寧夏河?xùn)|沙地生物土壤結(jié)皮對土壤性質(zhì)及入滲過程的影響

董智今,張呈春,展秀麗

寧夏大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院， 銀川 750021

生物土壤結(jié)皮(BSCs)是細(xì)菌,真菌,地衣,藻類和苔蘚等生物同表層土壤顆粒相互作用形成的復(fù)合體[1—2],是干旱區(qū)地表主要的覆蓋形式[3—4],其存在改變了土壤理化性質(zhì)[5—7]、土壤生態(tài)[8]及水文過程[9],對荒漠生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量流動產(chǎn)生重要影響。隨著生物土壤結(jié)皮的發(fā)育與演替,其下伏土壤對降水的再分配和儲存利用方式發(fā)生明顯改變[1,10—11],進(jìn)而形成了有別于原有荒漠生態(tài)系統(tǒng)的獨特的生態(tài)水文過程[2—3,12]。研究沙區(qū)不同生物土壤結(jié)皮對土壤性質(zhì)以及水分入滲的影響,對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與保護(hù)意義重大。

近年來,眾多學(xué)者開展了關(guān)于生物土壤結(jié)皮對土壤影響的研究,主要包括了不同類型(發(fā)育程度)生物土壤結(jié)皮對土壤理化性質(zhì)[5—6,13—17]、水分入滲[10—12,18—20]、水分動力學(xué)[18,21—22]、水汽凝結(jié)與蒸發(fā)[23]等的影響研究,以及凍融交替[24]、降水沖刷[25]、踩踏[4,20]、植物根系[21,26—27]等干擾對生物土壤結(jié)皮滲透性影響的研究,研究區(qū)重點集中在黃土高原[8, 18,21—23]、青藏高原[28—29]、騰格里沙漠[13—14,30—31]、毛烏素沙地[11,15]等生態(tài)脆弱區(qū),其中生物土壤結(jié)皮能夠顯著影響土壤性質(zhì)已成為研究共識[2,13—17],但有關(guān)生物土壤結(jié)皮對土壤入滲影響的研究結(jié)果仍不盡相同,例如由于受多種氣候以及微環(huán)境等因素的影響,生物土壤結(jié)皮具有發(fā)育復(fù)雜、空間異質(zhì)性等特點,使得其對土壤水分入滲產(chǎn)生促進(jìn)[27—28,31]、阻礙[18,30]和無顯著作用[25]這三方面的影響,因此,定量化描述不同區(qū)域生物土壤結(jié)皮對水分入滲的影響仍是目前研究的重點。本研究區(qū)固沙植被主要為灌木、生物土壤結(jié)皮與一年生草本植物,其中發(fā)育晚期的蘚類結(jié)皮與草本植物混生代表著沙區(qū)植被-土壤系統(tǒng)處于良好的恢復(fù)和相對穩(wěn)定的階段,這增加了沙區(qū)土壤生態(tài)水文過程的多樣性與復(fù)雜性,因此研究草本與生物土壤結(jié)皮混生對土壤水分入滲過程的影響具有重要意義。

寧夏河?xùn)|沙地一直是國家和寧夏生態(tài)治理的重點區(qū)域,近年來,該地區(qū)防沙治沙工作取得了重大效果,地表覆被面積增加顯著。但是目前有關(guān)該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的深層研究較為薄弱,特別是沙漠化治理過程中生物土壤結(jié)皮的形成及覆蓋對下伏土壤性質(zhì)以及對土壤水分再分配的影響研究較少。本文選擇由不同類型生物土壤結(jié)皮(藻類結(jié)皮、蘚類結(jié)皮和草本-蘚類結(jié)皮)覆蓋下的風(fēng)沙土以及流動沙丘作為對照,采用雙環(huán)入滲試驗和模型模擬,對3種生物土壤結(jié)皮和裸沙的土壤性質(zhì)和入滲特征展開研究,以期為該區(qū)域建立合理穩(wěn)定的固沙植被,實現(xiàn)沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論借鑒。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏靈武市白芨灘(37°49′05″—38°20′54″N,106°20′22″—106°37′19″E)位于毛烏素沙地西南緣,面積748.43 km2。該保護(hù)區(qū)屬于中溫帶干旱氣候區(qū),夏季炎熱干燥,冬季寒冷,年均溫10.4 ℃,年均降水量206.2—255.2 mm,年均蒸發(fā)量1933.3 mm。研究區(qū)地帶性土壤以灰鈣土為主,非地帶性土壤主要為風(fēng)沙土,土壤結(jié)構(gòu)松散。植被以一年生草本植物、沙地植被和荒漠植被為主,代表性植物群落有檸條(Caraganakorshinskii)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、花棒(Hedysarumscoparium)等。生物土壤結(jié)皮是該地區(qū)固定與半固定沙丘常見的土表微景觀,研究區(qū)內(nèi)生物土壤結(jié)皮在固定沙丘的迎風(fēng)坡上優(yōu)先發(fā)育,丘間低地廣泛發(fā)育斑塊狀蘚類結(jié)皮,坡頂與迎風(fēng)坡灌叢植被間有連片發(fā)育的藻類結(jié)皮。研究區(qū)藻類與蘚類結(jié)皮的優(yōu)勢種為具鞘微鞘藻(Microcoleusvaginatus)、真蘚(Bryumargenteum)[32]。

1.2 試驗方案

2021年10月,在白芨灘自然保護(hù)區(qū)選擇地勢較平坦、生物土壤結(jié)皮覆蓋度廣(>90%)的區(qū)域作為試驗觀測點,分別為無結(jié)皮覆蓋的裸沙(BS)、發(fā)育早期藻類結(jié)皮覆蓋土壤(AC)、發(fā)育晚期蘚類結(jié)皮覆蓋土壤(MC)以及蘚類結(jié)皮與草本植物混生覆蓋土壤(H-MC),每個試驗點面積為25 m2(5 m×5 m)。其中位于固定沙丘頂?shù)腁C樣地中藻類結(jié)皮相對蓋度>85%,結(jié)皮厚度為2.95—3.47 cm,表面較光滑,顏色為淺灰色；位于丘間平地的MC樣地中蘚類結(jié)皮相對蓋度>80%,結(jié)皮層厚度為10.08—11.48 cm,表面較粗糙,顏色較深；H-MC樣地為檸條灌叢下高覆蓋度(>85%)的蘚類結(jié)皮,地表生長一年生雜草(覆蓋度為60%)。

土壤水分入滲采用雙環(huán)入滲儀(QT-IN12-W,北京渠道科學(xué)儀器有限公司,中國)測定,雙環(huán)入滲儀內(nèi)環(huán)直徑為20 cm,外環(huán)直徑為35 cm,高度為35 cm。在試驗點內(nèi),針對AC、MC和H-MC,分別選擇藻類結(jié)皮、蘚類結(jié)皮和草本-蘚類結(jié)皮完全覆蓋的區(qū)域(結(jié)皮覆蓋面直徑> 35 cm)作為入滲試驗樣點,將雙環(huán)放置在樣點內(nèi)垂直地面下埋15 cm,并使用大孔隙單層紗布覆蓋保護(hù)表層結(jié)皮。由于本研究區(qū)沙土初始入滲過快,儀器所配馬氏瓶不能滿足供水需求,因此使用2個1000 ml標(biāo)準(zhǔn)量筒分別向內(nèi)環(huán)和外環(huán)同時均勻供水,當(dāng)內(nèi)外環(huán)中的水層高度同時達(dá)到3 cm時[33],開始計時并讀取內(nèi)環(huán)相應(yīng)時間內(nèi)增加的水量。記錄不同時段的入滲水量：0—2 min每隔30 s記錄1次,2—12 min每隔1 min記錄1次,14—22 min每隔2 min記錄1次,27—67 min每隔5 min記錄1次,試驗過程中內(nèi)外環(huán)水面固定保持在3 cm高度以此來保持水頭穩(wěn)定[33]。當(dāng)至少3次相同測定時間內(nèi)供水量恒定時可視為達(dá)到穩(wěn)定[22,33],停止試驗,測定入滲時間不少于65 min。

由于本研究區(qū)沙土入滲過快,野外試驗中初始入滲量存在誤差,參考前人研究[10—11,21—22],本文將入滲前3 min的入滲速率定義為初始入滲速率；將單位時間內(nèi)的入滲量趨于穩(wěn)定時的入滲速率定義為穩(wěn)定入滲速率；將達(dá)到穩(wěn)滲時的累積入滲量與達(dá)到穩(wěn)滲所用時間的比值定義為平均入滲速率；將60 min內(nèi)的累積入滲總量定義為累積入滲量[22],入滲速率計算公式如下：

(1)

式中：Vn為一定溫度下n時刻的土壤入滲速率(mm/min)；Ln為n時刻的內(nèi)環(huán)供水量(cm3)；S為內(nèi)環(huán)面積(cm3)；10為cm與mm的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Δn為觀測間隔時間差(min)；T為時段內(nèi)的平均水溫(10 ℃)。

1.3 樣品采集

采用烘干法測定土壤含水量[23],入滲試驗前在每個樣地用鋁盒分別采集0—1 cm、1—10和10—20 cm深處土壤樣品,每個深度重復(fù)取三次,共取鋁盒樣品36個；采用環(huán)刀法測定土壤容重[10],入滲試驗前在每個樣地分別取表層,10 cm和20 cm處取環(huán)刀樣品,每個深度重復(fù)取三次,共取環(huán)刀樣品24個；采用游標(biāo)卡尺測量生物土壤結(jié)皮厚度(取3—5次重復(fù))[21]。

入滲試驗前在樣地內(nèi)選取3—5個采樣點進(jìn)行分層采樣,分層為生物土壤結(jié)皮層(0—1 cm)和結(jié)皮覆蓋下土壤(1—10和10—20 cm),同層樣品進(jìn)行混合并裝袋后帶回室內(nèi)備用。

1.4 實驗室分析

土壤飽和含水量與土壤孔隙度在室內(nèi)測定[34]；采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量[16]；馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000,Malvern Instruments Ltd.,UK)測定土壤機(jī)械組成。

1.5 土壤水分入滲模型

模型模擬公式選取Philip、Kostiakov和Horton 3種常用的入滲模型[35],對入滲過程模擬并評價其適用性。

Philip模型：

f(t)=0.5s/t1/2+A

(2)

Kostiakov模型：

f(t)=b/ta

(3)

Horton模型：

f(t)=fc+(f0+fc)/ekt

(4)

式中：f(t)為入滲速率(mm/min)；f0為初滲速率(mm/min)；A和fc為穩(wěn)滲速率(mm/min)；t為入滲時間(min)；s為吸濕率(mm/min1/2),表征土壤入滲能力；a,b為常數(shù),分別表征第一個單位時間段內(nèi)的平均入滲速率與入滲速率隨時間減小的程度；k為參數(shù),表征入滲速率隨時間減少的程度。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,IBM SPSS 24. 0進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)、Pearson相關(guān)分析(α=0.05)和逐步回歸分析(α=0.1),通過Origin 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物土壤結(jié)皮對土壤性質(zhì)的影響

從表1可知,研究區(qū)0—20 cm藻類、蘚類、草本-蘚類3種類型生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤以及裸沙的機(jī)械組成均以砂粒為主(>90%)、粉粒含量較少(<9%)、黏粒含量極少或無(<0.02%)。生物土壤結(jié)皮覆蓋的表層土壤與裸沙相比,粉粒含量增多(3.6%—5.8%)；極細(xì)砂粒含量增多(0.4%—1.7%)；細(xì)砂含量減少(7.8%—33.7%)且蘚類結(jié)皮的細(xì)砂粒含量顯著減少；中砂含量增多(2.6%—20.9%)；粗砂含量增多(1.2%—8.1%)且草本-蘚類結(jié)皮的粗砂含量顯著增加。生物土壤結(jié)皮的存在,使得土壤粒徑分布更加均勻：粉粒、極細(xì)砂、中砂和粗砂含量均有所增加,細(xì)砂含量減少。

表1 不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤的顆粒組成

如表2所示,隨著生物土壤結(jié)皮的發(fā)育,結(jié)皮厚度顯著增加。與裸沙相比,藻類與蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤容重變化不顯著,蘚類結(jié)皮初始含水量增加了2.4倍,藻類結(jié)皮初始含水量變化不顯著,土壤總孔隙度分別減少了4.0%和6.5%,飽和含水量分別減少了6.8%和11.1%,土壤有機(jī)質(zhì)含量是裸沙的5—6倍。草本-蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤與裸沙相比有機(jī)質(zhì)增加了6倍,總孔隙度增加了9.1%,飽和含水量增加了12.6%,初始含水量變化不顯著。

2.2 不同生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤入滲特征

由圖1可知,不同生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤水分入滲速率均呈現(xiàn)出先降低再波動最終趨于穩(wěn)定。4種樣地入滲速率之間差異顯著(P=0.036<0.05),累計入滲量表現(xiàn)為H-MC>BS>AC>MC,表明發(fā)育程度更高的蘚類結(jié)皮能夠顯著降低土壤入滲特性,而草本與蘚類結(jié)皮混生的復(fù)合表層,由于植物根系的存在入滲速率與累計入滲量顯著增加。

表2 不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下的土壤性質(zhì)

圖1 不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤的水分入滲過程與累計入滲量Fig.1 Infiltration rate /cumulative infiltration volume of the biocrusts in different developmental degrees

由圖1可知,土壤入滲可分為初期瞬減、中期波動和后期穩(wěn)定三個階段。如表3所示,第一階段,裸沙初滲速率顯著高于有結(jié)皮覆蓋的土壤 (P<0.05),表明藻類、蘚類和草本-蘚類結(jié)皮的存在明顯降低了初滲速率,降低幅度依次為14.3%、37.2%、11.8%；第二階段入滲速率變化劇烈(圖1),裸沙的入滲速率仍然顯著高于發(fā)育程度較高的蘚類結(jié)皮；第三階段,由于此時土壤孔隙被水分充滿達(dá)到飽和進(jìn)入穩(wěn)滲階段,與裸沙相比,藻類和蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲的時間更長,表明藻類和蘚類結(jié)皮能明顯降低土壤穩(wěn)滲速率,降低幅度分別為14.4%和18.3%,草本-蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤入滲達(dá)穩(wěn)定的時間則變短,穩(wěn)滲速率較裸沙增加了4.5%。表明生物土壤結(jié)皮的發(fā)育程度越高,阻止土壤水分的入滲能力越強(qiáng),而草本-蘚類結(jié)皮復(fù)合體則會促進(jìn)土壤水分入滲。

2.3 影響土壤入滲性能的因素

如表4所示,土壤入滲性能與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性表現(xiàn)為：初滲速率與結(jié)皮厚度和初始含水量呈顯著負(fù)相關(guān),與其余因素相關(guān)性不顯著；穩(wěn)滲速率、累計入滲量均與土壤容重呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān),與土壤總孔隙度以及飽和含水量呈極顯著正相關(guān),與結(jié)皮層厚度、土壤機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)相關(guān)性不顯著；平均入滲速率與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān),與總孔隙度與飽和含水量呈顯著正相關(guān),與其他因素相關(guān)性不顯著。

表3 不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤的水分入滲參數(shù)

表4 土壤入滲性能與影響因素的相關(guān)性

在此基礎(chǔ)上分別對初滲速率與穩(wěn)滲速率進(jìn)行逐步回歸分析可得出：

Ii= -2.066 TOC+14.197SM+12.676BD+17.500 (R2=0.999)

(5)

Si= -1.202BD+0.225WC+ 0.00125C+9.055 (R2=0.999)

(6)

式中：Ii為初滲速率(mm/min)；Si為穩(wěn)滲速率(mm/min)；TOC為結(jié)皮厚度(mm)；SM為飽和含水量(%)；BD為土壤容重(g/cm3)；WC為初始含水量(%)；C為黏粒含量(%)。

由方程(5)可知,初滲速率主要受結(jié)皮厚度、飽和含水量和土壤容重影響,結(jié)皮層越厚、飽和含水量越低與土壤容重越大均會阻礙土壤的初始入滲能力；由方程(6)可知,穩(wěn)滲速率主要受土壤容重、初始含水量和黏粒含量影響,土壤容重越大、初始含水量越低、黏粒含量越少則會降低土壤的穩(wěn)定入滲能力。

2.4 不同生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤入滲過程模擬

由表5可以看出,不同模型對于土壤水分入滲過程的擬合效果不同。Philip模型擬合結(jié)果顯示,擬合A(穩(wěn)滲速率)值為4.86—6.65 mm/min與實際的7.96—10.18 mm/min相差較大,R2均小于0.89,說明Philip模型擬合效果較差。Horton模型擬合結(jié)果顯示,fc(穩(wěn)滲速率)值與實測值相差很小(0.05—0.315 mm/min),k值在0.79—1.54之間,最大值出現(xiàn)在裸沙,最小值在蘚類結(jié)皮,反映了入滲速率遞減情況,與實測結(jié)果基本相符,R2均大于0.94,模型擬合效果較好。Kostiakov模型擬合結(jié)果顯示,參數(shù)b值在7.74—11.72 mm/min之間,b值越大,入滲曲線的斜率越大,瞬時入滲率衰減越快,擬合出衰減快慢順序為：BS>H-MC>AC>MC,與實測結(jié)果一致,R2均大于0.96,此模型擬合效果較好。

3 討論

3.1 生物土壤結(jié)皮覆蓋對土壤性質(zhì)的影響

生物土壤結(jié)皮通過改變地表微形態(tài)使其下伏土壤的性質(zhì)發(fā)生變化[5]。首先,不同發(fā)育程度的生物土壤結(jié)皮對下伏土壤機(jī)械組成影響不同。本研究發(fā)現(xiàn),與藻類結(jié)皮相比,蘚類結(jié)皮表層土壤砂粒含量降低,粉粒含量增加,土壤結(jié)構(gòu)細(xì)化,顆粒物分布更均勻,這是因為在蘚類結(jié)皮以及草本-蘚類結(jié)皮混生覆蓋下,蘚類與草本使得土壤表面粗糙度加大,對于細(xì)顆粒物的攔截作用明顯提高,這與高廣磊等[15]在寧夏鹽池縣以及孫福海等[18]在黃土高原的研究結(jié)果一致。

表5 不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤入滲過程的模型模擬結(jié)果

其次,不同發(fā)育程度的生物土壤結(jié)皮對下伏土壤總孔隙度和土壤含水量影響不同。本研究發(fā)現(xiàn)草本-蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤總孔隙度較高,說明草本植物根系對結(jié)皮下伏土壤的影響顯著。蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤表層含水量最高,這是因為在本研究區(qū)蘚類結(jié)皮廣泛分布于丘間低地,灰黑色藻類結(jié)皮分布于固定沙丘坡面-丘頂,蒸發(fā)較強(qiáng),而草本-蘚類結(jié)皮則是由于生長季植物需水,使得下伏土壤表層含水量與裸沙相比差異較小。

最后,不同發(fā)育程度的生物土壤結(jié)皮對下伏土壤有機(jī)質(zhì)影響不同。本研究發(fā)現(xiàn)藻類和蘚類結(jié)皮的覆蓋使得表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量增加,一方面歸因于生物土壤結(jié)皮的覆蓋使表層土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化,利于土壤團(tuán)聚體形成,增加有機(jī)質(zhì)含量[5]；另一方面則由于生物土壤結(jié)皮可以為微生物的生長提供環(huán)境,進(jìn)而提升下伏土壤的有機(jī)質(zhì)含量[13]。

此外,生物土壤結(jié)皮對土壤性質(zhì)的影響還具有“表層性”[36],即生物土壤結(jié)皮和下伏土壤的雙層結(jié)構(gòu),使得結(jié)皮對土壤性質(zhì)的影響主要集中在表層[17,21],這在本研究中也得到了證實。

3.2 生物土壤結(jié)皮覆蓋對土壤水分入滲的影響

本研究發(fā)現(xiàn)藻類和蘚類結(jié)皮明顯阻礙了土壤水分入滲過程,且生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度越高,土壤滲透性能越低。這是因為,第一,生物土壤結(jié)皮截留的細(xì)粒物質(zhì)填充土壤孔隙,降低了孔隙間的連通性[37—38]；第二,本研究區(qū)內(nèi)高蓋度藻類和蘚類結(jié)皮中的藻絲體、真菌菌絲、蘚類假根與砂粒纏繞膠結(jié)增加了結(jié)皮層厚度[22],結(jié)皮層吸水性增強(qiáng)進(jìn)而阻礙水分的入滲[21],這與Xiao等[37]研究結(jié)論一致,并且與裸沙相比,蘚類結(jié)皮覆蓋下表層土壤初始含水量明顯增加,降低了沙土的土壤水力梯度,進(jìn)而減緩了初滲速率[19]；第三,生物土壤結(jié)皮覆蓋增加了表層土壤有機(jī)質(zhì),且蘚類植物體分泌的胞外多糖等化學(xué)物質(zhì)堵塞土壤孔隙進(jìn)而降低入滲速率[11]。最后,本研究中蘚類較藻類結(jié)皮表現(xiàn)出更高的阻滲能力,這與Zhang等[14]研究結(jié)果不同,因為本研究選取地勢平坦區(qū)域作為觀測試驗點,無地形因素對結(jié)皮層的影響,而且本研究發(fā)現(xiàn)蘚類結(jié)皮能夠完全覆蓋表土層孔隙,蘚類植物的毛尖、莖葉微結(jié)構(gòu)使得土壤更封閉疏水性更強(qiáng),這對入滲的阻礙作用更顯著[26]。

本研究中還發(fā)現(xiàn)草本-蘚類結(jié)皮復(fù)合體能夠有效的促進(jìn)土壤水分入滲,這是因為,草本植物為發(fā)育在檸條灌叢下一年生的雜草,受到雜草和檸條根系的影響,表層結(jié)皮層被破壞,水分運移方式被改變[39],同時,植物根系在土壤中交錯生長分布,形成土壤大孔隙,提高了土壤的滲透性能[40]。李淵博等[21]在黃土高原的研究也表明草本植物和蘚類結(jié)皮混生覆蓋下會對水分入滲有一定的促進(jìn)作用,與本研究結(jié)果一致。

3.3 土壤入滲性能差異的因素分析

本研究發(fā)現(xiàn),不同發(fā)育程度的生物土壤結(jié)皮入滲性能的差異與土壤性質(zhì)密切相關(guān),并且在不同的入滲階段,土壤性質(zhì)對其影響也各不相同。在入滲的初始階段,結(jié)皮層越厚,其吸水性越強(qiáng),入滲速率也越低,而且初始階段土壤初始含水量越多,水力梯度越小入滲速率也越低[19]。在本研究中蘚類結(jié)皮的覆蓋,明顯提升了結(jié)皮層厚度與土壤初始含水量,從而減小初滲速率,這與王閃閃等[41]研究結(jié)果一致。達(dá)到穩(wěn)滲階段時,入滲速率與土壤容重、總孔隙度與飽和含水量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性,在該階段,生物土壤結(jié)皮對入滲的影響減弱,而下伏風(fēng)沙土的性質(zhì)以及植物根系產(chǎn)生的裂隙則成為影響入滲的主要因素[39,42]。

本研究進(jìn)行逐步回歸分析后發(fā)現(xiàn),結(jié)皮層厚度是影響初滲速率最重要因素,而土壤容重則是影響穩(wěn)滲速率最重要因素,這進(jìn)一步說明,入滲時間越長,生物土壤結(jié)皮對入滲的影響越小,而土壤性質(zhì)以及植物生長產(chǎn)生的土壤裂隙對入滲的影響越大。

3.4 入滲模型適用性評價

本研究中采用了三種經(jīng)典的入滲模型來模擬生物土壤結(jié)皮覆蓋下水分入滲規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Kostiakov模型對不同樣地入滲過程的模擬效果最好(R2>0.96),擬合出入滲速率的快慢為：BS>H-MC>AC>MC,與實測結(jié)果一致。而Philip模型是物理模型,與有結(jié)皮覆蓋的土壤相比,裸沙的水分入滲過程擬合效果更好(R2=0.89),說明該模型不適用于模擬生物土壤結(jié)皮覆蓋下的非均質(zhì)土壤,更適用于均質(zhì)土壤的一維入滲[10]。 Horton模型屬于純經(jīng)驗公式[15],對4種樣地類型擬合效果均較好(R2>0.94),對初始入滲速率值擬合精度高,但是對穩(wěn)定入滲速率的擬合精度不夠。

綜上所述,研究區(qū)內(nèi)生物土壤結(jié)皮覆蓋改變了下伏土壤的性質(zhì),進(jìn)而影響了土壤水分入滲過程。在對該區(qū)域生物土壤結(jié)皮的研究中,未來還需要深入探討固沙植物根系對水分入滲過程的影響,進(jìn)一步開展生物土壤結(jié)皮對該區(qū)域土壤水文過程的研究。

4 結(jié)論

(1)生物土壤結(jié)皮對淺層土壤性質(zhì)影響明顯。相較裸沙,生物土壤結(jié)皮覆蓋下的土壤砂粒含量減少,粉粒含量增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量增加；蘚類結(jié)皮土壤初始含水量最高；藻類和蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤總孔隙度與飽和含水量降低,草本-蘚類結(jié)皮其下伏土壤總孔隙度與飽和含水量增加。

(2)生物土壤結(jié)皮改變下伏土壤性質(zhì)進(jìn)而對風(fēng)沙土的入滲性能夠產(chǎn)生顯著影響。生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度越高,阻止土壤水分的入滲能力越強(qiáng),而草本-蘚類結(jié)皮復(fù)合體則促進(jìn)土壤水分入滲；在入滲初期,結(jié)皮層厚度、土壤初始含水量是影響入滲的主要因素,而在穩(wěn)滲階段,土壤容重則是影響入滲特征的主要因素,且植物根系的存在減小了生物土壤結(jié)皮的阻滲作用。

(3)Kostiakov模型最適用于模擬本研究區(qū)不同發(fā)育程度生物土壤結(jié)皮覆蓋下土壤水分入滲過程,Horton模型次之,Philip模型較差。