《CATENA》：The regulation mechanism of rainfall kinetic energy on inter-rill erosion and organic carbon fractions loss—A field monitoring study
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土壤侵蚀过程中降雨动能对有机碳分馏的影响研究。通过铁丝网调控降雨动能，发现动能增加显著提高侵蚀泥沙和有机碳损失量，其中矿物结合有机碳（MOC）损失占比达49.79%-75.59%。颗粒级配分析表明动能升高先降低黏粒含量后转为增加，揭示动能通过改变土壤结构选择性运输有机碳。结构方程模型证实泥沙产量是动能影响SOC分馏的核心中介机制。
Xuantian Li|Shuqi Li|Jia Yang|Nan Shen|Mingyi Yang|Fengbao Zhang
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持科学与工程学院，国家水土保持与荒漠化控制重点实验室，邮编712100
摘要
土壤侵蚀，特别是沟间侵蚀，在土壤有机碳（SOC）及其相关组分的再分布中起着关键作用。然而，降雨动能（KE）对沉积物和有机碳损失动态的影响仍知之甚少。本研究探讨了不同降雨动能对沟间侵蚀过程中沉积物产量、径流、颗粒大小分布（PSD）和SOC组分损失的影响。为了解决这些问题，设置了覆盖有不同孔径（1、2.5、5、10和20毫米）铁网筛的微试验区，并以裸土区作为对照。研究目的是量化不同降雨动能水平下沉积物和SOC组分的变化，探讨降雨动能与侵蚀参数之间的关系，以及侵蚀过程中SOC组分损失背后的机制。结果表明，随着降雨动能的增加，沉积物产量和径流量以及沉积物浓度也随之增加，且降雨强度、持续时间和动能之间存在明显的相关性。颗粒大小分布分析显示，粘土和粉砂的比例最初随着动能的增加而减少，但在较高动能下又有所增加，这表明细颗粒以聚集体形式被选择性运输。值得注意的是，与对照区相比，颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MOC）的损失分别减少了48.57%至71.14%和49.79%至75.59%。作为SOC主要组分的MOC，在含量和损失方面都受到了动能的影响。结构方程模型（SEM）分析表明，SOC组分的损失主要通过沉积物产量来调节，而沉积物产量又间接受到降雨动能的影响。我们的发现强调了降雨动能、沉积物动态和沟间侵蚀过程中SOC组分传输之间的复杂相互作用。这项研究为降雨动能在有机碳分布中的作用提供了新的见解，并加深了对侵蚀引起的碳通量在全球碳循环背景下的理解。
引言
由加速水流引起的土壤侵蚀被认为是一个选择性过程，其中低密度组分（如粘土和粉砂）优先被移除（Asadi等人，2011；Lal，2005）。同时，这些细小组分对于土壤有机碳（SOC）组分的再分布至关重要，包括直径为53–2000微米的颗粒有机碳（POC）和直径小于53微米的矿物相关有机碳（MOC）（Cambardella和Elliott，1992；Martinez-Mena等人，2000；Zhang等人，2014），从而导致土壤碳在景观中的水平迁移。尽管人们对运输和再分布过程中土壤碳的最终命运越来越关注，但大多数研究主要依赖于长期侵蚀区和沉积区之间有机碳水平的静态比较（Holz和Augustin，2021；Olson等人，2016）。虽然之前的研究已经考察了土壤侵蚀对SOC库和陆地碳循环的影响，但它们主要忽略了各种侵蚀过程的整体影响，特别是SOC组分的影响（He等人，2023；Li等人，2023）。考虑到侵蚀过程的复杂性，包括自然降雨事件中雨滴动能的变异性，侵蚀动态可能会因不同的侵蚀模式而改变。这些变化扰乱了SOC组分的传输和沉积，导致我们对侵蚀如何复杂地塑造全球碳循环的理解存在关键空白（Doetterl等人，2016；Lal，2019；Olson等人，2016）。这种忽视影响了当前碳平衡评估的准确性以及碳管理效益的评估。
降雨动能被广泛认为是导致土壤颗粒或聚集体从其母质中分离的主要因素，特别是在沟间侵蚀过程中（Rose，1960；Salles和Poesen，2000）。降雨动能有两个主要功能：它克服了结合表面土壤颗粒的凝聚力，导致其分离，并促进了这些松散颗粒从表面的运输（Kinnell，2005）。然而，直接测量降雨动能存在重大挑战，因为需要复杂且昂贵的仪器（Fornis等人，2005；Miko?等人，2006）。因此，大多数研究依赖于间接估计动能的方法，利用降雨强度（I）和动能之间的经验关系，从更易获得的降雨强度数据中推导出动能值（Kinnell，1973；Salles等人，2002）。这些关系主要是基于在特定气候条件下的雨滴大小分布（DSD）的局部测量建立的，因此仅适用于有限的强度范围（Petan等人，2010）。因此，在应用这些关系之前，验证其适用性是必要的。降雨动能的测量主要通过在模拟降雨条件下的复杂仪器进行，例如动态雨量计系统或激光降水量监测仪（Fernández-Raga等人，2010；Meshesha等人，2016；Wacha等人，2021）。基于现场的实地实验的缺乏使得从模拟降雨结果中推断结论变得复杂，因为自然降雨在降水量、强度、持续时间和模式方面存在显著差异（Dunkerley，2012；Fang等人，2012）。为了解决这些挑战，应采用结合实验室实验和现场监测的替代方法。这种方法将允许更深入地研究降雨动能对沟间侵蚀和有机碳损失的调节机制，利用长时间的数据来增强我们对这些过程的理解。
最近关于土壤侵蚀过程中土壤有机碳（SOC）组分损失的研究表明，复杂的自然侵蚀环境可能导致沉积物颗粒大小分布（PSD）的变化。这些差异可能导致有机碳损失机制的多样性，特别是因为沉积物颗粒在侵蚀传输过程中是SOC组分的主要载体（Martinez-Mena等人，2000）。我们的初步研究表明，降雨参数（包括模式和强度）、径流路径和植被覆盖间接影响沉积物中SOC组分的特性（Li等人，2024；Li等人，2023）。Hua等人（2016）通过监测坡面来量化地表水流产生的沉积物中的POC和MOC组分，发现SOC损失主要以MOC和溶解有机碳（DOC）的形式发生，而不是POC。这种现象是由降雨能量和土壤侵蚀过程之间的相互作用驱动的，它们选择性地移动细颗粒和可溶性碳组分。POC和MOC组分的富集或减少与降雨动能的变化密切相关；强度较高的降雨事件更有可能破坏土壤结构并增强粘土颗粒从表面的运输（Schiettecatte等人，2008；Shi等人，2011；Shi等人，2012）。因此，专注于研究降雨动能对沟间侵蚀和有机碳组分损失的影响将加深我们对SOC最终命运的理解，并为改进侵蚀和碳循环模型提供关键见解。此外，“ Grain for Green”计划在黄土高原地区增加了植被覆盖，显著减少了土壤侵蚀（Fu等人，2011；Wei等人，2021）。它还为暴露的表面提供了物理保护，减弱了降雨的动能，从而影响了SOC动态和区域碳管理策略。因此，基于长期现场监测重新评估在降雨动能减弱条件下的SOC组分损失的研究，不仅增强了我们对侵蚀驱动的有机碳再分布的理解，还为像“Grain for Green”这样的大规模环境恢复计划提供了实际的碳管理解决方案。
在野外环境中直接测量降雨动能本质上具有挑战性，需要复杂且通常昂贵的仪器。此外，给定动能的侵蚀效果受到动态现场条件的强烈影响，如前期土壤湿度、表面结壳的形成以及降雨强度的时间变化。这些因素影响土壤分离和传输过程，从而复杂化了评估动能在驱动沟间侵蚀和相关有机碳损失中的具体作用。因此，准确评估降雨动能对土壤侵蚀和SOC特性（包括含量、富集和损失）的影响变得困难。先前的研究表明，不同孔径的铁网可以减弱和改变雨滴的能量（Wang等人，2024；Wang，2016）。这种方法是一种间接工具，用于研究不同动能如何影响侵蚀过程和沉积物颗粒大小的分选，进一步影响坡面上的SOC损失，特别是在类似降雨事件等一致的现场条件下。为了解决这些知识空白，本研究通过基于现场的监测，研究了不同孔径筛减弱后的降雨动能对沟间侵蚀特性、沉积物PSD和SOC组分损失的影响。该研究采用了每个处理一个试验点的设计，以便在自然降雨条件下对侵蚀过程进行密集、高频的监测。这种方法优先考虑对时间动态和过程机制的详细观察，同时认识到它生成的关于动能效应的假设需要在空间复制的实验中进行验证。具体目标是：（1）分析在不同降雨动能下土壤沟间侵蚀参数（如径流量、沉积物产量/浓度）、沉积物PSD以及SOC组分的传输/富集的变化；（2）量化降雨动能水平与侵蚀参数、沉积物PSD和SOC组分损失变化之间的相关性；（3）阐明降雨动能、沟间侵蚀机制、沉积物分选和SOC组分再分布之间的因果关系。通过整合这些发现，这项研究推进了降雨动能如何控制沟间侵蚀过程中SOC组分损失的机制性见解。结果将提供关键数据，阐明动态侵蚀条件在重塑土壤碳库及其对陆地碳循环的广泛影响方面的意义。
研究地点
研究地点位于中国黄土高原北部的陕西省安塞县（109°19′23″E，36°51′30″ N）（图1）。该地区具有半干旱气候，年平均温度为8.8°C，年平均降水量为510毫米。值得注意的是，其中超过60%的降水量发生在7月至9月之间，这与我们之前的研究记录的当地植被生长季节相吻合（Li等人，2022）。该地区的地形...
不同降雨动能下沟间侵蚀的变化
在监测期间，暴露于较低降雨动能的试验区显示出较低的沉积物产量和径流量，以及较低的沉积物浓度，与裸土处理相比（图3a、c和e）。这种模式在13次降雨事件中都得到了观察，表明降雨动能对沟间侵蚀过程具有强烈且可重复的调节作用。这些参数通常随着降雨动能的增加而增加，显示出强烈的...
降雨动能对沟间侵蚀和沉积物PSD的调节
在大多数降雨事件中，裸土区的沉积物产量和浓度较高（图3）。这表明降雨动能通过影响沉积物的移动成为沟间侵蚀的主要调节因素。这些发现与先前研究中建立的降雨侵蚀性和径流深度之间的幂律关系一致（Hassan，2011；Meshesha等人，2016），以及Fernández-Raga等人的观察结果（2010）...
结论
本研究阐明了降雨动能在控制沟间侵蚀过程及其相关SOC组分再分布中的机制性作用。我们的发现不仅量化了经验损失，还强调了降雨动能对侵蚀动态的级联控制作用，从颗粒分离和聚集开始，延伸到沉积物传输，最终导致SOC组分的损失——尤其是MOC组分。
一个关键的机制性见解是...
作者贡献声明
Xuantian Li：撰写——原始草案。Shuqi Li：调查。Jia Yang：调查。Nan Shen：方法论。Mingyi Yang：方法论。Fengbao Zhang：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明本研究是在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2022YFF1300805）、国家自然科学基金（编号42361144707、42177338和4187708）以及中央高校基本科研业务费（2023HHZX001）的财政支持。
