《CATENA》：The role of roots in riverbank stabilization under extreme fluctuating water conditions: From the perspective of riparian plant diversity
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本研究针对三峡库区河岸侵蚀问题，通过模拟不同水位和排水条件，分析植被多样性指数（Simpson指数、丰富度指数、Shannon-Wiener指数）对河岸稳定性影响的差异机制，发现Simpson指数显著降低深层土壤失效风险，丰富度指数和Shannon-Wiener指数则提升浅层稳定性，排水措施可间接增强植被多样性。为优化植被配置提供科学依据。
齐子涵|王云祺|李彤|张光和|张晓明|李鹏
中国北京林业大学水土保持学院三峡水库区（重庆）森林生态系统研究站，北京100083
摘要
水库水位的周期性波动导致河岸区域频繁发生侵蚀，而植被是加固河岸斜坡的有效措施。然而，以往关于植被护坡效果的研究主要依赖于复杂的根系力学实验，目前尚不清楚是否可以通过植物多样性指数更直观地评估植被的护坡效果。特别是在河岸带，水库水位波动引起的淹没梯度导致植被分布和侵蚀特征的空间异质性。本研究考察了不同淹没压力、植物多样性模式和排水条件下的多种情景，并对三峡水库区域典型河岸的植被特征和根系特性进行了详细调查。利用无限斜坡模型和统计分析方法量化了在不同淹没压力下植物多样性对河岸斜坡稳定性的影响。研究结果揭示了植物多样性指数在不同河岸深度下对土壤破坏模式的差异调节机制。辛普森指数（D）被确定为影响河岸斜坡稳定性的主要指标，有助于缓解深层土壤破坏；丰富度指数（R）和香农-维纳指数（H）主要有利于河岸斜坡的浅层稳定。此外，现有的排水措施对斜坡稳定性的直接增益效果有限，但可以通过减轻淹没压力来提高R和H的值。本研究为理解植被-土壤相互作用机制及优化河岸植被配置提供了新的视角。
引言
水库具有防洪、发电和通航等多种效益，在人类社会发展过程中发挥着重要作用（Best, 2019）。水库的河岸带作为陆地和水生生态系统之间的过渡区域，在维持物质循环和河岸斜坡稳定性方面具有不可替代的作用（Liu et al., 2022; Ran et al., 2023）。大坝运行导致了水文环境的剧烈变化，进而加剧了河岸侵蚀。2003年三峡工程完成后，沿水库岸线发现了2600多处大型滑坡和约500公里的不稳定河岸（Tang et al., 2019）。例如，2003年三峡水库首次蓄水时，水位从95米上升到135米，对湖北省 Zigui 县 Qianjiangping 的河岸稳定性产生了显著负面影响，导致滑坡，造成24人死亡和大量财产损失（Wang et al., 2008）。2015年，水库水位急剧下降，导致重庆市 Wushan 县 Hongyanzi 河岸发生坍塌，13艘船只倾覆，2人死亡，4人受伤（Huang et al., 2016）。水库水位的显著升降是导致河岸不稳定的关键因素，这对长江的航运和居民生活构成了重大威胁（Mandal et al., 2019; Huang et al., 2020）。本研究旨在为三峡水库及类似地区极端水位波动条件下的河岸侵蚀防治提供支持。
水利工程对环境的负面影响可以通过工程和生态措施在一定程度上得到缓解或补偿（Bhuyan et al., 2024）。尽管传统的工程措施如土钉、填充石和土工合成材料可以迅速提高斜坡稳定性，但它们往往成本较高，且容易破坏生态过程，最终导致长期的环境后果（Symmank et al., 2020）。在水土保持领域，植被措施因其低成本、高韧性和生态友好性而受到越来越多的关注，被视为有效的斜坡加固方案（Calliari et al., 2019; Li et al., 2022; Wang et al., 2022）。植物根系通过改善土壤水力特性和提供额外的凝聚力，能够可靠地提高斜坡稳定性（Ni et al., 2026）。Patil 等人的最新研究表明，植被通过根系吸水增加土壤基质吸力并提供机械支撑，从而增强热带地区的斜坡稳定性。这种生物工程效应在低强度、持续降雨条件下最为有效，而在强降雨条件下其稳定效果会减弱。这表明根系加固的效果受外部因素影响，存在时空波动（Artini et al., 2021）。因此，在气候变化条件下量化根系加固的异质性对于评估斜坡稳定性至关重要。根系加固能力是研究和评估植被护坡效果的重要指标，可以通过 Wu 模型（Wu et al., 1979）或纤维束模型（Pollen and Simon, 2005）等模型进行估算，但这些模型需要复杂的实验程序，包括植物物种调查、根系数量统计、根系抗拉强度测量和根系拔出强度测试（Wang et al., 2020; Zhu et al., 2022）。然而，河岸群落的物种多样性和物种间的互补性形成了复杂的地下根系网络，使得在实际管理中难以评估这些植物对河岸稳定性的贡献。
植物多样性常被用作评估群落生态恢复力的宏观指标（Chen et al., 2020; Wang et al., 2021）。群落物种组成和多样性的变化通过土壤-植被相互作用影响根系特性，从而改变斜坡稳定性（An et al., 2025; Wang et al., 2025）。现有研究表明，植物物种丰富度和多样性的增加通过互补或选择性效应提高了根系生物量，形成了更复杂的根系网络，增强了浅层土壤的抗侵蚀能力（Osman et al., 2021; Wang et al., 2021; Wang et al., 2023; Zhu et al., 2026）。此外，优势植物物种在群落中占据主导地位，显著促进了该区域的斜坡稳定性（Zhang et al., 2019; Masi et al., 2023）。植物物种、根系生物量和根系垂直分布特征的差异对根系稳定性和斜坡稳定性具有不同程度的影响（Sidle and Bogaard, 2016; Yamase et al., 2024; Cao et al., 2025; Zhao et al., 2025）。根系的机械特性因物种而异，根系抗拉强度范围从几帕斯卡到几千帕斯卡不等（Sidle and Bogaard, 2016）。这种差异与根系本身的结构和化学组成有关（Zhu et al., 2020a）。物种组成的变化也导致了根系结构的差异。具有发达纤维根系的草本植物在浅层土壤中形成密集的纤维网络，通过促进团聚体的形成显著增强了土壤凝聚力（Wang et al., 2023; Zhao et al., 2025）。相比之下，主根植物的侧根密度较低，但它们通常具有突出的主根，能够锚定深层土壤（Cao et al., 2025）。根系的生物量和空间分布主导了植被对斜坡稳定性的影响（Yamase et al., 2024; Liu et al., 2026）。这些研究直接或间接表明植物多样性对斜坡稳定性有积极影响。然而，目前尚无明确证据表明哪种植物多样性指数对斜坡稳定性的贡献最大。特别是在河岸带，洪水频率、持续时间和强度会导致河岸坡面上物种组成和群落结构的空间异质性（Wang et al., 2023）。是否可以通过植物多样性指数更直观地评估植被的护坡效果仍需进一步验证。
为了解决这些问题，选择了三峡水库 Jialing 河段的一个河岸区域作为研究案例。研究将水位高度、植物分布和排水条件等多个因素作为代表河岸条件的变量。本研究揭示了在不同条件下的植物多样性和根系固定能力的特征，并通过量化这些条件下的河岸稳定性阐明了植物多样性指数与斜坡稳定性系数之间的关联机制。使用 SHapley Additive extension（SHAP）方法明确了植物多样性指数对河岸稳定性的相对贡献。本研究深化了对植被-土壤相互作用机制的理解，为河岸生态管理者提供了实施有效植被护坡措施的宝贵参考。
研究区域位于中国重庆市北碚区三峡水库 Jialing 河段的河岸带（29°50′N, 106°25′E）（图1）。该地区具有典型的亚热带季风气候，年平均温度为13.6°C，年平均降水量为1611.8毫米。该地区的岩性主要由厚层长石石英砂岩组成，土壤为细砂土。
河岸带主要由草本植物主导，在三个样地中共鉴定出11种植物；最常见的科是禾本科（4种）和菊科（3种）（表A1）。SIV超过15%通常被认为是优势物种的特征（Wang et al., 2024b）。Cynodon dactylon、Humulus scandens、Setaria viridis 和 Arundo donax 是三个样地中的优势物种（图S1）。
自三峡水库建成以来，大多数河岸植物已经消失，因为它们缺乏在极端洪水事件中生存所需的结构和功能适应性。水库运行引起的严重水位波动加速了河岸植被的演替，形成了以草本植物为主的植物群落（Jian et al., 2018; Zheng et al., 2021）。河岸上的优势物种如 Cynodon dactylon
本研究调查了三峡水库 Jialing 河段不同海拔、植被分布条件和排水情景下的河岸植物多样性特征，并量化了各种条件下的河岸斜坡稳定性。研究揭示了植物多样性指数在不同水库水位波动条件下对河岸不同深度土壤破坏模式的差异调节机制。
齐子涵：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、方法论、调查、数据管理。
王云祺：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
李彤：方法论、调查。
张光和：调查。
张晓明：资源支持。
李鹏：资源支持。
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。
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF1305201）的支持。
