油蒿、羊柴和花棒下生物結皮阻水特性分析——以寧夏鹽池縣為例

李 柏，高甲榮 ，崔 強，錢斌天 ，王 越，劉 法

(1.北京林業大學教育部水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京100083;2.北京林業大學寧夏鹽池荒漠生態系統定位研究站，寧夏鹽池751500)

荒漠化是指包括氣候變異和人類活動在內的各種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區的土地退化[1]。在干旱、半干旱的荒漠化地區，地表生物結皮的形成是固定沙丘形成的重要標志，預示荒漠化生境的轉變[2]。降雨量少而且時間集中，水是制約荒漠化地區生物生存和繁衍最重要的生態制約因子，生物結皮在土壤表面形成以后就造成了土壤水文性質的不連續性[2]，因此對生物結皮阻水特性的研究受到了專家的高度重視。

在國內外關于生物結皮阻水特性的研究主要有3種報道，即促進滲透，抑制滲透和沒有影響[3-4]。在國內，對生物結皮水文特征的研究，主要表現為生物結皮層影響沙土水分的再分配作用，降水對沙地深層水分補給的影響，并且生物結皮層具有較高的保水和持水能力[5]，通過降低反射率和提高毛管作用，大大提高了土面蒸發[6]，而顯著地降低土壤水分的入滲速率[7];在國外，Eldridge認為，在一些放牧地，生物結皮的存在顯著增加土壤滲透能力，并認為土壤物理性質、孔隙狀況和團聚體是控制滲透的因素，而當這些性質被破壞后，生物結皮就變得更加重要[4]。而Gifford認為，在愛達荷州“土壤微生物活動”降低了生物結皮的滲透率[4]。在我國關于生物結皮阻水特性的研究主要有兩個方面的討論，其中一部分專家認為，生物結皮具有一定的保水和持水能力，對水分有阻擋的作用，而另外一部分專家認為，降雨對生物結皮的結構有破壞的作用，對水分的下滲沒有影響。在鹽池縣，關于生物結皮的研究比較少，阻水特性的研究少之又少，而且生物結皮阻水特性的研究還沒有定論，所以選擇在鹽池縣沙泉灣實驗基地進行實驗，進而得出當地生物結皮阻水特性的研究結果。本文比較在有植被條件下和裸地條件下，以及在油蒿、羊柴和花棒下方生物結皮阻水特性的差異。通過對油蒿、楊柴和花棒下生物結皮阻水特性的分析研究，對今后生物結皮與植被建設的研究有重要意義。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏鹽池縣沙泉灣實驗基地。鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，地理坐標為北緯37°04′-38°10′，東經 106°30′-107°41′，總面積 7 130 km2。鹽池縣北部與毛烏素沙地相連，地貌類型復雜，地形起伏較大，土地類型以灘地、平地、緩坡地、丘陵地、沙丘地為主[8]。鹽池縣氣候是從半干旱區向干旱區的過渡帶，屬于典型中溫帶大陸性氣候，年平均降雨量280 mm，年蒸發量2 100 mm[9]。鹽池縣植被在區系上屬于歐亞草原區，亞洲中部亞區，中國中部黃土高原的過渡地帶。全縣植被低矮、稀少，沒有天然森林，多年野生草本植物廣泛分布，間有半灌木、灌木。植被類型有草原、灌叢、草甸、沙地植被和荒漠5個類型，其中灌叢、草原、沙地植被數量較多，分布也廣。沙生植被以有苦豆子群系、牛心樸子群系、黑沙蒿群系和白沙蒿群系為主，伴有白刺群系、芨芨草群系、鹽爪爪群系。全區生物結皮生長情況和當年降雨量息息相關，多為初期的沙結皮和帶有菌類的生物結皮。土壤類型主要有灰鈣土、風沙土、黑壚土和鹽土，其中灰鈣土和風沙土占75%。

1.2 研究方法

(1)本實驗研究采取沿著在沙丘坡面下部隨機取樣的方法，由于坡度較小，坡向一致，所以忽略坡度、坡向對實驗結果的影響。打16個4 m×4 m的小樣方(圖1)，記錄樣方的位置以及高程。

圖1 樣線、樣方布設示意圖

(2)在樣方內隨機采生物結皮10組，利用游標卡尺法測量10組生物結皮厚度，并估讀樣方內生物結皮的蓋度。

(3)用鋁盒法取有植被和裸地樣地內干結皮，并取結皮下層干沙，將土樣放入自封袋中。在有植被和裸地的生物結皮上方用噴壺模擬人工降雨，降雨用水來源于生活用水，降雨的面積定為50 cm×50 cm，降雨時間為5 min左右，降雨量為28.8 mm，待降雨完成靜等10 min水分下滲，之后用鋁盒法取有植被和裸地下濕結皮和濕沙，放入自封袋中，連同之前取到的干結皮、干沙，帶回實驗室內測量含水率。土壤含水率的測定方法:在野外實驗取土樣，取樣后放入鋁盒中帶回實驗室，稱取土樣和鋁盒總重，并稱取鋁盒的重量，之后放入烘箱內于105℃烘干至恒重，取出干土樣，稱取干土樣和鋁盒總重。土壤含水量計算式為:

(4)最后在樣方內進行植被調查，測量植被的種類、高度和冠幅，估讀樣方內植被的蓋度。

(5)實驗數據運用Excel、SPSS等軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 油蒿、羊柴和花棒下生物結皮厚度變化

沙漠生物結皮是流動沙丘固定的標志，而結皮層的厚度在一定程度上反映了流動沙丘固定時間的長短或結皮形成時間的長短，所以結皮厚度與其形成時間具有一致性，并且和養分的富集具有相關性。

不同植被類型下的生物結皮厚度不同。隨著固沙植被的生長和固沙年限的增加，沙面生物結皮逐漸發育，一般可將其發育階段分為松脆粉狀結皮、松脆薄片結皮、較緊密片狀結皮和緊密片狀、塊狀結皮[7]。

油蒿的高度和冠幅較小，屬于匍匐植被，而羊柴和花棒的高度、冠幅都較大。在鹽池當地，油蒿、羊柴和花棒群落之間是競爭關系，油蒿群落是優勢群落，而羊柴和花棒群落屬于衰敗群落。由表1知:油蒿下生物結皮的厚度為0.41 cm，羊柴下生物結皮大于油蒿下，厚度為0.54 cm，花棒下生物結皮略大于羊柴下，厚度為0.58 cm。

生物結皮厚度不同其原因與生物結皮的發育時間和植被下方養分富集情況有關:羊柴和花棒灌叢形成的時間較長，而油蒿灌叢形成時間較短，羊柴和花棒下生物結皮生長的時間比油蒿下的時間長，還有羊柴和花棒下方養分富集量要比油蒿下方多，所以羊柴和花棒下生物結皮厚度大于油蒿下。隨著沙地的逐漸穩定，植被和生物結皮的生長，推動了植被的演替，更有利于荒漠化地區的穩定發展。目前，有些研究者在研究生物結皮與植被生長的關系時發現，在生物結皮發育的早期，兩者呈正相關關系。隨著植物覆蓋的增加，位于下層的結皮蓋度可能會因光照和水分等的競爭而降低;與此同時，植物也可能因結皮對降水的截留而枯死[10]。

表1 不同植被類型下生物結皮的厚度

2.2 油蒿、羊柴和花棒下生物結皮阻水特性對比分析

不同植被類型下生物結皮厚度不同，那么相對應的生物結皮的阻水特性也會不同。在進行模擬人工降雨之后，計算生物結皮和下層沙土含水率增大值(式2)以及含水率增大率(式3)，將生物結皮和沙土含水率增大率進行比較，如果生物結皮相對于沙土含水率增大的比例越大，就說生物結皮的阻水特性越好。

式中:P——含水率增大值(%);W1——濕結皮(濕沙)含水率(%);W2——干結皮(干沙)含水率(%)。

式中:Q——含水率增大率(%);P——含水率增大值(%);W2——干結皮(干沙)含水率(%)。

圖2是油蒿、羊柴和花棒下生物結皮阻水特性比較，在油蒿下生物結皮含水率增大了40.47%，下層沙土含水率增大了23.85%;在花棒下生物結皮含水率增大了56.06%，下層沙土含水率增大了24.75%。在羊柴下生物結皮含水率增大了36.73%，下層沙土含水率增大了17.84%。在油蒿下生物結皮含水率相對于下層沙土含水率增大了69.69%，在花棒下要大于在油蒿下的，為126.47%，而在羊柴下略小于花棒下的，為105.95%，在油蒿、羊柴和花棒下生物結皮阻水特性由強到弱的趨勢是:花棒＞羊柴＞油蒿。

圖2 油蒿、羊柴、花棒和裸地生物結皮阻水特性比較

不同植被類型下生物結皮阻水特性與植被的生長時間的關系。油蒿、羊柴和花棒之間存在著競爭關系，在植被調查過程中，發現樣地中花棒的株型最大，之后是羊柴。花棒和羊柴的高度和冠幅比油蒿大得多，有的甚至有好幾株油蒿的大小，羊柴和花棒下方富集養分量有可能要大于油蒿下方，所以生物結皮阻水特性由強到弱為花棒＞羊柴＞油蒿。但是在沙泉灣實驗基地，由于花棒和羊柴群落水分消耗量大于生長季降雨量，處于不穩定的情況，花棒和羊柴也有明顯的衰敗跡象，而油蒿群落水分消耗量小于生長季降雨，從水量平衡的角度分析，其水分消耗小于水分來源，降雨能夠滿足油蒿林的水分消耗，油蒿群落不會造成沙土的干旱以及地下水位的下降，處于穩定情況，所以油蒿群落會逐漸取代羊柴和花棒群落，成為主導群落，生物結皮阻水特性也會隨之改變，在此方面有待進一步研究。

2.3 植被和裸地條件下生物結皮阻水特性比較

在荒漠化地區，植被覆蓋度能夠反映當地沙丘的穩定情況，生物結皮是固定沙丘的先行者，在沒有植被覆蓋的沙丘上也會有生物結皮的存在，那么生物結皮在有植被下和裸露自然條件下的阻水特性會有一定的差異。

在裸地條件下生物結皮含水率增大了50.79%，下層沙土含水率增大了27.42%。在油蒿、羊柴和花棒下生物結皮含水率相對于下層沙土含水率分別增大了69.69%、105.95%和126.47%，在裸地條件下生物結皮含水率相對于下層沙土含水率增大了85.24%，那么可以得出結論在有植被和裸地條件下生物結皮阻水特性是由不同植被類型決定的，在油蒿下生物結皮阻水要弱于裸地條件下，而在花棒和羊柴下生物結皮阻水特性要強于裸地條件下，所以有植被和裸地生物結皮阻水特性由強到弱是:花棒＞羊柴＞裸地＞油蒿(圖2)。

在荒漠化地區，生長在植被下的生物結皮受到植被的保護，有效地減少陽光對生物結皮直射所帶來的含水量的蒸騰，枯枝落葉層增加生物結皮有機質和腐殖質的含量，同時陰涼植被下昆蟲的活動增加了微生物的含量，促進生物結皮穩定的生長發育。而裸露在自然條件下的生物結皮，陽光直射到地表，幾組生物結皮的含水率已經為0，降雨之后，含水率為0的生物結皮一定要吸收更多的水分，只有其中水分飽和才會下滲到沙土中。花棒和羊柴生長時間較久，下方生物結皮厚度也比較大，加上有植被的保護作用，阻水特性就要比裸地下強。而油蒿生長時間較短，下方生物結皮厚度最小，裸地生物結皮生長時間要長于油蒿下，裸地生物結皮飽和含水量要比油蒿下的大，所以裸地生物結皮阻水特性強于油蒿下，弱于花棒和羊柴下。由于油蒿是匍匐植株，隨著油蒿的生長發育，下方生物結皮阻水特性會增強，在以后的研究中有可能出現油蒿下生物結皮的阻水特性最強，花棒和羊柴下逐漸減弱，裸地的最小。

3 結論與討論

3.1 結論

(1)不同植被覆蓋下生物結皮的厚度不同，在油蒿、花棒和羊柴下厚度分別為0.41 cm、0.58 cm和0.54 cm。從生物結皮厚度來看，花棒更有利于沙地的穩定。

(2)生物結皮在油蒿、羊柴和花棒下阻水特性由強到弱為:花棒＞羊柴＞油蒿，同時，生物結皮在有植被和裸地下阻水特性由強到弱表現為:花棒＞羊柴＞裸地＞油蒿。在油蒿下生物結皮的阻水特性最弱，更有利于油蒿的生長，油蒿呈現穩定快速生長的趨勢，而花棒和羊柴下生物結皮阻水特性較強，生物結皮阻止水分的下滲，不利于花棒和羊柴的繼續生長，在鹽池當地花棒和羊柴呈現衰敗的趨勢。遵循植被的演替規律，油蒿群落逐漸替代其他群落，成為主要群落。

3.2 討論

將生物結皮阻水特性與生物結皮厚度聯系到一起，發現隨著生物結皮厚度的增加，阻水特性也在增強。生物結皮的阻水特性越強，水分越難下滲到下層沙土中，這樣不利于植被的恢復，植被有可能會因為吸收不到水分而死亡。采用適當放牧的方法，人為打破一些生物結皮的完整性，這樣有利于水分的下滲，有利于植被的恢復和營造，更有利于沙丘的固定。

[1] 劉麗燕，吾爾妮莎?沙衣丁，阿不都拉?阿巴斯，等.荒漠化地區生物結皮的研究進展[J].菌物研究，2005，3(4):26-29.

[2] 崔燕，呂貽忠，李保國.鄂爾多斯沙地土壤生物結皮的理化性質[J].土壤，2004，36(2):197-202.

[3] 閆德仁，薛英英，趙春光.沙漠生物結皮國內研究現狀[J].內蒙古林業科技，2007，33(1):28-32.

[4] 閆德仁，薛英英，韓鳳杰，等.沙漠生物土壤結皮國外研究概況[J].內蒙古林業科技，2007，33(1):39-42.

[5] 王新平，肖洪浪，張景光，等.荒漠地區生物土壤結皮的水文物理特征分析[J].水科學進展，2006，17(5):592-598.

[6] 李守中，肖洪浪，羅芳，等.沙坡頭植被固沙區生物結皮對土壤水文過程的調控作用[J].中國沙漠，2005，25(2):228-233.

[7] 崔燕，呂貽忠，李保國.鄂爾多斯沙地土壤生物結皮的理化性質[J].土壤，2004，36(2):197-202.

[8] 賀學林，史海莉，白澤斌，等.毛烏素沙地使用植物資源開發利用研究[J].干旱地區農業研究，2009，27(4):248-259.

[9] 崔強，高甲榮，何明月，等.寧夏鹽池沙地農田防護林的防風阻沙效益[J].生態與農村環境學報，2009，25(3):25-29.

[10] 宋陽，嚴平，張宏，等.荒漠生物結皮研究中的幾個問題[J].干旱區研究 ，2004 ，21(4):439-443.