荒漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮的水文物理特征分析

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1、第17卷第5期水科學(xué)進(jìn)展Vol117,No152006年9月ADVANCESINWATERSCIENCESep.,2006荒漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮的水文物理特征分析王新平,肖洪浪,張景光,李新榮,康爾泗(中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站,甘肅蘭州730000)摘要:通過(guò)室內(nèi)壓力陶土板系統(tǒng)測(cè)定土壤含水率與基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系與Star-1土壤水分物理特征測(cè)定系統(tǒng)確定非飽和土壤水力傳導(dǎo)度的方法,結(jié)合應(yīng)用vanGenuchten公式模擬,分析了位于騰格里沙漠東南緣包蘭鐵路沙坡頭段人工生態(tài)防護(hù)體系生物土壤結(jié)皮的水文

2、物理特征,確定了其水分特征曲線、非飽和土壤水力傳導(dǎo)度、非飽和彌散系數(shù),并與原始沙丘沙進(jìn)行比較。結(jié)果表明,生物土壤結(jié)皮的持水能力是沙丘沙的3~9倍。當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)在-1~-3000cm的較高范圍變化時(shí),生物土壤結(jié)皮平均非飽和水力傳導(dǎo)度低于沙丘沙(約為12%);而當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)在-3000~-15000cm的較低范圍變化時(shí),沙丘沙的平均非飽和水力傳導(dǎo)度又大大低于生物土壤結(jié)皮(約為9110%)。正是由于生物土壤結(jié)皮特殊的質(zhì)地與結(jié)構(gòu),使其非飽和水力傳導(dǎo)度隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的降低,以及土壤含水量的減少,而趨于增大。與原始沙丘沙比較,生

3、物土壤結(jié)皮獨(dú)特的水文物理特點(diǎn)決定了它對(duì)荒漠地區(qū)土壤微生境的改善與促進(jìn)作用,特別是通常情況下的高持水能力與低土壤基質(zhì)勢(shì)條件下的較高非飽和水力傳導(dǎo)度,能夠提高淺層土壤水分的有效性,有利于人工生態(tài)防護(hù)體系主要組分淺根系灌木、草本植物與小型土壤動(dòng)物的生存繁衍。關(guān)鍵詞:生物土壤結(jié)皮;水文物理特征;非飽和土壤水力傳導(dǎo)度;非飽和土壤彌散系數(shù)中圖分類號(hào):P34319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-6791(2006)05-0592-07生物土壤結(jié)皮(biologicalsoilcrust,BSC)是土壤表層由苔蘚、藻類、地衣等隱花

4、植物和微生物菌類等為主體[1,2]的生物組分與土壤構(gòu)成的有機(jī)復(fù)合體,在半干旱、干旱荒漠區(qū)都廣泛分布和發(fā)育著生物土壤結(jié)皮。由于生物土壤結(jié)皮在干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)中所具有的獨(dú)特生態(tài)功能,生物土壤結(jié)皮研究愈來(lái)愈引起人們的廣泛關(guān)注,成為[3~5]荒漠化地區(qū)防沙治沙和生態(tài)恢復(fù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。生物土壤結(jié)皮中的細(xì)粒物質(zhì)(沙粒、粉粒、粘粒)不是以單獨(dú)顆粒形式存在,而是被微生物(主要是細(xì)菌,少量放線菌與真菌)菌絲體、凝膠體或其分泌的多聚糖、黏液質(zhì)鞘粘連,或者被藻類、地衣和苔蘚的假根捆綁起來(lái),與微生物、藻類、地衣和苔蘚等隱花植物一起形成完整的

5、生物土壤結(jié)皮。大量研究報(bào)道了生物土壤結(jié)皮的固土培肥,增加土壤養(yǎng)分,改變土壤水分狀況等方面的生態(tài)[1,5~14]功能。我國(guó)騰格里沙漠東南緣人工植被固沙區(qū)降塵的累積構(gòu)成了微生物土壤結(jié)皮中非生物成分的主體,并不斷改[15,16]變著生物土壤結(jié)皮層的土壤物質(zhì)平衡。對(duì)不同固沙年限沙丘迎風(fēng)坡結(jié)皮層機(jī)械組成分析表明,隨著沙丘固定時(shí)間的延長(zhǎng),生物土壤結(jié)皮中<01002mm粘粒含量不斷增加,而0105~015mm砂粒的比例不斷降低。肖[17]洪浪等認(rèn)為,流沙固定過(guò)程中土壤-植被系統(tǒng)向地帶性方向演替,水分和養(yǎng)分的表聚行為導(dǎo)致了生物系統(tǒng)淺

6、層化的過(guò)程。土壤剖面分化、結(jié)皮層形成和土體構(gòu)型的改變導(dǎo)致土壤水分保持能力和入滲、再分配過(guò)程的變化,形成了土壤-植被系統(tǒng)全新的水環(huán)境。生物土壤結(jié)皮對(duì)土壤-水分關(guān)系的影響具有高度的地區(qū)/區(qū)域特征。生物土壤結(jié)皮蓋度以及結(jié)皮中藍(lán)藻、地衣、苔蘚的構(gòu)成比例等指標(biāo)所反映的生物土壤結(jié)皮發(fā)育程度,區(qū)域氣候狀況,地表粗糙度,土壤質(zhì)地與結(jié)構(gòu)等均明顯影響特定地區(qū)的水文循環(huán)過(guò)程。土壤質(zhì)地對(duì)水文循環(huán)的影響作用極其重要,甚至?xí)^(guò)生物土壤結(jié)皮。收稿日期:2005-04-05;修訂日期:2005-10-19基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(403

7、01008;90202015);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新方向性資助項(xiàng)目(KZCX3-SW-324)作者簡(jiǎn)介:王新平(1969-),男,甘肅通渭人,中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員,博士,主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文研究。E-mail:xpwang@lzb1ac1cn第5期王新平等:荒漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮的水文物理特征分析593比如對(duì)脹縮性粘土來(lái)說(shuō),無(wú)論其表面有無(wú)生物土壤結(jié)皮存在,它的入滲速率相對(duì)較低。有關(guān)生物土壤結(jié)皮對(duì)水[18,19]文循環(huán)的影響目前存在著兩種截然不同的觀點(diǎn),一些學(xué)者認(rèn)為生物土壤結(jié)皮的存在有利于水分入滲,而

8、另[20,21][22]一些學(xué)者則認(rèn)為其存在降低了水分入滲。另外,George等采用栽培室與野外試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了生物土壤結(jié)皮對(duì)土壤水分損失的影響,認(rèn)為生物土壤結(jié)皮可以通過(guò)增加表層土壤水流阻力來(lái)提高土壤水分的有效性。本文通過(guò)確定荒漠人工植被區(qū)表層土壤水力學(xué)參數(shù),對(duì)生物土壤結(jié)皮的水文物理特征進(jìn)行分析,對(duì)草原化荒漠地區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)模擬與基于土