毛烏素沙地人為干擾苔蘚結(jié)皮的土壤水分和風蝕效應

楊永勝, 邱永利, 周小泉, 穆興民, 卜崇峰

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院大學， 北京

100049； 3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中國石油天然氣股份有限公司

長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司， 陜西 西安 710000； 5.新疆吉音水利樞紐工程建設管理局, 新疆 和田 848000)

毛烏素沙地人為干擾苔蘚結(jié)皮的土壤水分和風蝕效應

楊永勝1,2, 邱永利4, 周小泉5, 穆興民1,3, 卜崇峰1,3

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國科學院大學， 北京

100049； 3.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.中國石油天然氣股份有限公司

長慶油田蘇里格南作業(yè)分公司， 陜西 西安 710000； 5.新疆吉音水利樞紐工程建設管理局, 新疆 和田 848000)

摘要：[目的] 為了探討在毛烏素沙地人為干擾生物結(jié)皮的必要性與可行性，并為該區(qū)生物結(jié)皮的高效利用提供實驗依據(jù)。[方法] 在毛烏素沙地東南緣設置裸沙、苔蘚結(jié)皮、干擾苔蘚結(jié)皮、沙蒿、沙蒿+苔蘚結(jié)皮以及沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮6個處理小區(qū)，通過動態(tài)監(jiān)測各小區(qū)土壤水分及風蝕變化過程，分析人為干擾苔蘚結(jié)皮對土壤水分及風蝕過程的影響。[結(jié)果] (1) 沙地苔蘚結(jié)皮能夠顯著提高淺層土壤含水量，降低深層土壤含水量。(2) 人為干擾苔蘚結(jié)皮會引起淺層土壤含水量的降低和降雨入滲深度的增加。(3) 與裸沙對照相比，幾種處理的減蝕效率大小順序為：沙蒿+苔蘚結(jié)皮(97.01%)>沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮(90.87%)>苔蘚結(jié)皮 (89.63%)>干擾苔蘚結(jié)皮(69.50%)>沙蒿 (64.62%)。[結(jié)論] 植被覆蓋度較高時，對苔蘚結(jié)皮進行適當破壞，能夠在不加劇土壤風蝕的前提下，一定程度上改善土壤水分狀況。而在無植被或低植被覆蓋的地塊，要禁止對苔蘚結(jié)皮的干擾破壞。

關(guān)鍵詞：毛烏素沙地; 水分; 風蝕; 干擾; 沙蒿; 苔蘚結(jié)皮

生物土壤結(jié)皮(biological soil crusts， BSCs)是由藻類、地衣、苔蘚等孢子植物類群與土壤顆粒有機結(jié)合形成的復合體[1]，廣泛存在于干旱、半干旱地區(qū)[2]。由于其生物組分可通過生理代謝活動改變土壤理化性質(zhì)，促進土壤形成及植物營養(yǎng)轉(zhuǎn)化[3],使生物結(jié)皮在提高土壤抗侵蝕能力、固氮、固碳、土壤肥力、生物多樣性、微地貌及水分循環(huán)等方面起著重要作用[3-5]。因此，近年來有關(guān)生物結(jié)皮的研究逐漸成為半干旱地區(qū)生態(tài)研究的熱點問題[6]。

干擾是任何生態(tài)系統(tǒng)廣泛存在的一種現(xiàn)象[7]，生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)上的特點決定了其抵抗人畜踐踏、侵蝕、沙埋、火燒、動物挖穴等干擾的能力很弱[8]。研究表明干擾會對生物結(jié)皮的組成成分[9]、植物多樣性以及種子萌發(fā)[10]有很大的影響。來自騰格里沙漠的研究表明生物結(jié)皮會攔截降雨至淺層土壤[11]，減少降雨對深層土壤水分的補給[12]，終會導致深根系植物逐漸缺水死亡[13]。據(jù)此有學者提出通過人為干擾措施破壞生物結(jié)皮以改善干旱區(qū)土壤水分環(huán)境的構(gòu)想[8]，但這些觀點多源自間接的、經(jīng)驗性的判斷。當前，有關(guān)干擾對生物結(jié)皮的研究多集中在土壤理化性質(zhì)[14]、植物多樣性以及微生物分布[15]等方面，涉及干擾破壞結(jié)皮后沙地土壤水分環(huán)境及土壤穩(wěn)定性方面的直接的、實證性的研究鮮有報道。此外，中國生物結(jié)皮方面的研究起步較晚，相關(guān)工作多集中在騰格里沙漠、庫布齊沙漠和古爾班通古特沙漠等區(qū)域，而缺乏對年降雨量達到400 mm的毛烏素沙地研究[16]。探討毛烏素沙地生物結(jié)皮的土壤水分及抗風蝕效應也是對該領域研究工作重要補充。

基于以上原因，本研究選取毛烏素沙地封育區(qū)不同植被類型下苔蘚結(jié)皮試驗地塊，設置人為干擾處理，通過對土壤水分、風蝕特征的長期定位監(jiān)測，探討人為干擾苔蘚結(jié)皮的環(huán)境效應，以期為毛烏素沙地苔蘚結(jié)皮資源的高效、合理利用提供借鑒。

1材料和方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木縣圪丑溝(北緯38°10′—39°05′,東經(jīng)109°40′—110°30′)。該區(qū)屬干旱半干旱的大陸性氣候,冬季嚴寒，霜凍期長；夏季酷熱，日溫差大，多風少雨。多年平均降水量為440.8 mm，60%~70%的降雨量主要集中在7—9月。平均蒸發(fā)量為2 092 mm，平均氣溫7.8 ℃，最高月(7月)平均氣溫23.9 ℃。最低月(1月)平均氣溫-9.8 ℃。區(qū)內(nèi)風沙天氣頻繁，春、秋兩季西北風盛行，平均風速3.2 m/s，最大風速24 m/s，是當?shù)刂饕淖匀粸暮Γ瑓^(qū)內(nèi)自然植被主要是耐旱性灌木和草本，包括沙蒿(Artemisiaordosica)、豬毛菜(Salsolapasserina) 和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)。該區(qū)生物結(jié)皮的主要組分為苔蘚結(jié)皮，僅在為數(shù)不多的楊樹林迎風坡上發(fā)現(xiàn)藻類結(jié)皮。在研究區(qū)域內(nèi)現(xiàn)已鑒定出的苔蘚有黃色真蘚(Bryumpallescens)、彎形真蘚(Bryumrecurvulum)、銀葉真蘚(Bryumargenteum) 以及少量的扭口蘚(Barbulaunguiculata)。

1.2　研究方法

1.2.1小區(qū)布設通過前期調(diào)查選擇生物結(jié)皮廣泛分布的寬闊丘間低地，設置野外小區(qū)，大小為2 m×3 m。試驗小區(qū)位于同一丘間低地，分散分布。供試土壤0—2 cm土層基本性質(zhì)見表1。土壤容重為1.5 g/cm3左右。試驗共設6個處理：裸沙、苔蘚結(jié)皮、干擾苔蘚結(jié)皮、沙蒿、沙蒿+苔蘚結(jié)皮、沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮。每個處理3個重復。沙蒿、生物結(jié)皮蓋度分別達到60%和95%。其中，干擾苔蘚結(jié)皮及沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮是2010年10月通過齒間距為3 cm的鐵耙子進行人為干擾實現(xiàn)。

表1　苔蘚結(jié)皮層及裸沙表層(0-2 cm)土壤粒徑分布

1.2.2水分和風蝕監(jiān)測水分監(jiān)測選擇在5—10月進行。使用土鉆法測定小區(qū)中部100 cm垂直剖面土壤水分。其中，0—2 cm，5—10 cm土層分別測定土壤質(zhì)量含水量。10—100 cm土層每隔10 cm測定。

2010年10月將50 cm長的風蝕針插入小區(qū)，地上露出20 cm，地下插入30 cm。次年4月讀1次數(shù)，其后每隔2個月讀1次數(shù),至次年10月結(jié)束。通過風蝕針刻度的變化計算風蝕模數(shù)(土壤容重為1.5 g/cm3)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel 2003進行處理與分析，數(shù)據(jù)表達為平均值±標準誤(Means±SE)。處理間的差異用SPSS 12.0中的One-way ANOVA模塊實現(xiàn)。

2結(jié)果與分析

2.1　苔蘚結(jié)皮對土壤水分的影響

表2—3分別展示了各處理小區(qū)季初(6月20日，雨季初期，低補給，低消耗)和季末(10月6日，雨季末期，高補給，高消耗)0—100 cm土層剖面的含水量分布狀況。6種處理小區(qū)的含水量均低于8%。同時發(fā)現(xiàn)，2種地表覆蓋情況下，有無苔蘚結(jié)皮覆蓋的小區(qū)剖面含水量呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性特征。

(1) 地表無植被覆蓋。雨季初期(表2)，與裸沙相比，苔蘚結(jié)皮小區(qū)0—50 cm深度范圍內(nèi)土壤含水量均顯著提高(p<0.05)，60和70 cm土層二者無顯著差異，70 cm以下則是裸沙較高。至季末(表3)，0—40 cm范圍內(nèi)苔蘚結(jié)皮小區(qū)土壤含水量均明顯高于裸沙(p<0.05)。在50—80 cm土層，二者無顯著差異，80 cm以下則是裸沙較高。表明沙地苔蘚結(jié)皮能夠顯著提高淺層土壤含水量，降低深層土壤水分含量。

(2) 地表有沙蒿覆蓋。雨季初期(表2)，沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)0—10 cm深度土壤含水量均高于沙蒿小區(qū)。20 cm以下則是沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)較低，且隨著深度的增加差異越明顯(p<0.05)。雨季末期(表3)，沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)0—2 cm范圍內(nèi)土壤含水量比沙蒿小區(qū)高475% (p<0.05)。在10—50 cm土層，二者無顯著差異。60 cm以下沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)土壤含水量均顯著低于沙蒿小區(qū)。再次表明苔蘚結(jié)皮能夠提高淺層土壤水分，降低深層土壤水分含量。

表2　雨季初期(6月20日)各處理小區(qū)土壤含水量隨深度的變化(平均值±標準誤)

注：字母相同代表組間差異不顯著(p>0.05)，字母不同代表組間差異顯著(p<0.05)。下同。

表3　雨季末期(10月6日)各處理小區(qū)土壤含水量隨深度的變化(平均值±標準誤)

2.2　苔蘚結(jié)皮的人為干擾對土壤水分的影響

(1) 地表無植被覆蓋。雨季初期(表2)，干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)與苔蘚結(jié)皮小區(qū)0—2 cm范圍土壤含水量無明顯差異，20—60 cm土層干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)較高。其中，30和50 cm處達到顯著水平(p<0.05)。至季末(表3)，干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)在10—60 cm土層土壤含水量均高于苔蘚結(jié)皮小區(qū)。其中，干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)在30—60 cm土層平均土壤含水量比苔蘚小區(qū)高13.38%，二者差異未達到統(tǒng)計學上的顯著水平。表明人為干擾苔蘚結(jié)皮層會引起淺層土壤含水量的降低和降雨補給深度的增加。

(2) 地表有沙蒿植被覆蓋。雨季初期(表2)，沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)0—100 cm垂直剖面土壤含水量均高于沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)(除60—70 cm土層外)，二者差異未達到統(tǒng)計學上的顯著水平。雨季末期(表3)，與沙蒿+苔蘚結(jié)皮相比，沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)30—60 cm范圍土壤含水量明顯較低，70 cm以下沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)逐漸高于沙蒿+苔蘚結(jié)皮。

2.3　苔蘚結(jié)皮及其干擾對風蝕的影響

表4為各小區(qū)年風蝕量。可以看出苔蘚結(jié)皮或沙蒿均發(fā)揮了極為顯著的減蝕作用。與裸沙相比，幾種處理的減蝕效率大小順序為：沙蒿+苔蘚結(jié)皮(97.01%)>沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮(90.87%)>苔蘚結(jié)皮(89.63%)>干擾苔蘚結(jié)皮(69.50%)>沙蒿(64.62%)。值得注意的是，沙蒿+苔蘚結(jié)皮的減蝕效率高達97.01%，對沙蒿下苔蘚結(jié)皮進行干擾后，減蝕效率僅下降6.04%(p>0.05)。當?shù)乇頍o沙蒿植被時，人為干擾會使苔蘚結(jié)皮的減蝕效率顯著降低(p<0.05)。

表4　2011年各小區(qū)年風蝕量

3討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，生物結(jié)皮能夠?qū)⒔涤陻r截在淺層土壤中，減少深層土壤含水量。原因主要有以下幾點：首先，生物結(jié)皮絲狀體及黏結(jié)在結(jié)皮表面的細顆粒物堵塞表層土壤空隙，能夠延長水分在結(jié)皮層中的滯留時間[17]；其次，生物結(jié)皮層及其下土壤具有較強的蓄水[18]、保水能力[19]，能夠阻止土壤水分向深層入滲。人為干擾苔蘚結(jié)皮，擾動淺層土壤，這會降低前述生物結(jié)皮的各種吸納消耗作用，進而引起土壤表層含水量的降低和降雨補給深度的增加。這對于減少水分的無效蒸發(fā)和增加深根性植被的生態(tài)用水有著重要的意義。

學者一致認為生物結(jié)皮會提高土壤抗蝕性，顯著降低土壤風蝕量[5]。我們在毛烏素沙地的試驗也證明了這一點。本研究顯示對無植被區(qū)域苔蘚結(jié)皮進行人為干擾后，其減蝕能力會顯著降低，但沙蒿+干擾苔蘚結(jié)皮小區(qū)與沙蒿+苔蘚結(jié)皮小區(qū)相比，其減蝕效率僅下降6.04%。據(jù)此認為，在地表無植被或者植被覆蓋較低時，要對苔蘚結(jié)皮進行嚴格保護，避免人為干擾加劇土壤流失。植被蓋度較高時，對苔蘚結(jié)皮進行干擾破壞不會引起土壤風蝕量的急劇增加。杜建會等在騰格里沙漠的研究也得出了相似的結(jié)論[20]。

本研究結(jié)果顯示，當植被蓋度較高時，干擾苔蘚結(jié)皮能夠增加降雨補給深度，且不會引起風蝕的急劇增加。研究區(qū)沙蒿植被3月中旬開始生長，7月進入生長旺盛期，在沙蒿生長期內(nèi)風速逐漸減小，降雨量逐漸增加。因此，我們認為在植被覆蓋度較高的地塊，在4月底5月初(風季末期、雨季初期)對苔蘚結(jié)皮進行適當破壞并不會加劇土壤風蝕，而且還可以在一定程度上增加深層土壤水分。在無植被或植被覆蓋極差的地塊，生物結(jié)皮發(fā)揮主要的防風固沙作用，人為干擾不當可能會引起沙漠化的發(fā)生[5]，這類地段要嚴格禁止對苔蘚結(jié)皮的干擾破壞。需要指出，本試驗是以鐵耙均勻劃破植被下苔蘚結(jié)皮這種干擾方式進行研究的，諸如人畜踩踏、火燒以及機械碾壓等其他干擾方式下，苔蘚結(jié)皮的水分和抗風蝕效應應該有所不同，應進一步深入研究。

致謝：陜西省神木縣生態(tài)學會治沙造林基地對本研究工作提供了一切便利條件。特此致謝！

[參考文獻]

[1]Eldridge D J, Greene R S B. Microbiotic soil crusts: a review of their roles in soil and ecological processes in the rangelands of Australia[J]. Soil Research, 1994,32(3):389-415.

[2]李新榮,張元明,趙允格.生物土壤結(jié)皮研究:進展,前沿與展望[J].地球科學進展,2009,24(1):11-24.

[3]張元明,陳晉,王雪芹,等.古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮的分布特征[J].地理學報,2005,60(1):53-60.

[4]Belnap J, Gillette D A. Vulnerability of desert biological soil crusts to wind erosion: The influences of crust development, soil texture, and disturbance[J]. Journal of Arid Environments, 1998,39(2):133-142.

[5]Ponzetti J M, McCune B P. Biotic soil crusts of Oregon’s shrub steppe: Community composition in relation to soil chemistry, climate, and livestock activity[J]. The Bryologist, 2001,104(2):212-225.

[6]Bu Chognfeng, Wu Shufang, Xie Yongsheng, et al. The study of biological soil crusts: hotspots and prospects[J]. CLEAN-Soil, Air, Water, 2013,41(9):899-906.

[7]富遠年,馬風云,劉立超.不同程度干擾下人為固沙植被區(qū)生物結(jié)皮對草本植物生長的影響[J].水土保持研究,2011,18(5):87-95.

[8]李守中.沙坡頭人工植被固沙區(qū)生物結(jié)皮的生態(tài)水文功能研究[D].蘭州:中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,2005.

[9]Warren S D, Eldridge D J. Biological soil crusts and livestock[M]∥Belnap J, Lange O L(eds). Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. Berlin: Springer, 2003:401.

[10]Hernandez R R, Sandquist D R. Disturbance of biological soil crust increases emergence of exotic vascular plants in California sage scrub[J]. Plant Ecology, 2011,212(10):1709-1721.

[11]李守中,肖洪浪,宋耀選,等.騰格里沙漠人為固沙植被區(qū)生物結(jié)皮對降水的攔截作用[J].中國沙漠,2002,22(6):612-616.

[12]Liu Lichao, Song Yaoxuan, Gao Yanhong, et al. Effects of microbiotic crusts on evaporation from the revegetated area in a Chinese desert[J]. Soil Research, 2007,45(6):422-427.

[13]熊好琴,段金躍,王妍,等.毛烏素沙地生物結(jié)皮對水分入滲和再分配的影響[J].水土保持研究,2011,18(4):82-87.

[14]梁少民,吳楠,王紅玲,等.干擾對生物土壤結(jié)皮及其理化性質(zhì)的影響[J].干旱區(qū)地理,2006,28(6):818-823.

[15]吳楠,梁少民,王紅玲,等.動物踐踏干擾對生物結(jié)皮中微生物生態(tài)分布的影響[J].干旱區(qū)研究,2006,23(1):50-55.

[16]吳永勝,哈斯.毛烏素沙地南緣沙丘表面徑流特征[J].科學通報,2012,56(34):2917-2922.

[17]張克斌,盧曉杰,李瑞.北方農(nóng)牧交錯帶沙地生物結(jié)皮研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(4):147-151.

[18]Duan Zhenghu, Xiao Honglang, Li Xinrong, et al. Evolution of soil properties on stabilized sands in the Tengger Desert, China[J]. Geomorphology, 2004,59(1/4):237-246.

[19]Malam Issa O, Défarge C, Trichet J, et al. Microbiotic soil crusts in the Sahel of Western Niger and their influence on soil porosity and water dynamics[J]. Catena, 2009,77(1):48-55.

[20]杜建會,嚴平,展秀麗,等.民勤綠洲白刺灌叢沙堆不同演化階段表面抗蝕性及其影響因素[J].應用生態(tài)學報,2008,19(4):763-768.

Effects of Disturbed Moss Dominated Crusts on Soil Moisture and Wind Eosion in Mu Us Sandland

YANG Yongsheng1,2, QIU Yongli4, ZHOU Xiaoquan5, MU Xingmin1,3, BU Chongfeng1,3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWater

Resources,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing

100049，China； 3.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,

China; 4.ChangqingOilfieldSouthofSuligeBranchofPetroChinaCompanyLimited,Xi’an,Shaanxi710000,

China; 5.XinjiangJiyinAdministrationofHydro-junctionandEngineeringConstruction,Hetian,Xinjiang848000,China)

Abstract：[Objective] To discuss the necessity and feasibility of biological soil crusts(BSCs) in the Mu Us sandland and provide an experiment basis for the efficient utilization of BSCs in this region.[Methods] Six treatments including bare sand, moss dominated crusts alone, disturbed moss dominated crusts alone, Arternisia ordosica alone, A. ordosica combined with moss dominated crusts and A. ordosica combined with disturbed moss dominated crusts were settled in the south edge of the Mu Us sandland, and the effects of BSCs on soil moisture and wind erosion were analyzed by dynamic monitoring the soil moisture and wind erosion of each treatment.[Results] (1) Moss dominated crusts in Mu Us sandland significantly improved the soil moisture content in shallow layer and reduced the soil moisture content in deep layer. (2) Human disturbance on moss dominated crusts reduced the soil moisture in shallow layer and increase the infiltration depth of rainwater. (3) Compared with bare sand, the contribution of other five treatments to reducing wind erosion were found to decrease in the following order: A. ordosica combined with moss dominated crusts (97.01%) >A. ordosica combined with disturbed of moss dominated crusts (90.87%) > moss dominated crusts alone (89.63%)> disturbance of moss dominated crusts alone (69.50%) > A. ordosica alone (64.62%). [Conclusion] Appropriate disturbances on moss dominated crusts covered by higher coverage of vegetation is beneficial to improving the soil water environment to certain degree on the premise that the wind erosion could not dramatically increase, but the disturbance in the sites without vegetation or with only little vegetation during gale seasons must be prohibited.

Keywords:Mu Us Sandland; soil moisture; wind erosion; disturbance; Arternisia ordosica; moss dominated crusts

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0020-05

中圖分類號：S152.7

通信作者：卜崇峰(1977—)，男(漢族)，陜西省榆林市人，博士，副研究員,主要從事生物土壤結(jié)皮的生態(tài)功能研究工作。E-mail:buchongfeng@163.com。

收稿日期：2013-12-13修回日期：2014-02-19

資助項目：國家自然科學基金項目“毛烏素沙地生物結(jié)皮的風蝕和水分效應及其干擾響應”(41071192)

第一作者：楊永勝(1987—)，男(漢族)，甘肅省蘭州市人,博士研究生，研究方向為黃土高原苔蘚結(jié)皮快速培育及抗逆性研究。E-mial:yyssolider@126.com。