在模拟降雨和集中水流条件下，林地侵入的鼠尾草牧场上的径流和土壤侵蚀情况

《CATENA》：Runoff and soil erosion on woodland-encroached sagebrush rangeland under simulated rainfall and concentrated flow conditions

　　松杜斯与山艾草植被过渡的水文效应及侵蚀机制研究。通过模拟降雨和径流实验，比较了山艾草和松杜树林（分为林间和树下区域）的水文响应，发现松杜林区侵蚀量显著更高（5倍），主因植被结构改变导致径流连通性和侵蚀增强。林间区域生物结皮覆盖达49.8%，但集中水流仍产生10倍于其他区域的泥沙输移。植被粗化、土壤水分抗性及地表粗糙度差异是关键驱动因素，为RHEM模型参数化提供数据支持。

　　
该研究系统评估了松树-灌木（PJ）林侵入山艾草（sagebrush）植被群落后对水文与侵蚀过程的影响，揭示了植被结构改变引发的生态效应差异。研究以美国犹他州Grand Staircase-Escalante国家公园为对象，选取同一生态单元内自然演替形成的典型植被类型——山艾草群落（Sagebrush）和PJ林群落（Woodland），通过标准化降雨模拟与人工集中水流实验，结合植被结构参数与土壤水文特性分析，建立了不同植被形态与水文响应的量化关系。

### 一、研究背景与科学问题
全球干旱区约40%的植被类型经历了PJ林对山艾草群落的替代性扩张，其面积在150年间增长625%。这种植被演替改变了地表覆盖结构，导致径流、侵蚀等水文过程显著改变。然而，现有研究多聚焦单一水文过程，缺乏对植被结构-水文响应链式效应的系统解析。该研究创新性地将植被结构解分为乔木层（Tree）、乔木间空地（Intercanopy）和草本层（Sagebrush）三个功能单元，通过多尺度水力实验揭示植被形态对侵蚀产沙的放大效应。

### 二、研究方法与实验设计
实验采用18块12平方米的标准样地（6处Sagebrush，6处Intercanopy，6处Tree），设置三级降雨强度（69/107/121 mm/h）和三种水流输入（15/30/45 L/min）。关键技术路线包括：
1. **植被结构解析**：采用线点拦截法量化地表覆盖，发现 PJ林群落呈现显著空间异质性（乔木密度32%，间空地裸露率36.4%，生物土壤结皮占比49.8%），而山艾草群落具有更均匀的植被分布（总覆盖率达70.7%）。
2. **水文过程观测**：通过电导率法同步监测流速与侵蚀强度，建立流量-侵蚀耦合模型。创新性采用暴雨连续模拟（总降雨量223 mm）量化累积产沙量。
3. **控制变量设计**：人工移除乔木层干扰，确保降雨模拟与集中水流实验的植被状态可控。

### 三、核心研究发现
#### （一）植被形态与地表覆盖的耦合效应
1. **山艾草群落**：呈现密集的细颗粒植被结构（平均基径1.1米，草本覆盖48.1%），通过植物冠层（26.7%）和地面枯落物（48.1%）形成连续的水文屏障，显著降低径流峰值（峰值流速36.9 cm/s vs PJ林 Intercanopy的58.2 cm/s）。
2. **PJ林群落**：呈现分异明显的双态结构：
- **乔木层（Tree）**：厚达48毫米的枯落物层有效截留降水（径流系数仅12%），但形成高阻力的土壤水 repellency层（pH 6.6-7.3，CEC 3.9-13 cmol/kg）。
- **间空地（Intercanopy）**：生物土壤结皮（BCR）覆盖49.8%，形成独特的微地形格局（表面粗糙度22.6毫米），其侵蚀模数达0.6 t/ha·yr，为山艾草群落的5.2倍。

#### （二）水文过程响应特征
1. **降雨径流模式**：
- 山艾草群落：低强度降雨（69 mm/h）无径流产生，高强度降雨（121 mm/h）径流系数仅22%，土壤水分保持率优于其他处理（下降15%-20%）。
- PJ林间空地：呈现显著的正相关关系（R2=0.77-0.96），单位流量侵蚀强度达0.23 g/s·m2，较山艾草群落高10倍。
2. **集中水流侵蚀机制**：
- 流速与流量呈幂律关系（v=3.79q?·???），其中Intercanopy处理单位流量侵蚀量（0.085 g/s·m2）是Tree（0.021）和Sagebrush（0.005）的17倍。
- rill密度差异显著（山艾草：390 m/ha vs PJ林：1020 m/ha）， PJ林间空地形成连续侵蚀网络，导致累积侵蚀量增加5倍。

#### （三）生物土壤结皮的独特作用
1. **功能悖论**：尽管BCR覆盖率达49.8%，但其微地形结构（高岗地与低洼间谷）形成侵蚀走廊，导致间空地产沙量增加而非减少。暗色蓝藻层（2-3毫米厚）虽增强土壤团聚体稳定性（抗雨溅侵蚀能力提升70%），但微地形差异使水流在低洼区集中漫流。
2. **水文连通性改变**： PJ林群落形成乔木簇（5-15米直径）与间空地相间的格局，导致地表径流连通性提高2.6倍，侵蚀路径更趋连续。

### 四、生态管理启示
1. **植被恢复策略**：需同步实施乔木层疏伐（目标密度≤50%）与枯落物层管理（厚度维持8-12毫米），以恢复植被的细颗粒结构（基径缩短至1米以下）和地表覆盖连续性。
2. **生物土壤结皮调控**：研究显示BCR存在"功能双刃剑"效应，需通过微地形改造（如等高线种植）打破侵蚀走廊的连通性。
3. **模型参数优化**：RHEM模型需引入植被结构指数（如植被密度梯度、基径分布方差）作为关键参数，提升对 PJ林群落的侵蚀预测精度（当前模型误差率>30%）。

### 五、研究创新点
1. **双态系统解耦分析**：首次将PJ林群落拆分为乔木层与间空地两个独立功能单元，揭示其协同加剧侵蚀的机制。
2. **暴雨累积效应**：通过连续三级降雨模拟（总雨量223 mm）量化植被恢复的时间尺度，发现侵蚀量与降雨量呈指数关系（Q2?·??）。
3. **BCR水文效应定量**：建立生物土壤结皮微地形-水流连通性-侵蚀产沙的量化模型，突破传统认为BCR仅具有防护功能的认知局限。

### 六、研究局限与展望
1. **尺度局限性**：样地面积（12 m2）可能低估大尺度侵蚀网络效应，需开展1 ha2以上连续观测。
2. **生物过程简化**：未考虑地下根系网络对水分再分配的影响，后续研究应纳入植被生理响应参数。
3. **长期效应不明**：BCR在连续暴雨冲击下的稳定性（3年周期观测缺失），以及水 repellency层随时间演变的衰减规律需进一步验证。

该研究为干旱区植被恢复提供了关键理论支撑，其揭示的"植被结构粗化-侵蚀网络连通-产沙量级增"作用链，为制定精准的生态修复方案（如选择性乔木 removal与枯落物层厚度控制）提供了科学依据。特别在黄土高原等类似生态区，其植被结构参数（基径分布、覆盖连续性）与侵蚀响应模型（Q-S关系）具有重要借鉴价值。