李 柏，高甲榮 ，崔 強，錢斌天 ，王 越，劉 法

(1.北京林業(yè)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(yè)大學寧夏鹽池荒漠生態(tài)系統(tǒng)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(nèi)的各種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化[1]。在干旱、半干旱的荒漠化地區(qū)，地表生物結(jié)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(zhuǎn)變[2]。降雨量少而且時間集中，水是制約荒漠化地區(qū)生物生存和繁衍最重要的生態(tài)制約因子，生物結(jié)皮在土壤表面形成以后就造成了土壤水文性質(zhì)的不連續(xù)性[2]，因此對生物結(jié)皮阻水特性的研究受到了專家的高度重視。

在國內(nèi)外關(guān)于生物結(jié)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(nèi)，對生物結(jié)皮水文特征的研究，主要表現(xiàn)為生物結(jié)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(jié)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(fā)[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(jié)皮的存在顯著增加土壤滲透能力，并認為土壤物理性質(zhì)、孔隙狀況和團聚體是控制滲透的因素，而當這些性質(zhì)被破壞后，生物結(jié)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(jié)皮的滲透率[4]。在我國關(guān)于生物結(jié)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(jié)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(jié)皮的結(jié)構(gòu)有破壞的作用，對水分的下滲沒有影響。在鹽池縣，關(guān)于生物結(jié)皮的研究比較少，阻水特性的研究少之又少，而且生物結(jié)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?shù)厣锝Y(jié)皮阻水特性的研究結(jié)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(jié)皮阻水特性的差異。通過對油蒿、楊柴和花棒下生物結(jié)皮阻水特性的分析研究，對今后生物結(jié)皮與植被建設(shè)的研究有重要意義。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(qū)東部，地理坐標為北緯37°04′-38°10′，東經(jīng) 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(qū)向干旱區(qū)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(fā)量2 100 mm[9]。鹽池縣植被在區(qū)系上屬于歐亞草原區(qū)，亞洲中部亞區(qū)，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(shù)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(qū)生物結(jié)皮生長情況和當年降雨量息息相關(guān)，多為初期的沙結(jié)皮和帶有菌類的生物結(jié)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?qū)嶒灲Y(jié)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(shè)示意圖

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

(3)用鋁盒法取有植被和裸地樣地內(nèi)干結(jié)皮，并取結(jié)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(jié)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(jié)皮和濕沙，放入自封袋中，連同之前取到的干結(jié)皮、干沙，帶回實驗室內(nèi)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(nèi)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(nèi)進行植被調(diào)查，測量植被的種類、高度和冠幅，估讀樣方內(nèi)植被的蓋度。

(5)實驗數(shù)據(jù)運用Excel、SPSS等軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 油蒿、羊柴和花棒下生物結(jié)皮厚度變化

沙漠生物結(jié)皮是流動沙丘固定的標志，而結(jié)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(jié)皮形成時間的長短，所以結(jié)皮厚度與其形成時間具有一致性，并且和養(yǎng)分的富集具有相關(guān)性。

不同植被類型下的生物結(jié)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(jié)皮逐漸發(fā)育，一般可將其發(fā)育階段分為松脆粉狀結(jié)皮、松脆薄片結(jié)皮、較緊密片狀結(jié)皮和緊密片狀、塊狀結(jié)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?shù)?，油蒿、羊柴和花棒群落之間是競爭關(guān)系，油蒿群落是優(yōu)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(jié)皮的厚度為0.41 cm，羊柴下生物結(jié)皮大于油蒿下，厚度為0.54 cm，花棒下生物結(jié)皮略大于羊柴下，厚度為0.58 cm。

生物結(jié)皮厚度不同其原因與生物結(jié)皮的發(fā)育時間和植被下方養(yǎng)分富集情況有關(guān):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(jié)皮生長的時間比油蒿下的時間長，還有羊柴和花棒下方養(yǎng)分富集量要比油蒿下方多，所以羊柴和花棒下生物結(jié)皮厚度大于油蒿下。隨著沙地的逐漸穩(wěn)定，植被和生物結(jié)皮的生長，推動了植被的演替，更有利于荒漠化地區(qū)的穩(wěn)定發(fā)展。目前，有些研究者在研究生物結(jié)皮與植被生長的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，在生物結(jié)皮發(fā)育的早期，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。隨著植物覆蓋的增加，位于下層的結(jié)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(jié)皮對降水的截留而枯死[10]。

表1 不同植被類型下生物結(jié)皮的厚度

2.2 油蒿、羊柴和花棒下生物結(jié)皮阻水特性對比分析

不同植被類型下生物結(jié)皮厚度不同，那么相對應(yīng)的生物結(jié)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(jié)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(jié)皮和沙土含水率增大率進行比較，如果生物結(jié)皮相對于沙土含水率增大的比例越大，就說生物結(jié)皮的阻水特性越好。

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

圖2是油蒿、羊柴和花棒下生物結(jié)皮阻水特性比較，在油蒿下生物結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)皮阻水特性比較

不同植被類型下生物結(jié)皮阻水特性與植被的生長時間的關(guān)系。油蒿、羊柴和花棒之間存在著競爭關(guān)系，在植被調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)樣地中花棒的株型最大，之后是羊柴?；ò艉脱虿竦母叨群凸诜扔洼锎蟮枚?，有的甚至有好幾株油蒿的大小，羊柴和花棒下方富集養(yǎng)分量有可能要大于油蒿下方，所以生物結(jié)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(wěn)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(wěn)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(jié)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(jié)皮阻水特性比較

在荒漠化地區(qū)，植被覆蓋度能夠反映當?shù)厣城鸬姆€(wěn)定情況，生物結(jié)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(jié)皮的存在，那么生物結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)論在有植被和裸地條件下生物結(jié)皮阻水特性是由不同植被類型決定的，在油蒿下生物結(jié)皮阻水要弱于裸地條件下，而在花棒和羊柴下生物結(jié)皮阻水特性要強于裸地條件下，所以有植被和裸地生物結(jié)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(qū)，生長在植被下的生物結(jié)皮受到植被的保護，有效地減少陽光對生物結(jié)皮直射所帶來的含水量的蒸騰，枯枝落葉層增加生物結(jié)皮有機質(zhì)和腐殖質(zhì)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(jié)皮穩(wěn)定的生長發(fā)育。而裸露在自然條件下的生物結(jié)皮，陽光直射到地表，幾組生物結(jié)皮的含水率已經(jīng)為0，降雨之后，含水率為0的生物結(jié)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?；ò艉脱虿裆L時間較久，下方生物結(jié)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(jié)皮厚度最小，裸地生物結(jié)皮生長時間要長于油蒿下，裸地生物結(jié)皮飽和含水量要比油蒿下的大，所以裸地生物結(jié)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(fā)育，下方生物結(jié)皮阻水特性會增強，在以后的研究中有可能出現(xiàn)油蒿下生物結(jié)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(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)不同植被覆蓋下生物結(jié)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(jié)皮厚度來看，花棒更有利于沙地的穩(wěn)定。

(2)生物結(jié)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(jié)皮在有植被和裸地下阻水特性由強到弱表現(xiàn)為:花棒＞羊柴＞裸地＞油蒿。在油蒿下生物結(jié)皮的阻水特性最弱，更有利于油蒿的生長，油蒿呈現(xiàn)穩(wěn)定快速生長的趨勢，而花棒和羊柴下生物結(jié)皮阻水特性較強，生物結(jié)皮阻止水分的下滲，不利于花棒和羊柴的繼續(xù)生長，在鹽池當?shù)鼗ò艉脱虿癯尸F(xiàn)衰敗的趨勢。遵循植被的演替規(guī)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(jié)皮阻水特性與生物結(jié)皮厚度聯(lián)系到一起，發(fā)現(xiàn)隨著生物結(jié)皮厚度的增加，阻水特性也在增強。生物結(jié)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(jié)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。

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