黃土丘陵區(qū)不同蓋度生物結(jié)皮土壤抗沖性研究

冉茂勇，趙允格，劉玉蘭

(1.西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西藏 拉薩850030;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100;3.邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，河北邯鄲056002)

土壤生物結(jié)皮(或稱土壤微生物結(jié)皮)，是指由生長在土壤表面及其以下的蘚和地衣類等個體微小的生物成分與土壤相互作用形成的復(fù)雜復(fù)合土層[1]。近年來，隨著黃土高原“退耕還林還草、封山綠化”水土保持治理措施的實(shí)施，在這一干旱缺水且侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域，生物結(jié)皮分布越來越廣泛，所發(fā)揮的生態(tài)作用也越顯突出。有關(guān)生物結(jié)皮的特征、分布、作用等均有報道[2-4]，但關(guān)于生物結(jié)皮的形成對土壤抗沖性影響的報道卻較少，且有關(guān)生物結(jié)皮的研究多以其形態(tài)作為分類基礎(chǔ)，鮮見有關(guān)發(fā)育過程的動態(tài)研究。我們的前期研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原丘陵溝壑區(qū)生物結(jié)皮的形成，顯著地增強(qiáng)了土壤的抗沖性，且其影響程度與生物結(jié)皮的發(fā)育程度相關(guān)。鑒于此，本研究以黃土丘陵溝壑區(qū)安塞縣3個不同發(fā)育年限撂荒地的生物結(jié)皮為研究對象，按蘚類植物所占結(jié)皮面積的比例為結(jié)皮蓋度劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用變坡度水槽研究了生物結(jié)皮發(fā)育過程中不同蘚類結(jié)皮蓋度對生物結(jié)皮土壤抗沖性的影響，以及不同蓋度生物結(jié)皮對土壤黏結(jié)力、容重、有機(jī)質(zhì)等與土壤抗沖性密切相關(guān)的理化屬性的影響，并探索了不同蓋度生物結(jié)皮理化屬性和抗沖性二者之間的關(guān)系，以期認(rèn)清生物結(jié)皮蓋度發(fā)育對結(jié)皮土壤抗沖性的影響及其作用機(jī)制，為利用生物結(jié)皮進(jìn)行黃土區(qū)生態(tài)修復(fù)提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站山地試驗(yàn)場內(nèi)不同年限的退耕坡地上進(jìn)行。該試驗(yàn)站位于陜西省安塞縣，區(qū)內(nèi)海拔997—1 731 m，地形復(fù)雜、溝壑縱橫、梁峁連綿，屬黃河中游水土流失嚴(yán)重區(qū)，也是西北地區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū);氣候?qū)倥瘻貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量500 mm左右，降水年內(nèi)分配不均，7—9月降水量占全年降水量的61%，多暴雨;土壤為黃綿土(鈣質(zhì)干潤雛形土)，其分布面積約占總面積的95%，屬森林草原區(qū)植被，天然森林已遭破壞，森林覆蓋率為17.7%[5]，其下廣泛發(fā)育著生物結(jié)皮。

2 材料與方法

2.1 樣地選擇與采樣

在已有撂荒地上選擇退耕3、7、13年樣地的結(jié)皮分別代表生物結(jié)皮形成期、快速發(fā)育期和穩(wěn)定期[6]。為便于野外觀察，將樣地生物結(jié)皮主要優(yōu)勢種苔蘚作為考察對象，據(jù)蘚類所占結(jié)皮比例將結(jié)皮蓋度劃分為如表1所示的4個等級進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 結(jié)皮蓋度劃分標(biāo)準(zhǔn)

在已選樣地上，選擇生物結(jié)皮相對完整、地上植被覆蓋基本一致的典型樣方，用抗沖配套環(huán)刀按苔蘚蓋度采集抗沖樣品(重復(fù)3次)，隨后在典型樣方內(nèi)選擇未受擾動的生物結(jié)皮，按蓋度要求完成有機(jī)質(zhì)、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等理化分析樣品的采集，其中有機(jī)質(zhì)、容重測定每樣地每蓋度重復(fù)5次，水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定重復(fù)取樣4次。同時，在研究區(qū)內(nèi)采集揭去結(jié)皮后0—5 cm的土層土樣(每樣地每蓋度重復(fù)2次)，作為有機(jī)質(zhì)測定時的對照樣品。

將野外采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干待用。

2.2 測定項目與方法

2.2.1 抗沖試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用張光輝、劉寶元等設(shè)計的變坡度水槽[7]。

2.2.2 抗沖試驗(yàn)方法與觀測指標(biāo)

以區(qū)內(nèi)常見的15°的坡度作為沖刷試驗(yàn)坡度，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)設(shè)置2 L/s的流量進(jìn)行沖刷試驗(yàn)?？箾_試驗(yàn)樣品取回后立即稱重(m1)，將樣品裝入水槽底部圓形土樣室內(nèi)沖刷，觀察各樣品的沖擊反應(yīng)。對于低發(fā)育年限、低蓋度和對沖刷有反應(yīng)的結(jié)皮，記錄結(jié)皮被大量沖破(出現(xiàn)洞、裂隙等)的時間，以結(jié)皮連續(xù)掉落停止或出水為清水時為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束試驗(yàn);對于發(fā)育良好不容易沖破或很難沖破的結(jié)皮，以30 min為沖刷時限，記錄起始沖刷時間為0，結(jié)束時間為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后，對于沖刷有反應(yīng)的結(jié)皮，將環(huán)刀內(nèi)剩余部分連同環(huán)刀一起放入180℃烘箱烘24 h后再稱重記錄土樣質(zhì)量(m2)。

由于生物結(jié)皮土壤沖刷不同于一般的土壤，結(jié)皮土壤抗沖性主要取決于結(jié)皮是否被沖破或沖破過程耗時的長短等因素，因此本試驗(yàn)用結(jié)皮的抗沖時間、侵蝕率兩個指標(biāo)來評價生物結(jié)皮土壤的抗沖性，其中:抗沖時間(min)是指結(jié)皮抵抗徑流沖刷的時間，即試驗(yàn)從開始到結(jié)束所用的時間;侵蝕率(g/m2)用(m1-m2)/環(huán)刀面積表示，其中m1為樣品取回后立即稱重的值，m2為烘干后再稱重的值。

2.2.3 理化分析項目與方法

結(jié)皮容重測定采用涂膜法[8]，水穩(wěn)性團(tuán)聚體測定采用丘林法，有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法，黏結(jié)力測定在野外現(xiàn)場進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物結(jié)皮蓋度對土壤理化屬性的影響

3.1.1 生物結(jié)皮蓋度對土壤容重的影響

容重是反映土壤結(jié)皮物理特性的重要指標(biāo)，它的變化可以反映表層土壤孔隙狀況、水分、入滲能力以及抗侵蝕強(qiáng)度的變化。由觀測資料知，生物結(jié)皮蓋度對容重的影響，除7年限2蓋度結(jié)皮容重值較1蓋度結(jié)皮容重值高0.1 g/cm3外，其余容重大小排序均為1蓋度＞2蓋度＞3蓋度＞4蓋度。可見，結(jié)皮容重隨著結(jié)皮蓋度的增加呈不斷減小的趨勢(圖1)。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)?，?蓋度時由于結(jié)皮發(fā)育不完善、根系小而少、分泌聚合物少、有機(jī)質(zhì)積累較少，因此結(jié)皮容重不高，隨著蓋度的增加(2、3、4蓋度)，根系逐漸發(fā)育，地上有機(jī)物逐漸積累，土層變得疏松，大孔隙隨之增加，容重逐步下降，其中4蓋度平均結(jié)皮容重比1蓋度減小了16%。而之所以出現(xiàn)結(jié)皮容重在7年限2蓋度時出現(xiàn)最高點(diǎn)，主要是由于該階段生物結(jié)皮處于快速發(fā)展期，此時的結(jié)皮土壤生長最為旺盛，胞外聚合物等分泌較多，所以結(jié)皮土壤有機(jī)質(zhì)積累較高，容重值也表現(xiàn)為較高。

3.1.2 生物結(jié)皮蓋度對土壤黏結(jié)力的影響

低蓋度的生物結(jié)皮根系少而小，胞外聚合物分泌數(shù)量少，各根系之間捆綁作用不大。觀測資料顯示，隨著結(jié)皮蓋度的增加，生物結(jié)皮生長發(fā)育比較旺盛，根系和根系之間聯(lián)結(jié)穿插作用逐漸增強(qiáng)，結(jié)皮微生物及分泌物對表層土壤顆粒的黏結(jié)作用也會增強(qiáng)，土壤黏結(jié)力則呈逐步增加的趨勢(圖1)，表現(xiàn)為2蓋度結(jié)皮平均黏結(jié)力比1蓋度增加17%，3蓋度比1蓋度增加24%，4蓋度比1蓋度增加25%。另外，將1蓋度結(jié)皮黏結(jié)力與當(dāng)?shù)馗赝寥鲤そY(jié)力相比，前者平均黏結(jié)力約為后者的2倍。由此可見，結(jié)皮的形成增加了土壤黏結(jié)力，雖然在高蓋度時結(jié)皮土壤黏結(jié)力相差不大，但其變化總趨勢是隨著結(jié)皮蓋度的增加土壤黏結(jié)力在逐漸增大。

圖1 生物結(jié)皮蓋度對土壤容重和黏結(jié)力的影響

3.1.3 生物結(jié)皮蓋度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

從試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和圖2可知，不同蓋度生物結(jié)皮有機(jī)質(zhì)變化的特點(diǎn)是，有結(jié)皮土壤有機(jī)質(zhì)含量高于揭去結(jié)皮的土壤，高蓋度結(jié)皮土壤有機(jī)質(zhì)含量高于低蓋度結(jié)皮土壤，其中:1蓋度平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.9 g/kg，比揭去結(jié)皮土壤增加了27%;2、3蓋度平均土壤有機(jī)質(zhì)含量均為1.3 g/kg，比1蓋度增加了44%;4蓋度平均土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.8 g/kg，是1蓋度的2倍。由此可見，生物結(jié)皮的形成提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量。

圖2 生物結(jié)皮蓋度對有機(jī)質(zhì)的影響

3.1.4 生物結(jié)皮蓋度對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

撂荒地表面形成生物結(jié)皮后，土壤中的水穩(wěn)性顆粒組成發(fā)生了明顯的變化。從觀測資料和圖3可知，除13年限＞5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比大小排序是3蓋度＞4蓋度＞1蓋度＞2蓋度外，3年限、7年限生物結(jié)皮＞5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比變化特點(diǎn)基本是1蓋度＜2蓋度＜3蓋度＜4蓋度。所以，不同蓋度生物結(jié)皮＞5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比變化總趨勢是隨著蓋度的增加而增加的，即蓋度越高，＞5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比含量就越高，表明結(jié)皮的形成對于大顆粒團(tuán)粒的形成具有促進(jìn)作用。而之所以在13年限出現(xiàn)2蓋度(89%)較1蓋度(93%)值低和4蓋度(95%)較3蓋度(97%)值低，其原因可能是由于采樣不均或試驗(yàn)誤差引起的。

圖3 生物結(jié)皮蓋度對水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的影響

3.2 不同蓋度生物結(jié)皮土壤抗沖性研究

隨著生物結(jié)皮蓋度的提高，結(jié)皮的抗沖時間延長，2蓋度生物結(jié)皮的平均沖刷時間約是1蓋度沖刷時間的2倍，3蓋度約是2蓋度的2倍，4蓋度約是3蓋度的1倍，特別是3年限、7年限結(jié)皮蓋度為4和13年限結(jié)皮蓋度為3、4時，結(jié)皮的抗沖時間均為30 min(即在該試驗(yàn)條件下30 min的沖刷對結(jié)皮土壤不產(chǎn)生任何影響)，表明結(jié)皮的存在抑制了侵蝕，且隨結(jié)皮蓋度的增加抗沖刷能力在逐漸增強(qiáng)，發(fā)育完善的結(jié)皮可以延后或避免侵蝕的發(fā)生與發(fā)展。

不同蓋度結(jié)皮土壤侵蝕率變化特點(diǎn)是:1蓋度＞2蓋度＞3蓋度＞4蓋度，即土壤侵蝕率隨著結(jié)皮蓋度的提高而降低。其中:2蓋度生物結(jié)皮平均土壤侵蝕率為8 283 g/m2，比1蓋度減少了11%;3蓋度為2 676 g/m2，比1蓋度減少了71%;4蓋度未發(fā)生侵蝕。此特點(diǎn)與生物結(jié)皮的抗沖刷時間變化特點(diǎn)一致，說明結(jié)皮平均土壤侵蝕率隨著結(jié)皮蓋度的提高而降低，尤其是3年限、7年限結(jié)皮蓋度為4和13年限結(jié)皮蓋度為3、4時，結(jié)皮的土壤侵蝕率均為0，進(jìn)一步表明在此試驗(yàn)條件下土壤侵蝕不曾發(fā)生，高蓋度結(jié)皮具有很強(qiáng)的抗沖刷能力。

3.3 生物結(jié)皮土壤理化屬性與抗沖性關(guān)系分析

對試驗(yàn)測得的與抗沖性有關(guān)的不同蓋度生物結(jié)皮的容重、黏結(jié)力、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體4個理化指標(biāo)與不同蓋度生物結(jié)皮平均土壤侵蝕率進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明:各蓋度土壤侵蝕率與各蓋度結(jié)皮有機(jī)質(zhì)、黏結(jié)力、水穩(wěn)性團(tuán)聚體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與容重呈正相關(guān)關(guān)系。各理化指標(biāo)與土壤侵蝕率關(guān)系分析中，黏結(jié)力對結(jié)皮土壤抗沖性影響最大，達(dá)極顯著水平，其次為團(tuán)聚體，達(dá)顯著水平。

4 結(jié)語

(1)生物結(jié)皮的生長與發(fā)育對土壤的容重、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體等都產(chǎn)生了影響，表現(xiàn)為除7年限2蓋度結(jié)皮容重值比1蓋度高之外，其余容重變化均為1蓋度＞2蓋度＞3蓋度＞4蓋度;土壤黏結(jié)力和有機(jī)質(zhì)均隨著結(jié)皮蓋度的增加而逐漸增大;隨著生物結(jié)皮蓋度的逐漸增加，＞5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分比含量也增加，表明結(jié)皮的形成對于大顆粒團(tuán)粒的形成具有促進(jìn)作用。

(2)生物結(jié)皮的生長與發(fā)育影響其抗沖性。土壤侵蝕率均隨著結(jié)皮蓋度的提高而降低，抗沖時間隨著結(jié)皮蓋度的提高而延長。尤其是3年限、7年限結(jié)皮蓋度為4和13年限結(jié)皮蓋度為3、4時，結(jié)皮土壤侵蝕率均為0，結(jié)皮的抗沖時間為30 min，表明在該試驗(yàn)條件下結(jié)皮具有很強(qiáng)的抗沖能力，結(jié)皮形成能延長侵蝕突破口形成和增加抵抗徑流沖破的時間，減少或避免了土壤侵蝕的發(fā)生與發(fā)展。

(3)生物結(jié)皮提高土壤抗沖性的作用主要表現(xiàn)在生物結(jié)皮提高了黏結(jié)力與土壤團(tuán)聚體含量。其作用機(jī)理在于:生物結(jié)皮通過低等植物本身分泌的有機(jī)凝膠體和多聚糖等膠結(jié)物質(zhì)及菌絲網(wǎng)絡(luò)對土壤的纏繞、包裹等作用穩(wěn)固土壤表面，加強(qiáng)了松散土粒之間的黏結(jié)作用，使土壤表面黏結(jié)力增加，從而增強(qiáng)了土壤抗沖性，且隨著結(jié)皮蓋度的提高，生物結(jié)皮生長發(fā)育越旺盛，結(jié)皮所分泌的有機(jī)凝膠體和多聚糖等膠結(jié)物質(zhì)數(shù)量越多，根系與根系之間的聯(lián)結(jié)穿插作用也逐步增強(qiáng)，各根系之間的捆綁作用隨之增強(qiáng)，因而也隨之增強(qiáng)了土壤抗沖性;生物結(jié)皮菌根、菌絲作為有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)對土壤團(tuán)聚體的形成具有促進(jìn)作用，且蓋度越高作用越強(qiáng)，土壤抗沖性也相應(yīng)增強(qiáng)。

[1]趙允格，許明祥，王全九，等.黃土丘陵區(qū)退耕地生物結(jié)皮對土壤理化性狀的影響[J].自然資源，2006，21(3):441-448.

[2]楊曉暉，張克斌，趙云杰.生物土壤結(jié)皮——荒漠化地區(qū)研究的熱點(diǎn)問題[J].生態(tài)學(xué)報，2001，21(3):474-480.

[3]閆德仁，薛英英，趙春光.沙漠生物結(jié)皮國內(nèi)研究現(xiàn)狀[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技，2007，33(3):28-32，38.

[4]張振國，焦菊英，白文娟.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植被恢復(fù)中生物土壤結(jié)皮特征[J].水土保持學(xué)報，2006，26(4):33-37.

[5]高旺盛，董孝斌.黃土高原丘陵溝壑區(qū)脆弱農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價——以安塞縣為例[J].自然資源學(xué)報，2003，18(2):182-188.

[6]趙允格，許明祥，王全九，等.黃土丘陵區(qū)退耕地生物結(jié)皮理化性狀初報[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2006，17(8):1 429-1 434.

[7]張光輝，劉寶元，張科利.坡面徑流分離土壤的水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報，2002，39(6):882-886.

[8]范文波，李小娟.涂膜法測定黃土結(jié)皮容重[J].山西水土保持科技，2001(3):9-10.