红壤生物结皮对土壤侵蚀及养分的影响

胡 尧， 侯雨乐， 李 懿

(阿坝师范高等专科学校， 四川 阿坝 611741)



红壤生物结皮对土壤侵蚀及养分的影响

胡 尧， 侯雨乐， 李 懿

(阿坝师范高等专科学校， 四川 阿坝 611741)

为了解生物结皮在红壤坡面养分流失过程中的作用，为建立坡面土壤养分流失模型和防治水土流失、保护生态环境提供科学依据，采用人工降雨方法，模拟在无结皮和有结皮不同发育程度下，研究川西红壤生物结皮对土壤侵蚀及养分的影响。结果表明：结皮促使土壤坡面产流提前发生，降低了土壤剖面径流和抑制产沙；生物结皮显著增加了土壤含水量、电导率、全盐和总孔隙度，但并没有影响pH和容重；与无结皮相比，生物结皮显著影响土壤有机碳、无机碳、全钾和有效钾含量，未影响土壤磷素和氮素含量，土壤有机碳、全氮、铵态氮、全磷、有效磷、全钾和有效钾含量分别增加12.51%、6.67%、4.04%、2.49%、2.60%、16.10%和16.08%，无机碳和硝态氮分别减少8.32%和8.26%。土壤垂直方向生物结皮处理土壤养分0～5 cm和5～10 cm土层相近，且明显高于底层土壤，相同土层土壤养分基本表现为生物结皮>无结皮，局部有波动；15～20 cm土层无结皮处理土壤养分与有结皮处理土壤养分相近，表明生物结皮具有较好的养分积累效应，但这种富集对0～10 cm土层的作用较明显，而对深层土壤影响并不大。Pearson相关分析表明，土壤有机碳与其他养分之间基本呈正相关，而无机碳则相反，表明生物结皮对有机碳和无机碳的影响存在相互补偿作用机制，即生物结皮导致有机碳的增加可能意味着无机碳的减少。

红壤； 生物结皮； 土壤侵蚀； 土壤养分

土壤坡面水土流失实质是坡地表层土壤与降雨、径流相互作用的一系列复杂的物理化学过程，并且受降雨特性和下垫面特性等因素的影响。水土流失产生的泥沙流失量主要受产流排水率、径流泥沙浓度的影响，而结皮效应也是影响泥沙流失量的重要因素[1-3]。降雨条件下，雨水在土壤剖面以入渗和径流2种形式进行运移，当雨水入渗量超过土壤最大蓄水量时，径流产生，土壤表层易受降雨冲刷侵蚀，径流随后发展为泥沙流失，引起土壤养分流失，恶化生态环境[4-5]。因此，防治坡地水土流失，减少养分损失，保护生态环境成为当前中外学者共同关注的热点之一。

我国红壤丘陵区地处热带、亚热带，面积113万km2，水热资源丰富，是我国重要的农业生产区域[6-8]。尽管红壤丘陵区气候温暖，雨量丰沛，但时空分布极不均匀，由于坡耕地分布广泛，随着土地资源的不合理开发与利用，水土资源流失严重[9-10]，土壤侵蚀成为红壤地区土壤退化的最主要形式，而降雨则成为该区土壤侵蚀的最主要影响因子[8,10]。降雨条件下土壤养分流失是导致坡面土壤质量退化的重要原因，在强降雨背景下极易造成该区域土壤坡面水土及养分流失等，生物结皮的覆盖不仅能够通过削减雨滴动能来降低土壤流失量[11-13]。生物结皮是坡面存在的一种特殊下垫面，是在裸露或覆盖度很低的土壤上因雨滴击溅、径流冲刷作用下形成的致密层[12,14-15]。生物结皮相关研究表明，结皮层表面光滑，强度大，导水性和稳定性较差，能减缓水分入渗，降低土壤入渗率，减小地表粗糙度。国内外众多学者深入探讨了生物结皮发育机理、形成过程及其关键的影响因子，揭示了生物结皮具有减少入渗、促进产流、增大产沙和影响作物生长发育等作用[11-13,16-18]；而关于模拟降雨条件下，红壤生物结皮对泥沙流失特征及其养分富集效应的研究尚未见报道。为此，笔者通过模拟降雨试验，研究生物结皮对红壤坡面的入渗、产流产沙特征以及流失泥沙的养分富集效应，旨在揭示生物结皮对红壤坡面的泥沙流失发生规律以及养分富集效应特点，有助于理解生物结皮在红壤坡面养分流失过程中的作用，为建立坡面土壤养分流失模型和防治水土流失、保护生态环境提供科学依据和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验土壤取自四川省攀枝花市盐边县惠民乡(101°68′75″E，26°56′13″N)，供试土样为发育于第四纪红色黏土母质的典型红壤，含粘粒为16.5%、粉粒78.2%、砂粒5.3%，pH 5.92，有机质9.38 g/kg、全氮0.94 g/kg、全磷0.64 g/kg、全钾22.37 g/kg、有效磷45.78 g/kg、有效钾4.23 g/kg。

1.2 试验装置及设计

2012年6—9月，模拟降雨试验在四川农业大学农学院试验大棚进行，试验所用土槽尺寸规格为1 m(长)×0.5 m(宽)×0.5 m(深)，下端设集流装置采集径流泥沙样，底部安装径流桶，用于降雨侵蚀泥沙和地表径流的收集观测，装试验土(红壤)槽前，将供试土样过1 cm筛，为保证良好的透水性，在试验土槽底部铺10 cm厚的细沙。细沙上部按照1.30 g/cm3的容重每5 cm为一层填装供试红壤，装土厚度为30 cm。装完土槽后，前期降雨24 h后进行降雨强度为60 mm/h的模拟降雨，降雨直至坡面即将发生产流为止，形成生物结皮并确保每次试验前土壤含水量一致。采用侧喷式人工降雨装置，该装置由2组单喷头对喷，降雨高度16 m，雨滴直径和雨滴分布与天然降雨相似，降雨均匀度大于80%。

试验处理包括有结皮和无结皮2种处理。结皮处理是通过前期降雨使土壤表面形成结皮；无结皮处理是前期降雨24 h后对土壤表面形成的结皮进行破坏，破坏深度1～2 cm，以模拟无结皮自然表面。导致土壤流失的主要降雨类型为短历时、高强度降雨，降雨时间多在1 h左右，且中度侵蚀的瞬时雨强标准为0.71 mm/min，试验设计降雨强度为60 mm/h(即1.0 mm/min)，历时1 h，试验重复3次。

1.3 样品测定

以0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm和15～20 cm分层多点取样，同层土壤混匀作为分析样。将土壤样品运回实验室，风干后除去肉眼可见的碎石、植物残体等杂质，所取土样分为2份，一份装自封袋中，测定土壤含水量(烘干法，%)；一份自然风干(20 d)去除碎片和部分根后过2 mm筛，测定土壤养分及理化性质。

自然风干20 d后土壤理化性质及养分含量的测定：pH采用电极电位法测定(1∶2.5土水比)，电导率采用P4多功能测定仪测定，土壤有机碳含量(g/kg)采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤电导率(5∶1水土比浸提液；EC，μS/cm)采用P4多功能测定仪测定，土壤全氮(g/kg)用凯氏定氮法，土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融-钼锑抗比色法，有效磷(mg/kg)采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，硝态氮和铵态氮采用1 mol/L KCl浸提-AA3连续流动分析仪测定，全钾(g/kg)采用火焰分光光度法，有效钾(mg/kg)采用乙酸铵浸提-原子吸收分光光度计法[19]。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理与分析，SPSS18.0作回归分析和统计检验，由原始数据拟合得到的回归关系经统计学检验得到最佳拟合度参数R2， 并在P<0.05水平检验相关系数的显著性， Origin 7.5作图。

2 结果与分析

2.1 生物结皮对土壤坡面水土流失的影响

由图1可知，有结皮的土壤坡面产流早于无结皮的坡面，有结皮处理的产流时间为79 s，无结皮处理的产流时间为123 s，较无结皮提前44 s。在本试验中，有、无结皮小区均以面蚀为主，无明显细沟侵蚀现象。从观测的数据看，无结皮处理侵蚀泥沙量平均为137.43 g/m2，是生物结皮处理的3.15倍；无结皮处理地表径流量平均为6.8×105mm，是生物结皮处理的1.33倍，经统计学检验均达差异显著水平(P<0.05)。由此可见，生物结皮能显著降低土壤侵蚀。

图1 生物结皮和无结皮处理的坡面水土流失状况

Fig.1 Effect of biological crust and non-crust on water and soil erosion of slope surface

2.2 生物结皮对土壤坡面产流产沙的影响

由图2可知，生物结皮和无结皮处理的产沙率均随降雨历时呈降低→稳定的现象，且在整个降雨过程中，无结皮处理的产沙率均大于结皮处理，表明生物结皮在土壤坡面上能够抑制产沙，10 min后，坡面径流量在整个降雨过程中的变化情况较稳定；随着降雨的进行，有结皮的土壤坡面径流量略小于无结皮的坡面产流量。因此，有结皮坡面的径流冲刷携带能力较无结皮坡面弱，且由于结皮的存在，地表松散颗粒较少，其随径流搬运出的泥沙相对较少，故结皮在土壤坡面上呈抑制产沙的作用。

2.3 生物结皮对土壤理化性质的影响

由表1可知，生物结皮对土壤理化性质的影响较为显著。有结皮和无结皮处理下土壤含水量、电导率、全盐和总孔隙度在0～20 cm剖面上均呈逐渐递减趋势，而不管有无结皮，pH和容重在剖面上并无明显的变化规律，即生物结皮的存在未影响pH和容重；有结皮处理下土壤含水量、电导率、全盐和总孔隙度0～5 cm和5～10 cm土层相近，且明显高于底层土壤，相同土层土壤各理化指标基本表现为生物结皮>无结皮，局部有波动，而且随剖面深度的增加差异逐渐消失；15～20 cm土层无结皮处理与有结皮处理的土壤各理化指标基本相等。说明，生物结皮对土壤剖面0～10 cm土层土壤各理化指标作用较明显，而对深层土壤影响不大。经统计学检验可知，生物结皮处理下土壤含水量、电导率和全盐与无结皮达显著差异(P<0.05)，生物结皮相对无结皮处理，其土壤含水量、容重、pH、电导率、全盐和总孔隙度分别增加12.82%、1.67%、-1.65%、6.91%、4.62%和1.47%。

图2 生物结皮和无结皮处理的土壤坡面产流产沙状况

Fig.2 Effect of biological crust and non-crust on runoff and sediment on soil slope surface

表1 生物结皮和无结皮处理的土壤理化性质

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference at 0.05 level. The same below.

图3 生物结皮和无结皮处理土壤养分的垂直分布

图4 生物结皮和无结皮处理的土壤养分

2.4 生物结皮对土壤养分垂直分布的影响

图3显示生物结皮对土壤养分垂直分布的影响。总体来看，无论有无生物结皮，土壤有机质、全氮、全钾和有效钾均随土壤深度的增加呈减少趋势，但减少幅度不同。其中，土壤有机质、全氮、全钾和有效钾在10 cm以下减少幅度较小，相同土层土壤有机质、全氮、全钾和有效钾均表现为生物结皮>无结皮，局部有波动。说明，生物结皮有利于土壤有机质、全氮、全钾和有效钾的富集，土壤硝态氮、铵态氮、全磷和有效磷随土壤深度的增加无明显的变化趋势，而土壤无机碳随土壤深度的增加呈增加趋势，与有机碳的变化趋势相反。由图3还可知，有结皮处理下土壤有机质、全氮、全钾和有效钾，0～5 cm和5～10 cm土层相近，15～20 cm土层无结皮处理下土壤有机质、全氮、全钾和有效钾与有结皮处理基本相等。说明，生物结皮对土壤剖面0～10 cm土层土壤有机质、全氮、全钾和有效钾作用较明显，而对深层土壤影响不大。由此可知，生物结皮对土壤养分的影响主要发生在0～10 cm土壤。

2.5 生物结皮对土壤养分的影响

由图4可知，就平均值来看，生物结皮处理下土壤有机碳、无机碳、全钾和有效钾与无结皮达显著差异(P<0.05)，与无结皮相比，生物结皮下土壤有机碳、全氮、铵态氮、全磷、有效磷、全钾和有效钾分别增加12.51%、6.67%、4.04%、2.49%、2.60%、16.10%和16.08%，无机碳和硝态氮分别减少8.32%和8.26%。

表2 土壤养分指标之间的相关分析

注：**相关性在0.01水平上显著(双尾)，*相关性在0.05水平上显著(双尾)。

Note: ** and * indicates significance of difference at 0.01 and 0.05 level.

2.6 土壤养分指标之间的相关分析

在土壤生态系统中，土壤养分各指标之间的关系十分紧密。从表2可知，土壤有机碳与无机碳呈极显著负相关(P<0.01)，与全氮、硝态氮和铵态氮呈极显著正相关(P<0.01)，与全钾呈显著正相关(P<0.05)；无机碳与全氮呈极显著负相关(P<0.01)，与铵态氮、全磷和有效磷呈显著负相关(P<0.05)；全氮与全磷、全钾呈极显著正相关(P<0.01)，与铵态氮呈显著正相关(P<0.05)；铵态氮与全钾呈显著正相关(P<0.05)；全磷与有效磷和全钾呈极显著正相关(P<0.01)；有效磷与有效钾呈显著正相关(P<0.05)；全钾与有效钾呈极显著正相关(P<0.01)。

3 结论与讨论

生物结皮受雨滴打击和颗粒重新排列的影响，从而成为土壤表面一层致密的保护层，具有紧密、坚硬、透水性差等特性，可通过降低土壤水分的传导性以减小土壤渗透率[14-15,18]。本研究中，坡面径流量和产沙率随着结皮形成而降低，因此，结皮具有降低径流和抑制产沙作用，当降雨发生时，有结皮的坡面受到结皮层的影响，通过阻碍水分入渗、降低土壤入渗率而加速坡面产流的发生，导致有结皮坡面产流早于无结皮坡面的现象。此外，结皮对坡面产流量的影响较为明显，结皮由于生物量较大，抗冲刷、抗侵蚀能力较强，可通过结皮生物体(如菌丝体、藻丝体和苔藓假根等)及其分泌物将松散土粒紧密地缠绕和黏结在一起，并以自身的代谢方式改变土壤结构，提高土壤抗蚀性[14-17,20]，因此，表现出显著减少风蚀或水蚀效应。

Kleiner E F等[21]早已提出生物结皮对土壤养分的影响主要是通过降低土壤侵蚀和改变理化性质实现的，而生物结皮对土壤养分的富集主要是其固定效应和保蓄效应综合作用的结果[11-12,16-17]。研究结果表明，生物结皮对土壤理化性质的影响较显著，具体表现为显著增加土壤含水量、电导率、全盐和总孔隙度，但并没有影响pH和容重，主要是由于生物结皮及其分泌物抗冲刷、抗侵蚀能力较强，将松散土粒紧密地缠绕和黏结在一起，防止水分散失，从而改变其物理结构[14-17,20]，但这种结构的变化并没有影响pH和容重，这对于生物结皮对土壤养分的富集具有重要意义。生物结皮具有减少土壤养分流失的作用，与无结皮相比，生物结皮显著影响了土壤有机碳、无机碳、全钾和有效钾，并没有影响土壤磷素和氮素的变化，由于氮素在土壤中易发生迁移淋洗，并且生物结皮藻类的固氮作用可能向地表释放一部分氮素[11-12,22]，径流冲刷强度以及氮素易随径流运移流失造成了硝态氮在垂直方向无规律的变化，加之裸地地表接受一定的大气降尘，会对本试验结果产生一定影响[11-12,22-24]。磷素作为一种沉积性元素，由母质类型和成土条件决定，在土壤中的存在形式较稳定、不易流失[12,25-26]。因此，短期的生物结皮很难造成磷素的变化，生物结皮则降低了土壤剖面中无机碳含量，无机碳与有机碳含量变化趋势相反，Pearson相关分析表明，土壤有机碳与其他养分之间呈正相关，而无机碳则相反，表明生物结皮对有机碳和无机碳的影响存在相互补偿作用机制，即生物结皮导致有机碳的增加可能意味着无机碳的减少。

土壤垂直方向生物结皮处理下土壤养分0～5 cm和5～10 cm土层近似相等，且明显高于底层土壤，相同土层土壤养分基本表现为生物结皮>无结皮，局部有波动，15～20 cm土层无结皮处理下土壤养分与有结皮处理土壤养分基本相等。表明生物结皮促进了养分的富集，但这种富集对0～10 cm土层的作用较明显，而对深层土壤影响并不大。本试验在特定侵蚀条件下进行，结果表明了生物结皮具有提高土壤抗蚀性和土壤养分富集的作用，而生物结皮的发育具有明显的时空异质性[27-30]，生物结皮与土壤溶质迁移的关系以及生物结皮对土壤侵蚀的影响过程较复杂，本文仅仅分析了一定坡面下生物结皮对产流产沙及土壤养分的影响，有关结皮对土壤侵蚀存在相反作用是否存在阈值坡度，生物结皮对坡面土壤溶质向径流释放机理影响及其动力学机制还有待深入研究。

[1] Quinton J N,Govers G,Van Oost K,et al.The impact of agricultural soil erosion on biogeochemical cycling[J].Nature Geoscience,2010,3(5):311-314.

[2] Zachar D.Soil erosion[M].Amsterdam:Elsevier,2011.

[3] Shakesby R A.Post-wildfire soil erosion in the Mediterranean: review and future research directions[J]. Earth-Science Reviews,2011,105(3):71-100.

[4] Kleinman P,Sharpley A,Buda A,et al.Soil controls of phosphorus in runoff:Management barriers and opportunities[J]. Canadian Journal of Soil Science,2011,91(3):329-338.

[5] Kibet L C,Allen A L,Church C,et al.Transport of dissolved trace elements in surface runoff and leachate from a Coastal Plain soil after poultry litter application[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,68(3):212-220.

[6] 王昭艳,左长清,曹文洪,等.红壤丘陵区不同植被恢复模式土壤理化性质相关分析[J].土壤学报,2011,48(4):715-724.

[7] 李忠武,郭旺,王晓燕,等.南方红壤丘陵区不同土地利用方式下土壤有机碳分布特征及其与草本生物量的关系[J].应用生态学报,2012,23(4):867-874.

[8] 林 晨,周生路,吴绍华.30年来东南红壤丘陵区土壤侵蚀度时空演变研究[J].地理科学,2011,31(10):1234-1241.

[9] 田 锋,凌 琳,黄 林,等.人工干扰下的小流域土地利用景观格局变化研究--以信丰县崇墩沟小流域为例[J].国土与自然资源研究,2014(2):24-26.

[10] 王 丰,邓小华,王少先,等.黔西南州植烟土壤有机质含量及与其他土壤养分的关系[J].山地农业生物学报,2014,33(5):63-68.

[11] 孟 杰,卜崇峰,李 莉,等.侵蚀条件下生物结皮对坡面土壤碳氮的影响[J].中国水土保持科学,2011,9(3):45-51.

[12] 郭新送,宋付朋,高 杨,等.模拟降雨下3种类型土壤坡面的泥沙流失特征及其养分富集效应[J].水土保持学报,2014,28(3):23-28.

[13] 尹瑞平,吴永胜,张 欣,等.毛乌素沙地南缘沙丘生物结皮对凝结水形成和蒸发的影响[J].生态学报,2013,33(19):6173-6180.

[14] Maestre F T,Bowker M A,Cant n Y,et al.Ecology and functional roles of biological soil crusts in semi-arid ecosystems of Spain[J].Journal of Arid Environments,2011,75(12):1282-1291.

[15] Chamizo S,Cant n Y,L zaro R,et al. Crust composition and disturbance drive infiltration through biological soil crusts in semiarid ecosystems[J].Ecosystems,2012,15(1):148-161.

[16] Levy G J,Levin J,Shainberg I. Seal formation and interrill soil erosion[J].Soil Science Society of America Journal,1994,58(1):203-209.

[17] Eldridge D J,Greene R S B.Microbiotic soil crusts-a review of their roles in soil and ecological processes in the rangelands of Australia[J].Soil Research,1994,32(3):389-415.

[18] 蔡强国,陆兆雄.黄土发育土壤结皮过程和微结构分析的试验研究[J].应用基础与工程科学学报,1996,4(4):363-370.

[19] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社,2000.

[20] Moore D C,Singer M J.Crust formation effects on soil erosion processes[J].Soil Science Society of America Journal,1990,54(4):1117-1123.

[21] Kleiner E F,Harper K T.Soil properties in relation to cryptogamic groundcover in Canyonlands National Park[J].Journal of Range Management Archives,1977,30(3):202-205.

[22] 井光花,于兴修,刘前进,等.沂蒙山区不同强降雨下土壤的氮素流失特征分析[J].农业工程学报,2012,28(6):120-125.

[23] 张兴昌,邵明安.坡地土壤氮素与降雨,径流的相互作用机理及模型[J].地理科学进展,2000,19(2):128-135.

[24] 袁东海,王兆骞,陈 欣,等.不同农作方式红壤坡耕地土壤氮素流失特征[J].应用生态学报,2002,13(7):863-866.

[25] 梁 涛,王 浩,章 申,等.西苕溪流域不同土地类型下磷素随暴雨径流的迁移特征[J].环境科学,2003,24(2):35-40.

[26] 杨 珏,阮晓红.土壤磷素循环及其对土壤磷流失的影响[J].土壤与环境,2001,10(3):256-258.

[27] 张元明,杨维康,王雪芹,等.生物结皮影响下的土壤有机质分异特征[J].生态学报,2005,25(12):3420-3425.

[28] 吴 楠,张元明,张 静,等.生物结皮恢复过程中土壤生态因子分异特征[J].中国沙漠,2007,27(3):397-404.

[29] 吴 楠,张元明.古尔班通古特沙漠生物土壤结皮影响下的土壤酶分布特征[J].中国沙漠,2010,30(5):1128-1136.

[30] 李新荣,张元明,赵允格.生物土壤结皮研究:进展,前沿与展望[J].地球科学进展,2009,24(1):11-24.

(责任编辑： 刘 海)

Effects of Biological Crust on Soil Erosion and Nutrient in Red Soil

HU Yao, HOU Yule, LI Yi

(AbaTeachersCollege,Aba,Sichuan611741,China)

The effects of biological crust on soil erosion and nutrients in red soil were studied under simulating different development degree of non-crust and crust by artificial rainfall method to know the effect of biological crust on nutrient loss of red soil slope surface and provide the scientific basis for building soil nutrient loss model of slope surface, control of water and soil erosion and protection of ecological environment. The results showed that crust can promote runoff occurrence of soil slope surface early, reduces runoff of soil slope and control of sedimentation. Biological crust improves soil moisture, conductivity, total salt and total porosity significantly but does not influence P and N content. The soil organic carbon, TN, ammonium nitrogen, available P, TK and available K content under the biological crust condition is 12.51%, 6.67%, 4.04%, 2.49%, 2.60%, 16.10% and 16.08 higher than under the non-crust condition respectively, and inorganic carbon and nitrate nitrogen content under the biological crust condition is 8.32% and 8.26% lower than under the non-crust condition. Soil nutrients in 0～5 cm and 5～10 cm soil layers under the biological crust condition are no obvious difference and are higher than in the bottom soil significantly. Soil nutrients in the same soil layer is biological crust treatment >non-crust treatment basically. Soil nutrients in 15～20 cm soil layer of non- crust treatment is close to biological crust treatment, which indicates that biological crust is of good nutrient accumulative effect but its enrichment has the obvious effect on 0～10 cm soil layer. Pearson correlation analysis indicates soil organic carbon is positively related to other nutrients basically but inorganic carbon is on the contrary, which indicates there is a mutual compensation mechanism in the effect of biological crust on organic carbon and inorganic carbon. That is, biological crust treatment results in organic carbon increase and inorganic carbon decrease.

red soil; biological crust; soil erision; soil nutrient

2014-09-20； 2015-05-02修回

阿坝师范高等专科学校校级规划课题“汾河流域旱涝灾害研究”(ASB14-09)

胡 尧(1982-)，男，讲师，硕士，从事区域地理研究。E-mail: huyao1982@163.com

1001-3601(2015)05-0251-0114-06

S157.1

A