毛烏素沙地生物結皮對水分入滲和再分配的影響

熊好琴，段金躍，王 妍，張新時

(1.西南林業大學環境科學與工程系，昆明650224;2.昆明冶金高等專科學校建工學院，昆明650033;3.中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室，北京100093)

在干旱半干旱沙區，水是植物生長最主要的限制性因子之一。對于我國北方干旱半干旱毛烏素沙地來說，降水是區域水文循環中最重要的水源補給來源。在降水一定的情況下，對降水入滲和水分在植被根際區再分配的研究顯得十分重要。而降雨入滲、土壤水分的深層滲透等土壤水文過程都是以土壤表層為介質不斷地發生和轉化的[1]，因而表層土壤在水文循環中起著極其重要的作用。生物結皮(以下簡稱結皮)作為土壤表面的一個特殊層次，是由苔蘚、地錢、藍綠藻、地衣、真菌和細菌，以及很多景觀中常見的非維管束植物成分組成的與表層土壤有著密切關系的復雜集合[2]。在全球干旱半干旱地區都有分布，其在土壤物理過程(團聚)、土壤水文(降雨攔截與降雨入滲)、土壤侵蝕(水蝕、風蝕)和土壤生態(養分循環、種子萌發和無脊椎動物生存)等方面起著重要的作用[2-3]。結皮潛在影響著干旱半干旱區局部尺度土壤水文過程和循環動態[4-5]。因此，受到國內外研究者的廣泛關注[4，6-9]。但是有關結皮對干旱半干旱區土壤水文過程的影響研究結論不一，其中一個長期以來都具爭議性的問題是結皮對降雨入滲的影響[5，10]。有相當多的文獻報道結皮的存在增加降雨入滲減少徑流[11-14];或者減少入滲增加徑流[4，7-8，15-17]。但是，也有研究表明結皮的存在對降雨入滲和徑流沒有影響[18-19]。

在退化毛烏素沙地圍欄禁牧恢復區，結皮大量發育，蓋度達到20%～30%，改變了沙質地表的覆蓋狀況，這種情況很可能引起小尺度土壤水文過程的變化。有關圍欄禁牧恢復過程中結皮的形成對土壤水分入滲的影響，不同學者由于試驗方法、立地條件及結皮本身組成不同得出的結論存在分歧[20-22]，且現有的一些研究也只是對模擬降雨條件下結皮對毛烏素沙地土壤水分狀況的影響做了研究[7]，這個結果并不能代表自然降雨條件下土壤水分狀況。為此本文特別針對兩種有代表性的自然降雨條件(降雨量為8.5 mm和14.8 mm)下的3種放牧管理類型(持續放牧地、圍欄5 a禁牧區、圍欄15 a禁牧區)有無結皮狀況的土壤降雨入滲和再分配規律進行研究，以闡明半干旱毛烏素沙地的小尺度土壤水文生態特征，為該區水土保持與植被恢復演替提供科學依據。

1 研究區概況

研究地位于中國科學院植物研究所鄂爾多斯沙地草地生態站(39°29′37″N ，110°11′29″E)附近，該站位于內蒙古鄂爾多斯高原毛烏素沙地的東北緣。這里的生態環境十分脆弱和敏感，是我國土地荒漠化最活躍的地區之一[23]。氣候屬于典型的半干旱氣候，年平均降雨量大約360 mm，其中60%～80%集中在植物的生長季6-8月，年平均溫度大約 6.0～8.5℃，7月均溫22℃，1月均溫-11℃。全年大約有200 d風速大于5 m/s。海拔在1 200～1 600 m。土壤屬于沙栗鈣土，大部分區域覆蓋著不同深度的沙。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

(1)持續放牧樣地(G)。一直處于自由放牧狀態，為典型的以半灌木油蒿為主的退化沙質草場，植被蓋度約15%，優勢種為油蒿(Artemisia ordosica Krasch)，高度約30 cm。地表生物結皮主要由藍綠藻組成，蓋度很低，5%左右，只在個別地方有星星點點的分布，厚度0.1～0.2 cm。

(2)圍欄禁牧5 a樣地(E5)。原為自由放牧的退化沙質草場，2001年開始實行圍欄禁牧，至調查時已自然恢復了5 a。植被蓋度約50%，優勢種也是油蒿，高度約60 cm。地表生物結皮主要由苔蘚和地錢組成，蓋度約20%，厚度0.5～1 cm。

(3)圍欄禁牧15 a樣地(E15)。原為自由放牧的退化沙質草場，1991年開始圍封，至調查時已自然恢復了15 a。植被蓋度約60%，優勢種有達烏里胡枝子(Lespedezadavurica(Laxm.)Schindl.)、油蒿、本氏針茅(Stipa bungeana Trin.)，高度約45 cm。地表生物結皮主要由苔蘚和黑色地衣組成，蓋度約25%～30%，厚度 1～1.5 cm。

2.2 土壤滲透性和降雨入滲及再分配測定

(1)土壤入滲速率。采用滲透筒法[24]，滲透筒是用塑料管自制的，內徑5 cm，總高度15 cm。分別在上述3種放牧管理類型(持續放牧、圍欄禁牧5 a和15 a)區域選擇15個樣地(每種類型5個樣地)。在每個樣地內各設置3對有結皮和無結皮土壤樣點，共45對。用滲透筒采取原狀土，取土深度為10 cm(其上5 cm用于盛水)，底部用墊有濾紙的金屬底篩蓋好，帶回室內待測。為了便于比較，將測得的入滲速率換算成10℃時的滲透系數(K10)。

(2)降雨量。在3種類型的15個樣地各設置3個自制的雨量收集器，漏斗直徑20 cm，離地面高度70 cm，雨停后將承水瓶中雨水倒入量筒讀數，計算出降水量，再算平均值。

(3)降雨入滲深度和再分配。降雨停止后立即采用挖剖面的方式記錄上述3種類型15個樣地土壤濕潤鋒的深度，每個樣地取5個剖面。降雨結束后次日，在每個樣地選取3個點進行土壤分層取樣。用土鉆每隔10 cm取一個土樣，取樣深度至120 cm，裝鋁盒，帶回室內烘干測定。所取樣點均選擇梁地和沙丘頂部相對平緩處，且位于植株間的空隙，以消除坡度和植被對降雨入滲和再分配的影響。

2.3 數據分析

同一放牧管理類型的有結皮和無結皮土壤間的入滲速率差異的比較采用配對樣本t檢驗。不同放牧管理類型間有結皮或無結皮土壤間滲透性的比較用LSD單因素方差分析。應用SPSS 13.0軟件對數據進行分析。

3 結果與分析

3.1 土壤入滲速率

對于禁牧5 a圍欄區，其結皮的存在極顯著降低土壤入滲速率(t=18.796，df=14，P ＜0.001);對于禁牧15 a圍欄區，有結皮的土壤入滲速率同樣極顯著低于無結皮土壤(t=11.639，d f=14，P＜0.001)，這與干旱半干旱環境下很多有關結皮減少水分入滲的研究結果一致[4，28-31]。而該結果與結皮增加降雨入滲或者對入滲沒有影響的很多研究結果不一致，原因可能是因為毛烏素沙地土壤含沙量＞80%。Warren 2003年的研究表明對于含沙量＞66%的沙土，結皮的存在將降低水分入滲速率[32]。而在持續放牧區上，結皮發育很差，只在個別地方星星點點分布一些藍綠藻結皮，其對土壤的入滲速率沒有影響(圖1)。

在3種放牧管理類型區域內，同樣是無結皮土壤，其入滲速率也不相同。禁牧15 a的無結皮土壤滲透性(8.99 mm/min)要顯著小于禁牧5 a(10.99 mm/min)和持續放牧樣地(11.63 mm/min)(P=0.006，0.015);而禁牧5 a和持續放牧樣地之間差異不顯著(P=0.207)，之所以造成這種差異是由于圍欄禁牧15 a后沙質草地植被蓋度增加，攔截細塵，持水能力也增強，因而入滲速率減小。對于3種放牧管理類型區域內有結皮土壤則是，禁牧15 a(7.97 mm/min)和禁牧5 a(8.65 mm/min)的有結皮土壤滲透性都顯著小于持續放牧沙地(11.28 mm/min)(P=0.017，0.015)，但禁牧15 a與禁牧5 a之間差異不顯著(P=0.473)。這可能是因為在圍欄區禁牧后結皮充分發育，而持續放牧區結皮發育很差。

圖1 三種放牧管理類型沙地土壤入滲速率K10

3.2 降雨入滲和再分配

表1是觀測2次不同降雨量/降雨強度情況下降水的入滲深度。從表1中可以看出，雨量為8.5 mm的降雨終止時在持續放牧區能入滲到15-20 cm，而在禁牧5 a和禁牧15 a圍欄區僅能入滲到10-15 cm。雨量為14.8 mm的降雨終止時在持續放牧區能入滲到30-40 cm，在禁牧5 a和禁牧15 a圍欄區能入滲到20-25 cm。

從表2可看出全年有84.6%的雨天降雨量小于10 mm，其中69.4%小于5 mm。這84.6%的小于10 mm的降雨量占全年總降雨量的42.0%。

表1 三種放牧管理類型在不同降雨量下的降雨入滲深度

表2 研究地月均降雨天數統計(1994-2005年) d

在毛烏素沙地全年有84.6%的日降雨量小于10 mm，全年降雨量的42%次降雨量小于10 mm，且其中69.4%小于5 mm。郭柯等在毛烏素沙地的研究表明，＜1 mm的降雨對流動沙地都沒有效果;＜5 mm的降雨在固定沙地下滲的深度只有5 cm左右，雨后絕大部分的雨水被蒸發掉，對固定沙地灌木根系層土壤水分的補充基本沒有效果[25]。Sala&Lauenroth的研究表明，半干旱區小降雨事件(＜5 mm)對草本植物有顯著的生態作用[26]。而姚德良等對沙坡頭的研究表明，小于8 mm的降水均屬于無效降水，這部分水只能濕潤干沙層，很快蒸發[27]。同時，李新榮等在沙坡頭的研究也表明，當發生＜10 mm的降水事件時，結皮可以完全將降水截留至結皮和表土層[28]。因此，本研究選擇了一個單次降雨為8.5 mm的降雨事件來代表降雨量在5～10 mm范圍時對土壤水分狀況的影響。在研究區降雨量為10～20 mm時的天數占總雨天的8.5%，其降雨量占總降雨量的18.3%，因此，在10～20 mm范圍內也選擇了一次降雨量為14.8 mm的降雨事件來代表10～20 mm的降雨對土壤水分含量產生的影響。20～30 mm范圍的降雨天數只占雨天的2.9%，所以未選擇此范圍進行研究。另外對于＞30 mm的降雨事件，雖然其只占雨天的 4%，但其降雨量占總降雨量的30.5%。經觀測，＞30 mm的降雨次日土壤水分的再分配深度都達到了1 m以下，對深根系植物也獲得了有效的水分補充，因此也未對此進行取樣。

圖2 毛烏素沙地三種放牧管理類型沙地土壤水分狀況

從圖2中可以看出，在無雨條件下(圖2a，b，c)，持續放牧區在0-10 cm土層含水量較低(2.4%～3.6%)，20 cm以下土壤水分含量較高(3.1%～4.9%);在禁牧5 a圍欄區0-10 cm土層含水量較低(1.4%～3.2%)，20 cm以下土層土壤水分含量變化較大(1.6%～5.7%);禁牧15 a圍欄區0-50 cm土層土壤含水量較高(2.2%～6.5%)，50 cm以下土層含水量較低(1.3%～3.4%)。在降雨量為8.5 mm的次日(圖2d，e，f)，降雨再分配深度在持續放牧區達到30 cm，而在禁牧5 a和禁牧15 a沙地僅達到20 cm 。在14.8 mm 的降雨后次日(圖2g，h，i)，降雨再分配深度在持續放牧區達到50 cm，在禁牧5 a和禁牧15 a沙地分別達到30 cm和40 cm。

通過對降雨前后3種放牧管理類型沙地土壤剖面水分狀況的研究結果發現，圍欄禁牧15 a恢復區50 cm以下土層含水量在降雨前后都保持在2%左右，說明小于14.8 mm的降雨對15 a圍欄區50 cm以下土層的水分補給基本無效。而對于5 a圍欄恢復區和持續放牧區10-120 cm土層土壤水分狀況在降雨前后都比較好，含水量大約在3%～4%。不過對于降雨前土壤水分條件基本相似以及土壤質地基本相同的持續放牧區和5 a恢復區來說，雨后(圖2d，e;圖2g，h)兩者的土壤水分狀況還是有所不同。在同樣的降雨條件下，5 a恢復區降雨再分配深度要比持續放牧區的更淺，這其中的原因可能是由于禁牧5 a結皮得以發育，在土壤表面覆蓋了一層0.5～1 cm的以苔蘚為主的結皮，其降低了降雨的入滲速率，影響了降雨再分配深度。

4 討論

在15 a圍欄恢復區由于結皮的發育導致土壤入滲速率的降低，對降雨有攔截作用，再加上在毛烏素地區84.6%的天然降雨事件(其單次降雨＜10 mm，雨量占總降雨量的42%)對15 a禁牧區土壤水分的補充只能達到30 cm以上，這種淺層化趨勢，減少了降雨對深層(30 cm以下)土壤的有效補給。這個研究結果可能是禁牧15 a恢復區深根系半灌木油蒿衰退而淺根系草本盛行的原因。退化沙地禁牧后油蒿生長旺盛，5 a以后油蒿蓋度就從16.2%迅速增加到32.9%，而且根系也迅速伸長，油蒿根系主要分布在20-100 cm[33]，在沙丘上有的油蒿根系達到1.5 m[8]，此時土壤水分狀況很好(圖2b，e，h)，集中在2%～6%。隨著禁牧時間的延長，在禁牧15 a恢復區50 cm以下土層水分狀況相對較差(圖2c，f，i)，含水量只有1.3%～3.4%，在連續無＞4.8 mm的降雨的時候將導致深層沙土產生物理干旱，這將直接影響深根系半灌木油蒿對水分的吸收和利用，使油蒿吸收的水分相對減少，造成在禁牧15 a圍欄區油蒿生長不良，逐漸衰退。而另一方面，結皮的形成延緩了水分的下滲深度，使下滲水分減少，滲透深度變淺，再加上高頻率(69.4%)的小降雨事件(＜5 mm)只對淺根系的草本有效，使得草本植物在禁牧15 a沙地上迅速增加蔓延。由此可以看出，經過長時間(15 a)的圍欄禁牧促使毛烏素沙地土壤結皮充分發育，而結皮的發育又影響到土壤水分的入滲和再分配，最終影響到毛烏素沙地植被的演替，即深根系半灌木油蒿慢慢衰退而淺根系草本開始盛行。

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