黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响

在采样分析生物结皮对土壤理化属性影响的基础上,采用EPIC模型估算与模拟降雨试验相结合的方法,研究了黄土丘陵区不同生物量、不同土壤质地和不同季节的生物结皮对土壤可蚀性(K值)的影响.结果表明： 生物结皮显著降低了土壤可蚀性,生物结皮层土壤可蚀性较下层土壤降低17%;土壤可蚀性随生物结皮生物量的增加呈降低趋势,藓结皮土壤可蚀性K值较藻结皮土壤降低21%;生物结皮土壤可蚀性在不同季节因其生物活性不同而存在差异,雨季中显著高于雨季前和雨季末;不同质地土壤上生物结皮对可蚀性的影响不同,可蚀性K值为砂壤>粉壤>砂土;模拟降雨条件下测定表明,生物结皮的发育使土壤可蚀性较对照（下层5~10 cm土壤）降低约90%.
     

黄土丘陵区生物结皮对土壤可蚀性的影响

在采样分析生物结皮对土壤理化属性影响的基础上,采用EPIC模型估算与模拟降雨试验相结合的方法,研究了黄土丘陵区不同生物量、不同土壤质地和不同季节的生物结皮对土壤可蚀性(K值)的影响.结果表明： 生物结皮显著降低了土壤可蚀性,生物结皮层土壤可蚀性较下层土壤降低17%;土壤可蚀性随生物结皮生物量的增加呈降低趋势,藓结皮土壤可蚀性K值较藻结皮土壤降低21%;生物结皮土壤可蚀性在不同季节因其生物活性不同而存在差异,雨季中显著高于雨季前和雨季末;不同质地土壤上生物结皮对可蚀性的影响不同,可蚀性K值为砂壤>粉壤>砂土;模拟降雨条件下测定表明,生物结皮的发育使土壤可蚀性较对照（下层5~10 cm土壤）降低约90%.
     

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.     

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.     

短期氮素添加和模拟放牧对青藏高原高寒草甸生态系统呼吸的影响

氮沉降和放牧是影响草地碳循环过程的重要环境因子,但很少有研究探讨这些因子交互作用对生态系统呼吸的影响。在西藏高原高寒草甸地区开展了外源氮素添加与刈割模拟放牧实验,测定了其对植物生物量分配、土壤微生物碳氮和生态系统呼吸的影响。结果表明:氮素添加显著促进生态系统呼吸,而模拟放牧对其无显著影响,且降低了氮素添加的刺激作用。氮素添加通过提高微生物氮含量和土壤微生物代谢活性,促进植物地上生产,从而增加生态系统的碳排放;而模拟放牧降低了微生物碳含量,且降低了氮素添加的作用,促进根系的补偿性生长,降低了氮素添加对生态系统碳排放的刺激作用。这表明,放牧压力的存在会抑制氮沉降对高寒草甸生态系统碳排放的促进作用,同时外源氮输入也会缓解放牧压力对高寒草甸生态系统生产的负面影响。     

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.     

黄土丘陵区不同类型生物结皮下的土壤生态化学计量特征

生物结皮在土壤养分累积和循环中起着重要作用.本研究以黄土丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻藓混合结皮、藓结皮、地衣结皮和普通念珠藻结皮6类典型生物结皮为对象,分析不同类型生物结皮土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其化学计量学特征,研究不同类型生物结皮对土壤养分的影响.结果表明:不同类型生物结皮土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P差异显著;生物结皮层C、N、P、C/N、C/P、N/P均显著高于0~10 cm土层土壤.6类生物结皮土壤C、N含量均随土层加深而下降,P含量受土层深度影响较小.对于生物结皮层,藓结皮C、N、P含量分别为27.07、2.42、0.67 g·kg^-1,显著高于其他类型生物结皮.念珠藻结皮的0~2 cm土层土壤C、N、P、C/N、C/P、N/P显著高于其他类型生物结皮.     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土-气界面CO2通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响.结果表明:光照条件下,生物结皮土壤CO2通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92％和305％;生物结皮对土壤CO2通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO2通量较裸地分别降低了141％和484％.生物结皮土壤CO2通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO2通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO2通量分别为0.13和-1.02 μmol CO2·m-2·s-1;藻结皮24 h CO2通量排放总量较裸地增加7.7％,而藓结皮减少了29.6％.生物结皮对土壤CO2通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

黄土丘陵区生物土壤结皮表面糙度特征及影响因素

地表糙度是影响地表径流和侵蚀过程的重要属性.生物结皮在干旱半干旱区广泛分布,是地表糙度的影响因子之一.本文采用链条法测定了黄土丘陵区不同发育阶段生物结皮表面糙度特征,分析了不同发育阶段生物结皮表面糙度对坡向、土壤含水量和冻融作用的响应及其与各理化性质的相关性,初步探索了生物结皮对地表糙度的影响及其相关因素.结果表明: 生物结皮显著改变地表糙度,随着生物结皮从藻结皮向藓结皮演替,其糙度先降低后增加,生物结皮发育形成10年以后,其表面糙度基本趋于稳定;研究区早期形成的藻结皮表面糙度较裸土降低47.0%,深色藻结皮(藓类盖度<20%)较裸土降低20.4%,混生结皮(藓类盖度为20%～60%)和苔藓结皮(藓类盖度>70%)表面糙度与深色藻结皮基本一致;坡向对发育10年以上的生物结皮表面糙度的影响不显著;土壤含水量影响地表糙度特征.研究区浅色藻结皮表面糙度随水分变化较为剧烈;随着生物结皮发育,深色藻结皮、混生结皮和苔藓结皮表面糙度随水分的变化趋于平缓.冻融增加了生物结皮表面糙度.浅色藻结皮经两次冻融后表面糙度增加29.7%;深色藻结皮、混生结皮和藓结皮表面糙度的影响需经过反复冻融才有所体现.生物结皮表面糙度与藓结皮盖度呈显著正相关(P＜0.1).     

外源输入氮素在藓类生物土壤结皮中各氮组分的分配特征与归趋途径

针对黄土高原典型藓类生物结皮,以无结皮裸地为对照,通过野外原位同位素标记试验,在标记后1~30 d连续取样测定,示踪外源添加¹⁵N在生物结皮中各氮组分的分配特征,并分析¹⁵N在土壤-微生物-藓植株中的归趋途径,对比揭示生物结皮对土壤氮循环的影响。结果表明: 1)生物结皮的全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮中¹⁵N含量分别平均比裸地高2.9、17.5、9.0倍,且藓植株固定的¹⁵N含量高达4.73 mg·kg^-1。2)生物结皮的¹⁵N残留率平均为13.0%,其氮固持能力是裸地(3.3%)的4.0倍;生物结皮中各组分¹⁵N占全氮的比率依次为微生物生物量氮(54.3%)>藓植株氮(22.5%)>可溶性有机氮(6.2%),而裸地则为微生物生物量氮(11.5%)>可溶性有机氮(2.6%),显示生物结皮中微生物和藓植株的氮固持能力合计比裸地高65.3%。3)生物结皮中微生物生物量¹⁵N的转移量和库容量分别比裸地高17.2和20.5倍,但其周转率为每月5.8次,低于裸地的每月7.2次,其周转期是裸地的1.2倍。综上,与无结皮裸地相比,生物结皮具有更高的氮固持能力,同时能够改变土壤各氮组分的分配率,因此,在干旱生态系统土壤氮循环过程中具有重要作用。     

黄土高原不同土壤微生物量碳、氮与氮素矿化势的差异

以采自于黄土高原差异较大的25个农田石灰性耕层土壤为供试土样,对黄土高原主要类型土壤中微生物量碳(Bc)、微生物量氮(BN)和氮素矿化势(NO)的差异性进行了比较研究.结果表明,Bc、BN和NO在不同类型土壤间存在显著差异,由关中平原至陕北风沙区,BC、Bn和NO总体呈现下降趋势,其中以土垫旱耕人为土最高,简育干润均腐土最低,黄土正常新成土和干润砂质新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土等各土类平均BC分别为305.2μg·g-1,108.4μg·g-1,161.7μg·g-1和125.4μg·g-1,BN分别为43.8μg·g-1,20.3μg·g-1,26.0μg·g-1和30.6μg·g-1,NO分别为223μ·g-1,75μg·g-1,163μg·g-1和193μg·g-1.土壤氮素矿化速率(k)则以简育干润均腐土最大,干润砂质新成土最低,土垫旱耕人为土和黄土正常新成土居中:土垫旱耕人为土、简育干润均腐土、黄土正常新成土和干润砂质新成土的k分别为0.039w-1,0.044w-1,0.031w-1和0.019w-1.不同类型土壤BC、BN与NO的差异,主要与土壤形成过程、输入土壤的植物同化产物和土壤有机质的差异等有关,从较大尺度进一步证明了在黄土高原,土壤有机质是影响BC、BN的主要因子.研究结果对分析黄土高原土壤生产力形成过程具有一定参考价值.     

土壤易矿化有机态氮和微生物态氮作为土壤氮素生物有效性指标的评价

通过盆栽试验研究了土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮与土壤净矿化氮及植物吸氮量之间的关系。结果表明,种植前土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮以及种植前后土壤易矿化有机态氮的变化量均与土壤氮素净矿化量和植物吸氮量之间存在显著的相关性。在盆栽试验条件下,土壤易矿化有机态氮和种植前土壤微生物态氮能够较好地反映土壤氮素的矿化和供应能力,可以作为土壤氮素的生物有效性指标。     

Effects of biological soil crusts on profile distribution of soil water,organic carbon and total nitrogen in Mu Us Sandland,China

Aims Biological soil crusts (BSCs) can affect soil properties including water dynamics and cycling of soil carbon and nitrogen in dryland ecosystems. Previous research has mostly focused on effects of BSCs on soil water distribution or carbon and nitrogen fixation in the surface soil layer. Thus, little is known about effects of BSCs on properties throughout the soil profile. In the current study, we assessed the effects of BSCs on the distribution of soil water content (SW), soil organic carbon content (SOC) and soil total nitrogen content (STN) throughout the soil profile as well as the influence of water conditions on the effects of BSCs.Methods In a field investigation in Mu Us Sandland, North China, soil samples were taken from plots with and without BSCs on 13 and 28 September 2006, respectively. On the two sampling dates, average soil gravimetric water content was 3.83% (±1.29%) and 5.08% (±0.89%), respectively, which were regarded as low and high water conditions. Soil samples were collected every 5 cm to a depth of 60 cm, and SW, SOC and STN were measured in the laboratory.Important findings (i) BSCs affected profile distribution of SW, SOC and STN. In addition, water conditions within the plots significantly modified BSCs' effects on the profile distribution of SW, but marginally affected the effects on SOC and STN. (ii) Under high water conditions, SW in the surface soil layer (0–10 cm) was higher in soils with BSCs compared to those without BSCs, while the opposite was true in the deep soil layer (30–55 cm). (iii) Under low water conditions, SW was lower with BSCs compared with no BSCs in near-surface (5–20 cm) and deep (25–40 cm) soil layers. (iv) BSCs affected SOC and STN only in the surface soil layer (0–5 cm) and were modified by plot water conditions.     

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。