黄土 高原 生物结皮 土壤 抗水蚀机理研究

Abstract

黄土高原退耕还林（草）工程实施后，以蓝绿藻类、苔藓类、地衣类等先锋物种 为主的生物土壤结皮（简称生物结皮）广泛发育，其在改善土壤理化属性，防治土壤 侵蚀，促进生态恢复等方面具有显著作用。其中，稳定土壤和防止土壤侵蚀是生物结 皮最重要的生态功能。为了明确生物结皮增强土壤抗侵蚀性的作用机理，本文以黄土 高原水蚀区不同类型（藻结皮和藓结皮）及发育阶段的生物结皮为研究对象，通过野 外调查结合室内外分析测定，在明确研究区生物结皮形成分布特征及其对土壤理化属 性影响的研究基础上，利用模型估算、模拟降雨、放水冲刷，研究生物结皮对土壤抗 水蚀能力的影响，从内因（生物结皮对土壤理化属性的影响）和外因（覆盖作用）两 方面解析了黄土高原水蚀区生物结皮土壤的抗水蚀机理，揭示了生物结皮增强土壤抗 侵蚀性的方式及程度，确定了生物结皮对土壤抗蚀、抗冲性的作用阈值，明确了生物 结皮土壤抗水蚀的主导影响因子，为建立考虑生物结皮的土壤侵蚀预报模型奠定了科 学基础。所得主要结论如下： （1 ） 黄土高原 退耕地 生物结皮达 总盖度可达 55%-80% ， 演替 规律 由藻结皮直接发 育至藓结皮 ， 藓结皮可以 表征 研究区生物结皮的发育 程度 。 生物结皮分布受降水、土壤质地、坡向、坡度、坡位及维管束植物影响显著。藓 结皮盖度随降水量（550-250 mm）的降低增加了 2 倍，而藻结皮则降低了 35%，地衣 结皮盖度为 10%左右。砂土上藓结皮的盖度约是壤土的 2 倍，壤土上藻结皮较砂土上 高 27%。不同坡向上，藓结皮在阴坡的分布较阳坡高 59%，藻结皮则低 22%，地衣结 皮无显著差异。缓坡上藻结皮和藓结皮分布较多，地衣结皮则适宜在陡坡生长。不同 坡位上藻结皮分布无显著差异，藓结皮则在坡顶和下坡位分布较多，为 30%左右。藓 结皮盖度随着维管束植物的增加显著下降，藻结皮和地衣结皮受维管束植物影响较小。 随着退耕时间延长，藻结皮盖度呈对数函数下降，藓结皮盖度呈幂函数增加。生 物结皮在退耕后 5 年左右即可发育至藓结皮为主的阶段，此时藓结皮与藻结皮盖度均 为 40%左右。 （2） ）、 生物结皮发育显著增加了土壤有机质、全氮、 土壤细颗粒 含量及土壤粘结力， 降低 了 土壤容重 。生物结皮发育后期藓结皮（藓生物量为 8.84&plusmn;0.27 g/dm 2 ）土壤有机 质和全氮含量较初期藻结皮（生物量为 3.67&plusmn;1.10 mg/g，以叶绿素 a 含量表示，下同） 分别增加了 1.6 倍和 1.3 倍。随着生物结皮的发育，土壤细颗粒（&lt;0.01 mm）含量增加，粗颗粒（0.05-0.25 mm）含量减少。生物结皮发育后期土壤容重较初期降低约 14%。生 物结皮发育过程中，土壤粘结力是去除生物结皮土壤的 6-7 倍。 （3 ） 生物结皮 显著降低了土壤可蚀性， 主要 与 土壤有机质含量 的增加有关 。 随着生物结皮的发育土壤可蚀性显著降低，发育后期土壤可蚀性较初期降低了约 21%。藓结皮的发育程度可用于表征生物结皮土壤可蚀性的变化。 （4 ） 生物结皮显著增强 了 土壤抗蚀性， 程度 与生物结皮类型和发育程度有关 。 生 物结皮 主要 通过 覆盖作用削减雨滴动能 进而增强土壤抗溅蚀性 。 随着生物结皮发育，生物结皮承受的降雨动能显著增加，土壤流失量显著降低。当 藓结皮盖度大于 33%，藓生物量大于 0.67 g/dm 2 ，对应的藻结皮生物量为 17.9 mg/g 时， 生物结皮能够抵抗研究区极端暴雨侵蚀。藻结皮和藓结皮共同作用抵抗降雨侵蚀，当 藓结皮与藻结皮的盖度比大于 0.6 时，土壤流失量趋近于 0。藓结皮盖度可用于表征生 物结皮土壤抗蚀性的变化。 （5 ）生物结皮显著增强 了 土壤抗冲性， 程度 与生物结皮类型和发育程度有关。 生 物结皮通过 其覆盖的直接物理保护 作用及 改善土壤属性的间接作用提高土壤抗冲性 。 藓结皮盖度 可用于 表征生物结皮 土壤抗冲性的变化。 随着生物结皮发育，生物结皮抗冲能力增加。当藓结皮盖度大于 36%，藓生物量 大于 1.32 g/dm 2 ，相应的藻结皮生物量为 24.8 mg/g 时，生物结皮能够抵抗研究区极端 暴雨条件下的径流冲刷作用。藻结皮和藓结皮共同作用抵抗径流冲刷，当藓结皮与藻 结皮的盖度比大于 0.6 时，生物结皮可较好的保护土壤不被径流冲刷破坏。 （6 ） 生物结皮在不同水蚀阶段 抵抗侵蚀 的作用方式不同。 生物结皮的生物组成及 发育程度 是其抗侵蚀性的关键影响因子， 其 中 藓结皮覆盖度 可用于 表征生物结皮土壤 抗侵蚀 性。 雨滴溅蚀阶段，生物结皮主要通过覆盖作用（C 因子）抵抗降雨侵蚀，贡献率为 60%；当径流产生时，主要通过覆盖作用及对土壤理化属性（K 因子）的影响共同抵抗 径流侵蚀，贡献率为 50%。生物结皮发育早期阶段对土壤抗侵蚀性的影响主要是 K 因 子起主导作用，贡献率为 65.2%。藻结皮主要通过覆盖作用提高土壤抗侵蚀性，发育 早期阶段的藓结皮则主要通过对土壤理化属性的改善提高土壤的抗侵蚀能力，发育后 期阶段则是覆盖作用为主。 关键词：藓结皮；藻结皮；土壤可蚀性；土壤抗蚀性；土壤抗冲性</p