熊好琴，段金躍，王 妍，張新時(shí)

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，昆明650224;2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校建工學(xué)院，昆明650033;3.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093)

在干旱半干旱沙區(qū)，水是植物生長(zhǎng)最主要的限制性因子之一。對(duì)于我國(guó)北方干旱半干旱毛烏素沙地來(lái)說(shuō)，降水是區(qū)域水文循環(huán)中最重要的水源補(bǔ)給來(lái)源。在降水一定的情況下，對(duì)降水入滲和水分在植被根際區(qū)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(guò)程都是以土壤表層為介質(zhì)不斷地發(fā)生和轉(zhuǎn)化的[1]，因而表層土壤在水文循環(huán)中起著極其重要的作用。生物結(jié)皮(以下簡(jiǎn)稱結(jié)皮)作為土壤表面的一個(gè)特殊層次，是由苔蘚、地錢(qián)、藍(lán)綠藻、地衣、真菌和細(xì)菌，以及很多景觀中常見(jiàn)的非維管束植物成分組成的與表層土壤有著密切關(guān)系的復(fù)雜集合[2]。在全球干旱半干旱地區(qū)都有分布，其在土壤物理過(guò)程(團(tuán)聚)、土壤水文(降雨攔截與降雨入滲)、土壤侵蝕(水蝕、風(fēng)蝕)和土壤生態(tài)(養(yǎng)分循環(huán)、種子萌發(fā)和無(wú)脊椎動(dòng)物生存)等方面起著重要的作用[2-3]。結(jié)皮潛在影響著干旱半干旱區(qū)局部尺度土壤水文過(guò)程和循環(huán)動(dòng)態(tài)[4-5]。因此，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[4，6-9]。但是有關(guān)結(jié)皮對(duì)干旱半干旱區(qū)土壤水文過(guò)程的影響研究結(jié)論不一，其中一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)都具爭(zhēng)議性的問(wèn)題是結(jié)皮對(duì)降雨入滲的影響[5，10]。有相當(dāng)多的文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)皮的存在增加降雨入滲減少?gòu)搅鱗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(jié)皮的存在對(duì)降雨入滲和徑流沒(méi)有影響[18-19]。

在退化毛烏素沙地圍欄禁牧恢復(fù)區(qū)，結(jié)皮大量發(fā)育，蓋度達(dá)到20%～30%，改變了沙質(zhì)地表的覆蓋狀況，這種情況很可能引起小尺度土壤水文過(guò)程的變化。有關(guān)圍欄禁牧恢復(fù)過(guò)程中結(jié)皮的形成對(duì)土壤水分入滲的影響，不同學(xué)者由于試驗(yàn)方法、立地條件及結(jié)皮本身組成不同得出的結(jié)論存在分歧[20-22]，且現(xiàn)有的一些研究也只是對(duì)模擬降雨條件下結(jié)皮對(duì)毛烏素沙地土壤水分狀況的影響做了研究[7]，這個(gè)結(jié)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(duì)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(xù)放牧地、圍欄5 a禁牧區(qū)、圍欄15 a禁牧區(qū))有無(wú)結(jié)皮狀況的土壤降雨入滲和再分配規(guī)律進(jìn)行研究，以闡明半干旱毛烏素沙地的小尺度土壤水文生態(tài)特征，為該區(qū)水土保持與植被恢復(fù)演替提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地位于中國(guó)科學(xué)院植物研究所鄂爾多斯沙地草地生態(tài)站(39°29′37″N ，110°11′29″E)附近，該站位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原毛烏素沙地的東北緣。這里的生態(tài)環(huán)境十分脆弱和敏感，是我國(guó)土地荒漠化最活躍的地區(qū)之一[23]。氣候?qū)儆诘湫偷陌敫珊禋夂?，年平均降雨量大約360 mm，其中60%～80%集中在植物的生長(zhǎng)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(fēng)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(qū)域覆蓋著不同深度的沙。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

(1)持續(xù)放牧樣地(G)。一直處于自由放牧狀態(tài)，為典型的以半灌木油蒿為主的退化沙質(zhì)草場(chǎng)，植被蓋度約15%，優(yōu)勢(shì)種為油蒿(Artemisia ordosica Krasch)，高度約30 cm。地表生物結(jié)皮主要由藍(lán)綠藻組成，蓋度很低，5%左右，只在個(gè)別地方有星星點(diǎn)點(diǎn)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(zhì)草場(chǎng)，2001年開(kāi)始實(shí)行圍欄禁牧，至調(diào)查時(shí)已自然恢復(fù)了5 a。植被蓋度約50%，優(yōu)勢(shì)種也是油蒿，高度約60 cm。地表生物結(jié)皮主要由苔蘚和地錢(qián)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(zhì)草場(chǎng)，1991年開(kāi)始圍封，至調(diào)查時(shí)已自然恢復(fù)了15 a。植被蓋度約60%，優(yōu)勢(shì)種有達(dá)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(jié)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(cè)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(nèi)徑5 cm，總高度15 cm。分別在上述3種放牧管理類型(持續(xù)放牧、圍欄禁牧5 a和15 a)區(qū)域選擇15個(gè)樣地(每種類型5個(gè)樣地)。在每個(gè)樣地內(nèi)各設(shè)置3對(duì)有結(jié)皮和無(wú)結(jié)皮土壤樣點(diǎn)，共45對(duì)。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(nèi)待測(cè)。為了便于比較，將測(cè)得的入滲速率換算成10℃時(shí)的滲透系數(shù)(K10)。

(2)降雨量。在3種類型的15個(gè)樣地各設(shè)置3個(gè)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(shù)，計(jì)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(gè)樣地土壤濕潤(rùn)鋒的深度，每個(gè)樣地取5個(gè)剖面。降雨結(jié)束后次日，在每個(gè)樣地選取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土壤分層取樣。用土鉆每隔10 cm取一個(gè)土樣，取樣深度至120 cm，裝鋁盒，帶回室內(nèi)烘干測(cè)定。所取樣點(diǎn)均選擇梁地和沙丘頂部相對(duì)平緩處，且位于植株間的空隙，以消除坡度和植被對(duì)降雨入滲和再分配的影響。

2.3 數(shù)據(jù)分析

同一放牧管理類型的有結(jié)皮和無(wú)結(jié)皮土壤間的入滲速率差異的比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。不同放牧管理類型間有結(jié)皮或無(wú)結(jié)皮土壤間滲透性的比較用LSD單因素方差分析。應(yīng)用SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤入滲速率

對(duì)于禁牧5 a圍欄區(qū)，其結(jié)皮的存在極顯著降低土壤入滲速率(t=18.796，df=14，P ＜0.001);對(duì)于禁牧15 a圍欄區(qū)，有結(jié)皮的土壤入滲速率同樣極顯著低于無(wú)結(jié)皮土壤(t=11.639，d f=14，P＜0.001)，這與干旱半干旱環(huán)境下很多有關(guān)結(jié)皮減少水分入滲的研究結(jié)果一致[4，28-31]。而該結(jié)果與結(jié)皮增加降雨入滲或者對(duì)入滲沒(méi)有影響的很多研究結(jié)果不一致，原因可能是因?yàn)槊珵跛厣车赝寥篮沉浚?0%。Warren 2003年的研究表明對(duì)于含沙量＞66%的沙土，結(jié)皮的存在將降低水分入滲速率[32]。而在持續(xù)放牧區(qū)上，結(jié)皮發(fā)育很差，只在個(gè)別地方星星點(diǎn)點(diǎn)分布一些藍(lán)綠藻結(jié)皮，其對(duì)土壤的入滲速率沒(méi)有影響(圖1)。

在3種放牧管理類型區(qū)域內(nèi)，同樣是無(wú)結(jié)皮土壤，其入滲速率也不相同。禁牧15 a的無(wú)結(jié)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(xù)放牧樣地(11.63 mm/min)(P=0.006，0.015);而禁牧5 a和持續(xù)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(zhì)草地植被蓋度增加，攔截細(xì)塵，持水能力也增強(qiáng)，因而入滲速率減小。對(duì)于3種放牧管理類型區(qū)域內(nèi)有結(jié)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(jié)皮土壤滲透性都顯著小于持續(xù)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?yàn)樵趪鷻趨^(qū)禁牧后結(jié)皮充分發(fā)育，而持續(xù)放牧區(qū)結(jié)皮發(fā)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(cè)2次不同降雨量/降雨強(qiáng)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(shí)在持續(xù)放牧區(qū)能入滲到15-20 cm，而在禁牧5 a和禁牧15 a圍欄區(qū)僅能入滲到10-15 cm。雨量為14.8 mm的降雨終止時(shí)在持續(xù)放牧區(qū)能入滲到30-40 cm，在禁牧5 a和禁牧15 a圍欄區(qū)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(shù)統(tǒng)計(jì)(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(duì)流動(dòng)沙地都沒(méi)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(fā)掉，對(duì)固定沙地灌木根系層土壤水分的補(bǔ)充基本沒(méi)有效果[25]。Sala&Lauenroth的研究表明，半干旱區(qū)小降雨事件(＜5 mm)對(duì)草本植物有顯著的生態(tài)作用[26]。而姚德良等對(duì)沙坡頭的研究表明，小于8 mm的降水均屬于無(wú)效降水，這部分水只能濕潤(rùn)干沙層，很快蒸發(fā)[27]。同時(shí)，李新榮等在沙坡頭的研究也表明，當(dāng)發(fā)生＜10 mm的降水事件時(shí)，結(jié)皮可以完全將降水截留至結(jié)皮和表土層[28]。因此，本研究選擇了一個(gè)單次降雨為8.5 mm的降雨事件來(lái)代表降雨量在5～10 mm范圍時(shí)對(duì)土壤水分狀況的影響。在研究區(qū)降雨量為10～20 mm時(shí)的天數(shù)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(nèi)也選擇了一次降雨量為14.8 mm的降雨事件來(lái)代表10～20 mm的降雨對(duì)土壤水分含量產(chǎn)生的影響。20～30 mm范圍的降雨天數(shù)只占雨天的2.9%，所以未選擇此范圍進(jìn)行研究。另外對(duì)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(jīng)觀測(cè)，＞30 mm的降雨次日土壤水分的再分配深度都達(dá)到了1 m以下，對(duì)深根系植物也獲得了有效的水分補(bǔ)充，因此也未對(duì)此進(jìn)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(wú)雨條件下(圖2a，b，c)，持續(xù)放牧區(qū)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(qū)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(qū)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(xù)放牧區(qū)達(dá)到30 cm，而在禁牧5 a和禁牧15 a沙地僅達(dá)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(xù)放牧區(qū)達(dá)到50 cm，在禁牧5 a和禁牧15 a沙地分別達(dá)到30 cm和40 cm。

通過(guò)對(duì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，圍欄禁牧15 a恢復(fù)區(qū)50 cm以下土層含水量在降雨前后都保持在2%左右，說(shuō)明小于14.8 mm的降雨對(duì)15 a圍欄區(qū)50 cm以下土層的水分補(bǔ)給基本無(wú)效。而對(duì)于5 a圍欄恢復(fù)區(qū)和持續(xù)放牧區(qū)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(guò)對(duì)于降雨前土壤水分條件基本相似以及土壤質(zhì)地基本相同的持續(xù)放牧區(qū)和5 a恢復(fù)區(qū)來(lái)說(shuō)，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(fù)區(qū)降雨再分配深度要比持續(xù)放牧區(qū)的更淺，這其中的原因可能是由于禁牧5 a結(jié)皮得以發(fā)育，在土壤表面覆蓋了一層0.5～1 cm的以苔蘚為主的結(jié)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(fù)區(qū)由于結(jié)皮的發(fā)育導(dǎo)致土壤入滲速率的降低，對(duì)降雨有攔截作用，再加上在毛烏素地區(qū)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(duì)15 a禁牧區(qū)土壤水分的補(bǔ)充只能達(dá)到30 cm以上，這種淺層化趨勢(shì)，減少了降雨對(duì)深層(30 cm以下)土壤的有效補(bǔ)給。這個(gè)研究結(jié)果可能是禁牧15 a恢復(fù)區(qū)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(zhǎng)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(zhǎng)，油蒿根系主要分布在20-100 cm[33]，在沙丘上有的油蒿根系達(dá)到1.5 m[8]，此時(shí)土壤水分狀況很好(圖2b，e，h)，集中在2%～6%。隨著禁牧?xí)r間的延長(zhǎng)，在禁牧15 a恢復(fù)區(qū)50 cm以下土層水分狀況相對(duì)較差(圖2c，f，i)，含水量只有1.3%～3.4%，在連續(xù)無(wú)＞4.8 mm的降雨的時(shí)候?qū)?dǎo)致深層沙土產(chǎn)生物理干旱，這將直接影響深根系半灌木油蒿對(duì)水分的吸收和利用，使油蒿吸收的水分相對(duì)減少，造成在禁牧15 a圍欄區(qū)油蒿生長(zhǎng)不良，逐漸衰退。而另一方面，結(jié)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(duì)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(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間(15 a)的圍欄禁牧促使毛烏素沙地土壤結(jié)皮充分發(fā)育，而結(jié)皮的發(fā)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(kāi)始盛行。

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