孫福海 肖 波,2 姚小萌 李勝龍 王國(guó)鵬 馬 爽

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

0 引言

土壤斥水性是指水分不能或很難濕潤(rùn)土壤顆粒表面的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為水珠滯留在土壤表面，長(zhǎng)時(shí)間不能入滲或鋪展，是土壤重要的物理屬性之一[1]。土壤斥水性的存在對(duì)水文過程產(chǎn)生重要影響，不僅增加地表徑流和土壤侵蝕[2]、降低土壤的入滲和持水能力[3]，從而導(dǎo)致指狀流的產(chǎn)生和土壤水分分布的不均勻[4]，而且還降低土壤對(duì)污染物的過濾能力、抑制種子的發(fā)芽和植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致地下水污染和作物減產(chǎn)[5]。斥水性的產(chǎn)生和嚴(yán)重程度受土壤性質(zhì)(如含水率、有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地和生物膜等)的綜合影響[6-7]。

生物結(jié)皮是指生長(zhǎng)在土壤表面及以下的藻類、地衣、苔蘚、真菌和細(xì)菌等生物同土壤顆粒相互作用形成的復(fù)合層[8]。作為一種特殊的土壤表層，生物結(jié)皮具有不同于下層土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，其對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)和斥水性產(chǎn)生極大影響[9]。目前，國(guó)內(nèi)外已有較多關(guān)于生物結(jié)皮對(duì)土壤斥水性影響的研究。FISCHER等[10]研究表明，生物結(jié)皮土壤斥水性的變化與結(jié)皮中的優(yōu)勢(shì)種有關(guān)，藻結(jié)皮的斥水性隨著生物結(jié)皮的發(fā)育而逐漸增加，但隨著結(jié)皮演替，蘚類逐漸代替藻類成為優(yōu)勢(shì)種，生物結(jié)皮土壤的斥水性逐漸降低。張培培等[7]研究發(fā)現(xiàn)，生物結(jié)皮提高了土壤的斥水性，且斥水性隨著結(jié)皮的演替而逐漸減低。郭成久等[11]認(rèn)為，蘚結(jié)皮的發(fā)育顯著提高了土壤的斥水性，同時(shí)蘚結(jié)皮的斥水性隨著火燒時(shí)間的增加而增加。生物結(jié)皮發(fā)育后可通過改變土壤表面對(duì)水分的親和性，進(jìn)而影響土壤斥水性[7]。此外，區(qū)域氣候條件(如降水和溫度)可通過控制有機(jī)質(zhì)的礦化作用、土壤質(zhì)地、pH值等因素間接導(dǎo)致不同區(qū)域土壤斥水性的差異。

土壤斥水性是影響土壤入滲的重要因素。我國(guó)黃土高原地區(qū)土地退化較為嚴(yán)重，為有效控制水土流失，黃土高原實(shí)施了退耕還林(草)工程，隨著該工程措施的大力推進(jìn)，生物結(jié)皮成為該區(qū)域最具特色的微自然景觀[9]。我國(guó)黃土高原由南到北年均降水量和年均溫度逐漸降低，土壤質(zhì)地逐漸粗化，土壤水分含量、土壤有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸降低[12-13]。這些變化勢(shì)必導(dǎo)致生物結(jié)皮的發(fā)育狀況、土壤理化性質(zhì)和植被恢復(fù)在區(qū)域尺度上的變化，進(jìn)而造成生物結(jié)皮土壤斥水性的變化[6]。目前，黃土高原生物結(jié)皮土壤斥水性研究主要集中在不同結(jié)皮發(fā)育階段和外界干擾等方面[7]，對(duì)黃土高原區(qū)域尺度上生物結(jié)皮土壤斥水性的變化研究較少，影響因素尚不明晰。基于此，本研究針對(duì)黃土高原地區(qū)發(fā)育的生物結(jié)皮，沿降水梯度布設(shè)一條樣線，采用滴水穿透時(shí)間法和微型盤式入滲儀法對(duì)比研究生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)，明確生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水性沿降水梯度的變化特征，分析結(jié)皮特性、土壤理化性質(zhì)和氣候?qū)ι锝Y(jié)皮土壤斥水性的影響，為研究黃土高原生物結(jié)皮對(duì)土壤水文過程的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)選擇

基于黃土高原98個(gè)氣象站點(diǎn)30年(1981—2010年)降水?dāng)?shù)據(jù)，在黃土高原沿降水梯度由南向北進(jìn)行采樣，共8個(gè)采樣區(qū)(圖1，采樣區(qū)1～8從南到北依次為銅川市宜君縣、延安市安塞區(qū)、子長(zhǎng)縣史家畔鄉(xiāng)、綏德縣田莊鎮(zhèn)、綏德縣趙家砭村、榆林市小壕兔鄉(xiāng)、鄂爾多斯市伊金霍洛旗、鄂爾多斯市達(dá)拉特旗。下同)。年均降水量從南端采樣區(qū)1(銅川市宜君縣)的595 mm下降到北端采樣區(qū)8(鄂爾多斯市達(dá)拉特旗)的292 mm。黃土高原的土壤主要是風(fēng)成黃土，8個(gè)采樣區(qū)中從銅川市宜君縣到綏德市趙家砭鄉(xiāng)的土壤類型均為黃綿土，從榆林市小壕兔鄉(xiāng)到鄂爾多斯市達(dá)拉特旗的土壤類型均為風(fēng)沙土。

圖1 采樣區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of sampling sites

2017年7月進(jìn)行了樣品的野外采集。在每個(gè)采樣點(diǎn)采集2種典型地表覆蓋類型(生物結(jié)皮和無結(jié)皮)的土壤樣品。為了減小土地利用類型對(duì)研究的影響，選擇大致相同退耕年限的自然演替草地或林地作為代表采樣點(diǎn)(表1)。采樣時(shí)，選取發(fā)育良好且具有代表性的蘚結(jié)皮作為研究樣地，并在其周圍選擇無結(jié)皮樣地(原狀土)作為對(duì)照，每個(gè)采樣點(diǎn)的坡度和坡向要相近或一致。

表1 樣線各采樣點(diǎn)基本信息Tab.1 Basic information of each sampling site of transect

1.2 土樣采集與測(cè)定

每個(gè)樣點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(高5 cm，體積100 cm3)采集生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后，用以研究生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)。

土壤斥水時(shí)間(Water drop penetration time)：使用滴水穿透時(shí)間法測(cè)定斥水時(shí)間，用來反映斥水持久性。用標(biāo)準(zhǔn)滴定管將3滴(每滴約0.05 mL)蒸餾水滴到土壤樣品的表面，用秒表記錄水滴完全滲入土壤所需的時(shí)間，即為斥水時(shí)間，并根據(jù)斥水時(shí)間將斥水性分為無斥水性(0～5 s)、輕微斥水性(5～60 s)、強(qiáng)烈斥水性(60～600 s)、嚴(yán)重斥水性(600～3 600 s)以及極度斥水性(>3 600 s)5個(gè)等級(jí)[14]。每個(gè)采樣點(diǎn)各5個(gè)重復(fù)，取平均值，上述過程在室溫(25℃)下進(jìn)行，下同。

土壤斥水系數(shù)(Repellency index)：采用微型盤式入滲儀法(Mini disk infiltrometer，美國(guó)Decagon公司，上部包含兩個(gè)室，上部的氣泡室控制虹吸過程，下室的水滲透到土壤中，底部為直徑5 cm不銹鋼多孔圓盤，總高32 cm)測(cè)定斥水系數(shù)。將微型盤式入滲儀放置于環(huán)刀樣品上端，保證儀器與樣品表面接觸良好，其后分別測(cè)定95%乙醇和純水的入滲過程，并每隔30 s記錄入滲量，每個(gè)采樣點(diǎn)各3個(gè)重復(fù)，斥水系數(shù)計(jì)算公式為[15]

式中Ie——酒精溶液的累計(jì)入滲量，mm

Iw——純水的累計(jì)入滲量，mm

te——酒精溶液的入滲時(shí)間，s

tw——純水的入滲時(shí)間，s

在采集測(cè)定斥水性土樣的同時(shí)，采集土樣用于土壤機(jī)械組成、容重、有機(jī)質(zhì)含量和苔蘚生物量等指標(biāo)的測(cè)定。采用干燥法測(cè)定苔蘚生物量，每個(gè)采樣點(diǎn)5個(gè)重復(fù)，取平均值；采用游標(biāo)卡尺測(cè)量生物結(jié)皮4個(gè)方向的厚度并取平均值，每個(gè)采樣點(diǎn)5個(gè)重復(fù)；采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，每個(gè)采樣點(diǎn)5個(gè)重復(fù)，取平均值；采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，每個(gè)采樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù)，取平均值；采用馬爾文MS2000型激光粒度儀測(cè)定土壤機(jī)械組成，并按美國(guó)制進(jìn)行分級(jí)(砂粒粒徑0.05～2 mm、粉粒粒徑0.002～0.05 mm和黏粒粒徑0～0.002 mm)，每個(gè)采樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù)，取平均值。各樣點(diǎn)土壤樣品的基本信息見表2。

表2 各采樣點(diǎn)土壤的基本理化性質(zhì)Tab.2 General characteristics of soil samples

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用描述性統(tǒng)計(jì)方法對(duì)比生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的斥水特征(平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)CV)。當(dāng)CV≤10%時(shí)為弱變異，當(dāng)10%

2 結(jié)果與分析

2.1 生物結(jié)皮對(duì)斥水性的影響

生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間(WDPT)和斥水系數(shù)(Ri)如圖2(圖中不同小寫字母表示生物結(jié)皮和無結(jié)皮處理之間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間為44.77 s，表現(xiàn)為輕微斥水性，無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間小于5 s，不具有斥水性。生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的斥水系數(shù)分別為19.32和2.81。與無結(jié)皮土壤相比，生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)分別增加了54.85、5.80倍，統(tǒng)計(jì)分析表明，生物結(jié)皮與無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間(F=57.637，P<0.001)和斥水系數(shù)(F=10.358，P=0.002)均有顯著差異。黃土高原生物結(jié)皮的發(fā)育顯著提高了表層土壤的斥水性。

圖2 生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間與斥水系數(shù)Fig.2 WDPT and Ri of biocrusts and bare soil

2.2 生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)的變化趨勢(shì)

生物結(jié)皮的發(fā)育顯著影響土壤斥水性。由圖3可知(圖中不同大寫字母表示不同采樣區(qū)生物結(jié)皮或無結(jié)皮處理之間差異顯著(P<0.05)，下同)，生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)沿降水梯度的變化趨勢(shì)較為相似，從宜君縣(采樣區(qū)1)到田莊鎮(zhèn)(采樣區(qū)4)，生物結(jié)皮的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)隨著年均降水量的降低而逐漸降低。從田莊鎮(zhèn)到達(dá)拉特旗(采樣區(qū)8)生物結(jié)皮的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)隨年均降水量的變化較小，大體呈減小趨勢(shì)；無結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)沿降水梯度的變化較小，從宜君縣到達(dá)拉特旗，土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)大體呈減小趨勢(shì)。除采樣區(qū)6的斥水系數(shù)，各采樣區(qū)生物結(jié)皮與無結(jié)皮的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)均存在顯著差異。

生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水時(shí)間的變化范圍分別為5.70～149.50 s和0.39～1.74 s(圖3a)，生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水時(shí)間的最大值與最小值之比分別為26.23、4.46倍。生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間的變異系數(shù)為128%，與無結(jié)皮土壤相比增加了1.30倍，生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水時(shí)間沿降水梯度的空間變異性分別為強(qiáng)變異和中等程度變異。在年均降水量292～595 mm區(qū)間，生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間由南向北遞減速率為0.47 s/mm。

由圖3b可知，生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水系數(shù)的變化范圍分別為2.88～73.22和0.80～6.01，生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水系數(shù)的最大值與最小值之比分別為25.42、7.51倍。生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水系數(shù)的變異系數(shù)分別為135%和63%，分別為強(qiáng)變異和中等程度變異。在年均降水量292～595 mm區(qū)間內(nèi)，生物結(jié)皮土壤斥水系數(shù)由南向北遞減速率為0.23/mm。

2.3 生物結(jié)皮土壤斥水性空間變化趨勢(shì)的影響因素及模擬

生物結(jié)皮土壤的斥水性受結(jié)皮特性、土壤性質(zhì)和降水量的共同影響。從表3可以看出，在各因子間，生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)均與結(jié)皮厚度、粉粒含量、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量及年均降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P≤0.032)；與苔蘚生物量和砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P≤0.030)；而與年均溫之間無顯著的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。

由表4(D為結(jié)皮厚度，mm；B為苔蘚生物量，g/m2；Sand為砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Silt為粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Clay為黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；SOM為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比，g/kg；Pr為年均降水量，mm。下同)可知，生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間隨著黏粒含量的增大呈冪函數(shù)增大(R2=0.68，RMSE為28.02 s)；隨結(jié)皮厚度、粉粒含量和年均降水量的增加均呈指數(shù)函數(shù)增大(R2≥0.79，RMSE小于等于24.77 s)；隨著苔蘚生物量和砂粒含量的增大，分別呈線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)減小(R2≥0.68，RMSE小于等于28.04 s)。

生物結(jié)皮土壤斥水系數(shù)隨著苔蘚生物量和砂粒含量的增加均呈指數(shù)函數(shù)減小(R2=0.82，RMSE小于等于9.55，表4)；與生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間相同，生物結(jié)皮土壤斥水系數(shù)隨著結(jié)皮厚度、粉粒含量、有機(jī)質(zhì)含量及年均降水量的增加均呈指數(shù)函數(shù)增加(R2≥0.76，RMSE小于等于10.88，表4)。

表4 生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)與影響因素的關(guān)系Tab.4 Relationship between WDPT and Ri of biocrusts and influencing factors

基于以上生物結(jié)皮斥水性與結(jié)皮性質(zhì)、理化性質(zhì)、降水量之間的關(guān)系，運(yùn)用非線性回歸方法建立生物結(jié)皮的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)的模擬方程(表5)。生物結(jié)皮的斥水性與生物結(jié)皮特性密切相關(guān)，本研究選取與黃土高原生物結(jié)皮斥水時(shí)間(圖4a)和斥水系數(shù)(圖4b)呈顯著相關(guān)的結(jié)皮厚度與苔蘚生物量進(jìn)行擬合。從擬合方程的R2、RMSE和NSE來看，生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間的擬合效果略低于生物結(jié)皮土壤斥水系數(shù)的擬合效果(圖4)。

圖4 生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的比較Fig.4 Comparison between measured and predicted WDPT and Ri of biocrusts

表5 生物結(jié)皮土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)的預(yù)測(cè)方程Tab.5 Relationships between WDPT, Ri and its affecting factors

3 討論

土壤斥水性是土壤重要的物理屬性，其影響因素較多，如有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水率、pH值、質(zhì)地和生物膜等均能對(duì)土壤斥水性產(chǎn)生較大影響[6,16]。土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤斥水性的主要因素之一，其中誘發(fā)斥水性的主要組分為脂肪族烴和兩性分子[6]，而不同地區(qū)誘發(fā)斥水性的有機(jī)質(zhì)主要組分不同，在草地中，土壤腐殖質(zhì)是影響土壤斥水性的重要因素，而在林地中，斥水性主要受脂類物質(zhì)的影響[17]。土壤顆粒組成也是影響斥水性的重要環(huán)境因子，一方面細(xì)顆?？赏ㄟ^對(duì)斥水性物質(zhì)的吸附，以及自身的親水/疏水特征影響土壤斥水性[10]。另一方面，土壤粒徑越大土壤孔隙度越高，相應(yīng)的斥水性越低[18]。另外，pH值可通過影響水分?jǐn)U散率和疏水性物質(zhì)含量(特別是胡敏酸)間接影響土壤斥水性，斥水性土壤可能具有較低的pH值[19-20]。除此之外，土壤中的擔(dān)子菌類的菌絲體、曲霉菌和放線菌等微生物通過產(chǎn)生具有斥水性的次生代謝產(chǎn)物進(jìn)而影響斥水性[21]。

研究結(jié)果顯示，在黃土高原年均降水量292～595 mm范圍內(nèi)，生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)整體上表現(xiàn)為年均降水量越低斥水性越低的規(guī)律，降水不僅是植被生長(zhǎng)的主要生態(tài)限制因子，還是生物結(jié)皮土壤斥水性動(dòng)態(tài)的控制因子[27]。究其原因，一方面土壤斥水性與粉粒含量、黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系[26]。本研究所選取的采樣區(qū)植被恢復(fù)年限相近，降水量梯度差異表現(xiàn)為土壤顆粒組成、有機(jī)質(zhì)積累、生物結(jié)皮發(fā)育等過程的差異，進(jìn)而導(dǎo)致生物結(jié)皮土壤斥水性與年均降水量顯著相關(guān)。黃土高原由南向北年均降水量逐漸降低，土壤質(zhì)地逐漸粗化，土壤孔隙度逐漸增加，黏粒和有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低[28]，因而間接降低了土壤斥水性。另一方面，生物結(jié)皮通過對(duì)揚(yáng)塵和砂礫的捕獲逐漸掩埋了土壤，結(jié)皮植株生長(zhǎng)對(duì)光照的遮蔽使下層胞外聚合物和細(xì)胞發(fā)生腐解，導(dǎo)致結(jié)皮層厚度逐漸增加，而結(jié)皮層厚度的增加是土壤碳儲(chǔ)量增加的重要原因，進(jìn)而影響生物結(jié)皮土壤斥水性[10]。受降水梯度的影響，黃土高原土壤水分含量由南向北呈遞減趨勢(shì)，對(duì)于本研究的草地和林地來說，年均降水量較低的地區(qū)，生物結(jié)皮無法與高蓋度的高等植物進(jìn)行水分和養(yǎng)分資源的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致其發(fā)育程度較低，表現(xiàn)為結(jié)皮的厚度和植株密度較低[29]。而發(fā)育程度較低的生物結(jié)皮，其厚度、腐殖質(zhì)含量和微生物含量一般較低，導(dǎo)致土壤斥水性降低[30-32]。

本研究表明，降水量對(duì)生物結(jié)皮土壤斥水性的解釋程度略低于結(jié)皮厚度，結(jié)皮厚度能很好地解釋生物結(jié)皮土壤斥水性的變異，其原因可能與結(jié)皮厚度間接影響表層土壤有機(jī)質(zhì)含量和生物量有關(guān)。降水量通過改變土壤水熱狀況影響生物結(jié)皮的發(fā)育過程中土壤質(zhì)地、微生物、有機(jī)質(zhì)含量等變化，進(jìn)一步影響土壤斥水性的動(dòng)態(tài)過程，這也可在一定程度上解釋生物結(jié)皮對(duì)水分入滲的影響[33]。

4 結(jié)論

(1)黃土高原生物結(jié)皮顯著增加了表層土壤斥水性，與無結(jié)皮土壤相比，黃土高原生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)分別增加了54.85倍和5.80倍。

(2)黃土高原生物結(jié)皮和無結(jié)皮土壤斥水時(shí)間和斥水系數(shù)自南向北(以最南端銅川市宜君縣為起點(diǎn))呈先減小、后逐漸穩(wěn)定的空間變化趨勢(shì)，且生物結(jié)皮土壤斥水性的空間變異性高于無結(jié)皮土壤。

(3)黃土高原生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)均受結(jié)皮厚度、苔蘚生物量、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量及年均降水量的顯著影響(P<0.05)；生物結(jié)皮土壤的斥水時(shí)間和斥水系數(shù)均可用結(jié)皮厚度和苔蘚生物量進(jìn)行模擬，R2均為0.97，RMSE分別為5.89 s和1.10，NSE分別為0.99和1.00。