影响的研究结果并不一致。不过，已有明确证据表明，生物土壤结皮的发展通过增强土壤稳定性和降低土壤侵蚀性有效减少了土壤侵蚀（Gao et al., 2017; Riveras-Mu?oz et al., 2020; Sadeghi et al., 2020）。此外，全球范围内的研究也表明，生物土壤结皮的发展可以有效减少土壤侵蚀。这表明生物土壤结皮在通过生物土壤结皮介导的土壤稳定性（增强团聚体稳定性和降低侵蚀性）方面发挥着更为关键的作用，而不仅仅是间接调节地表径流。

三峡库区（TGRA）位于长江的上游和中游，从湖北宜昌延伸至重庆江津，全长600公里，面积约为1×10^4平方公里。三峡水库建成后，过去20年中高强度的农业活动和大规模的城市建设导致TGRA的土地利用模式发生了显著变化。农业产业结构从传统的单一作物生产转变为现代复合农业生产（如果园和谷物）。结果，沿河流分布的大量耕地和林地被改造成果园（Zhu et al., 2024）。然而，由于果园内高强度的人为活动，果园成为TGRA土壤侵蚀的主要来源（Chen et al., 2019）。Zhu等人（2024）的研究证实，生物土壤结皮的发展有效降低了土壤侵蚀性。但由于降雨、土壤温度、土壤含水量、果园冠层覆盖度、耕作措施等一年内的变化，生物土壤结皮的发展表现出明显的时间变化（Belnap et al., 2013; Chamizo et al., 2012b; Wang et al., 2017a），这导致了土壤侵蚀性的季节性变化。

此外，Zhu等人（2024）的研究结果表明，在TGRA中，生物土壤结皮对土壤侵蚀性的影响主要由其直接的物理结合效应控制，这与干旱和半干旱地区的机制不同（Gao et al., 2017）。因此，土壤侵蚀性的时间变化可能与生物土壤结皮的发展密切相关。然而，我们之前的研究基于一次性采样数据来探讨生物土壤结皮覆盖度对土壤侵蚀性的潜在影响。此外，我们之前的研究还表明，在TGRA中，生物土壤结皮对土壤侵蚀性的调节存在一个临界覆盖阈值（Zhu et al., 2024）。因此，我们假设不同生物土壤结皮覆盖梯度下生物土壤结皮发展对土壤侵蚀性的影响机制可能存在很大差异。然而，生物土壤结皮发展对土壤侵蚀性的响应及其潜在机制仍不甚明了。这极大地限制了我们对具有生物土壤结皮的果树林地土壤侵蚀时间变化的理解，以及水土保持措施的实施。因此，本研究旨在：（1）量化不同生物土壤结皮覆盖梯度下果树林地土壤侵蚀性的时间变化；（2）阐明不同生物土壤结皮覆盖梯度下生物土壤结皮发展调节土壤侵蚀性时间变化的主要驱动机制。

研究区域和测试地点

本研究在重庆市江津区慈云镇的黄墩溪流域（106°9′45″～106°14′19″E，29°00′11″～29°05′20″N）进行。该流域属于长江的第一级支流，面积为61.1平方公里，海拔范围为157至661米，属于亚热带季风湿润气候区，年平均气温和降水量分别为18.4℃和1001.2毫米。然而，每年大约76%的

生物土壤结皮特性和土壤性质的时间变化

生物土壤结皮特性表现出明显的时间变化，并在不同覆盖梯度之间存在显著差异。总体而言，BC_th、BC_c和BC_b在一年内的时间变化呈现出从1月到5月逐渐增加的趋势，达到峰值后，在6月迅速下降至最低值，随后从6月到11月呈现轻微且波动的增加趋势（图2）。ANOVA的结果显示

生物土壤结皮发展对土壤侵蚀性的影响

土壤侵蚀性的时间变化主要受生物土壤结皮发展及其相关土壤性质变化的影响。在本研究中，受生物土壤结皮发展的影响，Coh和MND的变化趋势为先增加，然后逐渐减少再增加，而PR和SR的变化趋势相反，但转折点都在6月和9月（图6(a, b, d, f)）。主要原因在于

结论

本研究探讨了生物土壤结皮发展对土壤侵蚀性的潜在影响，并确定了不同覆盖梯度（高、中、低）下生物土壤结皮的主要影响途径。采用由八个土壤侵蚀性指标衍生的综合土壤侵蚀性指数（CSEI）来量化土壤侵蚀性。结果发现，降水、温度和生物土壤结皮发展的交互作用导致了不同土壤之间时间变化的显著差异

作者贡献声明

陈晓燕：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。陈世奇：撰写 – 审稿与编辑。杨岚：调查，数据管理。冯涛：调查，数据管理。王定斌：调查，数据管理。陈立波：软件应用。朱平宗：撰写 – 初稿撰写，软件应用，项目管理，资金获取，正式分析，概念构建。韩伟：验证，方法学研究，调查，数据管理。潘振华：软件应用，调查，数据管理。

利益冲突声明

我们声明与可能不当影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，对于任何产品、服务及/或公司，无论出于何种专业或其他个人利益，都不会影响我们在手稿“不同覆盖梯度下生物土壤结皮发展对果树林地土壤侵蚀性的不同时间控制”中所表达的观点或评审。

致谢

本研究的资金支持来自：国家自然科学基金（42307422）、重庆市自然科学基金创新与发展联合基金（CSTB2024NSCQ-LZX0075）、重庆市水利科技项目（CQSLK-2023016）、中央高校基本科研业务费（SWU-KQ22039）、重庆市研究生创新项目（CYS23200）以及重庆市大学生创新培训计划（S202410635231）。