黃土高原蘚結(jié)皮覆蓋土壤的穿透阻力特征及其影響因素①

王國鵬，肖 波,3*，李勝龍，孫福海，李淵博

黃土高原蘚結(jié)皮覆蓋土壤的穿透阻力特征及其影響因素①

王國鵬1,2，肖 波1,2,3*，李勝龍1,2，孫福海1,2，李淵博1,2

(1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193；3 中國科學(xué)院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)

生物結(jié)皮的發(fā)育顯著地影響并改變了表層土壤的理化性狀，從而影響土壤穿透阻力。為探明生物結(jié)皮層對(duì)土壤穿透阻力的影響，針對(duì)黃土高原風(fēng)沙土和黃綿土兩種典型土壤，利用高精度土壤貫入儀測(cè)定并比較了不同含水量下蘚結(jié)皮土壤和無結(jié)皮土壤的穿透阻力差異，定量分析了蘚結(jié)皮層對(duì)土壤穿透阻力的影響及其與土壤性質(zhì)(含水量、容重和有機(jī)質(zhì)含量以及顆粒組成)的關(guān)系。結(jié)果表明：風(fēng)沙土和黃綿土蘚結(jié)皮層最大穿透阻力的變化范圍為0.38 ~ 3.74 MPa和0.43 ~ 8.01 MPa，分別為同等深度下無結(jié)皮土壤的2.14 ~ 9.45倍(=0.001)和1.38 ~ 6.27倍(=0.051)。蘚結(jié)皮對(duì)風(fēng)沙土穿透阻力的影響深度為表層2 ~ 12 mm(=0.028)，而對(duì)黃綿土的影響深度為3 ~ 24 mm(隨含水量變異較大)。同時(shí)，與無結(jié)皮土壤的穿透阻力隨深度增加而線性增加的趨勢(shì)不同，蘚結(jié)皮土壤的穿透阻力隨深度增加在結(jié)皮層呈先增后減的趨勢(shì)，在結(jié)皮下層呈線性增加的趨勢(shì)。此外，蘚結(jié)皮土壤的橫向穿透阻力和縱向穿透阻力差異顯著(≤0.03)，但在無結(jié)皮土壤上差異不顯著(≥0.052)。蘚結(jié)皮土壤的穿透阻力與含水量呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系(<0.001)，與容重、有機(jī)質(zhì)含量以及砂粒含量呈線性關(guān)系，這些因素均為蘚結(jié)皮改變表層土壤穿透阻力的重要途徑。

生物結(jié)皮；土壤硬度；土壤緊實(shí)度；機(jī)械穩(wěn)定性；土壤機(jī)械阻力

土壤穿透阻力也稱土壤硬度、土壤緊實(shí)度或土壤機(jī)械阻力，是土壤基質(zhì)抵抗外物下穿或壓實(shí)的能力[1]。土壤穿透阻力是重要的土壤力學(xué)特征指標(biāo)，影響土壤水分、溫度、通氣性和根系的生長(zhǎng)、穿插以及對(duì)養(yǎng)分的吸收等狀況[1-2]。影響土壤穿透阻力的因素主要包括：土壤質(zhì)地、容重、土壤水分狀況以及土壤結(jié)構(gòu)等[2-5]。這些因素共同對(duì)土壤穿透阻力產(chǎn)生影響，且他們之間也相互影響。其中，土壤水分狀況是影響穿透阻力的主要因素之一。研究表明，當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)為–200 kPa時(shí)，約50% 的土壤穿透阻力大于2.0 MPa(衡量穿透阻力對(duì)作物根系生長(zhǎng)影響的臨界值)[6]。目前，國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)田土壤穿透阻力的研究較多，主要集中在土壤穿透阻力的測(cè)定與預(yù)測(cè)[7-8]、土壤穿透阻力的動(dòng)態(tài)變化及影響因素[5,9]、土壤穿透阻力對(duì)作物根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響等方面[2,10]。

生物土壤結(jié)皮(簡(jiǎn)稱生物結(jié)皮)是由藻類、地衣、苔蘚、細(xì)菌以及真菌等生物同表層土壤顆粒相互作用形成的特殊復(fù)合體[11]。它普遍存在于干旱和半干旱地區(qū)，覆蓋度占陸地面積的12.2%[12]。研究發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮不僅能在干旱貧瘠的環(huán)境中生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖，而且能通過生理代謝影響并改變周圍微環(huán)境，在土壤水分循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)、水土流失以及植被恢復(fù)等方面發(fā)揮著重要作用[11,13]。生物結(jié)皮顯著地影響并改變了表層土壤的理化性狀，如容重、有機(jī)質(zhì)含量、水分狀況等[14-15]，進(jìn)而影響到土壤穿透阻力。穿透阻力是表征和量化生物結(jié)皮發(fā)育階段的重要指標(biāo)，也是表征生物結(jié)皮機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。隨著生物結(jié)皮的發(fā)育，機(jī)械穩(wěn)定性逐漸增大[16]。有研究顯示，物理結(jié)皮、藻結(jié)皮以及蘚結(jié)皮的穿透阻力(硬度)分別為1.10、1.28和1.68 kg/cm2[17]。Drahorad和Felix- Henningsen[18]首次通過高分辨率的電子微穿透阻力計(jì)研究了生物結(jié)皮沙土和無結(jié)皮沙土的穿透阻力隨土壤深度的變化，結(jié)果顯示藻結(jié)皮穿透阻力的最大值為1.11 MPa，且相同深度藻結(jié)皮土壤穿透阻力均大于無結(jié)皮土壤。王蕊等[19]則通過生物結(jié)皮影響下種子萌發(fā)和生長(zhǎng)試驗(yàn)側(cè)面揭示了生物結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的影響。此外，穿透阻力還可作為表征生物結(jié)皮抗干擾能力的重要指標(biāo)[18,20]。盡管國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生物結(jié)皮土壤穿透阻力開展了不少研究，但以往的研究也暴露出不少問題，主要集中在以下幾個(gè)方面：①概念混亂，通常所指的機(jī)械穩(wěn)定性、硬度以及機(jī)械強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)均為本研究所指的穿透阻力；②穿透阻力通常作為生物結(jié)皮研究的重要指標(biāo)，少有研究專門針對(duì)生物結(jié)皮穿透阻力；③定性或者半定量研究居多，研究范圍局限于結(jié)皮層或單一條件(含水量等)下；④研究?jī)?nèi)容尚不全面，諸如生物結(jié)皮對(duì)表層土壤穿透阻力的影響程度如何？在不同含水量、不同土壤深度以及不同土壤類型上又如何？橫向穿透阻力和縱向穿透阻力的表現(xiàn)是否一致？這些問題都沒有明確的答案。黃土高原地處西部?jī)?nèi)陸，環(huán)境條件多變，且隨著退耕還林(草)工程的實(shí)施，生物結(jié)皮已逐漸成為該區(qū)普遍存在的地被物，顯著地影響著地表結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因此，開展黃土高原地區(qū)生物結(jié)皮土壤穿透阻力的研究極為重要。

本研究以黃土高原風(fēng)沙土和黃綿土兩種典型土壤上發(fā)育的蘚結(jié)皮為研究對(duì)象，通過測(cè)定土壤的穿透阻力，比較蘚結(jié)皮土壤和無結(jié)皮土壤及其在不同含水量下穿透阻力的差異，同時(shí)比較橫向穿透阻力和縱向穿透阻力的差異，以期探討生物結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的影響及其與土壤性質(zhì)(含水量、容重和有機(jī)質(zhì)含量以及顆粒組成)的關(guān)系，為認(rèn)識(shí)和理解生物結(jié)皮對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市以西的六道溝流域(110°21′ ~ 110°23′ E，38°46′ ~ 38°51′ N)，流域面積為6.89 km2，海拔高度為1 094.0 ~ 1 273.9 m，屬中溫帶半干旱氣候，年均氣溫8.4 ℃，多年平均降雨量408.5 mm。流域的地理位置十分特殊，是典型的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤侵蝕問題嚴(yán)重[21]。主要植被有沙柳(C. Wang et Chang Y. Yang)、小葉楊(Carr.)、長(zhǎng)芒草(Trin.)、苜蓿(Linn.)、沙蒿(Krasch.)、檸條(Kom.)等。流域內(nèi)為典型的蓋沙黃土丘陵地貌，東部以黃綿土為主，占流域總面積的86.5%；西部以風(fēng)沙土為主，占流域總面積的13.5%[22]。

1.2 樣品采集與測(cè)定

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，于2018年9—10月在研究區(qū)內(nèi)選擇無結(jié)皮風(fēng)沙土、蘚結(jié)皮風(fēng)沙土、無結(jié)皮黃綿土、蘚結(jié)皮黃綿土4種典型樣地各1塊(單塊樣地面積大于15 m2，且同種土壤上無結(jié)皮和蘚結(jié)皮樣地相鄰)，用環(huán)刀(直徑5.4 cm，高度5 cm)取原狀土樣若干帶回實(shí)驗(yàn)室備用(樣地及樣品基本情況見表1)。在每塊樣地中隨機(jī)均勻選擇5個(gè)樣點(diǎn)作為重復(fù)進(jìn)行采樣，每個(gè)樣點(diǎn)采集一個(gè)縱向樣品和一個(gè)橫向樣品(探究?jī)煞N不同方向穿透阻力之間的關(guān)系)。同時(shí)在各樣點(diǎn)附近采集土樣測(cè)定其他理化指標(biāo)(分層測(cè)定，2 cm為1層，共測(cè)3層)?？v向取樣的基本操作為保持環(huán)刀側(cè)壁與地表垂直，取土壤表層0 ~ 5 cm(環(huán)刀高度)的原狀土樣。橫向取樣的基本操作為挖取土壤剖面，保持環(huán)刀側(cè)壁與地表平行，取土壤表層0 ~ 5.4 cm(環(huán)刀直徑)的原狀土樣。

注：()：表示檢驗(yàn)(單因素方差分析)結(jié)果；為概率值；同行不同小寫字母表示不同樣地之間差異顯著(<0.05)。

土壤穿透阻力的測(cè)定采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM6102型半自動(dòng)土壤貫入儀，探針直徑2 mm，下降速度為20 mm/min，最大試驗(yàn)力為100 N，分辨率可達(dá)1×10–5N。無特別標(biāo)注外，下文所指的穿透阻力均為縱向穿透阻力。

土壤含水量控制及穿透阻力測(cè)定：將裝有原狀土樣的環(huán)刀帶孔一側(cè)朝下放進(jìn)空水槽中，分3次間隔注水至與環(huán)刀口齊平，每次間隔6 h以上，浸泡至飽和狀態(tài)；將飽和后的土樣取出，放置至無成股水流下時(shí)，擦拭環(huán)刀外壁多余的水分后稱重(取平均值計(jì)算含水量)，同時(shí)測(cè)定土壤穿透阻力(測(cè)定時(shí)均保持環(huán)刀豎直放置)；隨后將樣品置于室溫下自然干燥，期間每隔24 h稱重一次同時(shí)測(cè)定穿透阻力，共測(cè)定7次(7次測(cè)定均勻分布在樣品表面，以減少相互之間的影響)，其中最后一次與前一次間隔10 d(確保土樣達(dá)到風(fēng)干狀態(tài))。

橫向穿透阻力和縱向穿透阻力數(shù)據(jù)的獲?。阂?.5 cm(用2 ~ 3 cm穿透阻力的均值代表)處的橫向和縱向穿透阻力數(shù)據(jù)為例研究橫向和縱向穿透阻力的關(guān)系。縱向穿透阻力數(shù)據(jù)通過縱向取樣的原狀土直接測(cè)定獲取。橫向穿透阻力數(shù)據(jù)獲取的基本操作為以橫向取樣獲得的原狀土表面中心為測(cè)試點(diǎn)(保證土壤深度為2.5 cm)測(cè)定土壤穿透阻力，取2 ~ 3 cm深度穿透阻力數(shù)據(jù)的平均值(保證上覆壓力與實(shí)際情況相同)。

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定：機(jī)械組成采用MS2000型馬爾文激光粒度儀測(cè)定(美國制)；土壤容重測(cè)定采用環(huán)刀法(直徑61.8 cm，高度2 cm)；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；蘚結(jié)皮生物量測(cè)定采用水洗、烘干稱重法；生物結(jié)皮厚度采用游標(biāo)卡尺測(cè)量；烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差。使用SPSS Statistics 21對(duì)供試樣品的理化性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)蘚結(jié)皮和無結(jié)皮土壤穿透阻力隨深度的變化進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析，對(duì)橫向穿透阻力和縱向穿透阻力進(jìn)行多變量方差分析。使用OriginPro 2019繪圖，同時(shí)進(jìn)行穿透阻力與土壤性質(zhì)之間的數(shù)據(jù)擬合，其中含水量與穿透阻力的擬合數(shù)據(jù)為7種含水量下0 ~ 2 cm穿透阻力的均值，容重、有機(jī)質(zhì)含量以及砂粒含量與穿透阻力的擬合數(shù)據(jù)為0 ~ 2、2 ~ 4和4 ~ 6 cm分層所測(cè)定的數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行穿透阻力與相關(guān)因素的線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘚結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的影響

蘚結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力產(chǎn)生了顯著影響，不同質(zhì)量含水量()下，穿透阻力隨土壤深度的變化情況如圖1和圖2所示。對(duì)于風(fēng)沙土，蘚結(jié)皮顯著增加了土壤表層2 ~ 12 mm的穿透阻力(=0.028)；蘚結(jié)皮影響下，12 ~ 30 mm的穿透阻力也一定程度地提高，但未達(dá)到顯著水平(=0.618)。當(dāng)≤51.8 g/kg時(shí)，蘚結(jié)皮對(duì)穿透阻力的影響能達(dá)到40 mm。對(duì)于黃綿土，蘚結(jié)皮對(duì)表層土壤穿透阻力的影響深度波動(dòng)較大，且隨著含水量的變化呈現(xiàn)增加和降低兩種效應(yīng)。當(dāng)= 253.9 g/kg時(shí)，蘚結(jié)皮顯著增加了土壤表層3 ~ 24 mm的穿透阻力(=0.008)；當(dāng)=184.4 g/kg和32.2 g/kg時(shí)，蘚結(jié)皮增加了土壤表層3 ~ 12 mm的穿透阻力(> 0.061)；而當(dāng)=253.9 g/kg時(shí)，蘚結(jié)皮降低了24 mm以下土壤的穿透阻力，其中24 ~ 36 mm的穿透阻力顯著降低(=0.040)；在≤184.4 g/kg時(shí)，蘚結(jié)皮顯著降低了12 ~ 40 mm的穿透阻力(<0.05)。

穿透阻力隨著土壤深度的增加而變化，整體來看，無結(jié)皮風(fēng)沙土的穿透阻力隨深度的增加呈線性增長(zhǎng)；其穿透阻力的最大值出現(xiàn)在土壤最深處，不同含水量下，其穿透阻力最大值的變化范圍為0.27 ~ 4.75 MPa。無結(jié)皮黃綿土的穿透阻力隨土壤深度的增加呈先緩后急持續(xù)增大，其穿透阻力的最大值出現(xiàn)在30 mm左右，不同含水量下，其穿透阻力最大值的變化范圍為0.77 ~ 21.58 MPa。蘚結(jié)皮土壤穿透阻力隨深度的變化可分為兩段，結(jié)皮層呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，而結(jié)皮下層隨土壤深度的增加呈線性增長(zhǎng)。由圖1可見，結(jié)皮層與結(jié)皮下層界線清晰。蘚結(jié)皮層的厚度為10 ~ 15 mm，其最大穿透阻力出現(xiàn)在中部5 mm左右；不同含水量下，風(fēng)沙土和黃綿土蘚結(jié)皮層最大穿透阻力的變化范圍為0.38 ~ 3.74 MPa和0.43 ~ 8.01 MPa，分別為同等深度下無結(jié)皮風(fēng)沙土和黃綿土的2.14倍~ 9.45倍(=0.001)和1.38倍~ 6.27倍(= 0.051)。

穿透阻力隨著含水量的變化而變化，高含水量下，土壤穿透阻力較??；隨著含水量的降低，穿透阻力的增速變快。=211.7 g/kg時(shí)，風(fēng)沙土蘚結(jié)皮層的最大穿透阻力僅為0.38 MPa；=138.0 g/kg時(shí)，風(fēng)沙土蘚結(jié)皮層的最大穿透阻力較前者增加了57.89%；而=13.5 g/kg時(shí)，風(fēng)沙土蘚結(jié)皮層的最大穿透阻力是=211.7 g/kg條件下的9.95倍。同時(shí)結(jié)果顯示，穿透阻力受土壤類型影響顯著。相同深度和含水量下，黃綿土的穿透阻力約為風(fēng)沙土的1.10倍~ 4.50倍(包括蘚結(jié)皮和無結(jié)皮土壤)。

2.2 橫向穿透阻力和縱向穿透阻力的比較

圖3顯示了4種土壤橫向穿透阻力和縱向穿透阻力之間的關(guān)系。整體來看，橫向穿透阻力和縱向穿透阻力的差異不顯著(=0.554)。單就某一樣地而言，差異較大；其中蘚結(jié)皮土壤的橫向穿透阻力和縱向穿透阻力差異顯著(≤0.003)，而無結(jié)皮土壤的橫向穿透阻力和縱向穿透阻力差異不顯著(≥0.052)。對(duì)于風(fēng)沙土，無結(jié)皮土壤上有57.14% 的數(shù)據(jù)顯示縱向穿透阻力和橫向穿透阻力差異不顯著(=0.052)；而蘚結(jié)皮土壤的數(shù)據(jù)顯示縱向穿透阻力大于橫向穿透阻力(<0.001)。對(duì)于黃綿土，無結(jié)皮土壤上有85.71%數(shù)據(jù)顯示縱向穿透阻力和橫向穿透阻力差異不顯著(=0.684)；而蘚結(jié)皮土壤的數(shù)據(jù)顯示橫向穿透阻力大于縱向穿透阻力(=0.003)。

2.3 穿透阻力與土壤性質(zhì)的關(guān)系

土壤穿透阻力與質(zhì)量含水量()、容重、有機(jī)質(zhì)含量以及砂粒含量的關(guān)系如圖4和圖5所示?？梢?，蘚結(jié)皮、無結(jié)皮風(fēng)沙土和黃綿土的穿透阻力均隨含水量的增加而減小。當(dāng)100 g/kg時(shí)，隨著含水量的增大，土壤穿透阻力減小的趨勢(shì)變緩，并趨于某一定值；當(dāng)100 g/kg時(shí)，隨著含水量的繼續(xù)降低，土壤穿透阻力急劇增大。穿透阻力與土壤含水量之間呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系(<0.001)。在含水量單因素影響下，土壤穿透阻力的大小表現(xiàn)為蘚結(jié)皮黃綿土>無結(jié)皮黃綿土>蘚結(jié)皮風(fēng)沙土>無結(jié)皮風(fēng)沙土。

風(fēng)沙土和黃綿土(包括蘚結(jié)皮和無結(jié)皮)穿透阻力與容重以及有機(jī)質(zhì)含量之間的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)一致。隨著容重的增加，穿透阻力逐漸增大，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系，但無結(jié)皮風(fēng)沙土的穿透阻力與容重之間的線性正相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平(=0.113)。隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，穿透阻力逐漸減小，二者呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，但無結(jié)皮黃綿土穿透阻力與有機(jī)質(zhì)含量之間的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平(=0.161)。無結(jié)皮土壤穿透阻力與容重以及有機(jī)質(zhì)含量擬合曲線斜率的絕對(duì)值大于蘚結(jié)皮土壤，可見容重和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)無結(jié)皮土壤的影響更大。

在風(fēng)沙土上，隨著砂粒含量的增加，穿透阻力明顯增大，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系(≤0.004)；而黃綿土上蘚結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的穿透阻力與砂粒含量之間均表現(xiàn)出了線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(≥0.106)。

蘚結(jié)皮土壤穿透阻力與含水量、容重和有機(jī)質(zhì)含量以及砂粒含量的線性回歸分析結(jié)果如表2所示，蘚結(jié)皮風(fēng)沙土和蘚結(jié)皮黃綿土建立的回歸方程的2、、、分別為0.99、0.24、111.24、0.001和0.90、2.16、9.30、0.026，回歸分析效果較好。在各影響因素中，含水量和砂粒含量的值較小，且回歸系數(shù)的絕對(duì)值相對(duì)較大，表明二者對(duì)穿透阻力的影響較大。

3 討論

本研究表明，蘚結(jié)皮改變了表層土壤的穿透阻力，其影響的程度和方向與土壤類型和含水量等因素緊密相關(guān)。整體來看，蘚結(jié)皮對(duì)表層土壤的穿透阻力具有一定的提升作用，這與其他研究區(qū)的結(jié)果有一定的相似之處。例如，Kidron等[16]的研究表明，隨著生物結(jié)皮的發(fā)育，其穿透阻力從0.009 MPa增加到0.076 MPa；Drahorad等[18]的研究表明，生物結(jié)皮顯著增加了土壤的穿透阻力，且在0 ~ 3 cm土層內(nèi)，相同深度生物結(jié)皮土壤的穿透阻力均大于無結(jié)皮土壤。盡管研究區(qū)不同，但這些研究均一致表明，生物結(jié)皮在一定程度上提高了土壤穿透阻力。蘚結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的提升作用主要受其致密結(jié)構(gòu)的影響，其原因可能有以下幾個(gè)方面：①蘚結(jié)皮可通過生物體的黏質(zhì)外壁、黏性分泌物、地下菌絲以及假根構(gòu)建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)黏結(jié)土壤顆粒，進(jìn)而固定土壤[23-24]。②生物體代謝過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽可加速黏性分泌物的產(chǎn)生，同時(shí)無機(jī)鹽可直接起到穩(wěn)定土壤的作用[18]。③生物體對(duì)無機(jī)碳的主動(dòng)吸收可導(dǎo)致胞外多糖類物質(zhì)的鈣化[18]。同時(shí)，蘚結(jié)皮處于結(jié)皮發(fā)育的高級(jí)階段[25]，發(fā)育時(shí)間較長(zhǎng)，這又為上述過程提供了保障。然而，生物結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的影響程度和方向在各研究區(qū)有所不同，可能因?yàn)椋孩偻寥李愋筒煌煌愋偷耐寥酪蛸|(zhì)地、容重以及有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)不同而影響穿透阻力。②生物結(jié)皮的種類不同，不同類型的生物結(jié)皮在厚度、容重以及植株密度等多個(gè)方面具有很大差異。同時(shí)，試驗(yàn)的方法和條件等因素也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。橫向穿透阻力和縱向穿透阻力是兩個(gè)不同方向的力，反映了根系在橫向伸展和下插時(shí)的受力情況。本研究顯示，蘚結(jié)皮土壤的橫向穿透阻力和縱向穿透阻力差異顯著，但在無結(jié)皮土壤上差異不顯著，這可能是受結(jié)皮和無結(jié)皮土壤不同性質(zhì)的影響。Whalley等[26]的研究表明，相同含水量和深度下，不同性質(zhì)的土壤會(huì)表現(xiàn)出不同的穿透阻力。同時(shí)，土壤層次之間的異質(zhì)性也可能是導(dǎo)致這種結(jié)果的重要原因。

表2 穿透阻力與土壤性質(zhì)的線性回歸分析

土壤穿透阻力受多種因素影響，這些因素共同對(duì)土壤穿透阻力產(chǎn)生影響，且他們之間也相互影響[3]。土壤深度是影響穿透阻力的重要因素[27]，隨著土壤深度的增加，無結(jié)皮風(fēng)沙土和黃綿土的穿透阻力呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，尤其是無結(jié)皮風(fēng)沙土的線性增長(zhǎng)規(guī)律十分顯著。受生物結(jié)皮層致密結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)皮層會(huì)出現(xiàn)穿透阻力的突增；當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)皮下層時(shí)，穿透阻力又開始繼續(xù)保持線性增長(zhǎng)。這種線性增長(zhǎng)可通過上覆壓力以及土壤顆粒之間摩擦力的增加來解釋[18,26]。本研究顯示，蘚結(jié)皮在結(jié)皮層中部5 mm左右具有最大穿透阻力。Hu等[28]的研究表明，藻類結(jié)皮的中部藍(lán)藻細(xì)菌密度最高，且可通過大量分泌胞外多糖等黏合劑形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定土壤。同樣，蘚類生物結(jié)皮也可能具備同樣的特點(diǎn)而在結(jié)皮層的中部形成更堅(jiān)硬的層次。同時(shí)，有研究表明，結(jié)皮表層的碳酸鈣等鹽分可在雨水等淋溶作用下沉[29]，這也可能是導(dǎo)致結(jié)皮層中部穿透阻力較大的重要原因。土壤穿透阻力隨含水量降低而增大已被廣泛證實(shí)，本研究的結(jié)果與其一致[5]。含水量降低，毛管水張力增加，土壤穿透阻力增大。本研究借鑒前人的研究成果，通過冪函數(shù)的形式擬合土壤穿透阻力與含水量的關(guān)系，效果非常顯著。在含水量單因素影響下，土壤穿透阻力的大小表現(xiàn)為無結(jié)皮黃綿土>蘚結(jié)皮黃綿土>蘚結(jié)皮風(fēng)沙土>無結(jié)皮風(fēng)沙土，而含水量和土壤深度共同作用下，情況則發(fā)生改變。不同質(zhì)地的土壤具有不同的穿透阻力。風(fēng)沙土屬砂土，土壤顆粒粗且流動(dòng)性強(qiáng)，顆粒間黏結(jié)性弱；與之相比，黃綿土的結(jié)構(gòu)性好，土壤顆粒較細(xì)，顆粒間黏結(jié)性更強(qiáng)，這可能是黃綿土的穿透阻力大于風(fēng)沙土(包括結(jié)皮和無結(jié)皮)的主要原因。容重與土壤穿透阻力之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，這與Aggarwal等[30]的研究結(jié)果一致。對(duì)于同種質(zhì)地的土壤，容重增加意味著單位體積內(nèi)土壤顆粒的增加，有效孔隙的減少，土壤緊實(shí)度增加，即穿透阻力增加[31]。有機(jī)質(zhì)含量與土壤穿透阻力之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，有機(jī)質(zhì)可改變土壤顆粒接觸面的屬性來影響土壤的黏結(jié)性，同時(shí)有機(jī)質(zhì)可通過改變土壤的持水性質(zhì)間接影響土壤穿透阻力[32]。在風(fēng)沙土上，穿透阻力與砂粒含量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，而在黃綿土上穿透阻力與砂粒含量之間表現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。砂粒含量與土壤穿透阻力之間的相關(guān)關(guān)系在兩種土壤上表現(xiàn)不同是多種因素間相互作用的結(jié)果，顆粒組成差異可能是產(chǎn)生這種結(jié)果的重要原因。

研究表明，由于探針與土壤顆粒之間存在摩擦力，穿透阻力的數(shù)值約為根系實(shí)際所受阻力的5.5倍~ 8.5倍[3,27]。本研究采用自然風(fēng)干的方式控制土壤含水量，受環(huán)刀密封性的影響，可能會(huì)導(dǎo)致中部含水量略大于兩端，但環(huán)刀的高度較低，同時(shí)有水分?jǐn)U散作用存在，誤差應(yīng)處在可接受的范圍；本研究中，4種含水量下蘚結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的穿透阻力隨深度的變化趨勢(shì)基本相似，同樣可反映數(shù)據(jù)的可靠性。目前來看，土壤穿透阻力模型的開發(fā)和應(yīng)用是一個(gè)熱點(diǎn)，通過模型模擬可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤穿透阻力的預(yù)測(cè)，對(duì)于宏觀把握土壤穿透阻力的動(dòng)態(tài)變化有重要意義[26,33]。關(guān)于生物結(jié)皮對(duì)土壤穿透阻力的影響，后期可借助相關(guān)模型模擬進(jìn)行深入研究探討。

4 結(jié)論

蘚結(jié)皮的發(fā)育對(duì)兩種土壤的穿透阻力均產(chǎn)生了顯著影響，但影響的程度不同，且受土壤含水量影響。蘚結(jié)皮對(duì)風(fēng)沙土穿透阻力的影響深度為表層2 ~ 12 mm(=0.028)，而對(duì)黃綿土的影響深度為3 ~ 24 mm(隨含水量變異較大)。風(fēng)沙土和黃綿土蘚結(jié)皮層最大穿透阻力的變化范圍為0.38 ~ 3.74 MPa和0.43 ~ 8.01 MPa，為同等深度下無結(jié)皮風(fēng)沙土和黃綿土的2.14倍~ 9.45倍(=0.001)和1.38倍~ 6.27倍(=0.051)。無結(jié)皮土壤穿透阻力隨深度的增加呈線性增長(zhǎng)；蘚結(jié)皮土壤穿透阻力隨深度的增加可分為兩段，結(jié)皮層呈先增后減的趨勢(shì)，而結(jié)皮下層隨深度的增加呈線性增長(zhǎng)。整體來看，橫向穿透阻力和縱向穿透阻力的差異不顯著(=0.554)。蘚結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的穿透阻力與含水量均呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系(<0.001)，而與容重、有機(jī)質(zhì)含量以及砂粒含量均呈線性關(guān)系。

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Characteristics of Penetration Resistance of Moss-dominated Biocrusts on Aeolian and Loessal Soils and Its Influencing Factors on Chinese Loess Plateau

WANG Guopeng1,2, XIAO Bo1,2,3*, LI Shenglong1,2, SUN Fuhai1,2, LI Yuanbo1,2

(1 College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2 Key Laboratory of Arable Land Conservation (North China), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China; 3 State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling, Shaanxi 712100, China)

The development of biocrust significantly affect and change the physiochemical properties of the surface soil, which in turn affects the penetration resistance. In order to investigate the effect of biocrust on soil penetration resistance, this study took moss-dominated biocrusts and bare soils from aeolian and loessal soils on the Loess Plateau as the test materials, compared the differences in penetration resistance between biocrusts and bare soils, and investigated their differences in penetration resistance under different water contents by using the high precision soil penetrometer.At the same time, the influence of biocrusts on soil penetration resistance and its relationship with soil properties (water content, bulk density, organic matter content, particle composition) were quantitatively analyzed. The results showed that the maximum penetration resistance was 0.38–3.74 MPa for aeolian soil with biocrust and 0.43–8.01 MPa for loessal soil with biocrust, which was about 2.14 to 9.45 times (=0.001) and 1.38 to 6.27 (=0.051) times of the same depth of aeolian and loessal soils without crust, respectively. The effect of moss crust on the penetration resistance of aeolian soil was 2 to 12 mm (=0.028), while the depth of influence on loessal soil varied greatly under different water contents, ranging from 3 to 24 mm. At the same time, the penetration resistance of the bare soil increased linearly with the increase of soil depth. The penetration resistance of soil with biocrust increased first and then decreased with the increase of depth in the crust layer, while it was linear in the lower layer of the crust. In addition, the lateral and the longitudinal penetrating resistances were significantly different (≤0.03) for soil with the biocrust, but not significant for soil without crust (≥0.052). The penetration resistance of soil with biocrust had a significant power function relationship with water content (<0.001), but was linearly correlated with bulk density, organic matter and sand contents. These factors are important ways for the biocrust to change the penetration resistance of the surface soil.

Biocrusts; Soil hardness; Soil compaction; Mechanical stability; Soil mechanical resistance

S152.4；S152.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.01.024

王國鵬, 肖波, 李勝龍, 等. 黃土高原蘚結(jié)皮覆蓋土壤的穿透阻力特征及其影響因素. 土壤, 2021, 53(1): 173–182.

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41671221)和中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進(jìn)計(jì)劃項(xiàng)目(2019)資助。

(xiaobo@cau.edu.cn)

王國鵬(1993—)，男，山東東營人，碩士研究生，主要從事土壤物理和水土保持研究。E-mail: w_guopeng01@163.com