黃土丘陵區不同蓋度生物結皮土壤抗沖性研究

冉茂勇，趙允格，劉玉蘭

(1.西藏職業技術學院，西藏 拉薩850030;2.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌712100;3.邯鄲市水利水電勘測設計研究院，河北邯鄲056002)

土壤生物結皮(或稱土壤微生物結皮)，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雜復合土層[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施，在這一干旱缺水且侵蝕嚴重的區域，生物結皮分布越來越廣泛，所發揮的生態作用也越顯突出。有關生物結皮的特征、分布、作用等均有報道[2-4]，但關于生物結皮的形成對土壤抗沖性影響的報道卻較少，且有關生物結皮的研究多以其形態作為分類基礎，鮮見有關發育過程的動態研究。我們的前期研究發現，黃土高原丘陵溝壑區生物結皮的形成，顯著地增強了土壤的抗沖性，且其影響程度與生物結皮的發育程度相關。鑒于此，本研究以黃土丘陵溝壑區安塞縣3個不同發育年限撂荒地的生物結皮為研究對象，按蘚類植物所占結皮面積的比例為結皮蓋度劃分標準，采用變坡度水槽研究了生物結皮發育過程中不同蘚類結皮蓋度對生物結皮土壤抗沖性的影響，以及不同蓋度生物結皮對土壤黏結力、容重、有機質等與土壤抗沖性密切相關的理化屬性的影響，并探索了不同蓋度生物結皮理化屬性和抗沖性二者之間的關系，以期認清生物結皮蓋度發育對結皮土壤抗沖性的影響及其作用機制，為利用生物結皮進行黃土區生態修復提供有益參考。

1 研究區概況

試驗在中國科學院安塞水土保持綜合試驗站山地試驗場內不同年限的退耕坡地上進行。該試驗站位于陜西省安塞縣，區內海拔997—1 731 m，地形復雜、溝壑縱橫、梁峁連綿，屬黃河中游水土流失嚴重區，也是西北地區典型的生態環境脆弱區;氣候屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降水量500 mm左右，降水年內分配不均，7—9月降水量占全年降水量的61%，多暴雨;土壤為黃綿土(鈣質干潤雛形土)，其分布面積約占總面積的95%，屬森林草原區植被，天然森林已遭破壞，森林覆蓋率為17.7%[5]，其下廣泛發育著生物結皮。

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年樣地的結皮分別代表生物結皮形成期、快速發育期和穩定期[6]。為便于野外觀察，將樣地生物結皮主要優勢種苔蘚作為考察對象，據蘚類所占結皮比例將結皮蓋度劃分為如表1所示的4個等級進行試驗。

表1 結皮蓋度劃分標準

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

將野外采集的樣品帶回實驗室風干待用。

2.2 測定項目與方法

2.2.1 抗沖試驗裝置

試驗裝置采用張光輝、劉寶元等設計的變坡度水槽[7]。

2.2.2 抗沖試驗方法與觀測指標

以區內常見的15°的坡度作為沖刷試驗坡度，根據預試驗設置2 L/s的流量進行沖刷試驗。抗沖試驗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沖刷，觀察各樣品的沖擊反應。對于低發育年限、低蓋度和對沖刷有反應的結皮，記錄結皮被大量沖破(出現洞、裂隙等)的時間，以結皮連續掉落停止或出水為清水時為標準結束試驗;對于發育良好不容易沖破或很難沖破的結皮，以30 min為沖刷時限，記錄起始沖刷時間為0，結束時間為30 min。試驗結束后，對于沖刷有反應的結皮，將環刀內剩余部分連同環刀一起放入180℃烘箱烘24 h后再稱重記錄土樣質量(m2)。

由于生物結皮土壤沖刷不同于一般的土壤，結皮土壤抗沖性主要取決于結皮是否被沖破或沖破過程耗時的長短等因素，因此本試驗用結皮的抗沖時間、侵蝕率兩個指標來評價生物結皮土壤的抗沖性，其中:抗沖時間(min)是指結皮抵抗徑流沖刷的時間，即試驗從開始到結束所用的時間;侵蝕率(g/m2)用(m1-m2)/環刀面積表示，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

結皮容重測定采用涂膜法[8]，水穩性團聚體測定采用丘林法，有機質測定采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法，黏結力測定在野外現場進行。

3 結果與分析

3.1 生物結皮蓋度對土壤理化屬性的影響

3.1.1 生物結皮蓋度對土壤容重的影響

容重是反映土壤結皮物理特性的重要指標，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度的變化。由觀測資料知，生物結皮蓋度對容重的影響，除7年限2蓋度結皮容重值較1蓋度結皮容重值高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，結皮容重隨著結皮蓋度的增加呈不斷減小的趨勢(圖1)。之所以出現這一現象是因為，在1蓋度時由于結皮發育不完善、根系小而少、分泌聚合物少、有機質積累較少，因此結皮容重不高，隨著蓋度的增加(2、3、4蓋度)，根系逐漸發育，地上有機物逐漸積累，土層變得疏松，大孔隙隨之增加，容重逐步下降，其中4蓋度平均結皮容重比1蓋度減小了16%。而之所以出現結皮容重在7年限2蓋度時出現最高點，主要是由于該階段生物結皮處于快速發展期，此時的結皮土壤生長最為旺盛，胞外聚合物等分泌較多，所以結皮土壤有機質積累較高，容重值也表現為較高。

3.1.2 生物結皮蓋度對土壤黏結力的影響

低蓋度的生物結皮根系少而小，胞外聚合物分泌數量少，各根系之間捆綁作用不大。觀測資料顯示，隨著結皮蓋度的增加，生物結皮生長發育比較旺盛，根系和根系之間聯結穿插作用逐漸增強，結皮微生物及分泌物對表層土壤顆粒的黏結作用也會增強，土壤黏結力則呈逐步增加的趨勢(圖1)，表現為2蓋度結皮平均黏結力比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蓋度結皮黏結力與當地耕地土壤黏結力相比，前者平均黏結力約為后者的2倍。由此可見，結皮的形成增加了土壤黏結力，雖然在高蓋度時結皮土壤黏結力相差不大，但其變化總趨勢是隨著結皮蓋度的增加土壤黏結力在逐漸增大。

圖1 生物結皮蓋度對土壤容重和黏結力的影響

3.1.3 生物結皮蓋度對土壤有機質的影響

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

圖2 生物結皮蓋度對有機質的影響

3.1.4 生物結皮蓋度對土壤水穩性團聚體的影響

撂荒地表面形成生物結皮后，土壤中的水穩性顆粒組成發生了明顯的變化。從觀測資料和圖3可知，除13年限＞5 mm水穩性團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年限生物結皮＞5 mm水穩性團聚體百分比變化特點基本是1蓋度＜2蓋度＜3蓋度＜4蓋度。所以，不同蓋度生物結皮＞5 mm水穩性團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水穩性團聚體百分比含量就越高，表明結皮的形成對于大顆粒團粒的形成具有促進作用。而之所以在13年限出現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誤差引起的。

圖3 生物結皮蓋度對水穩性團聚體含量的影響

3.2 不同蓋度生物結皮土壤抗沖性研究

隨著生物結皮蓋度的提高，結皮的抗沖時間延長，2蓋度生物結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年限結皮蓋度為4和13年限結皮蓋度為3、4時，結皮的抗沖時間均為30 min(即在該試驗條件下30 min的沖刷對結皮土壤不產生任何影響)，表明結皮的存在抑制了侵蝕，且隨結皮蓋度的增加抗沖刷能力在逐漸增強，發育完善的結皮可以延后或避免侵蝕的發生與發展。

不同蓋度結皮土壤侵蝕率變化特點是:1蓋度＞2蓋度＞3蓋度＞4蓋度，即土壤侵蝕率隨著結皮蓋度的提高而降低。其中:2蓋度生物結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蓋度未發生侵蝕。此特點與生物結皮的抗沖刷時間變化特點一致，說明結皮平均土壤侵蝕率隨著結皮蓋度的提高而降低，尤其是3年限、7年限結皮蓋度為4和13年限結皮蓋度為3、4時，結皮的土壤侵蝕率均為0，進一步表明在此試驗條件下土壤侵蝕不曾發生，高蓋度結皮具有很強的抗沖刷能力。

3.3 生物結皮土壤理化屬性與抗沖性關系分析

對試驗測得的與抗沖性有關的不同蓋度生物結皮的容重、黏結力、有機質、水穩性團聚體4個理化指標與不同蓋度生物結皮平均土壤侵蝕率進行了相關分析，結果表明:各蓋度土壤侵蝕率與各蓋度結皮有機質、黏結力、水穩性團聚體呈負相關關系，與容重呈正相關關系。各理化指標與土壤侵蝕率關系分析中，黏結力對結皮土壤抗沖性影響最大，達極顯著水平，其次為團聚體，達顯著水平。

4 結語

(1)生物結皮的生長與發育對土壤的容重、有機質、水穩性團聚體等都產生了影響，表現為除7年限2蓋度結皮容重值比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;土壤黏結力和有機質均隨著結皮蓋度的增加而逐漸增大;隨著生物結皮蓋度的逐漸增加，＞5 mm水穩性團聚體百分比含量也增加，表明結皮的形成對于大顆粒團粒的形成具有促進作用。

(2)生物結皮的生長與發育影響其抗沖性。土壤侵蝕率均隨著結皮蓋度的提高而降低，抗沖時間隨著結皮蓋度的提高而延長。尤其是3年限、7年限結皮蓋度為4和13年限結皮蓋度為3、4時，結皮土壤侵蝕率均為0，結皮的抗沖時間為30 min，表明在該試驗條件下結皮具有很強的抗沖能力，結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生與發展。

(3)生物結皮提高土壤抗沖性的作用主要表現在生物結皮提高了黏結力與土壤團聚體含量。其作用機理在于:生物結皮通過低等植物本身分泌的有機凝膠體和多聚糖等膠結物質及菌絲網絡對土壤的纏繞、包裹等作用穩固土壤表面，加強了松散土粒之間的黏結作用，使土壤表面黏結力增加，從而增強了土壤抗沖性，且隨著結皮蓋度的提高，生物結皮生長發育越旺盛，結皮所分泌的有機凝膠體和多聚糖等膠結物質數量越多，根系與根系之間的聯結穿插作用也逐步增強，各根系之間的捆綁作用隨之增強，因而也隨之增強了土壤抗沖性;生物結皮菌根、菌絲作為有機膠結物質對土壤團聚體的形成具有促進作用，且蓋度越高作用越強，土壤抗沖性也相應增強。

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

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