踩踏干擾下生物結皮的水分入滲與水土保持效應

馮 偉, 葉 菁

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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踩踏干擾下生物結皮的水分入滲與水土保持效應

馮 偉1, 葉 菁2

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

為改善生物結皮對土壤水分的負面影響，通過野外定位觀測試驗，從入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙兩方面探討了黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)生物結皮在3種踩踏強度下的水土保持效應。結果表明：(1) 相比裸土，未被踩踏的生物結皮對水分入滲、地表徑流的表現(xiàn)形式并非單一的增加或降低，在雨季初期增滲減流，初期過后減滲增流；(2) 不同踩踏強度對水分入滲、地表徑流的影響存在明顯差異。同裸地對照相比，輕度踩踏結皮增滲12%，減流23.2%，中度踩踏結皮減滲3.6%，減流5.3%，重度踩踏結皮減滲25.5%，增流21.3%；(3) 不論是否被踩踏，生物結皮產(chǎn)生的泥沙量都顯著低于裸土。同裸土產(chǎn)生的泥沙量相比，輕度踩踏減少56.3%，中度踩踏減少43.5%，重度踩踏減少37.9%，但中度、重度踩踏結皮改變了原先土壤侵蝕格局，增加了泥沙含量。綜合考慮入滲和土壤侵蝕認為：輕度踩踏生物結皮可在不增加土壤侵蝕的前提下，促進入滲，減少徑流，改善土壤水分狀況。

生物結皮; 踩踏; 入滲; 徑流泥沙

生物結皮(biological soil crusts，BSCs)指由細菌、真菌、藻類、地衣、苔蘚等生物組份及其代謝產(chǎn)物與土壤顆粒物膠結而成的復合體[1]，是干旱、半干旱地區(qū)普遍存在的地被物。生物結皮菌絲和微生物分泌物具有粘結和固定土壤作用[2]，對提高土壤的穩(wěn)定性[3]、積累土壤養(yǎng)分[4-5]和降低土壤侵蝕[6-7]都有重要作用。

陜北黃土區(qū)是水蝕風蝕交錯區(qū)的中心，是黃土高原比較獨特的自然地帶，該區(qū)氣候變化劇烈，地形和產(chǎn)沙地層復雜[8]，水土流失嚴重，長期以來一直是生態(tài)環(huán)境建設的重點和難點。“退耕還林還草”工程實施以來，該區(qū)生物結皮廣泛發(fā)育，成為脆弱生態(tài)環(huán)境中水文效應及土壤侵蝕的重要影響因素之一。目前，黃土區(qū)生物結皮的研究尚處于起步階段，有關生物結皮對下伏土壤理化性質的影響、生物結皮的土壤貯水性能及水分入滲特征、生物結皮的抗沖性、生物結皮的分布及其影響因素等均有報道[4]。李莉等[9-12]在陜北開展了生物結皮對水分入滲、土壤侵蝕、土壤酶活性的影響研究，以及人工培育條件下生物結皮的養(yǎng)分積累及水土保持效應。我們發(fā)現(xiàn)，黃土區(qū)苔蘚結皮土壤水分存在淺層化現(xiàn)象，長期以往不利于植被正向演替，而有關如何改善此現(xiàn)象的研究還鮮有報道。鑒于此，本文在該區(qū)開展苔蘚結皮干擾試驗，試圖通過擾動生物結皮，以常見干擾方式“踩踏”作為干擾方式，分析不同強度的踩踏對水分入滲及產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，尋找增滲減流的最適干擾強度，這對科學管理生物結皮資源具有重要的實踐價值。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜北神木縣境內(nèi)六道溝小流域，地理坐標為110°21′—110°23′E，38°46′—38°51′N，海拔1 094.0～1 273.9 m[8]，地理位置上既屬于黃土高原向毛烏素沙漠過渡、森林草原向典型干旱草原過渡的過渡地帶，又屬于流水作用的黃土丘陵區(qū)向干燥剝蝕作用的鄂爾多斯高原過渡的水蝕風蝕交錯帶，年侵蝕模數(shù)達10 000 t/km2[13]，是黃土高原北部水土流失最為嚴重的區(qū)域。冬春季干旱少雨多風沙，夏秋多雨且暴雨頻繁，多年平均降雨量為408.5 mm，主要集中在6—9月。流域內(nèi)的主要植被有檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、長芒草(Stipabungeana)、苜蓿(Medicagosativa)、達烏里胡枝子(Lespedesadavurica)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和茭蒿(Artemisiagiraldii)等。流域內(nèi)生物結皮主要為發(fā)育較為穩(wěn)定的苔蘚結皮，主要分布水分條件較好的梁峁坡或梁梁峁頂上，據(jù)調(diào)查，結皮蓋度大多介于60%～70%。

1.2研究方法

1.2.1小區(qū)布設選擇典型坡面于2014年4月修建15個坡面徑流小區(qū)，移植非耕作性黃土地表發(fā)育穩(wěn)定的生物結皮原狀土層(6 cm)到12個小區(qū)，生物結皮主要組成是苔蘚結皮。每個小區(qū)長×寬為2 m×1 m，坡向北偏西，坡度為15°，中部位置安裝2 m長的TDR測管，用于測定土壤剖面水分含量；底部出口處安裝小型集流桶，收集次降雨產(chǎn)生的徑流和泥沙。待生物結皮生長恢復到正常生長狀態(tài)，于2014年6月25日對生物結皮進行踩踏處理，以人(45 kg)穿上木制羊蹄鞋行走于結皮小區(qū)模擬放牧羊群踩踏，羊蹄底面積為30 cm2，輕度踩踏為踩踏30%結皮小區(qū)面積(0.6 m2)，中度踩踏為踩踏60%結皮小區(qū)面積(1.2 m2)，重度踩踏為踩踏90%結皮小區(qū)面積(1.8 m2)。每個處理3個重復，上中下3排。表1為試驗小區(qū)0—10 cm結皮表層基本情況。

表1試驗小區(qū)基本情況

處理處理編號土壤容重/(g·cm-3)土壤飽和導水率/(10-3cm·s-1)土壤飽和含水量/%生物結皮蓋度/%生物結皮厚度/mm苔蘚植株高度/mm抗剪強度/(kg·cm-2)無結皮I1.38±0.044.9±0.435.2±0.30002.4±0.9無踩踏Ⅱ1.36±0.074.8±0.336.3±0.586±510.3±1.54.0±0.33.4±0.9輕度踩踏Ⅲ1.38±0.074.6±0.536.6±0.477±49.7±1.52.8±0.43.9±0.7中度踩踏Ⅳ1.42±0.084.3±0.937.0±0.875±310.3±1.52.8±0.14.0±0.9重度踩踏V1.45±0.114.2±0.836.8±1.180±510.0±1.42.4±0.24.3±0.9

注：(1) 結皮厚度、苔蘚株高用游標卡尺測定，為平均值±標準差(n=12，60)；(2) 抗剪強度由袖珍剪力測量儀在地表干燥狀態(tài)下測定，為平均值±標準差(n=18)；(3) 其余指標于實施干擾后的一個星期(2014年6月29日)利用常規(guī)方法測定，為平均值±標準差(n=3)，利用目估法結合利用Image J 1.48 v進行處理結皮小區(qū)照片獲得結皮蓋度。下文直接用處理編號代指處理水平。

1.2.2測定項目與方法試驗監(jiān)測選擇在2014年7—10月(雨季)進行，使用TDR(TRIME-IPH)測定小區(qū)中部180 cm剖面水分，測定間距為10 cm，監(jiān)測頻次為每10天測定1次土壤水分。在預報有降雨情況下，在降雨前、后的24 h內(nèi)加測土壤含水量，用次降雨前、后土壤儲水量的差值表示入滲量(mm)。在每場降雨結束后，降雨量采用標準雨量計觀測獲取。用量筒測定徑流桶中的徑流體積，利用稱重法計算徑流中泥沙含量，計算公式參考文獻[14]。降雨量和雨強數(shù)據(jù)來自于中國科學院水利部水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗站。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel 2010處理和SPSS 16.0進行單因素ANOVA分析。

2　結果與分析

2.1踩踏強度對水分入滲的影響

通過監(jiān)測整個觀測期12次產(chǎn)流降雨前后土壤剖面水分含量，計算出各次降雨的水分入滲量，結果見表2。不難看出，處理Ⅱ與對照處理Ⅰ水分入滲量在雨季有9次降雨差異不顯著，在前3次產(chǎn)流降雨，處理Ⅱ水分入滲量高于處理Ⅰ，而在之后水分入滲低于處理Ⅰ，表明生物結皮并非單一的促進或是抑制土壤水分入滲，這與李莉等[9]的研究結果一致。可能是由于降雨時間間隔、降雨特征及蒸發(fā)等野外復雜條件導致土壤表層水分含量存在差異，從而影響水分入滲。但就入滲量總和而言，生物結皮相比對照減少水分入滲1.2%，即可推斷出發(fā)育較成熟穩(wěn)定的生物結皮在自然條件或長期禁牧條件下阻礙水分入滲。有研究表明圍欄禁牧15 a生物結皮降低了水分的入滲速率和下滲深度[15]，這可能與生物結皮本身致密結構和吸水特性有關。

不同強度踩踏下生物結皮的水分入滲量存在差異(表2)。處理Ⅲ水分入滲量在雨季有4次降雨顯著高于對照處理Ⅰ，6次差異不顯著，但入滲量總和顯著高于無結皮對照，增滲12%，意味著輕度踩踏生物結皮總體上有利于促進水分入滲，主要是由于踩踏強度小，被壓實的土壤面積小，踩踏導致周圍結皮層破碎利于雨水下滲，最后表現(xiàn)為促進水分入滲。處理Ⅳ水分入滲量在雨季有8次降雨與對照處理Ⅰ差異不顯著，且有3次顯著低于對照，入滲量總和稍低于對照，減滲3.6%，但兩者差異不顯著，說明此強度下的踩踏結皮對水分入滲貢獻作用不大。處理Ⅴ水分入滲量在雨季有5次降雨顯著低于對照，其余7次相比對照沒有顯著性差異，整個觀測期入滲總量顯著低于無結皮對照，減滲25.5%。分析原因，一方面是重度踩踏直接壓實表層土壤，使土壤孔隙度和導水性能下降，通氣透水性變差，降水多集中在土壤表層不能夠向下滲透；另一方面高強度的踩踏結皮，影響具有一定高度的苔蘚植株生長，降雨在地表的停留時間降低，導致水分入滲量減少。

表2不同處理下的入滲量及入滲總量mm

處理土壤水分入滲量07-0907-1107-1407-1607-2908-0408-2709-0109-1109-1609-2310-01總入滲量Ⅰ4.4±0.2a1.0±0.1bc2.1±0.1bc2.1±0.1ab10.1±0.5b3.8±0.2b11.0±0.6ab4.1±0.2b6.7±0.4ab3.3±0.2a0.9±0.1b3.6±0.2a53.0±2.8bⅡ4.8±0.2a2.2±0.1a2.8±0.1ab1.6±0.1bc9.2±0.5c3.5±0.2bc10.6±0.5b4.0±0.2ab5.7±0.3c3.3±0.2a1.0±0.1b3.5±0.2a52.5±2.8bⅢ4.4±0.3a1.8±0.2ab3.2±0.2a1.1±0.1c11.8±0.9a5.4±0.4a11.3±0.9a5.0±0.4a6.9±0.5a2.4±0.2b1.7±0.1ab4.0±0.3a59.4±4.5aⅣ3.4±0.3b1.1±0.1bc2.8±0.2ab2.8±0.2a8.8±0.8c3.3±0.3b9.7±0.8c4.3±0.4ab6.1±0.5bc3.4±0.3a2.0±0.2a3.5±0.3a51.1±4.4bV2.7±0.3b0.5±0.1c1.6±0.2c2.4±0.2ab6.4±0.6d3.1±0.3b9.0±0.95c3.5±0.3b4.8±0.5d1.2±0.1c1.0±0.1b3.3±0.3a39.5±3.8c

注:表中每列不同小寫字母表示差異顯著，相同字母表示差異不顯著(p<0.05)。

2.2踩踏強度對地表徑流的影響

整個觀測期(2014年7—10月)共計產(chǎn)流12次，產(chǎn)流降雨共計208.0 mm，占整個觀測期總降雨量的66.45%。從表3可以看出，處理Ⅱ在雨季初期(7月份)地表徑流量小于對照，之后顯著高于對照或處理間差異不顯著。通過計算徑流總量，發(fā)現(xiàn)處理Ⅱ(27.0 mm)幾乎與裸地對照(26.9 mm)一致，可推測出生物結皮在野外長期自然條件下不利于減少徑流，無疑造成水分的無效損失和植物缺水；結合試驗期間降雨情況，影響生物結皮地表徑流量的主要原因可能是降雨強度和降雨量。在降雨初期由于雨強或雨量較小，生物結皮延長雨水在地表的停留時間緩慢入滲，減少徑流。由于前期降雨入滲、生物結皮的持水性和導水性，在雨強較大時生物結皮來不及入滲，均使土壤表層含水量較高，從而使得入滲產(chǎn)流時間提前，徑流增多[16]。

由表3可知，處理Ⅲ在試驗期內(nèi)有7次降雨地表徑流顯著低于對照，其余5次統(tǒng)計未達顯著水平，12次徑流量之和是處理Ⅰ的0.768倍，即減少徑流23.2%，表明輕度踩踏生物結皮可明顯減少地表徑流，促進水分入滲。處理Ⅳ在7月份有2次降雨地表徑流量顯著低于對照，其余10次為差異不顯著，因此12次地表徑流量之和低于對照，但差異不顯著。即中度踩踏對生物結皮地表徑流的調(diào)控作用小。處理V地表徑流量在試驗期內(nèi)有一半顯著高于對照，總徑流量是處理Ⅰ的1.21倍，說明重度踩踏生物結皮造成地表徑流增加21.3%。分析踩踏處理間地表徑流差異顯著的原因，主要是由踩踏強度導致土壤的物理結構和生物結皮本身生長狀況的改變引起的。輕度踩踏對生物結皮及表土破壞程度小，可起到打破原先生物結皮致密結構和增加土壤通氣透水性的作用，從而減少地表徑流。相反，重度的踩踏對生物結皮及表土破壞程度大，大面積結皮表土被壓實，土壤容重變大，滲透性降低，加上大面積的生物結皮被踩踏，表面更加平整，促進地表徑流的產(chǎn)生。中度踩踏小區(qū)與無踩踏結皮小區(qū)地表徑流量相近，可認為中度是區(qū)分徑流正負效應的臨界強度，小于中度的踩踏強度對地表徑流具有正效應，表現(xiàn)為減少徑流，大于中度的踩踏強度對地表徑流則具有負效應，表現(xiàn)為增加徑流。

表3不同處理下的地表徑流量

降雨日期雨量/mm雨強/(mm·h-1)徑流深度/mm處理Ⅰ處理Ⅱ處理Ⅲ處理Ⅳ處理V07-0919.00.90.6±0.1a0.2±0.1b0c0.2±0.1b0.3±0.1b07-115.41.00.9±0.1b0.3±0.1b0.2±0.1b0.6±0.1b2.1±0.1a07-147.45.41.0±0.1a0.2±0.1b0.2±0.1b0.3±0.1b0.9±0.1a07-1614.216.33.7±0.2ab3.6±0.3ab2.9±0.5b3.1±0.6b4.3±0.2a07-2930.815.45.2±0.3b5.3±0.5b4.7±0.8b5.9±1.1ab6.9±0.3a08-0415.412.74.8±0.3a5.1±0.5a3.5±0.6b4.8±0.9a5.6±0.3a08-2749.410.58.0±0.2b8.9±0.8a7.7±1.4b8.3±1.6ab9.1±0.5a09-0110.81.51.5±0.1abc2.0±0.2a0.9±0.2c1.2±0.2bc1.7±0.1ab09-1118.69.50.2±0.0b0.2±0.1b0c0.2±0.1b0.5±0.1a09-1612.27.60.11±0.1b0.1±0.1b0c0.2±0.1ab0.2±0.1a09-238.411.50.4±0.1a0.3±0.1a0.2±0.1b0.4±0.1a0.4±0.1a10-0116.45.40.6±0.1b0.9±0.1a0.5±0.1b0.5±0.1b0.8±0.1a總值208.0-26.9±1.4b27.0±2.5b20.7±3.7c25.6±4.9b32.7±1.6a

注：表中每行不同小寫字母表示差異顯著，相同字母表示差異不顯著(p<0.05),下表同。

2.3踩踏強度對產(chǎn)沙量的影響

產(chǎn)沙量與地表徑流量密切相關，通過計算上述12次產(chǎn)流降雨產(chǎn)沙量，由表4可知，在試驗期內(nèi)處理Ⅱ產(chǎn)生的泥沙量有9次顯著低于無結皮對照，泥沙總量相比裸土減少54.9%，原因主要是生物結皮能有效地抵御降雨過程中雨滴的擊打和沖刷，減少土壤表層沉積的損失[17]。相比裸土對照，處理Ⅲ12次產(chǎn)沙量之和減少56.3%，與處理Ⅱ沒有顯著性差異，表明輕度踩踏降低土壤侵蝕的效益非常明顯。處理Ⅳ和處理V兩個處理總產(chǎn)沙量都顯著低于對照，比裸土分別減少43.5%和37.9%。原因主要是踩踏干擾并未明顯降低生物結皮的蓋度，生物結皮仍可發(fā)揮減少土壤表層沉積損失的巨大作用。但相比無踩踏處理，中度、重度踩踏增加土壤侵蝕中的泥沙含量，這與踩踏破壞表層土壤結構有直接關系。綜合考慮入滲和土壤侵蝕認為：輕度踩踏能在不加劇土壤侵蝕的前提下增加入滲，減少地表徑流，改善土壤水分狀況，進而帶來加速生態(tài)系統(tǒng)正向演替的積極意義。

表4不同處理下的產(chǎn)沙量及產(chǎn)沙總量

降雨日期雨量/mm產(chǎn)沙量/(g·m-2)徑流深度/mm處理Ⅰ處理Ⅱ處理Ⅲ處理Ⅳ處理V07-0919.00.916.6±0.9a5.8±0.6b0c6.2±0.6b5.0±0.3b07-115.41.020.0±1.1a7.1±0.8d10.2±1.8c14.8±1.5b15.8±1.0b07-147.45.420.7±1.1a1.9±0.2c2.9±0.5c3.7±0.4c8.5±0.6b07-1614.216.347.6±2.5a23.6±2.6c22.5±3.9c24.4±2.5c35.6±2.3b07-2930.815.444.3±2.3a21.2±2.3c18.1±3.1c20.6±2.1c27.2±1.8b08-0415.412.763.3±3.3a21.8±2.3d22.5±3.9d40.6±4.1b30.2±2.0c08-2749.410.5152.1±8.0a85.1±9.2d88.2±15.3cd98.4±9.9bc104.3±6.7b09-0110.81.57.4±0.4a1.4±0.2c1.0±0.2c1.2±0.1c4.3±0.3b09-1118.69.52.3±0.1a1.7±0.2a0b1.7±0.2a1.9±0.1a09-1612.27.61.6±0.1a0.8±0.1a0b1.3±0.1a1.1±0.1a09-238.411.52.2±0.1a0.8±0.1a0.8±0.1a1.1±0.1a1.7±0.1a10-0116.45.44.4±0.2a1.6±0.2b1.0±0.2b2.2±0.2b2.2±0.1b總值208.0-382.6±20.1a172.6±18.6d167.3±29.0d216.1±21.8c237.7±15.3b

3　結 論

(1) 相比裸地對照，輕度踩踏生物結皮促進水分入滲，降低土壤侵蝕；重度踩踏生物結皮降低水分入滲和產(chǎn)沙量，增加地表徑流；中度踩踏生物結皮減少產(chǎn)沙量，入滲和地表徑流無明顯變化。

(2) 輕度踩踏能在不加劇土壤侵蝕的前提下增加水分入滲，減少地表徑流，改善土壤水分狀況。輕度踩踏是最適干擾強度。

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Effects of Biological Soil Crusts on Infiltration and Soil and Water Conservation Under Trample Disturbance

FENG Wei1, YE Jing2

(1.MonitoringCenterofSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100055,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to improve soil moisture condition, we examined the effect of soil and water conservation of biological soil crusts (BSCs) under 3 trampling intensities widespread in the wind-water erosion crisscross region on the Loess Plateau through two aspects which were rainfall infiltration-runoff and sediment based on the field observation. The results are as follows： (1) The performance of infiltration-runoff of BSCs without trampling did not only increase or reduce compared with the control. BSCs increased infiltration and reduced runoff in the initial period of rainy season, but conversely in the later period. (2) The effects of trampling intensities on infiltration-runoff had significant differences. Compared to the control, mild trampling BSCs increased infiltration by 12% and reduced runoff by 23.2%, moderate trampling BSCs reduced runoff by 5.3% and infiltration by 3.6%, severe trampling BSCs reduced infiltration by 25.5%and increased runoff by 21.3%. (3) Whether being trampled or not, BSCs significantly decreased sediment content compared with bare soil. The mild decreased by 56.3%, the moderate decreased by 43.5% and the severe decreased by 37.9%, but the latter two were significant higher than untrampled BSCs. Considering the infiltration and soil erosion, BSCs with mild trampling could promote infiltration, reduce runoff and improve soil moisture conditions in the premise of causing insignificant soil erosion.

biological soil crusts; trample; infiltration; runoff and sediment

2015-01-07

2015-03-09

國家自然科學資助項目(41071192,40701096);西北農(nóng)林科技大學科研專項(2014YQ006)

馮偉(1977—),男,浙江嘉興人,碩士研究生,研究方向為水土保持管理。E-mail:fengwei@mwr.gov.cn

葉菁(1989—),女,江西贛州人,碩士研究生,研究方向為生物土壤結皮。E-mail:yejing3306@163.com

S157.1; S152.7

A

1005-3409(2016)01-0034-04