胡 堯， 侯雨樂， 李 懿

(阿壩師范高等?？茖W校， 四川 阿壩 611741)

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紅壤生物結皮對土壤侵蝕及養(yǎng)分的影響

胡 堯， 侯雨樂， 李 懿

(阿壩師范高等?？茖W校， 四川 阿壩 611741)

為了解生物結皮在紅壤坡面養(yǎng)分流失過程中的作用，為建立坡面土壤養(yǎng)分流失模型和防治水土流失、保護生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)，采用人工降雨方法，模擬在無結皮和有結皮不同發(fā)育程度下，研究川西紅壤生物結皮對土壤侵蝕及養(yǎng)分的影響。結果表明：結皮促使土壤坡面產(chǎn)流提前發(fā)生，降低了土壤剖面徑流和抑制產(chǎn)沙；生物結皮顯著增加了土壤含水量、電導率、全鹽和總孔隙度，但并沒有影響pH和容重；與無結皮相比，生物結皮顯著影響土壤有機碳、無機碳、全鉀和有效鉀含量，未影響土壤磷素和氮素含量，土壤有機碳、全氮、銨態(tài)氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀含量分別增加12.51%、6.67%、4.04%、2.49%、2.60%、16.10%和16.08%，無機碳和硝態(tài)氮分別減少8.32%和8.26%。土壤垂直方向生物結皮處理土壤養(yǎng)分0～5 cm和5～10 cm土層相近，且明顯高于底層土壤，相同土層土壤養(yǎng)分基本表現(xiàn)為生物結皮>無結皮，局部有波動；15～20 cm土層無結皮處理土壤養(yǎng)分與有結皮處理土壤養(yǎng)分相近，表明生物結皮具有較好的養(yǎng)分積累效應，但這種富集對0～10 cm土層的作用較明顯，而對深層土壤影響并不大。Pearson相關分析表明，土壤有機碳與其他養(yǎng)分之間基本呈正相關，而無機碳則相反，表明生物結皮對有機碳和無機碳的影響存在相互補償作用機制，即生物結皮導致有機碳的增加可能意味著無機碳的減少。

紅壤； 生物結皮； 土壤侵蝕； 土壤養(yǎng)分

土壤坡面水土流失實質是坡地表層土壤與降雨、徑流相互作用的一系列復雜的物理化學過程，并且受降雨特性和下墊面特性等因素的影響。水土流失產(chǎn)生的泥沙流失量主要受產(chǎn)流排水率、徑流泥沙濃度的影響，而結皮效應也是影響泥沙流失量的重要因素[1-3]。降雨條件下，雨水在土壤剖面以入滲和徑流2種形式進行運移，當雨水入滲量超過土壤最大蓄水量時，徑流產(chǎn)生，土壤表層易受降雨沖刷侵蝕，徑流隨后發(fā)展為泥沙流失，引起土壤養(yǎng)分流失，惡化生態(tài)環(huán)境[4-5]。因此，防治坡地水土流失，減少養(yǎng)分損失，保護生態(tài)環(huán)境成為當前中外學者共同關注的熱點之一。

我國紅壤丘陵區(qū)地處熱帶、亞熱帶，面積113萬km2，水熱資源豐富，是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域[6-8]。盡管紅壤丘陵區(qū)氣候溫暖，雨量豐沛，但時空分布極不均勻，由于坡耕地分布廣泛，隨著土地資源的不合理開發(fā)與利用，水土資源流失嚴重[9-10]，土壤侵蝕成為紅壤地區(qū)土壤退化的最主要形式，而降雨則成為該區(qū)土壤侵蝕的最主要影響因子[8,10]。降雨條件下土壤養(yǎng)分流失是導致坡面土壤質量退化的重要原因，在強降雨背景下極易造成該區(qū)域土壤坡面水土及養(yǎng)分流失等，生物結皮的覆蓋不僅能夠通過削減雨滴動能來降低土壤流失量[11-13]。生物結皮是坡面存在的一種特殊下墊面，是在裸露或覆蓋度很低的土壤上因雨滴擊濺、徑流沖刷作用下形成的致密層[12,14-15]。生物結皮相關研究表明，結皮層表面光滑，強度大，導水性和穩(wěn)定性較差，能減緩水分入滲，降低土壤入滲率，減小地表粗糙度。國內外眾多學者深入探討了生物結皮發(fā)育機理、形成過程及其關鍵的影響因子，揭示了生物結皮具有減少入滲、促進產(chǎn)流、增大產(chǎn)沙和影響作物生長發(fā)育等作用[11-13,16-18]；而關于模擬降雨條件下，紅壤生物結皮對泥沙流失特征及其養(yǎng)分富集效應的研究尚未見報道。為此，筆者通過模擬降雨試驗，研究生物結皮對紅壤坡面的入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征以及流失泥沙的養(yǎng)分富集效應，旨在揭示生物結皮對紅壤坡面的泥沙流失發(fā)生規(guī)律以及養(yǎng)分富集效應特點，有助于理解生物結皮在紅壤坡面養(yǎng)分流失過程中的作用，為建立坡面土壤養(yǎng)分流失模型和防治水土流失、保護生態(tài)環(huán)境提供科學依據(jù)和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自四川省攀枝花市鹽邊縣惠民鄉(xiāng)(101°68′75″E，26°56′13″N)，供試土樣為發(fā)育于第四紀紅色黏土母質的典型紅壤，含粘粒為16.5%、粉粒78.2%、砂粒5.3%，pH 5.92，有機質9.38 g/kg、全氮0.94 g/kg、全磷0.64 g/kg、全鉀22.37 g/kg、有效磷45.78 g/kg、有效鉀4.23 g/kg。

1.2 試驗裝置及設計

2012年6—9月，模擬降雨試驗在四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院試驗大棚進行，試驗所用土槽尺寸規(guī)格為1 m(長)×0.5 m(寬)×0.5 m(深)，下端設集流裝置采集徑流泥沙樣，底部安裝徑流桶，用于降雨侵蝕泥沙和地表徑流的收集觀測，裝試驗土(紅壤)槽前，將供試土樣過1 cm篩，為保證良好的透水性，在試驗土槽底部鋪10 cm厚的細沙。細沙上部按照1.30 g/cm3的容重每5 cm為一層填裝供試紅壤，裝土厚度為30 cm。裝完土槽后，前期降雨24 h后進行降雨強度為60 mm/h的模擬降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，形成生物結皮并確保每次試驗前土壤含水量一致。采用側噴式人工降雨裝置，該裝置由2組單噴頭對噴，降雨高度16 m，雨滴直徑和雨滴分布與天然降雨相似，降雨均勻度大于80%。

試驗處理包括有結皮和無結皮2種處理。結皮處理是通過前期降雨使土壤表面形成結皮；無結皮處理是前期降雨24 h后對土壤表面形成的結皮進行破壞，破壞深度1～2 cm，以模擬無結皮自然表面。導致土壤流失的主要降雨類型為短歷時、高強度降雨，降雨時間多在1 h左右，且中度侵蝕的瞬時雨強標準為0.71 mm/min，試驗設計降雨強度為60 mm/h(即1.0 mm/min)，歷時1 h，試驗重復3次。

1.3 樣品測定

以0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm和15～20 cm分層多點取樣，同層土壤混勻作為分析樣。將土壤樣品運回實驗室，風干后除去肉眼可見的碎石、植物殘體等雜質，所取土樣分為2份，一份裝自封袋中，測定土壤含水量(烘干法，%)；一份自然風干(20 d)去除碎片和部分根后過2 mm篩，測定土壤養(yǎng)分及理化性質。

自然風干20 d后土壤理化性質及養(yǎng)分含量的測定：pH采用電極電位法測定(1∶2.5土水比)，電導率采用P4多功能測定儀測定，土壤有機碳含量(g/kg)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，土壤電導率(5∶1水土比浸提液；EC，μS/cm)采用P4多功能測定儀測定，土壤全氮(g/kg)用凱氏定氮法，土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，有效磷(mg/kg)采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用1 mol/L KCl浸提-AA3連續(xù)流動分析儀測定，全鉀(g/kg)采用火焰分光光度法，有效鉀(mg/kg)采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS18.0作回歸分析和統(tǒng)計檢驗，由原始數(shù)據(jù)擬合得到的回歸關系經(jīng)統(tǒng)計學檢驗得到最佳擬合度參數(shù)R2， 并在P<0.05水平檢驗相關系數(shù)的顯著性， Origin 7.5作圖。

2 結果與分析

2.1 生物結皮對土壤坡面水土流失的影響

由圖1可知，有結皮的土壤坡面產(chǎn)流早于無結皮的坡面，有結皮處理的產(chǎn)流時間為79 s，無結皮處理的產(chǎn)流時間為123 s，較無結皮提前44 s。在本試驗中，有、無結皮小區(qū)均以面蝕為主，無明顯細溝侵蝕現(xiàn)象。從觀測的數(shù)據(jù)看，無結皮處理侵蝕泥沙量平均為137.43 g/m2，是生物結皮處理的3.15倍；無結皮處理地表徑流量平均為6.8×105mm，是生物結皮處理的1.33倍，經(jīng)統(tǒng)計學檢驗均達差異顯著水平(P<0.05)。由此可見，生物結皮能顯著降低土壤侵蝕。

圖1 生物結皮和無結皮處理的坡面水土流失狀況

Fig.1 Effect of biological crust and non-crust on water and soil erosion of slope surface

2.2 生物結皮對土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

由圖2可知，生物結皮和無結皮處理的產(chǎn)沙率均隨降雨歷時呈降低→穩(wěn)定的現(xiàn)象，且在整個降雨過程中，無結皮處理的產(chǎn)沙率均大于結皮處理，表明生物結皮在土壤坡面上能夠抑制產(chǎn)沙，10 min后，坡面徑流量在整個降雨過程中的變化情況較穩(wěn)定；隨著降雨的進行，有結皮的土壤坡面徑流量略小于無結皮的坡面產(chǎn)流量。因此，有結皮坡面的徑流沖刷攜帶能力較無結皮坡面弱，且由于結皮的存在，地表松散顆粒較少，其隨徑流搬運出的泥沙相對較少，故結皮在土壤坡面上呈抑制產(chǎn)沙的作用。

2.3 生物結皮對土壤理化性質的影響

由表1可知，生物結皮對土壤理化性質的影響較為顯著。有結皮和無結皮處理下土壤含水量、電導率、全鹽和總孔隙度在0～20 cm剖面上均呈逐漸遞減趨勢，而不管有無結皮，pH和容重在剖面上并無明顯的變化規(guī)律，即生物結皮的存在未影響pH和容重；有結皮處理下土壤含水量、電導率、全鹽和總孔隙度0～5 cm和5～10 cm土層相近，且明顯高于底層土壤，相同土層土壤各理化指標基本表現(xiàn)為生物結皮>無結皮，局部有波動，而且隨剖面深度的增加差異逐漸消失；15～20 cm土層無結皮處理與有結皮處理的土壤各理化指標基本相等。說明，生物結皮對土壤剖面0～10 cm土層土壤各理化指標作用較明顯，而對深層土壤影響不大。經(jīng)統(tǒng)計學檢驗可知，生物結皮處理下土壤含水量、電導率和全鹽與無結皮達顯著差異(P<0.05)，生物結皮相對無結皮處理，其土壤含水量、容重、pH、電導率、全鹽和總孔隙度分別增加12.82%、1.67%、-1.65%、6.91%、4.62%和1.47%。

圖2 生物結皮和無結皮處理的土壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況

Fig.2 Effect of biological crust and non-crust on runoff and sediment on soil slope surface

表1 生物結皮和無結皮處理的土壤理化性質

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference at 0.05 level. The same below.

圖3 生物結皮和無結皮處理土壤養(yǎng)分的垂直分布

圖4 生物結皮和無結皮處理的土壤養(yǎng)分

2.4 生物結皮對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響

圖3顯示生物結皮對土壤養(yǎng)分垂直分布的影響?？傮w來看，無論有無生物結皮，土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀均隨土壤深度的增加呈減少趨勢，但減少幅度不同。其中，土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀在10 cm以下減少幅度較小，相同土層土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀均表現(xiàn)為生物結皮>無結皮，局部有波動。說明，生物結皮有利于土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀的富集，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、全磷和有效磷隨土壤深度的增加無明顯的變化趨勢，而土壤無機碳隨土壤深度的增加呈增加趨勢，與有機碳的變化趨勢相反。由圖3還可知，有結皮處理下土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀，0～5 cm和5～10 cm土層相近，15～20 cm土層無結皮處理下土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀與有結皮處理基本相等。說明，生物結皮對土壤剖面0～10 cm土層土壤有機質、全氮、全鉀和有效鉀作用較明顯，而對深層土壤影響不大。由此可知，生物結皮對土壤養(yǎng)分的影響主要發(fā)生在0～10 cm土壤。

2.5 生物結皮對土壤養(yǎng)分的影響

由圖4可知，就平均值來看，生物結皮處理下土壤有機碳、無機碳、全鉀和有效鉀與無結皮達顯著差異(P<0.05)，與無結皮相比，生物結皮下土壤有機碳、全氮、銨態(tài)氮、全磷、有效磷、全鉀和有效鉀分別增加12.51%、6.67%、4.04%、2.49%、2.60%、16.10%和16.08%，無機碳和硝態(tài)氮分別減少8.32%和8.26%。

表2 土壤養(yǎng)分指標之間的相關分析

注：**相關性在0.01水平上顯著(雙尾)，*相關性在0.05水平上顯著(雙尾)。

Note: ** and * indicates significance of difference at 0.01 and 0.05 level.

2.6 土壤養(yǎng)分指標之間的相關分析

在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，土壤養(yǎng)分各指標之間的關系十分緊密。從表2可知，土壤有機碳與無機碳呈極顯著負相關(P<0.01)，與全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮呈極顯著正相關(P<0.01)，與全鉀呈顯著正相關(P<0.05)；無機碳與全氮呈極顯著負相關(P<0.01)，與銨態(tài)氮、全磷和有效磷呈顯著負相關(P<0.05)；全氮與全磷、全鉀呈極顯著正相關(P<0.01)，與銨態(tài)氮呈顯著正相關(P<0.05)；銨態(tài)氮與全鉀呈顯著正相關(P<0.05)；全磷與有效磷和全鉀呈極顯著正相關(P<0.01)；有效磷與有效鉀呈顯著正相關(P<0.05)；全鉀與有效鉀呈極顯著正相關(P<0.01)。

3 結論與討論

生物結皮受雨滴打擊和顆粒重新排列的影響，從而成為土壤表面一層致密的保護層，具有緊密、堅硬、透水性差等特性，可通過降低土壤水分的傳導性以減小土壤滲透率[14-15,18]。本研究中，坡面徑流量和產(chǎn)沙率隨著結皮形成而降低，因此，結皮具有降低徑流和抑制產(chǎn)沙作用，當降雨發(fā)生時，有結皮的坡面受到結皮層的影響，通過阻礙水分入滲、降低土壤入滲率而加速坡面產(chǎn)流的發(fā)生，導致有結皮坡面產(chǎn)流早于無結皮坡面的現(xiàn)象。此外，結皮對坡面產(chǎn)流量的影響較為明顯，結皮由于生物量較大，抗沖刷、抗侵蝕能力較強，可通過結皮生物體(如菌絲體、藻絲體和苔蘚假根等)及其分泌物將松散土粒緊密地纏繞和黏結在一起，并以自身的代謝方式改變土壤結構，提高土壤抗蝕性[14-17,20]，因此，表現(xiàn)出顯著減少風蝕或水蝕效應。

Kleiner E F等[21]早已提出生物結皮對土壤養(yǎng)分的影響主要是通過降低土壤侵蝕和改變理化性質實現(xiàn)的，而生物結皮對土壤養(yǎng)分的富集主要是其固定效應和保蓄效應綜合作用的結果[11-12,16-17]。研究結果表明，生物結皮對土壤理化性質的影響較顯著，具體表現(xiàn)為顯著增加土壤含水量、電導率、全鹽和總孔隙度，但并沒有影響pH和容重，主要是由于生物結皮及其分泌物抗沖刷、抗侵蝕能力較強，將松散土粒緊密地纏繞和黏結在一起，防止水分散失，從而改變其物理結構[14-17,20]，但這種結構的變化并沒有影響pH和容重，這對于生物結皮對土壤養(yǎng)分的富集具有重要意義。生物結皮具有減少土壤養(yǎng)分流失的作用，與無結皮相比，生物結皮顯著影響了土壤有機碳、無機碳、全鉀和有效鉀，并沒有影響土壤磷素和氮素的變化，由于氮素在土壤中易發(fā)生遷移淋洗，并且生物結皮藻類的固氮作用可能向地表釋放一部分氮素[11-12,22]，徑流沖刷強度以及氮素易隨徑流運移流失造成了硝態(tài)氮在垂直方向無規(guī)律的變化，加之裸地地表接受一定的大氣降塵，會對本試驗結果產(chǎn)生一定影響[11-12,22-24]。磷素作為一種沉積性元素，由母質類型和成土條件決定，在土壤中的存在形式較穩(wěn)定、不易流失[12,25-26]。因此，短期的生物結皮很難造成磷素的變化，生物結皮則降低了土壤剖面中無機碳含量，無機碳與有機碳含量變化趨勢相反，Pearson相關分析表明，土壤有機碳與其他養(yǎng)分之間呈正相關，而無機碳則相反，表明生物結皮對有機碳和無機碳的影響存在相互補償作用機制，即生物結皮導致有機碳的增加可能意味著無機碳的減少。

土壤垂直方向生物結皮處理下土壤養(yǎng)分0～5 cm和5～10 cm土層近似相等，且明顯高于底層土壤，相同土層土壤養(yǎng)分基本表現(xiàn)為生物結皮>無結皮，局部有波動，15～20 cm土層無結皮處理下土壤養(yǎng)分與有結皮處理土壤養(yǎng)分基本相等。表明生物結皮促進了養(yǎng)分的富集，但這種富集對0～10 cm土層的作用較明顯，而對深層土壤影響并不大。本試驗在特定侵蝕條件下進行，結果表明了生物結皮具有提高土壤抗蝕性和土壤養(yǎng)分富集的作用，而生物結皮的發(fā)育具有明顯的時空異質性[27-30]，生物結皮與土壤溶質遷移的關系以及生物結皮對土壤侵蝕的影響過程較復雜，本文僅僅分析了一定坡面下生物結皮對產(chǎn)流產(chǎn)沙及土壤養(yǎng)分的影響，有關結皮對土壤侵蝕存在相反作用是否存在閾值坡度，生物結皮對坡面土壤溶質向徑流釋放機理影響及其動力學機制還有待深入研究。

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(責任編輯： 劉 海)

Effects of Biological Crust on Soil Erosion and Nutrient in Red Soil

HU Yao, HOU Yule, LI Yi

(AbaTeachersCollege,Aba,Sichuan611741,China)

The effects of biological crust on soil erosion and nutrients in red soil were studied under simulating different development degree of non-crust and crust by artificial rainfall method to know the effect of biological crust on nutrient loss of red soil slope surface and provide the scientific basis for building soil nutrient loss model of slope surface, control of water and soil erosion and protection of ecological environment. The results showed that crust can promote runoff occurrence of soil slope surface early, reduces runoff of soil slope and control of sedimentation. Biological crust improves soil moisture, conductivity, total salt and total porosity significantly but does not influence P and N content. The soil organic carbon, TN, ammonium nitrogen, available P, TK and available K content under the biological crust condition is 12.51%, 6.67%, 4.04%, 2.49%, 2.60%, 16.10% and 16.08 higher than under the non-crust condition respectively, and inorganic carbon and nitrate nitrogen content under the biological crust condition is 8.32% and 8.26% lower than under the non-crust condition. Soil nutrients in 0～5 cm and 5～10 cm soil layers under the biological crust condition are no obvious difference and are higher than in the bottom soil significantly. Soil nutrients in the same soil layer is biological crust treatment >non-crust treatment basically. Soil nutrients in 15～20 cm soil layer of non- crust treatment is close to biological crust treatment, which indicates that biological crust is of good nutrient accumulative effect but its enrichment has the obvious effect on 0～10 cm soil layer. Pearson correlation analysis indicates soil organic carbon is positively related to other nutrients basically but inorganic carbon is on the contrary, which indicates there is a mutual compensation mechanism in the effect of biological crust on organic carbon and inorganic carbon. That is, biological crust treatment results in organic carbon increase and inorganic carbon decrease.

red soil; biological crust; soil erision; soil nutrient

2014-09-20； 2015-05-02修回

阿壩師范高等?？茖W校校級規(guī)劃課題“汾河流域旱澇災害研究”(ASB14-09)

胡 堯(1982-)，男，講師，碩士，從事區(qū)域地理研究。E-mail: huyao1982@163.com

1001-3601(2015)05-0251-0114-06

S157.1

A