三峡库区紫色土不同土地利用方式下土壤可蚀性（soil erodibility）的时间变异特征

《Interventional Cardiology Clinics》：Temporal variation in soil erodibility of typical land use types for purple soil of the Three Gorges Reservoir area

　　

作为土壤侵蚀模型的关键变量，土壤可蚀性（soil erodibility）与土地利用及气候变化驱动的植被和土壤性质改变密切相关。因此，准确量化不同土地利用方式间土壤可蚀性的时间变异特征，对于优化植被选择以满足土壤侵蚀动态变化的需求具有重要意义。本研究旨在量化不同土地利用方式下土壤可蚀性的时间变异，并阐明三峡库区（Three Gorges Reservoir area, TGRA）上述变异所归属的气候–植被–土壤相互作用机制。研究人员选取了6种典型土地利用类型：坡耕地（slope farmland, SF）、阔叶林（broadleaf forestland, BF）、针叶林（coniferous forestland, CF）、经济果林（economic fruit forestland, EF）、灌木林（shrubland, S）和草地（grassland, G），采用基于8项土壤可蚀性指标推导得到的综合土壤可蚀性指数（Comprehensive Soil Erodibility Index, CSEI）评价土壤可蚀性。结果表明，CSEI的时间变异因土地利用类型而异。SF的CSEI随时间波动，而其他土地利用类型的CSEI则先下降后逐渐升高。总体而言，与SF的CSEI均值相比，EF、G、S、CF和BF的CSEI均值分别降低了4.81%、18.97%、37.83%、51.25%和51.59%。CSEI的时间变异受植被生长和农事活动驱动的植被特征及土壤性质变化的综合影响，但其影响机制因土地利用类型而异。对于SF和EF，CSEI的时间变异主要受农事活动控制；而对于其他土地利用类型，则受植被主导。然而，与CF、S和G相比，BF的CSEI时间变异除受植被改善土壤结构的间接作用影响外，还受其直接的机械固土功能影响。上述发现深化了对气候–植被–土壤相互作用影响土壤可蚀性机制的认识，并为三峡库区防治水土流失、优选土地利用类型提供了实践依据。

论文解读：《Temporal variation in soil erodibility of typical land use types for purple soil of the Three Gorges Reservoir area》（发表于Interventional Cardiology Clinics排版原文标注，期刊名依用户要求照录）

一、研究背景与立项依据

土壤是全球粮食安全和陆地生态系统服务的基础，但全球每年约有750亿t耕地土壤因侵蚀而流失。土地利用变化与气候变化是控制土壤侵蚀的两大主控因素，其中土地利用不仅通过地表覆盖影响侵蚀，还通过改变土壤可蚀性（soil erodibility，指土壤对侵蚀作用的易感程度，是通用土壤流失方程USLE中K因子的物理含义）发挥作用。传统K因子多基于长期径流小区测定或仅由质地和有机碳经EPIC模型计算，未能反映植被–根系–凋落物改良土壤结构后对可蚀性的影响。单一可蚀性指标（如K因子、饱和导水率K_s、水稳性团聚体平均重量直径MWD、落滴次数MND、崩解速率SR、黏聚力Coh、贯入阻力PR、土壤结构指数SSI等）各反映一个侧面且评价结果常不一致。Wang等提出的综合土壤可蚀性指数（Comprehensive Soil Erodibility Index, CSEI）可整合多指标进行综合评价。已有研究多在黄土高原或黑土区，三峡库区（TGRA）以快速风化、熟化程度低的紫色土（purple soil，侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩发育，浅薄、抗蚀性差）为主，占库区总面积约39%，是库区土壤侵蚀的主要贡献者，而不同土地利用下紫色土可蚀性时间动态及驱动机制尚不清楚。因此研究人员假设紫色土区可蚀性时间变异及其机制可能异于其他土类和区域，通过开展黄敦溪小流域原位观测与测定予以验证。

二、主要关键技术方法概述

研究人员在重庆江津黄敦溪小流域（亚热带湿润季风气候，年均温18.4℃，年降水1001.2 mm，76%集中于5～10月）选取坡耕地（SF，玉米–甘薯轮作，年耕2～3次，无秸秆还田）、阔叶林（BF，香樟Cinnamomum camphora＋楠木Phoebe zhennan，次生演替＞20 a）、针叶林（CF，马尾松Pinus massoniana，人工造林＞20 a）、经济果林（EF，花椒Zanthoxylum bungeanum Maxim.，＞10 a，清耕管理：2月松土施肥、7月除草）、灌木林（S，漆树Toxicodendron vernicifluum）和草地（G，止血马唐Digitaria sanguinalis），各地块均为同一紫色土母质、相似坡向坡度及海拔。2024年生长季按月采样：S形布点取0～5 cm层原状及混合土样测定容重（BD）、毛管孔隙度（CP）、饱和含水量（SWC）、田间持水量（FC）、＞0.25 mm水稳性团聚体含量（WSA_＞0.25）、有机碳（SOC）及颗粒组成；用环刀法测K_s，湿筛法算MWD，水滴试验测MND，静水崩解法测SR；现场用袖珍十字板仪和TDY-1贯入仪各测10次得黏聚力（Coh）和贯入阻力（PR）；用Pieri结构稳定性指数（SSI）和EPIC模型校正公式算K因子；依前人方法赋权计分合成CSEI。植被调查用0.5 m×0.5 m样方测凋落物量（LD，水洗烘干）和0～5 cm根土混合样根质量密度（RMD，水洗过筛烘干）。数据经Shapiro?Wilk和Levene检验后做单因素ANOVA（α＝0.05）、Spearman相关分析及PLS?SEM（plspm包，Bootstrap＝500次）揭示CSEI时间变异驱动路径，每土地利用类型33组数据进行建模。

三、研究结果

3.1. Temporal variations in vegetation characteristics and soil properties（植被特征与土壤性质的时间变异）

植被LD总体先降（9月最低）后微升，RMD除SF（8月峰）和S（9月峰）外多7月达峰值；BF的LD和RMD显著高于其余类型，EF最低。土壤砂、粉、黏粒含量生长季内无显著时序变化，但BF砂含量显著高、粉粒低，SF粉粒高、砂黏低。SF的BD、SWC、FC、CP、WSA_＞0.25、SOM生长季无显著趋势；其余用地SWC、FC、CP、SOM呈先升后缓降波动，WSA_＞0.25类似；BF具最低BD和最高SWC、FC、CP、WSA_＞0.25、SOM，SF的WSA_＞0.25和SOM最低，CF的WSA_＞0.25和SOM显著高于非林地（p＜0.05）。

3.2. Temporal variation in soil erodibility indicators（土壤可蚀性单项指标的时间变异）

SF各单项指标随时间波动无显著趋势。其余用地Coh、PR、MWD、MND、SSI先升后渐降，K因子先降后渐升，K_s缓慢波动上升，SR波动下降。空间上，SF具最大K、最小SSI、最小MWD与MND、最大K_s与SR；S的Coh与PR最大，CF与S的MWD和MND较大，EF与S的K_s与SR较小；BF的K最小、SSI最大（p＜0.05）。

3.3. Temporal variation in the CSEI（综合土壤可蚀性指数的时间变异）

除SF（CSEI波动无显著趋势）外，其余用地CSEI先降后渐升，转折点为EF与G在6月，BF、CF、S在8月。CSEI均值排序：SF（最高）＞EF＞G＞S＞CF＞BF（最低）。较SF均值，EF、G、S、CF、BF分别降低4.81%、18.97%、37.83%、51.25%、51.59%；SF与EF的CSEI显著高于其他，BF与CF显著低于其他（p＜0.05）。

3.4. Influencing factors and their pathways attributed to temporal variation in CSEI（CSEI时间变异的影响因子及路径）

SF的CSEI与各测定因子无显著相关，表明农事活动（耕、施、除、收）主导其时间变异。BF、CF、S、G的CSEI与LD正相关（p＜0.01或0.05），与RMD、BD、WSA_＞0.25、SOM负相关（p＜0.01）；EF仅与SWC、FC、SOM负相关（p＜0.01）。PLS?SEM显示：BF的CSEI受植被直接负效应（路径系数－0.60）及植被→改土→CSEI间接负效应（－0.59接近直接效应）共同控制；CF、S、G以植被→改善土壤结构→CSEI间接负效应为主（路径系数分别为－0.98、－1.42、－0.66）；EF植被对CSEI直接＋间接总效应为正（0.40），但实际CSEI受清耕农事松动土壤及生物结皮（biocrusts，未在本模型纳入）降可蚀性作用而总体略降。除SF外，植被生长引发的土壤结构变化对CSEI有直接负效应。

四、讨论与结论翻译

讨论部分指出：SF因频繁扰动使各指标波动致CSEI无季节趋势，长期高强度耕作会破坏团聚体增大可蚀性；非耕地植被生长期根–凋落物提升Coh、MWD等使CSEI先降，7～9月持续高温（＞30℃）抑制植被恢复、加剧团聚体开裂致后期CSEI回升，区别于黄土高原（最高温仅约24℃）CSEI持续降低的结论；EF虽被推广为水保措施但其CSEI仅较SF低4.81%，说明其减蚀靠梯田而非降土壤可蚀性，建议配植绿肥或培育生物结皮以降低EF可蚀性；林地CSEI显著低于灌草，与RMD和SOM较高有关。CSEI时间变异：SF和EF受农事活动主导；BF受植被直接固土＋间接改土双重控制；CF、S、G受植被→改土间接效应主导。同一用地生长季内CSEI变异受植被生长控制，而不同用地间CSEI差异受紫色土风化过程导致的黏粒含量差异控制。

结论（翻译）：

基于8项实测及计算土壤可蚀性指标推导的综合土壤可蚀性指数（CSEI），研究人员对三峡库区紫色土不同土地利用方式下土壤可蚀性的时间动态进行了综合评价。结果表明，在植被生长与农事活动共同作用下，除坡耕地（SF）外各用地同类可蚀性指标呈现一致的时间变异模式，但不同指标间变异规律存在差异。总体而言，CSEI（SF除外）呈先下降后逐渐上升趋势。与SF的CSEI均值相比，经济果林（EF）、草地（G）、灌木林（S）、针叶林（CF）和阔叶林（BF）的CSEI均值分别降低4.81%、18.97%、37.83%、51.25%和51.59%。这说明SF和EF是三峡库区潜在土壤侵蚀源，应重点关注水土保持措施的配置。此外，CSEI的时间变异受植被生长和农事活动诱发的植被特征及土壤性质变化综合影响，但驱动机制因土地利用类型不同而异：SF和EF的CSEI时间变异主要由农事活动控制；其他四类用地中，阔叶林（BF）的CSEI时间变异同时受植被直接固土效应及其通过改善土壤结构产生的间接效应共同影响，而针叶林、灌木林和草地的CSEI时间变异主要由植被改善土壤结构产生的间接效应主导。上述发现阐明了不同土地利用方式下土壤可蚀性时间动态的差异化驱动机制，并确定SF和EF为三峡库区易侵蚀潜在区域。草地较低CSEI提示在经济果林下种植绿肥是增强其土壤抗蚀性、减轻侵蚀的有效途径。