不同類型生物土壤結皮覆蓋下風沙土的入滲特征及模擬

劉 翔, 周宏飛, 劉 昊, 朱 海

1 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院阜康荒漠生態系統研究站, 阜康 831505

?

不同類型生物土壤結皮覆蓋下風沙土的入滲特征及模擬

劉 翔1, 2, 周宏飛1, 3, *, 劉 昊1, 2, 朱 海1, 2

1 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 中國科學院阜康荒漠生態系統研究站, 阜康 831505

干旱荒漠區廣泛分布的生物土壤結皮(BSCs)對土壤水分入滲過程有重要影響。以古爾班通古特沙漠南緣的BSCs為研究對象, 基于野外采樣與室內模擬實驗等方法, 探究蘚類、地衣和藻等3種類型BSCs覆蓋下沙土的入滲特征。結果表明：與無結皮覆蓋的風沙土對照, 3種類型BSCs均顯著降低了沙土初滲速率, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%；蘚類結皮、地衣結皮(P<0.05)和藻結皮(P<0.05)均明顯降低了沙土穩滲速率, 降低幅度依次為16.50%、33.98%和35.92%；3種類型BSCs均限制了濕潤鋒在沙土的推進過程, 表現為：蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮的滲漏時間分別為裸沙對照的2.13、3.04和2.98倍；各類型BSCs均減小了沙土累積入滲量, 阻礙了沙土水分入滲, 與裸沙對照相比, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮的1 h累積入滲量分別降低16.10%、28.56%和26.56%。在實驗條件下, Kostiakov模型最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過程, Horton模型模擬效果次之。

生物土壤結皮；干旱荒漠區；風沙土；水分入滲； 濕潤鋒

在干旱區, 土壤水分條件是制約荒漠生態系統植被演替的關鍵因素[1], 水分入滲作為水文循環中的重要一環, 是降水等地表水轉化為土壤水的唯一途徑, 土壤入滲能力深刻影響著降水的再分配過程[2], 對降水的有效儲存與轉化利用至關重要。在干旱荒漠地區廣泛分布的BSCs(生物土壤結皮)是由真菌、細菌、藻類、地衣、蘚類等孢子植物類群及其代謝產物與土壤表層顆粒復合形成的結構十分復雜的復合體[3], 是荒漠生態系統重要的組成部分, 具有重要的生態水文學意義[4]。BSCs的出現明顯的改變了沙土表層的土壤特性[5]與覆被狀況, 這勢必影響到土壤水分入滲過程。近年來, 國內外學者對BSCs與水分入滲的關系進行了研究[6-7], 但已有研究因試驗方法、試驗區域、實驗對象等不同, 相關結論并不統一, 部分學者認為BSCs促進了土壤水分入滲[8], 另有一部分學者則持相反的觀點[9-10]。可見, 相關實驗證據還不夠充分, 導致很多研究結論并不一致。同時, 已有研究中針對不同類型BSCs覆蓋下的沙土水分入滲比較實驗還不多見, 相關研究有待加強。

古爾班通古特沙漠作為我國最大的固定與半固定沙漠, 其間廣泛發育有不同類型的BSCs, 部分學者已對其分布特征[11]、形成機理與演替過程[12]、生態功能及效應[13-14]等問題進行了一些研究, 但針對不同類型BSCs入滲特征的比較研究還未見報導。本項研究以古爾班通古特沙漠廣泛發育的藻結皮、地衣結皮和蘚類結皮等3類結皮為研究對象, 采用原狀土柱入滲實驗和模擬方法, 對不同類型BSCs的入滲特征展開研究, 可以為進一步了解BSCs對土壤水文過程的調控過程和機理提供科學依據。

1 研究區概況

古爾班通古特沙漠位于北疆準噶爾盆地腹地, 面積4.88×104km2, 地理位置為44°11′—46°20′ N, 84°31′—90°00′ E, 是中國最大的固定、半固定沙漠。該地區屬溫帶干旱氣候區, 夏季干燥炎熱、冬季寒冷, 年均氣溫6.6℃。年均降水量90—150 mm, 沙漠腹地僅有70—100 mm, 年蒸發量(Φ20cm蒸發皿)2000 mm以上；冬季有20—30 cm的穩定積雪覆蓋, 雪融水以垂直入滲為主[15], 無地表徑流形成。由于降水季節分配較均勻以及春季雪融水的存在, 沙漠內植物具有多樣性和穩定性的特點[16]。研究區發育有良好的BSCs, 蓋度達到41.34%[17], 有藻結皮、地衣結皮和蘚類結皮等3種類型的結皮存在。研究區具有以呈西北—東南走向樹枝狀沙壟為主的地貌格局, 土壤為風沙土, 壟頂有寬約1 m的流動沙帶, 結構性差, 壟間沙土結構性較好, BSCs多分布于壟間[11]。實驗樣地位于古爾班通古特沙漠南緣的中國科學院阜康荒漠生態站北沙窩試驗場內, 地理坐標44°23′ N, 87°55′ E。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

選取人為擾動少、不同類型BSCs均發育良好的丘間低地作為樣地, 共3塊, 每塊樣地的面積為25 m2(5 m × 5 m), 在樣地內按S型分別布設3個樣方進行土壤容重、含水量、厚度、孔隙度等指標的調查計算, 結果如表1。

表1 不同類型BSCs覆蓋下風沙土物理性狀及持水性能

文中數據均采自于沙土表層(0—5cm)

選擇各樣地內BSCs分布最具優勢、覆蓋最完全的位置取樣, 樣品為包含BSCs均勻覆蓋的原狀風沙土土柱, 在同一地點取裸沙(CK)樣品作為對照。取樣前用噴壺噴水濕潤地表, 可防止結皮層在取樣時破裂, 待水滲入表層土壤后, 將高(h)為25 cm, 內徑(r)為6.3 cm的有機玻璃管垂向砸入土壤中, 之后剝離周邊土壤, 在底部橫切放置鐵板后, 取出包含原狀土樣的樣品。樣品取回在室內擱置48 h, 自然干燥后的土柱樣品可以供室內入滲模擬實驗使用。3種類型結皮和裸沙土各重復取樣4次, 共計16個樣品。

2.2 實驗方法

采用室內土柱模擬實驗模擬入滲過程。實驗開始前, 用紗布將有機玻璃管及其底部鐵片一同包裹, 水平放置于鐵架臺上, 在土柱表面放置濾紙。由于砂質土壤入滲率較大, 馬氏瓶恒定供水方法供水不便, 因此采用人工供水方法供水。土壤表面刻度作為零, 土柱兩側垂向貼附紙尺, 記錄濕潤鋒到達不同深度的時間；土柱下放置漏斗和燒杯, 收集穿透土柱的滲漏水分。實驗在中國科學院阜康荒漠試驗站實驗室進行。

實驗過程中控制水頭高度在2 cm, 隨時加水, 用量筒測量每一時間段內所加水量。前20 min內每隔1 min測1次所加水量, 之后每隔5 min測1次；同時, 記錄柱體兩側濕潤鋒到達不同深度的時間。每次模擬實驗進行90 min(所有處理在此時段內均達穩滲)。為消除實驗時水溫差異帶來的影響, 用溫度計測定實驗時段水層溫度, 將測得的入滲速率Kθ按照式(1)進行統一換算為10℃時入滲速率K：

(1)

式中,θ為滲透測定時的水溫(℃),Kθ為水溫為θ時的滲透速率(mm/min)。

2.3 測定及計算內容

初滲速率(mm/min) 實驗開始后第1分鐘添加水量。

穩滲速率(mm/min) 實驗開始后, 前20 min每隔1 min測量1次添加水量, 后每隔5 min測量1次, 當前后供水量恒定或相差不大時視為入滲過程達到穩滲階段, 并通過加水量與間隔時間算出穩滲速率, 達到穩滲階段所需時間為穩滲時間。

濕潤鋒運移過程 記錄濕潤鋒到達不同深度的時間。

滲漏時間 各處理自實驗開始至底部出現滲漏水的時間。

1 h累積入滲量 自實驗開始1 h內的累積加水量。

2.4 入滲過程模擬

國內外學者相繼提出了多種描述水分入滲過程的數學模型, 按模型中參數是否具有物理意義將其區分為兩類：一類是參數不具備實際物理意義的經驗模型如Kostiakov模型, 另一類是物理模型如Horton入滲模型和Philip入滲模型等[18]。本研究選用以上3種入滲模型, 利用統計分析軟件進行擬合, 探討其對本實驗不同類型BSCs覆蓋下土壤入滲過程的實用性。

Kostiakov 模型：

I(t)=at-n

(2)

Horton模型：

I(t)=If+(Ii-If)e-t/c

(3)

Philip 模型：

I(t)=a+bt-0.5

(4)

式中,I(t)為入滲率(mm/min)；t為入滲時間(min)；Ii為初始入滲率(mm/min);If為穩定入滲率(mm/min)a、b、c、n為模型參數。

采用SPSS 18.0進行方差分析, 采用Origin 8.5進行圖形制作與模型擬合。

3 結果與分析

3.1 不同類型BSCs覆蓋下風沙土壤入滲過程

3種類型BSCs入滲過程見圖1(圖中y軸為“入滲速率”的對數形式, 其反映的規律不變)。從圖中可以看出, 各處理土壤水分入滲曲線均是雙曲線形式, 并且具有相近的變化趨勢。

圖1 3種類型BSCs覆蓋下風沙土入滲過程對數曲線Fig.1 Logistic curve of sandy soil infiltration process under threedifferent biological soil crusts

在入滲過程的初始階段是水分滲潤階段, 入滲過程主要在分子力的作用下進行, 此時的土壤水分入滲速率稱為初滲速率。由表2可知, 不同類型BSCs覆蓋均顯著降低了初滲速率, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%。BSCs層持水性能較強[8], 導致了其表層土壤初始含水率比CK組高(表1), 而初滲速率隨土壤初始含水率的增加而降低[19], 因而各類型BSCs均降低了初滲速率。

在入滲的第二階段——滲漏階段, 此時水分主要在毛細管力和重力作用下逐步填充土壤空隙。由圖1可知, 在滲漏階段中某一時段(圖中入滲曲線交叉部分)內, 各類型BSCs覆蓋下沙土入滲速率均大于CK對照組, 這是因為沒有BSCs覆蓋的沙土的入滲性能強于BSCs覆蓋下的沙土, CK對照組入滲速率衰減速度更快, 較早的降低到了比較低的水平(1.49—1.80mm/min)。

當土壤空隙被水分充滿達到飽和后, 入滲過程便進入到第三階段——滲透階段, 到達這一階段的時間稱為穩滲時間。此階段中, 入滲速率穩定在一個比較固定的水平上, 即穩滲速率。由表2可見, 與CK組相比, 地衣結皮和藻結皮均顯著(P<0.05)降低了穩滲速率, 降幅依次為33.98%和35.92%, 蘚類結皮也明顯降低穩滲速率, 降幅為16.50%。穩滲速率降低的可能原因：不同類型BSCs層在形成過程中均使沙土表層孔隙不同程度的被細粒物質填充, 從而減少了沙土中非毛管孔隙度(表1), 相對于CK裸沙來說, 其表層土壤結皮相當于一個堵塞層, 從而降低了土壤入滲能力；而地衣結皮的殼狀覆蓋與藻結皮致密的結構使其具有封閉的特征[12], 使這兩類結皮覆蓋的沙土穩滲速率減小程度更大。

表2 不同類型BSCs覆蓋下沙土入滲過程相關參數

*號代表與CK組差異顯著

3.2 不同類型BSCs對濕潤鋒運移過程的影響

圖2 不同類型BSCs覆蓋下濕潤鋒運移過程 Fig.2 The migration process of wetting front under three different biological soil crusts

濕潤鋒的位置和運移速率是反映水分垂向運動的特征之一[20]。圖2是濕潤鋒隨時間變化過程線, 不同處理下, 濕潤鋒運移過程呈現出相似的趨勢, 即隨著入滲深度的增加, 濕潤鋒運移過程線逐漸平緩, 運移速率呈先快后慢的規律。在不同入滲階段, 各處理下濕潤鋒運移速率均不相同, CK組濕潤鋒平均運移速率明顯高于有BSCs覆蓋的情況, 從各處理滲漏時間(表2)可看出類似規律, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮的滲漏時間分別為CK組的2.13、3.04和2.98倍。以上BSCs的性質可能對本地降水的有效轉化產生深刻的影響：在干旱荒漠區, 次降水中, 若水分不能及時滲入深層區域, 處在表層沙土的水分很快會被蒸發損失掉, 從而降低降水有效性。

圖3 3種類型BSCs 1h累積入滲量降低率 Fig.3 The reduction rate of one hour cumulative-infiltration underdifferent biological soil crusts

BSCs對濕潤鋒運移過程的影響主要是通過其較高持水性實現。在形成過程中, BSCs通過菌絲和假根網羅或粘結沙粒, 并借此形成水穩性團聚體, 從而增加了土壤中有機質的含量, 提高了土壤持水性[21], 將更多入滲水分儲存于表面結皮層；部分藻類還可在細胞外分泌粘性物[22], 阻塞一些基質孔, 從而阻止入滲, 以上BSCs的水文物理特性會延緩水分下滲過程, 最終影響了濕潤鋒在土柱中的運移。而蘚類結皮與地衣結皮、藻結皮之間滲漏時間存有區別的原因可能在于其表面結構：蘚類結皮表層為單株蘚類植物體密集叢生為主[12], 其株間間隙為水流進入下層土壤提供了良好通道。同時, 蘚類結皮遇水會發生膨脹, 可進一步加大株間間隙, 而地衣結皮與藻結皮表層均比較致密, 阻礙了水分進入土體。

3.3 不同類型BSCs對土壤累積入滲量的影響

累積入滲量隨入滲過程逐漸增加。由表2可知, 3種類型BSCs覆蓋下土壤1 h累積入滲量均顯著(P<0.05)小于CK組。如圖3, 3種類型BSCs減滲的程度不一, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮的1 h累積入滲量分別比CK組減少16.10%、28.56%和26.56%。地衣結皮與藻結皮減滲作用更顯著的可能原因：相對于蘚類結皮, 地衣結皮與藻結皮的表層結構更封閉, 結皮層越封閉, 減滲作用更加明顯。同時, BSCs對土壤累積入滲量的影響與其對穩滲速率影響規律一致, 這也說明累積入滲量主要受穩滲速率的影響, 受初滲速率影響較弱。

3.4 不同類型BSCs覆蓋下風沙土入滲過程模擬

本研究選用3種經典的入滲模型, 用Origin 8.5軟件進行擬合, 探討其對本實驗中不同類型BSCs覆蓋下土壤入滲過程的實用性, 結果見表3。

由表3可見, 在本實驗條件下, 使用Kostiakov方程對不同處理下土壤入滲過程擬合結果顯示, 參數a值在7.14—15.16之間,a值越大, 入滲曲線的斜率越大, 瞬時入滲率衰減越快, 其衰減快慢順序：CK>蘚類結皮>地衣結皮>藻結皮, 這與圖1顯示結果一致；而參數b沒有實際物理意義, 其變化范圍在0.639—0.933之間。Horton模型參數c值在2.823—3.734之間, 最大值出現在藻結皮, 最小值在地衣結皮, 反映了入滲速率遞減情況。Philip模型中A為穩滲速率, 將各處理A值帶入求得參數b,b值在3.95—6.81之間, 它在一定程度上反映了初始入滲率的大小, 即蘚類結皮覆蓋下土壤初滲速率大, 而地衣結皮及藻結皮覆蓋下初滲速率小。

表3 不同類型BSCs覆蓋下沙土入滲模擬方程

對入滲過程的擬合效果可以用回歸方程的決定系數R2表示, 其值越大, 擬合效果越好。由表4可以看出, Kostiakov 模型對本實驗不同處理入滲過程的模擬效果都較好,R2都在0.85以上。對于Kostiakov模型, 當t→∞時I(t) →0僅在水平吸滲時出現, 但此實驗中時間t是有限的, 因此Kostiakov 模型可以用來模擬本實驗入滲過程。Horton模型對4種處理的擬合效果也較好, 除地衣結皮(R2=0.74)處理外, 其余處理R2在0.81以上。Horton雖是純經驗公式, 但能描述長時間的入滲特征, 且模型參數具有物理意義, 是描述本研究入滲過程的較好模型。Philip模型是在半無限均質土壤并有積水條件下求得, 只適用于均質土壤一維入滲, 不適用于BSCs覆蓋下的非均質土壤, 因此對本實驗入滲過程的模擬效果較差。

由以上分析可知, 在本實驗條件下, Kostiakov模型最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過程, Horton 模型次之。此外, 結皮覆蓋下的二元結構土壤, 其入滲過程與結皮發育程度、土壤理化性質等關聯, 本實驗所得擬合方程及其系數能否具有通用性還有待檢驗和討論。

4 結論

(1)不同類型BSCs均阻礙了風沙土水分入滲, 但阻礙程度差別較大。3種類型BSCs均顯著降低了風沙土初滲速率, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%、同時, 蘚類結皮、地衣結皮(P<0.05)、藻結皮(P<0.05)均明顯降低了風沙土穩滲速率, 穩滲速率降低幅度依次為16.50%、33.98%和35.92%。

(2)本研究中, 不同類型BSCs均限制了濕潤鋒在風沙土的推進過程, CK組濕潤鋒平均運移速率明顯高于有BSCs覆蓋的情況, 表現為：蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮的滲漏時間分別為CK組的2.13、3.04和2.98倍。

(3)不同類型BSCs均顯著減小了1 h累積入滲量。與無結皮對照相比, 蘚類結皮、地衣結皮、藻結皮1 h累積入滲量分別降低16.10%、28.56%和26.56%；地衣結皮與藻結皮減滲作用相仿, 大于蘚類結皮的減滲作用。

(4)本實驗條件下, Kostiakov最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過程；Horton模型模擬效果也較好；Philip模型并不適用于模擬本實驗水分入滲過程。

[1] 趙文智, 程國棟. 干旱區生態水文過程研究若干問題評述. 科學通報, 2001, 46(22): 1851-1857.

[2] 王新平, 李新榮, 康爾泗, 張景光, 周海燕, 楊詩秀, 雷志棟. 騰格里沙漠東南緣人工植被區降水入滲與再分配規律研究. 生態學報, 2003, 23(6): 1234-1241.

[3] 李新榮, 張元明, 趙允格. 生物土壤結皮研究:進展、前沿與展望. 地球科學進展, 2009, 24(1): 11-24.

[4] Bowker M A, Maestre F T, Escolar C. Biological crusts as a model system for examining the biodiversity-ecosystem function relationship in soils. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(3): 405-417.

[5] Zhang Y M. The microstructure and formation of biological soil crusts in their early developmental stage. Chinese Science Bulletin, 2005, 50(2): 117-121.

[6] Fischer T, Yair A, Veste M. Infiltration, water holding capacity and growth patterns of biological soil crusts on sand dunes under arid and temperate climates. Vienna:Egu General Assembly, 2012, 14: 5034.

[7] 李守中, 肖洪浪, 宋耀選, 李金貴, 劉立超. 騰格里沙漠人工固沙植被區生物土壤結皮對降水的攔截作用. 中國沙漠, 2002, 22(6): 612-616.

[8] Xiao B, Wang Q H, Zhao Y G, Shao M A. Artificial culture of biological soil crusts and its effects on overland flow and infiltration under simulated rainfall. Applied soil ecology, 2011, 48(1): 11-17.

[9] Wang X P, Li X R, Xiao H L, Berndtsson R, Pan Y X. Effects of surface characteristics on infiltration patterns in an arid shrub desert. Hydrological Processes, 2007, 21(1): 72-79.

[10] 徐敬華, 王國梁, 陳云明, 盧建利. 黃土丘陵區退耕地土壤水分入滲特征及影響因素. 中國水土保持科學, 2008, 6(2): 19-25.

[11] 張元明, 陳晉, 王雪芹, 潘惠霞, 辜智慧, 潘伯榮. 古爾班通古特沙漠生物結皮的分布特征. 地理學報, 2005, 60(1): 53-60.

[12] 張元明, 王雪芹. 荒漠地表生物土壤結皮形成與演替特征概述. 生態學報, 2010, 30(16): 4484-4492.

[13] 李衛紅, 任天瑞, 周智彬, 劉加珍. 新疆古爾班通古特沙漠生物結皮的土壤理化性質分析. 冰川凍土, 2005, 27(4): 619-626.

[14] 王雪芹, 張元明, 張偉民, 韓致文. 古爾班通古特沙漠生物結皮對地表風蝕作用影響的風洞實驗. 冰川凍土, 2004, 26(5): 632-638.

[15] 周宏飛, 李彥, 湯英, 周寶佳, 徐宏偉. 古爾班通古特沙漠的積雪及雪融水儲存特征. 干旱區研究, 2009, 26(3): 312-317.

[16] 張立運, 陳昌篤. 論古爾班通古特沙漠植物多樣性的一般特點. 生態學報, 2002, 22(11): 1923-1932.

[17] 吳林, 張元明. 以數碼照相法估算生物土壤結皮蓋度. 中國沙漠, 2013, 33(6): 1810-1815.

[18] Dashtaki S G, Homaee M, Mahdian M H, Kouchakzadeh M. Site-Dependence performance of infiltration models. Water Resources Management, 2009, 23(13):2777-2790

[19] 劉目興, 聶艷, 于婧. 不同初始含水率下粘質土壤的入滲過程. 生態學報, 2012, 32(3): 871-878.

[20] 陳洪松, 邵明安, 王克林. 土壤初始含水率對坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響. 農業工程學報, 2006, 22(1): 44-47.

[21] 曹成有, 蔣德明, 全貴靜, 耿莉, 崔振波, 駱永明. 科爾沁沙地小葉錦雞兒人工固沙區土壤理化性質的變化. 水土保持學報, 2004, 18(6): 108-111.

[22] 李守中, 肖洪浪, 李新榮, 宋耀選, 劉立超. 干旱、半干旱地區微生物結皮土壤水文學的研究進展. 中國沙漠, 2004, 24(4): 500-506.

Characteristic and numerical simulation of sandy soil infiltration under the different types of biological soil crusts

LIU Xiang1, 2, ZHOU Hongfei1, 3, *, LIU Hao1, 2, ZHU Hai1, 2

1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China 2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3FukangStationofDesertEcology,ChineseAcademyofSciences,Fukang831505,China

In arid areas, soil water condition is the key factor for the desert ecosystem. An important part of the hydrologic cycle, infiltration is the only way for precipitation and surface water transfer to soil water. Soil water infiltration capacity profoundly affects the redistribution of precipitation, and is of crucial importance for the storage and utilization of precipitation. The Gurbanttunggut Desert is the largest fixed and semi-fixed desert in China. It is covered by well-developed biological soil crusts(mosses, lichens, alage, fungi, cyanobacteria and bacteria). In recent years, a number of studies have focused on the influence of biological soil crusts on the process of soil infiltration, but areas of uncertainty remain in the process. In this study, three typical types of biological soil crusts (moss, lichen and algal crusts) in the Gurbantunggut Desert were selected and an indoor soil column was used to simulate experiments to examine the effect of biological soil crusts on the process of soil infiltration, including changes in the infiltration rate, wetting front movement and cumulative water infiltration. The results indicated that the effect of biological soil crusts on soil water infiltration was significant. Firstly, all three types of biological soil crusts decreased the initial infiltration rate significantly, but they differed in the degree of the reduction. The moss crusts, lichen crusts and algal crusts decreased the initial infiltration rates by 36.10%,46.42% and 50.39% respectively. The moss, lichen(P<0.05)and algal crusts(P<0.05) also can decreased the stable infiltration rate by 16.50%,33.98% and 35.92% respectively. Secondly, movement of wetting front was slower in soils covered with these three types of biological soil crusts than in bare soil. The leakage time of soil under moss, lichen and algal crusts were respectively 2.13, 3.04, and 2.98 times that of bare soil. Thirdly, all three types of biological soil crusts reduced the cumulative infiltration volume. Relative to the bare soil, the reduction rates of moss, lichen and algal crusts are 16.10%,28.56% and 26.56% respectively. In simulated laboratory experiments, three typical models were used to simulate the water infiltration process in soils. The result showed that: In this experimental situation, the Kostiakov equation is most applicable to describe the infiltration processes of sandy soil covered by the three types of biological soil crusts. although the Horton equationwas the next best option.

biological soil crusts; desert region; sandy soil; water infiltration; wetting front

國土資源部公益行業科研專項(201511047-2)

2015-07-21;

2016-04-21

10.5846/stxb201507211531

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouhf@ms.xjb.ac.cn

劉翔, 周宏飛, 劉昊, 朱海.不同類型生物土壤結皮覆蓋下風沙土的入滲特征及模擬.生態學報,2016,36(18):5820-5826.

Liu X, Zhou H F, Liu H, Zhu H.Characteristic and numerical simulation of sandy soil infiltration under the different types of biological soil crusts.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5820-5826.