| 题名 | 黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮对土壤水文过程的影响 |
| 作者 | 肖波 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 陕西 |
| 导师 | 邵明安 ; 赵允格 |
| 学位专业 | 土壤学 |
| 中文摘要 | 黄土高原水蚀风蚀交错区土壤水分亏缺、植被退化，然而该区稀疏植被下或林间空地上广泛发育着生物结皮，其存在可能显著影响该区的土壤水文过程。本研究针对生物结皮对土壤水文过程的影响，通过野外调查采样和室内分析，探明了该区生物结皮的特征和分布状况，明确了生物结皮对土壤理化性质的影响，在此基础上使用盘式入渗仪、微型土壤蒸发器等仪器，结合室内外模拟降雨试验、野外自然降雨观测试验、野外土壤水分长期定位监测等方法，从土壤导水参数、入渗－产流过程、土壤水分再分布过程、土壤蒸发过程和土壤储水量变化等多个方面研究了生物结皮对土壤水分运动与循环的影响程度及机理，揭示了生物结皮的水文功能。其结论可为研究区生物结皮的科学管理和土壤水分的有效利用提供理论依据，对区域植被恢复和生态环境建设具有重要意义。所得主要结论如下：（1）研究区广泛分布着以藓类植物为主要组成物的生物结皮，其分布主要受土壤质地和土地利用类型影响。研究区生物结皮的平均厚度为17.52±0.45 mm，生物量为13.58±1.78 mg·cm-2，苔藓植株密度为184.2±15.9株·cm-2。生物结皮的组成成分以藓类为主，主要物种为土生扭口藓、极地真藓和真藓。生物结皮在在灌木林地和天然草地发育最好，盖度可达50%～90%，其分布受土壤质地影响明显。砂土上发育形成的生物结皮贴近地表，地上部分较矮（1～2 mm），而砂质壤土上发育形成的生物结皮地上部分通常较高（5 mm左右）。不仅如此，砂土上生物结皮的发育状况要好于砂质壤土，总体分布面积也高于砂质壤土。（2）生物结皮的形成可粘化土壤、增加土壤持水能力、降低容重，增加土壤养分以及有机质含量，降低pH值。两种质地的土壤上，生物结皮平均可增加23%的饱和含水量和22%的田间持水量，降低19%的容重。土壤化学性质中，全氮、速效磷和有机质受生物结皮的影响程度较大，而全氮、有机质和速效钾受生物结皮的影响深度较深。另外，生物结皮可降低表层土壤的pH值，其降低幅度为0.2～0.6个单位。生物结皮对土壤养分的影响主要集中在结皮层和2 cm土层，退耕0～20年间结皮层的养分含量与退耕年限之间的关系可用指数函数（y=a[b-exp(-cx)]）进行描述，其相关系数均大于0.82。每平方米自然发育生物结皮对土壤养分的年均净贡献量为50.15 g有机质、1.95 g全氮、0.44 g全磷、164.33 mg碱解氮、9.64 mg速效磷和126.21 mg速效钾。（3）室内人工培育形成的生物结皮可增加降雨入渗、减少径流，但其作用程度与生物结皮的盖度有关，盖度越高则作用越大。人工培育生物结皮的盖度与其所减少的径流呈线性正相关关系（y=0.45x+0.21，R2=0.98），盖度29%时可减少34%的径流，盖度41%时可减少41%的径流，盖度80%时可减少54%的径流，盖度100%时可减少68%的径流。但由于室内人工培育的生物结皮与野外自然发育生物结皮在组成成分和形态特征上有较大差异，因此，该结论是否适用于野外自然发育形成的生物结皮，尚须试验验证。（4）研究区自然降雨过程中，生物结皮和无结皮的总入渗量接近，但生物结皮对降雨具有拦蓄作用，在降雨量相同的条件下，生物结皮比无结皮土壤具有更浅的入渗深度和更弱的土壤水分再分布过程。研究区土壤（砂土和砂质壤土）在有结皮和无结皮条件下均具有很高的入渗能力，在通常的降雨雨强、历时和降雨量条件下基本没有径流产生或径流量极少，尤其在砂土上降雨几乎全部就地入渗。因此，生物结皮和无结皮的总入渗量基本相同，但在总入渗量相同的条件下，生物结皮的入渗深度要明显浅于无结皮（砂土25 cm，砂质壤土10 cm），表现出生物结皮对降雨入渗的拦蓄作用。同时，生物结皮在雨后的土壤水分再分布过程要弱于无结皮。另外，生物结皮条件下的降雨－入渗－产流过程受降雨雨强、降雨历时影响不明显，受坡度影响明显，但其影响程度和影响趋势与无结皮时基本一致。（5）生物结皮对土壤入渗的影响与所选对照和季节有关。土壤饱和导水率和非饱和导水率的测定结果表明，不同对照中，以无结皮为对照，生物结皮可极显著降低土壤饱和导水率（砂土降低87%，砂质壤土降低68%），但以物理结皮和去除生物结皮为对照，生物结皮则对土壤饱和导水率无显著影响。不同季节中，在雨季生物结皮可显著降低土壤饱和导水率（砂土降低67%，砂质壤土降低85%）；在非雨季生物结皮对土壤饱和导水率的影响不显著。生物结皮对土壤入渗的影响与所选对照和季节有关，这可在一定程度上为当前有关生物结皮影响土壤水分入渗方面所存在的分歧提供解释。（6）生物结皮不能显著改变土壤蒸发过程。尽管生物结皮使土壤的持水能力有所增加（饱和含水量：砂土增加1.31 mm，砂质壤土增加0.31 mm；田间持水量：砂土增加0.65 mm，砂质壤土增加0.32 mm），但这些增加的水分相对而言更难于蒸发。其结果导致生物结皮在蒸发初期的蒸发速率不但没有增加，反而有所降低（砂土1.12 mm·d-1，砂质壤土1.82 mm·d-1）。虽然如此，但由于这一阶段持续时间很短，因此对总体蒸发过程影响不大。随着蒸发过程的继续，生物结皮的存在阻碍了土表干土层的形成，完整的土壤孔隙为水分蒸发提供了通道，使得下层土壤水分源源不断的到达土表并通过蒸发散失，从而表现出生物结皮对土壤蒸发的促进作用。由于该阶段的持续时间较长，因此其总体影响较大。综合以上两点，生物结皮总体上略微增加了砂土蒸发、减少了砂质壤土蒸发，但均未显著改变土壤蒸发过程。（7）生物结皮对土壤储水量的影响与下层土壤质地有关：砂土上，生物结皮的土壤储水量明显高于无结皮；砂质壤土上，生物结皮的土壤储水量低于无结皮。砂土上，生物结皮对不同土层土壤储水量均有不同程度的增加，其中对70 cm以上土壤储水量的增加较大，最大时达到191.67%；对70 cm以下土壤储水量的增加不大，不超过5%。总体上，砂土上生物结皮能够增加10.05 mm的土壤储水量，其增加幅度为17.93%。砂质壤土上，人工培育的生物结皮在初期（2006年）对土壤储水量影响不大，不超过5%，且影响深度较浅，仅对0～20 cm的土壤储水量有一定影响（12.49%）。但随着生物结皮的逐步发育，经过近2年的生长后（2007年），生物结皮的土壤储水量明显低于无结皮，二者的绝对误差为12.80 mm，相对误差为8.68%，且随着生物结皮的逐步发育，二者之间的差异有进一步增大的趋势。综上所述，在黄土高原水蚀风蚀交错区，砂土上生物结皮的发育可增加土壤储水量，对退化植被的恢复和生态环境建设具有积极作用；而砂质壤土上生物结皮的发育可能会减少土壤储水量，使土壤水分亏缺状况进一步加剧，不利于植被的恢复。因此，对研究区生物结皮所采取的管理措施应视下层土壤质地而定，即：在砂土上，应对生物结皮进行有效保护，并可通过人工接种的方法培育生物结皮，从而进行大规模的生态环境治理；而在砂质壤土上，应采取工程措施有选择性的破除生物结皮，以避免其对土壤水库的消极影响。以上结论对研究区生物结皮的管理和植被恢复重建具有一定的指导意义。 |
| 公开日期 | 2011-07-01 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/4086]  |
| 专题 | 水土保持研究所_水保所知识产出(1956-2013) |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 肖波. 黄土高原水蚀风蚀交错区生物结皮对土壤水文过程的影响[D]. 陕西. 中国科学院研究生院. 2008. |
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