《Soil and Tillage Research》：Spatial variation of soil erosion resistance impacted by ephemeral gully on long gentle sloping cropland in the Mollisol region of China
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長期緩坡農田受暫時性溝蝕影響下土壤侵蝕抗力空間異質性及驅動機制研究。基于現場采樣與室內控制渠道試驗，量化了侵蝕抗力空間分異特征，揭示其與坡位、溝道位置呈二次函數關系，并建立了包含土壤粒徑、根系密度、秸稈密度等關鍵因子的K_r估算模型。研究為黑土區侵蝕防控提供理論依據。
靖俊|張光輝|張毅|邢書坤
北京師范大學地球表面過程與災害風險治理國家重點實驗室，中國北京100875
摘要
臨時性溝蝕（EGE）是導致農田土壤退化的主要因素，對土壤性質和作物生長產生顯著影響。這些變化進而深刻改變了土壤的抗侵蝕能力（SER）。盡管SER對土壤保護至關重要，但在長期受EGE影響的緩坡（LGS）農田中，其空間分布和驅動機制仍不甚明了。本研究旨在量化LGS農田中SER的空間變化，并確定影響其變化的關鍵因素。通過實地采樣和室內控流實驗，我們量化了EGE條件下的SER空間異質性，識別了主要影響因素及其相互作用機制，并建立了一個逐步回歸模型來估算細溝侵蝕力（Kr）。結果表明，SER在不同坡位之間存在顯著差異，但在不同溝蝕位置間差異不明顯。Kr隨溝蝕位置的降低而線性增加，而臨界剪切應力（τc）則先減小后增大，變化范圍為-2.36%至50.00%。Kr和τc都與坡位呈二次關系，其中Kr在中間坡位達到峰值，τc在上部坡位達到峰值。影響Kr的主要因素包括粘粒含量、砂粒含量、土壤凝聚力（Coh）、平均粒徑（MWD）、根系質量密度（RMD）和秸稈質量密度（SMD），這些因素共同解釋了79%的空間變異。值得注意的是，SMD通過影響Coh、RMD和MWD間接降低了Kr（標準化路徑系數=-0.263）。所建立的Kr估算模型（Kr = 0.212MWD-2.405RMD-0.502）表現出良好的預測性能（R2 = 0.860；NSE = 0.863），但仍需在野外條件下進一步驗證。這些發現為制定針對特定地點的侵蝕控制策略提供了重要理論支持，并有助于改進中國東北地區Mollisol區域的基于過程的土壤侵蝕模型。
引言
保持農田健康對于確保全球糧食安全和實現聯合國可持續發展目標（SDG-2）至關重要（FAO，2022；Tong和Sorokin，2024）。然而，土壤侵蝕引起的退化對農業可持續性構成嚴重威脅（Krasilnikov，2022；Lee等，2022），據估計全球約80%的農田受到不同程度的侵蝕（Borrelli等，2017）。在不同類型的侵蝕中，臨時性溝蝕（EGE）被認為是農業景觀中表土流失和退化的首要原因（Capra，2013；Tang等，2021）。EGE通過反復擾動地表、切割耕作層和選擇性剝離，加速了土壤結構惡化、養分流失及生態系統功能下降（Douglas-Mankin等，2020；Liu等，2021）。雖然傳統溝蝕可以通過耕作措施（如犁地、耙地和平整）暫時消除（Dabney等，2013；Wang等，2023），但在后續高強度徑流事件中EGE往往會重新激活（Ollobarren等，2016），使農田系統持續面臨侵蝕風險。若不及時干預或采取有效治理措施，受EGE影響的農田不僅會失去生產和生態功能，還可能演變為永久性溝蝕，導致不可逆的退化（Xu等，2016；Liu等，2021）。因此，研究EGE影響下農業土壤（如Mollisols）的抗侵蝕能力（SER）對于農田管理和水土保持工作至關重要。
土壤抗侵蝕能力反映了土壤系統對侵蝕過程的響應能力（Nearing等，1989；Hao等，2020），是物理土壤侵蝕模型和風險評估的核心參數（Lee等，2022）。作為一種非穩態表面過程，SER受到多種內在土壤性質（如質地、容重、團聚體穩定性和凝聚力）、外部干擾因素（如耕作、根系生長、凋落物摻入和分解）以及侵蝕反饋調節的共同影響（Vannoppen等，2015；Xing等，2023）。在受EGE影響的農田系統中，微地形格局和地表徑流路徑發生顯著變化（Liu等，2021；Hoober等，2017）。臨時性溝蝕的形成破壞了原有的壟溝結構，導致坡面在水動力條件、侵蝕-沉積過程和干擾強度上表現出明顯的空間異質性（Poesen等，2003）。溝蝕底部由于長期受到集中徑流的沖刷，常出現質地變粗、養分流失和結構損傷等退化特征（Xu等，2019；Frankl等，2021）。相比之下，溝蝕側面和原始農田則因耕作擾動和回填作用而呈現復雜的混合特征（Xu等，2016；Ollobarren等，2016）。EGE引起的這些近地表變化不僅重塑了農田土壤的功能基礎（Capra等，2013；Li等，2015；Ollobarren等，2016），也是SER空間重組的關鍵驅動因素。因此，在SER脆弱區域及時實施針對特定地點的管理干預措施十分必要。然而，目前關于EGE對SER影響的實證研究仍較為有限。
在中國東北地區的Mollisol區域，緩坡（LGS）地形廣泛存在（Tang等，2023；Xing等，2023）。在這種特定條件下，農田的徑流生成和匯聚過程復雜且動態多變，坡面的水動力學表現出復雜的時空變異性（Tang等，2021）。這種變異性導致土壤侵蝕和沉積頻繁交替（Peng等，2024）。侵蝕力的空間異質性以及由此引起的近地表性質變化，預計會引發SER的新空間模式。此外，LGS廣闊的集水區促進了徑流積累和集中流動的形成，從而加劇了EGE的頻率和強度（Liu等，2024；Zheng等，2020）。盡管已有研究探討了LGS地區土壤侵蝕力指標（如K因子、結構穩定性指數、崩解率和平均雨滴撞擊次數）的空間變異性，并試圖識別易侵蝕區域（Chen等，2022；Peng等，2024），但它們往往忽略了EGE的干擾效應。此外，與土壤抗侵蝕能力不同，土壤侵蝕力指標僅反映土壤的靜態性質，無法直接表征水動力過程（Deviren Saygin等，2018），這限制了它們捕捉侵蝕事件中關鍵物理機制和臨界閾值的能力（Moody等，2005；美國國家科學院，E. & Medicine，2019），從而阻礙了基于過程的侵蝕模型的完善和廣泛應用。目前，EGE和LGS地形共同作用下農田中SER的空間異質性和熱點-冷點分布仍知之甚少。這些知識空白嚴重限制了針對EGE的精確預防和控制技術的設計以及物理侵蝕模型的參數優化。
確定影響SER的主要因素及其背后的調控機制是有效預防和針對性干預土壤侵蝕的前提條件（Qi等，2023）。如前所述，SER受到多種物理、化學和生物因素的共同影響，包括土壤性質、作物特性和秸稈還田方式（Zhang等，2019；Lee等，2022；Zeng等，2024）。然而，在不同的地理和侵蝕背景下，這些因素的強度、作用路徑和相互作用關系可能存在顯著差異（Ollobarren等，2016；Wang等，2020）。如果不準確了解EGE特定條件下的主導因素和調控路徑，管理措施可能會變得零散、資源利用效率低下且缺乏針對性（Hurni等，2008；Boardman和Vandaele，2023）。盡管已有研究探討了植被類型、根系結構和秸稈摻入對SER的影響（Zhang等，2019；Qi等，2023；Xing等，2023），但在EGE影響的農田中，尤其是LGS農田中，控制SER的關鍵因素和機制仍不夠明確。這一差距阻礙了基于過程的土壤保護策略的發展。
基于上述研究空白和實際需求，我們假設在EGE持續影響下，LGS農田系統中SER在溝蝕位置（即原始農田、溝蝕側面和溝蝕底部）和坡位（即下坡、中坡、上坡和匯流區）表現出明顯的空間差異。這種差異預計會導致不同侵蝕易發區的出現，從而確定重點管理區域。為了驗證這一假設，我們選擇了一個具有代表性的LGS農田作為研究地點。通過結合實地坡面采樣和室內控流實驗，本研究旨在系統評估EGE影響下的SER空間異質性，并識別主要影響因素及其相互作用機制。具體目標包括：（i）表征EGE和LGS共同作用下的SER空間分布和熱點-冷點分布；（ii）確定控制SER空間變異性的關鍵土壤和作物因素，并闡明其背后的調控機制。
本研究的新穎之處在于將EGE作為核心干擾機制，系統研究LGS尺度上SER的空間動態、主導因素和預測建模框架。研究結果不僅有助于深化對EGE-SER耦合過程的理論理解，還為東北地區Mollisol區域的侵蝕風險評估、模型完善和農業土壤保護提供了科學基礎和技術支持。
研究區域
中國東北地區是世界四大黑土區之一，面積達1.09×106平方公里（圖1）。近幾十年來，該地區的農田系統受到臨時性溝蝕的嚴重影響，主要原因是不可持續的耕作方式，加之集中降雨和緩坡的普遍存在（Tang等，2021）。這對該地區的糧食安全和生態系統穩定性構成了嚴重威脅。
臨時性溝蝕對土壤性質、根系質量密度和秸稈質量密度的影響
在GP和SP兩種坡面上觀察到土壤性質、RMD和SMD的顯著空間差異（圖3）。Ks從OC向GF逐漸增加，而BD、PR、Coh、PCT、MWD和SOM則呈下降趨勢。同樣，RMD和SMD也隨GP的減小而減小，降幅超過18.1%。沿SP坡度（從LS到CA），BD、PR、Coh、PCT、MWD、SOM、RMD和SMD先減小后增大，最小值出現在MS。相比之下，Ks則表現出相反的趨勢
臨時性溝蝕引起的土壤抗侵蝕能力空間異質性
識別農田中SER的空間分布模式對于農業管理部門和利益相關者制定有效的土壤和水資源保護策略具有重要意義（Mirzaee等，2017；Elliot和Flanagan，2023）。研究結果表明，Kr沿GP逐漸增加，在GF達到最大值，表明GF是一個SER較低的熱點區域（圖5）。這種空間趨勢主要是
結論
通過實地采樣和室內控流實驗，本研究系統描述了受EGE影響的LGS農田中SER的空間分布，確定了其主要因素和調控機制，并建立了Kr的估算模型。結果揭示了Kr和τc在SP和GP上的不同空間變化模式。其中，GF和MS由于EGE的強烈影響，SER最低，因此被確定為優先治理區域
CRediT作者貢獻聲明
靖俊：撰寫——審稿與編輯、撰寫——初稿、驗證、軟件使用、資源獲取、方法論、調查、數據管理、概念構建。張光輝：撰寫——審稿與編輯、監督、項目管理、資金獲取、數據管理、概念構建。張毅：數據可視化、資源管理、調查。邢書坤：驗證、軟件使用、概念構建。
利益沖突聲明
本手稿的提交不存在利益沖突，所有作者均同意發表。我代表共同作者聲明，所描述的工作是原創研究，尚未在其他地方全部或部分發表。所有列出的作者均已批準所附的手稿。
致謝
本研究的資金支持來自中國國家重點研發計劃（2024YFD1501202）。感謝北京師范大學九三土壤與水資源保護站的實驗支持。
