模拟放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮坡面土壤水分入渗的影响

水分是黄土高原地区植被恢复的关键影响因子,该区广泛分布的生物结皮显著影响土壤水分入渗。干扰影响生物结皮土壤水分入渗,但目前不同强度的干扰对生物结皮土壤水分入渗的影响仍不明确。本研究以黄土丘陵区吴起县合沟小流域的生物结皮坡面为对象,模拟羊蹄踩踏干扰,研究10%、20%、30%和40%干扰强度(以生物结皮破损度表征)对生物结皮坡面地表覆被的影响,采用线源入流入渗法观测了不同强度干扰后土壤水分入渗特征,通过结构方程模型和相关性分析,探索了干扰对生物结皮坡面土壤水分入渗的影响机制。结果表明:与对照(不干扰)相比,10%干扰强度下藻结皮盖度显著增加33.6%,20%干扰强度对藻结皮盖度无显著影响,30%和40%干扰强度下藻结皮盖度分别显著降低了36.1%和75.0%;40%干扰强度显著增加了枯落物盖度(34.3%),其他处理无显著影响;10%、20%和30%干扰强度下地表粗糙度分别显著降低了22.3%、11.1%和5.6%,40%干扰强度下增加了8.2%;40%干扰强度下初始入渗率显著增加了77.1%,其他干扰强度无显著影响;不同干扰对土壤稳定入渗率和平均入渗率无显著影响。可见,干扰主要通过降低藻结皮盖度,增加枯落物盖度和改变地表粗糙度,进而促进了土壤水分初始入渗。本研究可为黄土高原退耕地生物结皮管理提供科学依据。     

黄土丘陵区生物结皮群落组成与水分入渗的关系

黄土丘陵区坡面尺度生物结皮多是由藻、藓和地衣等以不同比例、不同方式组合的一个复杂群落结构,显著影响水分入渗,但目前混合生物结皮水分入渗与其群落结构之间的关系仍不清楚,妨碍了对坡面尺度生物结皮土壤渗透性的评估。本研究测定了藻结皮、藓结皮及藓结皮盖度分别为<15%、15%～30%、30%～45%、45%～60%、＞60% 5个不同藻藓比例的混合生物结皮的稳定入渗速率,采用主成分分析和通径分析揭示混合生物结皮水分稳定入渗速率的影响因素,明确混合生物结皮水分稳定入渗速率与群落结构之间的关系。结果表明: 藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率分别为0.66和2.40 mm·min^-1。藓结皮盖度从<15%到>60%的混合生物结皮的稳定入渗速率为0.80～2.30 mm·min^-1。混合生物结皮水分稳定入渗速率主要与藓结皮盖度和藓结皮改善的土壤孔隙结构密切相关,相关系数分别为0.636(P=0.011)和0.835(P=0.000)。通过藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率与盖度加权预测的混合生物结皮水分入渗量(y)与混合生物结皮实测水分入渗量(x)具有极显著相关关系(r=0.945),二者拟合的线性函数为y=0.85x(R²=0.98,P<0.05)。本研究明确了混合生物结皮水分入渗与单一组成生物结皮水分入渗之间的关系,为准确评估该区生物结皮水文过程提供了科学依据。     

亚热带苔藓结皮对土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响

生物结皮的形成和发育显著影响土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)循环及其化学计量特征,土壤微生物如何适应环境资源的化学计量变化仍不明确。本研究以三峡库区苔藓结皮为对象,分析结皮盖度(0、1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%)对土壤理化性质(0～5和5～10 cm土层)、微生物生物量和胞外酶活性[(β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、酸性磷酸酶(AP)]的影响,探索土壤-微生物-胞外酶C∶N∶P化学计量特征间的协变性。结果表明: 生物结皮发育显著提高了土壤黏粒、水稳性团聚体和土壤C、N、P含量,显著降低了土壤容重和砂粒含量;微生物生物量C、N、P和胞外酶活性均随结皮盖度的增大而显著增加;土层深度对土壤理化性质及C∶N∶P均无显著影响,但显著影响微生物生物量、胞外酶活性及BG∶AP和NAG∶AP。相关分析显示,土壤C、N、P含量与微生物生物量和胞外酶活性呈显著正相关,与BG∶NAG呈显著负相关,与NAG∶AP呈显著正相关,但与微生物生物量C∶N∶P无显著相关性;土壤-微生物、微生物-胞外酶C∶N∶P相关性均不显著,BG∶NAG∶AP随着微生物与土壤间C∶N∶P化学计量不平衡性的增加而逐渐降低。表明微生物养分代谢同时受N和P的限制,且P的限制较强烈,微生物可以通过调整自身生物量以及胞外酶C∶N∶P适应生物结皮发育驱动的土壤化学计量变化,从而维持内稳态。     

混合生物结皮对土壤养分的影响与群落结构之关联——以黄土丘陵区的生物结皮为例

自然条件下生物结皮是藻、藓及地衣等结皮类型以不同比例组成的混合群落，显著影响土壤养分含量，目前混合生物结皮对土壤养分的影响与其群落结构的关系尚不清楚，限制了混合生物结皮土壤养分的评估。为此，研究通过测定单一组成的藻结皮、藓结皮以及80%藻+20%藓、60%藻+40%藓、40%藻+60%藓和20%藻+80%藓4个不同藻藓比例的混合生物结皮土壤有机碳、全氮、全磷、速效磷、铵态氮和硝态氮含量，研究了混合生物结皮土壤养分与其群落结构之间的关联。结果显示：(1)藓结皮层土壤有机碳、全氮、速效磷、铵态氮和硝态氮含量显著高于藻结皮，分别高出166.4%、77.2%、55.1%、56.2%和42.2%。(2)藻藓混合生物结皮土壤有机碳、全氮、速效磷和铵态氮含量与组成和盖度等结构特征有关，可以通过单一类型生物结皮土壤养分含量与盖度加权预测混合生物结皮土壤养分储量。(3)混合生物结皮土壤有机碳、全氮、速效磷和铵态氮储量实测值(x)与预测值(y)拟合的线性函数分别为y=0.97x、y=0.96x、y=1.18x和y=0.92x。(4)混合生物结皮对全磷和硝态氮含量的影响与群落结构无关。生物结皮对下层0—5 ...     

黄土丘陵区退耕地生物结皮理化性状初报

通过野外调查并结合室内分析,研究了黄土丘陵区阴坡不同年限退耕地土壤生物结皮的盖度、厚度、容重、粘结力以及结皮土壤的有机质、养分含量等理化性质.结果表明,研究区耕地退耕后首先出现由降雨打击而形成的结构结皮,其后随退耕年限的延长,结皮生物逐渐迁入,与土壤复合逐步演化为生物结皮.生物接皮面积随着高等植被盖度的增加有降低的趋势;厚度随退耕年限的延长呈倒S型增加,退耕10年后,结皮厚度增加缓慢;容重随退耕年限的延长而减小.结皮的形成可显著增强土壤粘结力,结皮层粘结力随退耕年限的延长呈倒S型增长.结皮土壤有机质、全氮含量明显高于研究区耕地土壤,且随退耕年限的延长而增加;退耕10年后,结皮土壤有机质及全氮含量趋于稳定.结皮土壤全磷含量与农地耕层土壤相当.生物结皮的形成提高了土壤速效氮、磷、钾含量.研究区阴坡退耕地土壤结皮的形成大致可分为3个阶段：退耕1～4年为结皮初始形成期,5～10年为结皮快速发育期,10年以后为稳定期.     

黄土丘陵区踩踏干扰对生物土壤结皮有机碳组分及碳矿化潜力的影响

以黄土丘陵区近20年的封禁地为研究对象,采用野外调查结合室内分析,研究了不同强度的踩踏干扰对半干旱生态系统下生物结皮盖度、有机碳、易氧化碳和有机碳矿化量、矿化速率的影响,并应用一级动力学方程模拟了踩踏干扰下各层次生物土壤结皮有机碳矿化潜力的变化特征.结果表明:干扰后藻结皮和藓结皮盖度呈现逐渐降低的趋势,干扰度间差异显著;与不干扰处理相比,藻结皮盖度降幅在264%~339%,藓结皮盖度降幅在46%~127%.与不干扰处理相比,干扰显著降低了生物结皮层有机碳含量,降幅在211%~300%,干扰度间差异不显著;干扰增加了生物结皮层易氧化碳含量,增加量在1.5~3.4 g·kg-1,30%、40%和50%干扰度处理与不干扰处理间差异显著.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳累积矿化量,但未改变其日均矿化速率;40%干扰度下的累积矿化量较不干扰处理显著增加77%.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳矿化潜力,对0~2和2~5 cm土层无显著影响;40%干扰度下有机碳矿化潜力较不干扰处理显著增加4.7 g·kg^-1;主成分分析结果显示,有机碳、易氧化碳、累积矿化量、矿化速率可以解释生物结皮层土壤有机碳矿化潜力变化的76.7%.干扰可能是诱发研究区生物结皮层有机碳矿化潜力增加的因素之一.     

东北黑土结皮发育过程

基于模拟降雨试验,从微结构、容重、抗剪强度角度分析了降雨过程中东北黑土结皮的发育过程特征,并探讨了黑土结皮的发育对土壤入渗的影响.结果表明：随着降雨的进行,东北黑土的表层结构逐渐致密,容重、抗剪强度不断增加,入渗能力下降;120 min降雨历时内,黑土发育了厚约3～4 mm的稳定结皮层,结皮发生层孔隙度下降6.45%、容重增加14.13%;消除雨滴打击后（盖网处理）,结皮发育强度减弱,120 min降雨历时内,结皮发生层孔隙度下降3.27%、容重增加7.11%,均小于无盖网处理,但累积入渗量较后者高41.1%.东北黑土结构稳定,雨滴打击是其结皮发育的主导因子,降雨过程中未发现明显的颗粒淋移现象.     

鄂尔多斯高原弃耕农田恢复过程中土壤物理性质和生物结皮的变化

在鄂尔多斯高原软梁、硬梁弃耕农田上选取一系列不同时限的弃耕农田,研究弃耕演替过程中地表凋落物、生物结皮,以及不同土层土壤容重、机械组成、含水量的动态变化.结果表明: 软梁弃耕农田表层(0～10 cm)物理环境随弃耕年限增加明显改善,土壤黏粒含量、地表凋落物随弃耕年限增加明显增加,土壤容重明显降低,土壤含水率略微升高;中层(10～30 cm)土壤物理环境随弃耕年限增加稍显恶化,土壤黏粒含量升高,土壤含水量略微降低;深层(30～50 cm)土壤物理性质变异较大.硬梁弃耕农田土壤表面凋落物盖度、生物结皮盖度、生物结皮厚度随弃耕年限增加而增加,表层(0～10 cm)土壤容重、黏粒含量、含水量随弃耕年限变化总体变化不显著,深层(10～40 cm)土壤物理性质变异较大.地表凋落物和土壤黏粒物质的累积导致软梁弃耕农田土壤水分浅层化,可能是20年内浅根性多年生草本植物群落取代半灌木油蒿群落的关键因素.硬梁弃耕农田在演替过程中未见油蒿入侵,可能与较高的浅层含水量和生物结皮发育有关.     

外源输入碳在生物结皮土壤各碳组分中的分配特征

研究外源新输入碳进入生物结皮后在各碳组分间的分配特征,可以为理解生物结皮参与碳地球化学循环过程提供数据支持和理论依据。本研究针对黄土高原典型苔藓生物结皮,借助¹³C脉冲标记技术,精确示踪外源新输入碳在生物结皮碳组分中的分配特征及其与无结皮裸地的差异,揭示生物结皮对碳循环的影响。结果表明: 1)由于生物结皮养分循环速率较慢,且与维管束植物相比,其主要生物成分苔藓的生物量有限,导致生物结皮各碳组分的¹³C丰度值均随时间变化表现相对平稳。2)生物结皮的各碳组分¹³C含量均明显高于无结皮裸地,其有机碳、微生物生物量碳、可溶性有机碳中¹³C含量平均分别为0.258、0.078、0.004 mg·kg^-1,分别比裸地高3.1、18.5、2.6倍,且苔藓植株¹³C含量高达1.45 mg·kg^-1。3)生物结皮改变了有机碳各组分的分配特征,其新同化的碳主要分配于活性有机碳库和结皮生物中,表现为¹³C在微生物生物量碳中的分配率(30.6%)高于可溶性有机碳(1.7%),而苔藓植株的¹³C分配率为20.3%。4)生物结皮中微生物生物量¹³C的转移量和库容量分别是裸地的15.7和19.5倍,但其周转率(每月2.94次)略低于裸地(每月3.30次),相应周转期是裸地的1.1倍。综上,生物结皮改变了土壤有机碳组分的分配特征,提升了碳周转速率,在干旱荒漠生态系统碳循环中的作用不容忽视。     

喀斯特坡面生物结皮发育特征及其对土壤水分入渗的影响

作为地表植被恢复的先锋种群和景观的重要组成部分,生物土壤结皮(BSCs)对地表过程具有重要影响。为探明喀斯特地区BSCs发育特征及其对土壤水分入渗的影响,本研究选取喀斯特代表性坡面开展了BSCs实地调查和人工模拟降雨试验,探究了BSCs覆盖土壤的水分入渗过程,试验设计了5个BSCs盖度水平(0、28%、40%、70%、97%)和2个雨强(42和132 mm·h^-1)。结果表明: 在不同土地利用条件下,BSCs发育水平存在显著差异,但在同一土地利用条件下,BSCs发育水平沿坡面的空间变化规律不明显。与裸地相比,地表发育BSCs可使地表粗糙度增大,显著延长初始产流时间,促进土壤水分入渗。在小雨(42 mm·h^-1)和强降雨(132 mm·h^-1)下,BSCs覆盖小区初渗速率分别为裸地小区的1.7～1.9和1.2～1.9倍,平均入渗速率分别为裸地小区的2.5～3.0和1.4～3.3倍。在试验雨强下,BSCs盖度与初始产流时间均呈显著正相关,BSCs促进水分入渗的临界盖度为65%～70%,在强降雨条件下,BSCs对地表径流的阻滞作用有所削弱。Horton模型对喀斯特坡面BSCs覆盖下土壤水分入渗过程模拟结果最优,其次为Kostiakov模型和Philip模型。综上,喀斯特坡面BSCs发育的空间变异程度高,对水分入渗过程影响显著。     

黄土高原封禁林地藓结皮呼吸速率对放牧踩踏干扰强度的响应

放牧踩踏造成的土壤属性变化是引起土壤呼吸速率和碳固排波动的重要原因,但目前有关不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响尚不明确。本研究针对黄土高原风沙土发育的藓结皮,以未干扰为对照,分别进行强度为10%、30%、50%和70%的模拟放牧踩踏干扰,连续测定了藓结皮呼吸速率的变化,分析了藓结皮呼吸速率对不同干扰强度的响应规律。结果表明: 1)适度干扰会激发藓结皮呼吸速率,而重度干扰则会抑制其呼吸速率。与未干扰相比,干扰10%和30%的藓结皮呼吸速率分别增加了41.1%和22.2%,而干扰50%和70%的藓结皮呼吸速率则分别降低了8.9%和15.3%。2)踩踏干扰显著改变了土壤温度,但对土壤含水量的影响不显著。与未干扰相比,干扰10%和30%的土壤温度分别显著降低了0.4和1.2 ℃,干扰50%和70%则分别显著增加了1.1和1.0 ℃。3)不同干扰强度下藓结皮呼吸速率与土壤温度和含水量分别呈显著指数和线性正相关关系,但与藓结皮基本特性无显著相关关系,土壤温度和水分可分别解释藓结皮呼吸速率动态变化的70.6%～96.3%和49.1%～70.0%。综上,放牧踩踏显著影响了藓结皮呼吸速率,短期适度放牧踩踏会激发藓结皮呼吸速率,而过度放牧踩踏则会抑制其呼吸速率。因此,在未来黄土高原地区土壤碳收支平衡研究中应考虑不同强度放牧踩踏对生物结皮呼吸的影响。     

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明: 植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R²=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。     

黄土高原生物结皮对SCS-CN模型初损率的影响

水文模型是水文过程研究的有效工具,初损率(λ)是径流模型SCS-CN模型的参数,对模拟流域水文过程具有重要意义。为了确定生物结皮对λ的影响,提高该模型在黄土高原生物结皮广泛分布的退耕地的预测精度,本研究以陕西省定边县鹰窝山涧流域不同盖度的生物结皮坡面为对象,采用模拟降雨试验,分析土壤潜在最大入渗量(S)与实际入渗量(F)的关系,以及生物结皮盖度对λ的影响,并修订了λ;在此基础上,采用陕西省安塞县纸坊沟流域生物结皮径流小区的模拟降雨试验数据校验了参数修订后的模型。结果表明: 生物结皮坡面S与F的关系式为: S/F=2.5×60/T(其中T为降雨历时);模型参数λ与生物结皮盖度(C_BSC)呈极显著负相关关系,二者关系式为: λ=0.0791×e^{(-0.015×C_BSC}),R²=0.60;较λ取标准值,依生物结皮盖度修订λ后,SCS-CN模型Nash效率系数提高338.7%,合格率提升16.1%。研究结果为黄土高原生物结皮坡面λ的确定提供了科学依据,对准确评估黄土高原退耕还林(草)工程的水文效应具有重要意义。     

黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应

全球气候变化加剧背景下，干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变，其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素，但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发育的藓结皮，以自然降雨量为对照，分别进行幅度为10%、30%、50%的模拟增雨和减雨处理，并利用便携式土壤碳通量分析仪(LI-8100A)测定了模拟增减雨后的藓结皮土壤呼吸速率，对比分析了其对降雨量变化的响应及机制。结果表明：(1)整个实验周期(2018和2019)增雨和减雨分别显著提高(增幅分别为17.9%—48.2%和27.1%—54.2%)和降低了(降幅分别为1.8%—26.8%和5.2%—20.8%)土壤含水量，但对土壤温度的影响不显著；(2)增雨抑制了藓结皮土壤呼吸速率(降幅分别为7.8%—31.7%和14.7%—39.4%),且随梯度增大抑制作用越明显；减雨则取决于减雨梯度，减雨10%和30%会促进土壤呼吸速率(增幅分别为27.5%、9.6%和23.6%、9.7%)而减雨50%具有抑制作用(降幅分别为15.6%和18.5%)。不同实验周期和不同降雨处理间藓结...     

生物炭对塿土水热特性及团聚体稳定性的影响

试验设生物炭用量为0 (B₀)、20 (B₂₀)、40 (B₄₀)、60 (B₆₀)、80 (B₈₀) t·hm^-2 5个处理,研究了施用果树树干、枝条生物炭2年后,对塿土容重、含水率、土壤温度和团聚体稳定性及其分布的影响.结果表明： 在0～30 cm土层,施炭处理与B₀相比,土壤容重显著降低7.7%～10.9%;土壤含水率显著增加10.0%～13.4%;施用40～60 t·hm^-2生物炭可以缓冲土壤的温度变化,提高土壤的保温性能;大于0.25 mm的水稳性团聚体（WR_0.25）显著增加30.3%;平均质量直径（MWD）在干筛、湿筛条件下分别显著增加15.2%和31.6%;团聚体破坏率（PAD）和不稳定团粒指数（E_LT）分别显著降低19.1%和17.5%.说明生物炭的施用明显改善了塿土的水热特性,提高了团聚体的含量和稳定性;其施用量为40～60 t·hm^-2时综合表现较优.     

生物结皮与草本植物共生坡面的产流-入渗过程特征

干旱半干旱地区生物结皮与草本植物互生,发挥了重要的水土保持价值,但二者的耦合作用对坡面土壤产流-入渗过程与机理的影响尚不清楚。本研究利用人工模拟降雨试验,设计裸土、生物结皮、长芒草、长芒草+生物结皮4种坡面处理,研究生物结皮与草本植物的产流-入渗过程与径流水动力学特征。结果表明: 2个有生物结皮处理的坡面产流量变化平稳。4种处理的总产流量大小分别为:生物结皮>长芒草+生物结皮>裸土>长芒草,说明生物结皮具有抑制土壤水分入渗的作用,而长芒草可促进土壤水分入渗。在土壤深度为16和24 cm处,生物结皮处理的累计入渗量均小于长芒草+生物结皮处理,且差异显著,说明随着土壤深度增加,长芒草会减小生物结皮抑制水分入渗的作用。除了裸土坡面的弗劳德数(Fr)大于1以外,其余3种处理的Fr值小于1,属于缓流。生物结皮、长芒草和长芒草+生物结皮处理坡面的径流动能比裸土坡面分别减少83.3%、59.5%和88.1%。综上,水动力学参数的变化说明生物结皮调控径流的作用大于长芒草。     

生物结皮分布格局对坡面流水动力特征的影响

生物结皮的分布格局是影响坡面产流产沙的因素之一,但其格局对侵蚀动力的影响机理尚不明确,妨碍了进一步解析生物结皮影响坡面产流产沙的机制。本研究通过室内模拟降雨试验,采用景观生态学方法,对带状、棋盘和随机3种分布格局下生物结皮坡面景观指数和水力学参数的变化规律与裸土坡面进行对比研究。结果表明: 生物结皮显著影响坡面侵蚀动力,其分布格局是影响坡面侵蚀动力的因素之一。与裸土相比,生物结皮显著降低了坡面流速(54.6%)和弗劳德数(67.0%),显著增加了径流深(86.2%)和阻力系数(10.68倍),但对雷诺数和径流功率的影响较小;除径流深外,3种格局的生物结皮坡面的各水力学参数均存在显著差异,其中,随机格局对坡面侵蚀动力的影响最大。基于因子分析和聚类分析,筛选出斑块占景观面积比例、斑块密度、景观形状指数、斑块连结度和分离度5个指标作为描述生物结皮斑块分布特征的指标。其中,生物结皮斑块间的斑块连结度和分离度是影响坡面侵蚀动力的主要格局因子。随着生物结皮斑块间斑块连结度减小、分离度增大,坡面流速增加,阻力减小,坡面侵蚀加剧。