踩踏干扰下生物结皮的水分入渗与水土保持效应

冯 伟, 叶 菁

(1.水利部 水土保持监测中心, 北京 100055; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)



踩踏干扰下生物结皮的水分入渗与水土保持效应

冯 伟1, 叶 菁2

(1.水利部 水土保持监测中心, 北京 100055; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

为改善生物结皮对土壤水分的负面影响，通过野外定位观测试验，从入渗、产流产沙两方面探讨了黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮在3种踩踏强度下的水土保持效应。结果表明：(1) 相比裸土，未被踩踏的生物结皮对水分入渗、地表径流的表现形式并非单一的增加或降低，在雨季初期增渗减流，初期过后减渗增流；(2) 不同踩踏强度对水分入渗、地表径流的影响存在明显差异。同裸地对照相比，轻度踩踏结皮增渗12%，减流23.2%，中度踩踏结皮减渗3.6%，减流5.3%，重度踩踏结皮减渗25.5%，增流21.3%；(3) 不论是否被踩踏，生物结皮产生的泥沙量都显著低于裸土。同裸土产生的泥沙量相比，轻度踩踏减少56.3%，中度踩踏减少43.5%，重度踩踏减少37.9%，但中度、重度踩踏结皮改变了原先土壤侵蚀格局，增加了泥沙含量。综合考虑入渗和土壤侵蚀认为：轻度踩踏生物结皮可在不增加土壤侵蚀的前提下，促进入渗，减少径流，改善土壤水分状况。

生物结皮; 踩踏; 入渗; 径流泥沙

生物结皮(biological soil crusts，BSCs)指由细菌、真菌、藻类、地衣、苔藓等生物组份及其代谢产物与土壤颗粒物胶结而成的复合体[1]，是干旱、半干旱地区普遍存在的地被物。生物结皮菌丝和微生物分泌物具有粘结和固定土壤作用[2]，对提高土壤的稳定性[3]、积累土壤养分[4-5]和降低土壤侵蚀[6-7]都有重要作用。

陕北黄土区是水蚀风蚀交错区的中心，是黄土高原比较独特的自然地带，该区气候变化剧烈，地形和产沙地层复杂[8]，水土流失严重，长期以来一直是生态环境建设的重点和难点。“退耕还林还草”工程实施以来，该区生物结皮广泛发育，成为脆弱生态环境中水文效应及土壤侵蚀的重要影响因素之一。目前，黄土区生物结皮的研究尚处于起步阶段，有关生物结皮对下伏土壤理化性质的影响、生物结皮的土壤贮水性能及水分入渗特征、生物结皮的抗冲性、生物结皮的分布及其影响因素等均有报道[4]。李莉等[9-12]在陕北开展了生物结皮对水分入渗、土壤侵蚀、土壤酶活性的影响研究，以及人工培育条件下生物结皮的养分积累及水土保持效应。我们发现，黄土区苔藓结皮土壤水分存在浅层化现象，长期以往不利于植被正向演替，而有关如何改善此现象的研究还鲜有报道。鉴于此，本文在该区开展苔藓结皮干扰试验，试图通过扰动生物结皮，以常见干扰方式“踩踏”作为干扰方式，分析不同强度的踩踏对水分入渗及产流产沙的影响，寻找增渗减流的最适干扰强度，这对科学管理生物结皮资源具有重要的实践价值。

1　试验材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于陕北神木县境内六道沟小流域，地理坐标为110°21′—110°23′E，38°46′—38°51′N，海拔1 094.0～1 273.9 m[8]，地理位置上既属于黄土高原向毛乌素沙漠过渡、森林草原向典型干旱草原过渡的过渡地带，又属于流水作用的黄土丘陵区向干燥剥蚀作用的鄂尔多斯高原过渡的水蚀风蚀交错带，年侵蚀模数达10 000 t/km2[13]，是黄土高原北部水土流失最为严重的区域。冬春季干旱少雨多风沙，夏秋多雨且暴雨频繁，多年平均降雨量为408.5 mm，主要集中在6—9月。流域内的主要植被有柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、长芒草(Stipabungeana)、苜蓿(Medicagosativa)、达乌里胡枝子(Lespedesadavurica)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和茭蒿(Artemisiagiraldii)等。流域内生物结皮主要为发育较为稳定的苔藓结皮，主要分布水分条件较好的梁峁坡或梁梁峁顶上，据调查，结皮盖度大多介于60%～70%。

1.2研究方法

1.2.1小区布设选择典型坡面于2014年4月修建15个坡面径流小区，移植非耕作性黄土地表发育稳定的生物结皮原状土层(6 cm)到12个小区，生物结皮主要组成是苔藓结皮。每个小区长×宽为2 m×1 m，坡向北偏西，坡度为15°，中部位置安装2 m长的TDR测管，用于测定土壤剖面水分含量；底部出口处安装小型集流桶，收集次降雨产生的径流和泥沙。待生物结皮生长恢复到正常生长状态，于2014年6月25日对生物结皮进行踩踏处理，以人(45 kg)穿上木制羊蹄鞋行走于结皮小区模拟放牧羊群踩踏，羊蹄底面积为30 cm2，轻度踩踏为踩踏30%结皮小区面积(0.6 m2)，中度踩踏为踩踏60%结皮小区面积(1.2 m2)，重度踩踏为踩踏90%结皮小区面积(1.8 m2)。每个处理3个重复，上中下3排。表1为试验小区0—10 cm结皮表层基本情况。

表1试验小区基本情况

处理处理编号土壤容重/(g·cm-3)土壤饱和导水率/(10-3cm·s-1)土壤饱和含水量/%生物结皮盖度/%生物结皮厚度/mm苔藓植株高度/mm抗剪强度/(kg·cm-2)无结皮I1.38±0.044.9±0.435.2±0.30002.4±0.9无踩踏Ⅱ1.36±0.074.8±0.336.3±0.586±510.3±1.54.0±0.33.4±0.9轻度踩踏Ⅲ1.38±0.074.6±0.536.6±0.477±49.7±1.52.8±0.43.9±0.7中度踩踏Ⅳ1.42±0.084.3±0.937.0±0.875±310.3±1.52.8±0.14.0±0.9重度踩踏V1.45±0.114.2±0.836.8±1.180±510.0±1.42.4±0.24.3±0.9

注：(1) 结皮厚度、苔藓株高用游标卡尺测定，为平均值±标准差(n=12，60)；(2) 抗剪强度由袖珍剪力测量仪在地表干燥状态下测定，为平均值±标准差(n=18)；(3) 其余指标于实施干扰后的一个星期(2014年6月29日)利用常规方法测定，为平均值±标准差(n=3)，利用目估法结合利用Image J 1.48 v进行处理结皮小区照片获得结皮盖度。下文直接用处理编号代指处理水平。

1.2.2测定项目与方法试验监测选择在2014年7—10月(雨季)进行，使用TDR(TRIME-IPH)测定小区中部180 cm剖面水分，测定间距为10 cm，监测频次为每10天测定1次土壤水分。在预报有降雨情况下，在降雨前、后的24 h内加测土壤含水量，用次降雨前、后土壤储水量的差值表示入渗量(mm)。在每场降雨结束后，降雨量采用标准雨量计观测获取。用量筒测定径流桶中的径流体积，利用称重法计算径流中泥沙含量，计算公式参考文献[14]。降雨量和雨强数据来自于中国科学院水利部水土保持研究所神木侵蚀与环境试验站。

1.3数据处理

试验数据运用Microsoft Excel 2010处理和SPSS 16.0进行单因素ANOVA分析。

2　结果与分析

2.1踩踏强度对水分入渗的影响

通过监测整个观测期12次产流降雨前后土壤剖面水分含量，计算出各次降雨的水分入渗量，结果见表2。不难看出，处理Ⅱ与对照处理Ⅰ水分入渗量在雨季有9次降雨差异不显著，在前3次产流降雨，处理Ⅱ水分入渗量高于处理Ⅰ，而在之后水分入渗低于处理Ⅰ，表明生物结皮并非单一的促进或是抑制土壤水分入渗，这与李莉等[9]的研究结果一致。可能是由于降雨时间间隔、降雨特征及蒸发等野外复杂条件导致土壤表层水分含量存在差异，从而影响水分入渗。但就入渗量总和而言，生物结皮相比对照减少水分入渗1.2%，即可推断出发育较成熟稳定的生物结皮在自然条件或长期禁牧条件下阻碍水分入渗。有研究表明围栏禁牧15 a生物结皮降低了水分的入渗速率和下渗深度[15]，这可能与生物结皮本身致密结构和吸水特性有关。

不同强度踩踏下生物结皮的水分入渗量存在差异(表2)。处理Ⅲ水分入渗量在雨季有4次降雨显著高于对照处理Ⅰ，6次差异不显著，但入渗量总和显著高于无结皮对照，增渗12%，意味着轻度踩踏生物结皮总体上有利于促进水分入渗，主要是由于踩踏强度小，被压实的土壤面积小，踩踏导致周围结皮层破碎利于雨水下渗，最后表现为促进水分入渗。处理Ⅳ水分入渗量在雨季有8次降雨与对照处理Ⅰ差异不显著，且有3次显著低于对照，入渗量总和稍低于对照，减渗3.6%，但两者差异不显著，说明此强度下的踩踏结皮对水分入渗贡献作用不大。处理Ⅴ水分入渗量在雨季有5次降雨显著低于对照，其余7次相比对照没有显著性差异，整个观测期入渗总量显著低于无结皮对照，减渗25.5%。分析原因，一方面是重度踩踏直接压实表层土壤，使土壤孔隙度和导水性能下降，通气透水性变差，降水多集中在土壤表层不能够向下渗透；另一方面高强度的踩踏结皮，影响具有一定高度的苔藓植株生长，降雨在地表的停留时间降低，导致水分入渗量减少。

表2不同处理下的入渗量及入渗总量mm

处理土壤水分入渗量07-0907-1107-1407-1607-2908-0408-2709-0109-1109-1609-2310-01总入渗量Ⅰ4.4±0.2a1.0±0.1bc2.1±0.1bc2.1±0.1ab10.1±0.5b3.8±0.2b11.0±0.6ab4.1±0.2b6.7±0.4ab3.3±0.2a0.9±0.1b3.6±0.2a53.0±2.8bⅡ4.8±0.2a2.2±0.1a2.8±0.1ab1.6±0.1bc9.2±0.5c3.5±0.2bc10.6±0.5b4.0±0.2ab5.7±0.3c3.3±0.2a1.0±0.1b3.5±0.2a52.5±2.8bⅢ4.4±0.3a1.8±0.2ab3.2±0.2a1.1±0.1c11.8±0.9a5.4±0.4a11.3±0.9a5.0±0.4a6.9±0.5a2.4±0.2b1.7±0.1ab4.0±0.3a59.4±4.5aⅣ3.4±0.3b1.1±0.1bc2.8±0.2ab2.8±0.2a8.8±0.8c3.3±0.3b9.7±0.8c4.3±0.4ab6.1±0.5bc3.4±0.3a2.0±0.2a3.5±0.3a51.1±4.4bV2.7±0.3b0.5±0.1c1.6±0.2c2.4±0.2ab6.4±0.6d3.1±0.3b9.0±0.95c3.5±0.3b4.8±0.5d1.2±0.1c1.0±0.1b3.3±0.3a39.5±3.8c

注:表中每列不同小写字母表示差异显著，相同字母表示差异不显著(p<0.05)。

2.2踩踏强度对地表径流的影响

整个观测期(2014年7—10月)共计产流12次，产流降雨共计208.0 mm，占整个观测期总降雨量的66.45%。从表3可以看出，处理Ⅱ在雨季初期(7月份)地表径流量小于对照，之后显著高于对照或处理间差异不显著。通过计算径流总量，发现处理Ⅱ(27.0 mm)几乎与裸地对照(26.9 mm)一致，可推测出生物结皮在野外长期自然条件下不利于减少径流，无疑造成水分的无效损失和植物缺水；结合试验期间降雨情况，影响生物结皮地表径流量的主要原因可能是降雨强度和降雨量。在降雨初期由于雨强或雨量较小，生物结皮延长雨水在地表的停留时间缓慢入渗，减少径流。由于前期降雨入渗、生物结皮的持水性和导水性，在雨强较大时生物结皮来不及入渗，均使土壤表层含水量较高，从而使得入渗产流时间提前，径流增多[16]。

由表3可知，处理Ⅲ在试验期内有7次降雨地表径流显著低于对照，其余5次统计未达显著水平，12次径流量之和是处理Ⅰ的0.768倍，即减少径流23.2%，表明轻度踩踏生物结皮可明显减少地表径流，促进水分入渗。处理Ⅳ在7月份有2次降雨地表径流量显著低于对照，其余10次为差异不显著，因此12次地表径流量之和低于对照，但差异不显著。即中度踩踏对生物结皮地表径流的调控作用小。处理V地表径流量在试验期内有一半显著高于对照，总径流量是处理Ⅰ的1.21倍，说明重度踩踏生物结皮造成地表径流增加21.3%。分析踩踏处理间地表径流差异显著的原因，主要是由踩踏强度导致土壤的物理结构和生物结皮本身生长状况的改变引起的。轻度踩踏对生物结皮及表土破坏程度小，可起到打破原先生物结皮致密结构和增加土壤通气透水性的作用，从而减少地表径流。相反，重度的踩踏对生物结皮及表土破坏程度大，大面积结皮表土被压实，土壤容重变大，渗透性降低，加上大面积的生物结皮被踩踏，表面更加平整，促进地表径流的产生。中度踩踏小区与无踩踏结皮小区地表径流量相近，可认为中度是区分径流正负效应的临界强度，小于中度的踩踏强度对地表径流具有正效应，表现为减少径流，大于中度的踩踏强度对地表径流则具有负效应，表现为增加径流。

表3不同处理下的地表径流量

降雨日期雨量/mm雨强/(mm·h-1)径流深度/mm处理Ⅰ处理Ⅱ处理Ⅲ处理Ⅳ处理V07-0919.00.90.6±0.1a0.2±0.1b0c0.2±0.1b0.3±0.1b07-115.41.00.9±0.1b0.3±0.1b0.2±0.1b0.6±0.1b2.1±0.1a07-147.45.41.0±0.1a0.2±0.1b0.2±0.1b0.3±0.1b0.9±0.1a07-1614.216.33.7±0.2ab3.6±0.3ab2.9±0.5b3.1±0.6b4.3±0.2a07-2930.815.45.2±0.3b5.3±0.5b4.7±0.8b5.9±1.1ab6.9±0.3a08-0415.412.74.8±0.3a5.1±0.5a3.5±0.6b4.8±0.9a5.6±0.3a08-2749.410.58.0±0.2b8.9±0.8a7.7±1.4b8.3±1.6ab9.1±0.5a09-0110.81.51.5±0.1abc2.0±0.2a0.9±0.2c1.2±0.2bc1.7±0.1ab09-1118.69.50.2±0.0b0.2±0.1b0c0.2±0.1b0.5±0.1a09-1612.27.60.11±0.1b0.1±0.1b0c0.2±0.1ab0.2±0.1a09-238.411.50.4±0.1a0.3±0.1a0.2±0.1b0.4±0.1a0.4±0.1a10-0116.45.40.6±0.1b0.9±0.1a0.5±0.1b0.5±0.1b0.8±0.1a总值208.0-26.9±1.4b27.0±2.5b20.7±3.7c25.6±4.9b32.7±1.6a

注：表中每行不同小写字母表示差异显著，相同字母表示差异不显著(p<0.05),下表同。

2.3踩踏强度对产沙量的影响

产沙量与地表径流量密切相关，通过计算上述12次产流降雨产沙量，由表4可知，在试验期内处理Ⅱ产生的泥沙量有9次显著低于无结皮对照，泥沙总量相比裸土减少54.9%，原因主要是生物结皮能有效地抵御降雨过程中雨滴的击打和冲刷，减少土壤表层沉积的损失[17]。相比裸土对照，处理Ⅲ12次产沙量之和减少56.3%，与处理Ⅱ没有显著性差异，表明轻度踩踏降低土壤侵蚀的效益非常明显。处理Ⅳ和处理V两个处理总产沙量都显著低于对照，比裸土分别减少43.5%和37.9%。原因主要是踩踏干扰并未明显降低生物结皮的盖度，生物结皮仍可发挥减少土壤表层沉积损失的巨大作用。但相比无踩踏处理，中度、重度踩踏增加土壤侵蚀中的泥沙含量，这与踩踏破坏表层土壤结构有直接关系。综合考虑入渗和土壤侵蚀认为：轻度踩踏能在不加剧土壤侵蚀的前提下增加入渗，减少地表径流，改善土壤水分状况，进而带来加速生态系统正向演替的积极意义。

表4不同处理下的产沙量及产沙总量

降雨日期雨量/mm产沙量/(g·m-2)径流深度/mm处理Ⅰ处理Ⅱ处理Ⅲ处理Ⅳ处理V07-0919.00.916.6±0.9a5.8±0.6b0c6.2±0.6b5.0±0.3b07-115.41.020.0±1.1a7.1±0.8d10.2±1.8c14.8±1.5b15.8±1.0b07-147.45.420.7±1.1a1.9±0.2c2.9±0.5c3.7±0.4c8.5±0.6b07-1614.216.347.6±2.5a23.6±2.6c22.5±3.9c24.4±2.5c35.6±2.3b07-2930.815.444.3±2.3a21.2±2.3c18.1±3.1c20.6±2.1c27.2±1.8b08-0415.412.763.3±3.3a21.8±2.3d22.5±3.9d40.6±4.1b30.2±2.0c08-2749.410.5152.1±8.0a85.1±9.2d88.2±15.3cd98.4±9.9bc104.3±6.7b09-0110.81.57.4±0.4a1.4±0.2c1.0±0.2c1.2±0.1c4.3±0.3b09-1118.69.52.3±0.1a1.7±0.2a0b1.7±0.2a1.9±0.1a09-1612.27.61.6±0.1a0.8±0.1a0b1.3±0.1a1.1±0.1a09-238.411.52.2±0.1a0.8±0.1a0.8±0.1a1.1±0.1a1.7±0.1a10-0116.45.44.4±0.2a1.6±0.2b1.0±0.2b2.2±0.2b2.2±0.1b总值208.0-382.6±20.1a172.6±18.6d167.3±29.0d216.1±21.8c237.7±15.3b

3　结 论

(1) 相比裸地对照，轻度踩踏生物结皮促进水分入渗，降低土壤侵蚀；重度踩踏生物结皮降低水分入渗和产沙量，增加地表径流；中度踩踏生物结皮减少产沙量，入渗和地表径流无明显变化。

(2) 轻度踩踏能在不加剧土壤侵蚀的前提下增加水分入渗，减少地表径流，改善土壤水分状况。轻度踩踏是最适干扰强度。

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Effects of Biological Soil Crusts on Infiltration and Soil and Water Conservation Under Trample Disturbance

FENG Wei1, YE Jing2

(1.MonitoringCenterofSoilandWaterConservation,MinistryofWaterResources,Beijing100055,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi712100,China)

In order to improve soil moisture condition, we examined the effect of soil and water conservation of biological soil crusts (BSCs) under 3 trampling intensities widespread in the wind-water erosion crisscross region on the Loess Plateau through two aspects which were rainfall infiltration-runoff and sediment based on the field observation. The results are as follows： (1) The performance of infiltration-runoff of BSCs without trampling did not only increase or reduce compared with the control. BSCs increased infiltration and reduced runoff in the initial period of rainy season, but conversely in the later period. (2) The effects of trampling intensities on infiltration-runoff had significant differences. Compared to the control, mild trampling BSCs increased infiltration by 12% and reduced runoff by 23.2%, moderate trampling BSCs reduced runoff by 5.3% and infiltration by 3.6%, severe trampling BSCs reduced infiltration by 25.5%and increased runoff by 21.3%. (3) Whether being trampled or not, BSCs significantly decreased sediment content compared with bare soil. The mild decreased by 56.3%, the moderate decreased by 43.5% and the severe decreased by 37.9%, but the latter two were significant higher than untrampled BSCs. Considering the infiltration and soil erosion, BSCs with mild trampling could promote infiltration, reduce runoff and improve soil moisture conditions in the premise of causing insignificant soil erosion.

biological soil crusts; trample; infiltration; runoff and sediment

2015-01-07

2015-03-09

国家自然科学资助项目(41071192,40701096);西北农林科技大学科研专项(2014YQ006)

冯伟(1977—),男,浙江嘉兴人,硕士研究生,研究方向为水土保持管理。E-mail:fengwei@mwr.gov.cn

叶菁(1989—),女,江西赣州人,硕士研究生,研究方向为生物土壤结皮。E-mail:yejing3306@163.com

S157.1; S152.7

A

1005-3409(2016)01-0034-04