黄土高原丘陵区生物结皮土壤的斥水性

采用滴水穿透时间法和酒精溶液入渗法,研究了黄土高原丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻+少量藓结皮、藓+少量藻结皮、藓结皮5种不同发育阶段的原状生物结皮土壤的斥水性及其与土壤含水量的关系.结果表明: 生物结皮增加了土壤的斥水性,其斥水强度和持久性均显著增加.生物结皮土壤的斥水性随生物结皮的演替逐渐降低,当生物结皮中藓类植物盖度在20%以上时,斥水持久性显著低于藻结皮.生物结皮土壤的斥水性与土壤含水量及优势种密切相关,藓类生物结皮土壤的斥水性随着含水量的降低逐渐增加,藻类生物结皮土壤的斥水性随含水量的变化呈双峰曲线.     

降雨及聚丙烯酰胺(PAM)作用下土壤的封闭过程和结皮的形成

封闭、结皮是土壤表面水土相互作用的结果,能显著减少土壤入渗、降低水资源的利用率;增加地表径流并导致土壤侵蚀。为深入理解封闭的作用过程和结皮的形成,利用PAM能缓解封闭作用并抑制结皮形成的特性,进行了一系列的人工降雨模拟试验,试验采用3个重复,包括3个雨强（50mm/h、100mm/h和150mm/h）、4个坡度（8.74%、17.63%、36.4%和46.63%）和3个PAM覆盖率（80％、60％和40％）。通过对比土壤表面的电子扫描显微镜（SEM）照片,可以认为土壤结皮是由结构结皮和沉积结皮构成,入渗量与时间的历时曲线反映了结皮的4个形成过程。     

踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响

采用人工模拟降雨试验,研究了踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响.结果表明:踩踏干扰显著增加了土壤表面粗糙度,增加幅度与干扰强度有关,50%干扰度下表面粗糙度指数较不干扰增加91%.踩踏干扰延长了坡面产流时间,20%～50%干扰度范围内,随着干扰强度的增加,初始产流时间呈线性增加趋势,50%干扰度的初始产流时间较不干扰增加了169.7%.踩踏干扰增加了土壤渗透性,降低径流系数.50%干扰度的土壤累积入渗量较不干扰增加12.6%;去除生物结皮,土壤渗透性降低,累积入渗量较不干扰降低30.2%.50%以下的干扰度未显著增加土壤侵蚀模数.去除生物结皮,土壤侵蚀模数较不干扰增加10倍.生物结皮破碎度低于50%的干扰在不明显增加土壤流失量的前提下,可增加降水入渗,减小径流风险,改善土壤水分状况.     

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。     

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。     

植被覆盖对科尔沁沙地土壤生物结皮及其下层土壤理化特性的影响

为了解不同植被覆盖对沙地土壤生物结皮及其下层土壤的影响,于2006年调查了科尔沁沙地冷蒿、小红柳、杨树和樟子松等植被封育区土壤生物结皮及结皮下0～5 cm土壤的理化特性.结果表明：经过15年的封育保护和植被建设,科尔沁沙地天然植被和人工植被下流动沙地大部分被生物结皮所覆盖,其结皮覆盖度可达60%～80%,厚度1～2 cm;在调查的几种植被中,小红柳植被区的土壤结皮厚度、硬度、粘粉粒、有机质和养分含量最高,其次是樟子松林地,杨树林地和冷蒿植被区相对较差;几种植被区的苔藓结皮的结皮厚度、硬度、粘粉粒、有机质和养分含量均优于地衣结皮;与流动沙地相比,结皮下0～5 cm土壤的理化特性有明显改善,改善程度苔藓结皮强于地衣结皮,小红柳和樟子松植被区强于杨树林地和冷蒿群丛;土壤结皮及结皮下表土理化特性的变化既受植被覆盖类型的影响,也受制于土壤结皮的发育.由于枝叶繁茂的中、高植被有利于降风滞尘和产生较多的凋落物,因而更能促进沙地结皮发育和土壤改良,而苔藓结皮较地衣结皮更有利于其下层土壤理化特性的改善.     

三峡库区苔藓生物结皮对土壤水分入渗的影响

在三峡库区王家桥小流域选取以苔藓为优势种的生物结皮样地,以附近无结皮发育的裸地为对照,设计5个盖度水平(1%～20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%和80%～100%),采用环刀法测定土壤入渗过程,研究生物结皮盖度对入渗过程的影响。结果表明: 与裸地相比,生物结皮发育可显著提高表层土壤粘结力、孔隙度、黏粒含量、水稳性团聚体和有机碳含量,显著降低土壤容重和砂粒含量。生物结皮促进了土壤水分入渗,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和累积入渗量可达裸地的2.0倍及以上,土壤入渗性能随结皮盖度的增大呈先增加后减小的变化规律,在40%～60%盖度下最大。通径分析显示,土壤初始入渗率主要受结皮盖度、土壤容重和有机碳含量的影响,稳定入渗率主要受结皮盖度和土壤容重的影响。Horton模型对三峡库区生物结皮覆盖土壤的水分入渗过程拟合效果最佳。     

毛乌素沙地生物土壤结皮对油蒿水分吸收的影响模拟

植物可利用水分是决定沙生灌木生长的主要因子,生物土壤结皮(简称生物结皮)在降雨期影响降水入渗,而在干旱期改变土壤蒸发,从而影响土壤水分分布,最终可能影响灌木水分吸收。然而,关于不同降水条件下生物结皮对灌木水分吸收和水分胁迫的影响机制认识不清。以油蒿为研究对象,基于试验数据和1990—2019年气象数据,采用数学模拟,定量研究了毛乌素沙地不同降水条件下生物结皮对土壤水分分布和油蒿水分吸收的影响,评价干旱期生物结皮对油蒿水分胁迫的影响。结果表明：与无结皮处理相比,生物结皮处理的土壤蒸发降低了5.1%;生物结皮改善了干旱期的土壤水分条件;生物结皮降低了植物水分胁迫的比例,平均降低比例为8.1%;生物结皮提高了植物水分吸收,平均增加比例为12.8%;生物结皮和对照植物水分吸收的比值随季节降水量的增加而降低,均值为1.13。综上,生物结皮的出现并未消极地影响沙生灌木的水分吸收。研究结果有助于理解生物结皮与灌木的共生或竞争关系。     

贺兰山东麓荒漠微生物结皮发育过程研究

通过测定采集于贺兰山东麓微生物结皮样品的厚度、微生物生物量和叶绿素a 含量、有机质含量、全氮含量、持水性和渗水性等指标, 并对测定结果进行统计分析, 对不同发育程度的微生物结皮样品进行归类, 阐明荒漠微生物结皮的“个体发育”过程。结果表明, 微生物结皮厚度与结皮层微生物量和叶绿素a 含量呈显著正相关; 随着微生物结皮的发育, 结皮层土壤有机质含量、全氮含量及持水量增加, 水分入渗速率减小; 微生物结皮发育具有较明显的阶段性, 可将其发育过程划分为形成期、初期、中期和成熟期4 个阶段。     

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.     

冻融条件下生物结皮覆盖对土壤饱和导水率的影响

生物结皮(BSC)是广泛分布的地被物,每逢冬春季节,受冻融交替作用影响,结皮土壤的理化性质和水文学特征明显改变且与裸土差异显著,从而影响该地区土壤可蚀性评估和土壤侵蚀防治。采用室内模拟实验,以蓝藻结皮土壤为对象,研究不同冻融交替次数和初始含水量下,土壤三相对温度变化的响应特征并定量分析结皮覆盖土壤在此条件下饱和导水率(Ks)的变化趋势和突变点。结果表明:初始含水量对Ks无显著影响(P>0.05),冻融交替次数对Ks有极显著影响(P<0.01),冻融条件下裸土的平均Ks为1.941 mm/min,结皮覆盖土壤平均Ks为0.325 mm/min,两者具有极显著差异(P<0.01),且随交替次数增加,Ks差异逐渐增大,并在10次时达到最大值为10.13倍。不同冻融含水量下的结皮土壤的Ks在冻融10—20次时趋近,平均值为0.219mm/min。冻融作用显著改变土壤结构,且在冻融7次时土壤结构变化较明显,冻融过程中<0.1 mm的土壤颗粒显著变化。试验条件下,Ks受因子影响程度大小为:冻融交替次数>土壤结构>结皮厚度>结皮容重>下层土壤容重>...     

黄土丘陵区生物土壤结皮层水稳性

采用改进的土壤水稳性团聚体数量测定方法,研究了黄土丘陵区不同组成和生物量的生物结皮层水稳定性.结果表明：生物结皮层的水稳定性与其生物组成有关,苔藓结皮的水稳定性显著高于藻结皮,震荡390次后,苔藓结皮的厚度和质量损失率仅分别是藻结皮损失率的47.3%和40.1%;生物结皮层水稳定性与生物结皮的生物组成有关,60%以上苔藓覆盖度的生物结皮的稳定性最高,质量和厚度损失率分别是藻结皮（无苔藓覆盖）损失率的28.6%和22.7%;生物结皮层水平方向结构水稳定性显著大于垂直方向,震荡390次后,苔藓结皮的面积损失率仅为厚度损失率的6.4%.试验分析证实,生物结皮层是一种水平方向稳定性极强的层状结构体,这一结构特性增强了其抗风蚀和水蚀的能力.     

不同类型生物土壤结皮覆盖下风沙土的入渗特征及模拟

干旱荒漠区广泛分布的生物土壤结皮(BSCs)对土壤水分入渗过程有重要影响。以古尔班通古特沙漠南缘的BSCs为研究对象,基于野外采样与室内模拟实验等方法,探究藓类、地衣和藻等3种类型BSCs覆盖下沙土的入渗特征。结果表明:与无结皮覆盖的风沙土对照,3种类型BSCs均显著降低了沙土初渗速率,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮覆盖下初渗速率降低幅度依次为36.10%、46.42%、50.39%;藓类结皮、地衣结皮(P0.05)和藻结皮(P0.05)均明显降低了沙土稳渗速率,降低幅度依次为16.50%、33.98%和35.92%;3种类型BSCs均限制了湿润锋在沙土的推进过程,表现为:藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的渗漏时间分别为裸沙对照的2.13、3.04和2.98倍;各类型BSCs均减小了沙土累积入渗量,阻碍了沙土水分入渗,与裸沙对照相比,藓类结皮、地衣结皮、藻结皮的1 h累积入渗量分别降低16.10%、28.56%和26.56%。在实验条件下,Kostiakov模型最适用于模拟不同类型BSCs覆盖下土壤水分入渗过程,Horton模型模拟效果次之。     

宁夏河东沙地生物土壤结皮对土壤性质及入渗过程的影响

为了揭示沙漠化治理过程中生物土壤结皮覆盖对土壤入渗过程的影响规律,以宁夏河东沙地人工沙漠治理区4种典型地表覆盖类型：裸沙(BS)、藻类结皮(AC)、藓类结皮(MC)、草本-藓类结皮(H-MC)为研究对象,基于野外双环入渗试验与室内模拟,分析了3种生物土壤结皮覆盖下土壤性质的变化与土壤入渗特征。结果表明：(1)与BS相比,3种结皮覆盖下表层土壤砂粒含量减少2.0%—5.1%,粉粒含量增加3.6%—5.8%,有机质含量增加了5—6倍,AC和MC覆盖下土壤总孔隙度与饱和含水量降低,而H-MC与之相反;(2)平均入渗速率表现为BS>H-MC>AC>MC,1h累计入渗量表现为H-MC>BS>AC>MC,与BS相比,AC、MC和H-MC的初渗速率依次减少了14.3%、37.2%、11.8%,AC、MC的稳渗速率分别降低了14.4%和18.3%,H-MC的稳渗速率增加了4.5%;(3)三种模型中,Kostiakov模型最适用于模拟生物土壤结皮覆盖下土壤水分入渗过程。综上,研究区内不同发育程度生物土壤结皮改变了下层土壤的性质以及土壤的入渗特征,MC与AC阻碍水分入渗...     

生物结皮粗糙特征——以古尔班通古特沙漠为例

摘要：空气动力粗糙度可以反映地表气流与下垫面的相互作用。古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,其间广泛分布的生物结皮在稳定地表和改善环境方面意义重大。对未经扰动的4种类型生物结皮进行表面微形态观察,并通过风洞实验确定动力粗糙度Z0和摩阻风速u*,结果表明：（1）不同生物结皮类型,其组成和表面微形态等都具有明显差异。藻结皮以表面致密光滑为显著特征,由藻类分泌物和藻丝体粘结细粒物质所形成;地衣结皮表面藻类和真菌形成的叶状体匍匐沙面生长,呈现三维生长方式,形成有明显凹凸的壳状覆被;苔藓结皮以苔藓植物体密集丛生为特点,地上部分出现了茎叶分化,有一定的柔韧性。（2）就动力粗糙度的大小而言,是按地衣结皮>藻类－地衣结皮>苔藓结皮>藻结皮的顺序排列的,Z0平均值依次为（6.5890.850）mm、（4.1790.239）mm、（2.5420.357）mm和（0.3930.220）mm,与定床裸沙面的（0.0420.019）mm相比,生物结皮Z0值提高了10—150倍。随着风速的增大Z0值有所减小,其中以地衣结皮的减小趋势较为明显。（3）由风速廓线对比发现,四类生物结皮对气流阻滞作用的差异主要局限于4 cm以下的高度范围,风速越大这种差异也越大。各类生物结皮摩阻风速u*随风速增大而增大,其中藻结皮的增大速率明显低于其它三类结皮,说明藻结皮随风速增大的阻滞效应较其它三类结皮要差。（4）在净风条件下,地衣结皮具有最好的防风效果,其次为藻类－地衣结皮和苔藓结皮,藻结皮最差。当生物结皮破损后,床面结构和气流性质将发生变化,对空气动力学粗糙度和摩阻风速产生的影响将有待于进行更深入的研究。     

黄土高原水蚀风蚀交错区藓结皮对土壤酶活性的影响

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明: 与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5%和0.8%,温度分别降低了0.8和2.5 ℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.     

Crust Composition and Disturbance Drive Infiltration Through Biological Soil Crusts in Semiarid Ecosystems

Soil crusts influence many soil parameters that affect how water moves into and through the soil, and therefore, critically influence water availability, erosion processes, nutrient fluxes, and vegetation distribution patterns in semiarid ecosystems. Soil crusts are quite sensitive to disturbance, and their alteration can lead to modification of the local hydrological regime, thus affecting general functioning of the ecosystem. The aim of this study was to analyze the influence of different types of soil crusts, physical, and biological in different developmental stages, as well as the impact of their disturbance, on infiltration. This was assessed by means of rainfall simulations conducted in two semiarid ecosystems in southeast Spain characterized by different lithologies, topographies, and soil crust distributions. Two consecutive rainfall simulation experiments (50 mm h⁻¹ rainfall intensity), the first on dry soil and the second on wet soil, were carried out in microplots (0.25 m²) containing the most representative soil crust types at each site, each crust type subjected to three disturbance treatments: (a) undisturbed, (b) trampling, and (c) removal. Infiltration in the crusts was higher on coarse- than on fine-textured soils and almost two times greater on dry than on wet soil. Biological soil crusts (BSC) showed higher infiltration rates than physical soil crusts (PSC). Within BSC, infiltration increased as cyanobacterial biomass increased and was the highest in moss crusts. However, late-successional crustose and squamulose lichen crusts showed very low infiltration rates. Trampling reduced infiltration rates, especially when soil was wet, whereas crust removal enhanced infiltration. But this increase in infiltration after removing the crust decreased over time as the soil sealed again due to raindrop impact, making runoff rates in the scraped microplots approach those registered in the respective undisturbed crust types. Our results demonstrate that water redistribution in semiarid ecosystems strongly depends on the type of crusts that occupy the interplant spaces and the characteristics of the soils which they overly, as well as the antecedent moisture conditions of the soil. Disturbance of these crust patches results in increased runoff and erosion, which has important consequences on general ecosystem functioning.     

生物结皮影响下沙漠土壤表面凝结水的形成与变化特征

在水资源匮乏的沙漠生境,凝结水是植物、生物结皮、无脊椎和脊椎小动物的重要水分来源之一.采用微渗计法对比研究3种生物结皮类型(藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮)和自然裸沙对地表凝结水量及凝结水蒸散过程的影响.微渗计的规格为内径6 cm,高3.5 cm的PVC管.研究结果表明:不同类型地表的总凝结水量之间存在极显著的差异(P < 0.01),总凝结水量随生物结皮发育水平呈显著增加的趋势,依次为:裸沙 < 藻结皮 < 地衣结皮 < 苔藓结皮,即生物结皮的存在有利于沙漠地表凝结水的形成.不同类型地表凝结水量的日均值有所差异.对于同一地表类型,凝结水量的最大值为最小值的数倍.黎明时,苔藓结皮的凝结水量最大,而裸沙的凝结水量最小,地衣结皮和藻结皮居中.凝结现象自20:00～22:00,次日8:00～9:00结束.大多数日出后凝结现象仍继续发生.不同类型地表的凝结及蒸散过程经历2个阶段:日出前凝结水量呈缓慢增加的趋势,日出后随温度的升高凝结水量快速减少,其中以苔藓结皮凝结水量下降最为迅速.凝结水量主要受温度、大气湿度、凝结面类型、气象条件和生境等方面因素的影响.     

荒漠结皮层藓类植物死亡对表层土壤水分蒸发和入渗的影响

水分是荒漠植物生长最主要的限制因子,藓类结皮作为荒漠土壤表层重要覆被物,对土壤水分蒸发入渗具有重要影响。研究表明,在全球气候变化背景下,不确定的降水格局变化导致结皮层藓类植物出现集群死亡现象,但这一过程对荒漠地表土壤水分蒸发与入渗过程的影响及其机理尚不清楚。以古尔班通古特沙漠齿肋赤藓结皮为研究对象,利用便携式渗透计和蒸发仪,研究了结皮层藓类植物死亡对土壤水分蒸发与入渗的影响。结果表明,与裸沙相比,藓类结皮的存在显著抑制了水分入渗,而藓类植物死亡的结皮层抑制作用最大,其初渗速率、稳渗速率和累积入渗量分别是活藓类结皮的39.89%、85.91%及64.48%,仅为裸沙的5.96%、13.13%及20.42%。在水分蒸发初期,裸沙的水分蒸发速率明显高于活藓类结皮和藓类植物死亡的结皮层,但藓类植物死亡的结皮层维持相对稳定的蒸发速率的时间长于裸沙和活藓类结皮,这也导致最终累计蒸发量以藓类植物死亡的结皮层最高、裸沙最低。可见,荒漠生物土壤结皮中藓类植物死亡会明显减少土壤水分入渗、增大水分蒸发,进一步影响荒漠表层土壤水分格局,从而影响生物土壤结皮与维管植物的水分利用关系。