黄土丘陵区不同盖度生物结皮土壤抗冲性研究

冉茂勇，赵允格，刘玉兰

(1.西藏职业技术学院，西藏 拉萨850030;2.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100;3.邯郸市水利水电勘测设计研究院，河北邯郸056002)

土壤生物结皮(或称土壤微生物结皮)，是指由生长在土壤表面及其以下的藓和地衣类等个体微小的生物成分与土壤相互作用形成的复杂复合土层[1]。近年来，随着黄土高原“退耕还林还草、封山绿化”水土保持治理措施的实施，在这一干旱缺水且侵蚀严重的区域，生物结皮分布越来越广泛，所发挥的生态作用也越显突出。有关生物结皮的特征、分布、作用等均有报道[2-4]，但关于生物结皮的形成对土壤抗冲性影响的报道却较少，且有关生物结皮的研究多以其形态作为分类基础，鲜见有关发育过程的动态研究。我们的前期研究发现，黄土高原丘陵沟壑区生物结皮的形成，显著地增强了土壤的抗冲性，且其影响程度与生物结皮的发育程度相关。鉴于此，本研究以黄土丘陵沟壑区安塞县3个不同发育年限撂荒地的生物结皮为研究对象，按藓类植物所占结皮面积的比例为结皮盖度划分标准，采用变坡度水槽研究了生物结皮发育过程中不同藓类结皮盖度对生物结皮土壤抗冲性的影响，以及不同盖度生物结皮对土壤黏结力、容重、有机质等与土壤抗冲性密切相关的理化属性的影响，并探索了不同盖度生物结皮理化属性和抗冲性二者之间的关系，以期认清生物结皮盖度发育对结皮土壤抗冲性的影响及其作用机制，为利用生物结皮进行黄土区生态修复提供有益参考。

1 研究区概况

试验在中国科学院安塞水土保持综合试验站山地试验场内不同年限的退耕坡地上进行。该试验站位于陕西省安塞县，区内海拔997—1 731 m，地形复杂、沟壑纵横、梁峁连绵，属黄河中游水土流失严重区，也是西北地区典型的生态环境脆弱区;气候属暖温带半干旱大陆性季风气候，年均降水量500 mm左右，降水年内分配不均，7—9月降水量占全年降水量的61%，多暴雨;土壤为黄绵土(钙质干润雏形土)，其分布面积约占总面积的95%，属森林草原区植被，天然森林已遭破坏，森林覆盖率为17.7%[5]，其下广泛发育着生物结皮。

2 材料与方法

2.1 样地选择与采样

在已有撂荒地上选择退耕3、7、13年样地的结皮分别代表生物结皮形成期、快速发育期和稳定期[6]。为便于野外观察，将样地生物结皮主要优势种苔藓作为考察对象，据藓类所占结皮比例将结皮盖度划分为如表1所示的4个等级进行试验。

表1 结皮盖度划分标准

在已选样地上，选择生物结皮相对完整、地上植被覆盖基本一致的典型样方，用抗冲配套环刀按苔藓盖度采集抗冲样品(重复3次)，随后在典型样方内选择未受扰动的生物结皮，按盖度要求完成有机质、容重、水稳性团聚体等理化分析样品的采集，其中有机质、容重测定每样地每盖度重复5次，水稳性团聚体测定重复取样4次。同时，在研究区内采集揭去结皮后0—5 cm的土层土样(每样地每盖度重复2次)，作为有机质测定时的对照样品。

将野外采集的样品带回实验室风干待用。

2.2 测定项目与方法

2.2.1 抗冲试验装置

试验装置采用张光辉、刘宝元等设计的变坡度水槽[7]。

2.2.2 抗冲试验方法与观测指标

以区内常见的15°的坡度作为冲刷试验坡度，根据预试验设置2 L/s的流量进行冲刷试验。抗冲试验样品取回后立即称重(m1)，将样品装入水槽底部圆形土样室内冲刷，观察各样品的冲击反应。对于低发育年限、低盖度和对冲刷有反应的结皮，记录结皮被大量冲破(出现洞、裂隙等)的时间，以结皮连续掉落停止或出水为清水时为标准结束试验;对于发育良好不容易冲破或很难冲破的结皮，以30 min为冲刷时限，记录起始冲刷时间为0，结束时间为30 min。试验结束后，对于冲刷有反应的结皮，将环刀内剩余部分连同环刀一起放入180℃烘箱烘24 h后再称重记录土样质量(m2)。

由于生物结皮土壤冲刷不同于一般的土壤，结皮土壤抗冲性主要取决于结皮是否被冲破或冲破过程耗时的长短等因素，因此本试验用结皮的抗冲时间、侵蚀率两个指标来评价生物结皮土壤的抗冲性，其中:抗冲时间(min)是指结皮抵抗径流冲刷的时间，即试验从开始到结束所用的时间;侵蚀率(g/m2)用(m1-m2)/环刀面积表示，其中m1为样品取回后立即称重的值，m2为烘干后再称重的值。

2.2.3 理化分析项目与方法

结皮容重测定采用涂膜法[8]，水稳性团聚体测定采用丘林法，有机质测定采用重铬酸钾容量法——外加热法，黏结力测定在野外现场进行。

3 结果与分析

3.1 生物结皮盖度对土壤理化属性的影响

3.1.1 生物结皮盖度对土壤容重的影响

容重是反映土壤结皮物理特性的重要指标，它的变化可以反映表层土壤孔隙状况、水分、入渗能力以及抗侵蚀强度的变化。由观测资料知，生物结皮盖度对容重的影响，除7年限2盖度结皮容重值较1盖度结皮容重值高0.1 g/cm3外，其余容重大小排序均为1盖度＞2盖度＞3盖度＞4盖度。可见，结皮容重随着结皮盖度的增加呈不断减小的趋势(图1)。之所以出现这一现象是因为，在1盖度时由于结皮发育不完善、根系小而少、分泌聚合物少、有机质积累较少，因此结皮容重不高，随着盖度的增加(2、3、4盖度)，根系逐渐发育，地上有机物逐渐积累，土层变得疏松，大孔隙随之增加，容重逐步下降，其中4盖度平均结皮容重比1盖度减小了16%。而之所以出现结皮容重在7年限2盖度时出现最高点，主要是由于该阶段生物结皮处于快速发展期，此时的结皮土壤生长最为旺盛，胞外聚合物等分泌较多，所以结皮土壤有机质积累较高，容重值也表现为较高。

3.1.2 生物结皮盖度对土壤黏结力的影响

低盖度的生物结皮根系少而小，胞外聚合物分泌数量少，各根系之间捆绑作用不大。观测资料显示，随着结皮盖度的增加，生物结皮生长发育比较旺盛，根系和根系之间联结穿插作用逐渐增强，结皮微生物及分泌物对表层土壤颗粒的黏结作用也会增强，土壤黏结力则呈逐步增加的趋势(图1)，表现为2盖度结皮平均黏结力比1盖度增加17%，3盖度比1盖度增加24%，4盖度比1盖度增加25%。另外，将1盖度结皮黏结力与当地耕地土壤黏结力相比，前者平均黏结力约为后者的2倍。由此可见，结皮的形成增加了土壤黏结力，虽然在高盖度时结皮土壤黏结力相差不大，但其变化总趋势是随着结皮盖度的增加土壤黏结力在逐渐增大。

图1 生物结皮盖度对土壤容重和黏结力的影响

3.1.3 生物结皮盖度对土壤有机质的影响

从试验观测数据和图2可知，不同盖度生物结皮有机质变化的特点是，有结皮土壤有机质含量高于揭去结皮的土壤，高盖度结皮土壤有机质含量高于低盖度结皮土壤，其中:1盖度平均土壤有机质含量为0.9 g/kg，比揭去结皮土壤增加了27%;2、3盖度平均土壤有机质含量均为1.3 g/kg，比1盖度增加了44%;4盖度平均土壤有机质含量为1.8 g/kg，是1盖度的2倍。由此可见，生物结皮的形成提高了土壤的有机质含量。

图2 生物结皮盖度对有机质的影响

3.1.4 生物结皮盖度对土壤水稳性团聚体的影响

撂荒地表面形成生物结皮后，土壤中的水稳性颗粒组成发生了明显的变化。从观测资料和图3可知，除13年限＞5 mm水稳性团聚体百分比大小排序是3盖度＞4盖度＞1盖度＞2盖度外，3年限、7年限生物结皮＞5 mm水稳性团聚体百分比变化特点基本是1盖度＜2盖度＜3盖度＜4盖度。所以，不同盖度生物结皮＞5 mm水稳性团聚体百分比变化总趋势是随着盖度的增加而增加的，即盖度越高，＞5 mm水稳性团聚体百分比含量就越高，表明结皮的形成对于大颗粒团粒的形成具有促进作用。而之所以在13年限出现2盖度(89%)较1盖度(93%)值低和4盖度(95%)较3盖度(97%)值低，其原因可能是由于采样不均或试验误差引起的。

图3 生物结皮盖度对水稳性团聚体含量的影响

3.2 不同盖度生物结皮土壤抗冲性研究

随着生物结皮盖度的提高，结皮的抗冲时间延长，2盖度生物结皮的平均冲刷时间约是1盖度冲刷时间的2倍，3盖度约是2盖度的2倍，4盖度约是3盖度的1倍，特别是3年限、7年限结皮盖度为4和13年限结皮盖度为3、4时，结皮的抗冲时间均为30 min(即在该试验条件下30 min的冲刷对结皮土壤不产生任何影响)，表明结皮的存在抑制了侵蚀，且随结皮盖度的增加抗冲刷能力在逐渐增强，发育完善的结皮可以延后或避免侵蚀的发生与发展。

不同盖度结皮土壤侵蚀率变化特点是:1盖度＞2盖度＞3盖度＞4盖度，即土壤侵蚀率随着结皮盖度的提高而降低。其中:2盖度生物结皮平均土壤侵蚀率为8 283 g/m2，比1盖度减少了11%;3盖度为2 676 g/m2，比1盖度减少了71%;4盖度未发生侵蚀。此特点与生物结皮的抗冲刷时间变化特点一致，说明结皮平均土壤侵蚀率随着结皮盖度的提高而降低，尤其是3年限、7年限结皮盖度为4和13年限结皮盖度为3、4时，结皮的土壤侵蚀率均为0，进一步表明在此试验条件下土壤侵蚀不曾发生，高盖度结皮具有很强的抗冲刷能力。

3.3 生物结皮土壤理化属性与抗冲性关系分析

对试验测得的与抗冲性有关的不同盖度生物结皮的容重、黏结力、有机质、水稳性团聚体4个理化指标与不同盖度生物结皮平均土壤侵蚀率进行了相关分析，结果表明:各盖度土壤侵蚀率与各盖度结皮有机质、黏结力、水稳性团聚体呈负相关关系，与容重呈正相关关系。各理化指标与土壤侵蚀率关系分析中，黏结力对结皮土壤抗冲性影响最大，达极显著水平，其次为团聚体，达显著水平。

4 结语

(1)生物结皮的生长与发育对土壤的容重、有机质、水稳性团聚体等都产生了影响，表现为除7年限2盖度结皮容重值比1盖度高之外，其余容重变化均为1盖度＞2盖度＞3盖度＞4盖度;土壤黏结力和有机质均随着结皮盖度的增加而逐渐增大;随着生物结皮盖度的逐渐增加，＞5 mm水稳性团聚体百分比含量也增加，表明结皮的形成对于大颗粒团粒的形成具有促进作用。

(2)生物结皮的生长与发育影响其抗冲性。土壤侵蚀率均随着结皮盖度的提高而降低，抗冲时间随着结皮盖度的提高而延长。尤其是3年限、7年限结皮盖度为4和13年限结皮盖度为3、4时，结皮土壤侵蚀率均为0，结皮的抗冲时间为30 min，表明在该试验条件下结皮具有很强的抗冲能力，结皮形成能延长侵蚀突破口形成和增加抵抗径流冲破的时间，减少或避免了土壤侵蚀的发生与发展。

(3)生物结皮提高土壤抗冲性的作用主要表现在生物结皮提高了黏结力与土壤团聚体含量。其作用机理在于:生物结皮通过低等植物本身分泌的有机凝胶体和多聚糖等胶结物质及菌丝网络对土壤的缠绕、包裹等作用稳固土壤表面，加强了松散土粒之间的黏结作用，使土壤表面黏结力增加，从而增强了土壤抗冲性，且随着结皮盖度的提高，生物结皮生长发育越旺盛，结皮所分泌的有机凝胶体和多聚糖等胶结物质数量越多，根系与根系之间的联结穿插作用也逐步增强，各根系之间的捆绑作用随之增强，因而也随之增强了土壤抗冲性;生物结皮菌根、菌丝作为有机胶结物质对土壤团聚体的形成具有促进作用，且盖度越高作用越强，土壤抗冲性也相应增强。

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[6]赵允格，许明祥，王全九，等.黄土丘陵区退耕地生物结皮理化性状初报[J].应用生态学报，2006，17(8):1 429-1 434.

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