劉 翔, 周宏飛, 劉 昊, 朱 海

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究站, 阜康 831505

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不同類型生物土壤結(jié)皮覆蓋下風(fēng)沙土的入滲特征及模擬

劉 翔1, 2, 周宏飛1, 3, *, 劉 昊1, 2, 朱 海1, 2

1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所, 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究站, 阜康 831505

干旱荒漠區(qū)廣泛分布的生物土壤結(jié)皮(BSCs)對(duì)土壤水分入滲過(guò)程有重要影響。以古爾班通古特沙漠南緣的BSCs為研究對(duì)象, 基于野外采樣與室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)等方法, 探究蘚類、地衣和藻等3種類型BSCs覆蓋下沙土的入滲特征。結(jié)果表明：與無(wú)結(jié)皮覆蓋的風(fēng)沙土對(duì)照, 3種類型BSCs均顯著降低了沙土初滲速率, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%；蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮(P<0.05)和藻結(jié)皮(P<0.05)均明顯降低了沙土穩(wěn)滲速率, 降低幅度依次為16.50%、33.98%和35.92%；3種類型BSCs均限制了濕潤(rùn)鋒在沙土的推進(jìn)過(guò)程, 表現(xiàn)為：蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮的滲漏時(shí)間分別為裸沙對(duì)照的2.13、3.04和2.98倍；各類型BSCs均減小了沙土累積入滲量, 阻礙了沙土水分入滲, 與裸沙對(duì)照相比, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮的1 h累積入滲量分別降低16.10%、28.56%和26.56%。在實(shí)驗(yàn)條件下, Kostiakov模型最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過(guò)程, Horton模型模擬效果次之。

生物土壤結(jié)皮；干旱荒漠區(qū)；風(fēng)沙土；水分入滲； 濕潤(rùn)鋒

在干旱區(qū), 土壤水分條件是制約荒漠生態(tài)系統(tǒng)植被演替的關(guān)鍵因素[1], 水分入滲作為水文循環(huán)中的重要一環(huán), 是降水等地表水轉(zhuǎn)化為土壤水的唯一途徑, 土壤入滲能力深刻影響著降水的再分配過(guò)程[2], 對(duì)降水的有效儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化利用至關(guān)重要。在干旱荒漠地區(qū)廣泛分布的BSCs(生物土壤結(jié)皮)是由真菌、細(xì)菌、藻類、地衣、蘚類等孢子植物類群及其代謝產(chǎn)物與土壤表層顆粒復(fù)合形成的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的復(fù)合體[3], 是荒漠生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分, 具有重要的生態(tài)水文學(xué)意義[4]。BSCs的出現(xiàn)明顯的改變了沙土表層的土壤特性[5]與覆被狀況, 這勢(shì)必影響到土壤水分入滲過(guò)程。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BSCs與水分入滲的關(guān)系進(jìn)行了研究[6-7], 但已有研究因試驗(yàn)方法、試驗(yàn)區(qū)域、實(shí)驗(yàn)對(duì)象等不同, 相關(guān)結(jié)論并不統(tǒng)一, 部分學(xué)者認(rèn)為BSCs促進(jìn)了土壤水分入滲[8], 另有一部分學(xué)者則持相反的觀點(diǎn)[9-10]。可見(jiàn), 相關(guān)實(shí)驗(yàn)證據(jù)還不夠充分, 導(dǎo)致很多研究結(jié)論并不一致。同時(shí), 已有研究中針對(duì)不同類型BSCs覆蓋下的沙土水分入滲比較實(shí)驗(yàn)還不多見(jiàn), 相關(guān)研究有待加強(qiáng)。

古爾班通古特沙漠作為我國(guó)最大的固定與半固定沙漠, 其間廣泛發(fā)育有不同類型的BSCs, 部分學(xué)者已對(duì)其分布特征[11]、形成機(jī)理與演替過(guò)程[12]、生態(tài)功能及效應(yīng)[13-14]等問(wèn)題進(jìn)行了一些研究, 但針對(duì)不同類型BSCs入滲特征的比較研究還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。本項(xiàng)研究以古爾班通古特沙漠廣泛發(fā)育的藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚類結(jié)皮等3類結(jié)皮為研究對(duì)象, 采用原狀土柱入滲實(shí)驗(yàn)和模擬方法, 對(duì)不同類型BSCs的入滲特征展開(kāi)研究, 可以為進(jìn)一步了解BSCs對(duì)土壤水文過(guò)程的調(diào)控過(guò)程和機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

古爾班通古特沙漠位于北疆準(zhǔn)噶爾盆地腹地, 面積4.88×104km2, 地理位置為44°11′—46°20′ N, 84°31′—90°00′ E, 是中國(guó)最大的固定、半固定沙漠。該地區(qū)屬溫帶干旱氣候區(qū), 夏季干燥炎熱、冬季寒冷, 年均氣溫6.6℃。年均降水量90—150 mm, 沙漠腹地僅有70—100 mm, 年蒸發(fā)量(Φ20cm蒸發(fā)皿)2000 mm以上；冬季有20—30 cm的穩(wěn)定積雪覆蓋, 雪融水以垂直入滲為主[15], 無(wú)地表徑流形成。由于降水季節(jié)分配較均勻以及春季雪融水的存在, 沙漠內(nèi)植物具有多樣性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)[16]。研究區(qū)發(fā)育有良好的BSCs, 蓋度達(dá)到41.34%[17], 有藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚類結(jié)皮等3種類型的結(jié)皮存在。研究區(qū)具有以呈西北—東南走向樹(shù)枝狀沙壟為主的地貌格局, 土壤為風(fēng)沙土, 壟頂有寬約1 m的流動(dòng)沙帶, 結(jié)構(gòu)性差, 壟間沙土結(jié)構(gòu)性較好, BSCs多分布于壟間[11]。實(shí)驗(yàn)樣地位于古爾班通古特沙漠南緣的中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠生態(tài)站北沙窩試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi), 地理坐標(biāo)44°23′ N, 87°55′ E。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

選取人為擾動(dòng)少、不同類型BSCs均發(fā)育良好的丘間低地作為樣地, 共3塊, 每塊樣地的面積為25 m2(5 m × 5 m), 在樣地內(nèi)按S型分別布設(shè)3個(gè)樣方進(jìn)行土壤容重、含水量、厚度、孔隙度等指標(biāo)的調(diào)查計(jì)算, 結(jié)果如表1。

表1 不同類型BSCs覆蓋下風(fēng)沙土物理性狀及持水性能

文中數(shù)據(jù)均采自于沙土表層(0—5cm)

選擇各樣地內(nèi)BSCs分布最具優(yōu)勢(shì)、覆蓋最完全的位置取樣, 樣品為包含BSCs均勻覆蓋的原狀風(fēng)沙土土柱, 在同一地點(diǎn)取裸沙(CK)樣品作為對(duì)照。取樣前用噴壺噴水濕潤(rùn)地表, 可防止結(jié)皮層在取樣時(shí)破裂, 待水滲入表層土壤后, 將高(h)為25 cm, 內(nèi)徑(r)為6.3 cm的有機(jī)玻璃管垂向砸入土壤中, 之后剝離周邊土壤, 在底部橫切放置鐵板后, 取出包含原狀土樣的樣品。樣品取回在室內(nèi)擱置48 h, 自然干燥后的土柱樣品可以供室內(nèi)入滲模擬實(shí)驗(yàn)使用。3種類型結(jié)皮和裸沙土各重復(fù)取樣4次, 共計(jì)16個(gè)樣品。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M入滲過(guò)程。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前, 用紗布將有機(jī)玻璃管及其底部鐵片一同包裹, 水平放置于鐵架臺(tái)上, 在土柱表面放置濾紙。由于砂質(zhì)土壤入滲率較大, 馬氏瓶恒定供水方法供水不便, 因此采用人工供水方法供水。土壤表面刻度作為零, 土柱兩側(cè)垂向貼附紙尺, 記錄濕潤(rùn)鋒到達(dá)不同深度的時(shí)間；土柱下放置漏斗和燒杯, 收集穿透土柱的滲漏水分。實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院阜康荒漠試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制水頭高度在2 cm, 隨時(shí)加水, 用量筒測(cè)量每一時(shí)間段內(nèi)所加水量。前20 min內(nèi)每隔1 min測(cè)1次所加水量, 之后每隔5 min測(cè)1次；同時(shí), 記錄柱體兩側(cè)濕潤(rùn)鋒到達(dá)不同深度的時(shí)間。每次模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行90 min(所有處理在此時(shí)段內(nèi)均達(dá)穩(wěn)滲)。為消除實(shí)驗(yàn)時(shí)水溫差異帶來(lái)的影響, 用溫度計(jì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)段水層溫度, 將測(cè)得的入滲速率Kθ按照式(1)進(jìn)行統(tǒng)一換算為10℃時(shí)入滲速率K：

(1)

式中,θ為滲透測(cè)定時(shí)的水溫(℃),Kθ為水溫為θ時(shí)的滲透速率(mm/min)。

2.3 測(cè)定及計(jì)算內(nèi)容

初滲速率(mm/min) 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后第1分鐘添加水量。

穩(wěn)滲速率(mm/min) 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后, 前20 min每隔1 min測(cè)量1次添加水量, 后每隔5 min測(cè)量1次, 當(dāng)前后供水量恒定或相差不大時(shí)視為入滲過(guò)程達(dá)到穩(wěn)滲階段, 并通過(guò)加水量與間隔時(shí)間算出穩(wěn)滲速率, 達(dá)到穩(wěn)滲階段所需時(shí)間為穩(wěn)滲時(shí)間。

濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程 記錄濕潤(rùn)鋒到達(dá)不同深度的時(shí)間。

滲漏時(shí)間 各處理自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始至底部出現(xiàn)滲漏水的時(shí)間。

1 h累積入滲量 自實(shí)驗(yàn)開(kāi)始1 h內(nèi)的累積加水量。

2.4 入滲過(guò)程模擬

國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出了多種描述水分入滲過(guò)程的數(shù)學(xué)模型, 按模型中參數(shù)是否具有物理意義將其區(qū)分為兩類：一類是參數(shù)不具備實(shí)際物理意義的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鏚ostiakov模型, 另一類是物理模型如Horton入滲模型和Philip入滲模型等[18]。本研究選用以上3種入滲模型, 利用統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行擬合, 探討其對(duì)本實(shí)驗(yàn)不同類型BSCs覆蓋下土壤入滲過(guò)程的實(shí)用性。

Kostiakov 模型：

I(t)=at-n

(2)

Horton模型：

I(t)=If+(Ii-If)e-t/c

(3)

Philip 模型：

I(t)=a+bt-0.5

(4)

式中,I(t)為入滲率(mm/min)；t為入滲時(shí)間(min)；Ii為初始入滲率(mm/min);If為穩(wěn)定入滲率(mm/min)a、b、c、n為模型參數(shù)。

采用SPSS 18.0進(jìn)行方差分析, 采用Origin 8.5進(jìn)行圖形制作與模型擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型BSCs覆蓋下風(fēng)沙土壤入滲過(guò)程

3種類型BSCs入滲過(guò)程見(jiàn)圖1(圖中y軸為“入滲速率”的對(duì)數(shù)形式, 其反映的規(guī)律不變)。從圖中可以看出, 各處理土壤水分入滲曲線均是雙曲線形式, 并且具有相近的變化趨勢(shì)。

圖1 3種類型BSCs覆蓋下風(fēng)沙土入滲過(guò)程對(duì)數(shù)曲線Fig.1 Logistic curve of sandy soil infiltration process under threedifferent biological soil crusts

在入滲過(guò)程的初始階段是水分滲潤(rùn)階段, 入滲過(guò)程主要在分子力的作用下進(jìn)行, 此時(shí)的土壤水分入滲速率稱為初滲速率。由表2可知, 不同類型BSCs覆蓋均顯著降低了初滲速率, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%。BSCs層持水性能較強(qiáng)[8], 導(dǎo)致了其表層土壤初始含水率比CK組高(表1), 而初滲速率隨土壤初始含水率的增加而降低[19], 因而各類型BSCs均降低了初滲速率。

在入滲的第二階段——滲漏階段, 此時(shí)水分主要在毛細(xì)管力和重力作用下逐步填充土壤空隙。由圖1可知, 在滲漏階段中某一時(shí)段(圖中入滲曲線交叉部分)內(nèi), 各類型BSCs覆蓋下沙土入滲速率均大于CK對(duì)照組, 這是因?yàn)闆](méi)有BSCs覆蓋的沙土的入滲性能強(qiáng)于BSCs覆蓋下的沙土, CK對(duì)照組入滲速率衰減速度更快, 較早的降低到了比較低的水平(1.49—1.80mm/min)。

當(dāng)土壤空隙被水分充滿達(dá)到飽和后, 入滲過(guò)程便進(jìn)入到第三階段——滲透階段, 到達(dá)這一階段的時(shí)間稱為穩(wěn)滲時(shí)間。此階段中, 入滲速率穩(wěn)定在一個(gè)比較固定的水平上, 即穩(wěn)滲速率。由表2可見(jiàn), 與CK組相比, 地衣結(jié)皮和藻結(jié)皮均顯著(P<0.05)降低了穩(wěn)滲速率, 降幅依次為33.98%和35.92%, 蘚類結(jié)皮也明顯降低穩(wěn)滲速率, 降幅為16.50%。穩(wěn)滲速率降低的可能原因：不同類型BSCs層在形成過(guò)程中均使沙土表層孔隙不同程度的被細(xì)粒物質(zhì)填充, 從而減少了沙土中非毛管孔隙度(表1), 相對(duì)于CK裸沙來(lái)說(shuō), 其表層土壤結(jié)皮相當(dāng)于一個(gè)堵塞層, 從而降低了土壤入滲能力；而地衣結(jié)皮的殼狀覆蓋與藻結(jié)皮致密的結(jié)構(gòu)使其具有封閉的特征[12], 使這兩類結(jié)皮覆蓋的沙土穩(wěn)滲速率減小程度更大。

表2 不同類型BSCs覆蓋下沙土入滲過(guò)程相關(guān)參數(shù)

*號(hào)代表與CK組差異顯著

3.2 不同類型BSCs對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程的影響

圖2 不同類型BSCs覆蓋下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程 Fig.2 The migration process of wetting front under three different biological soil crusts

濕潤(rùn)鋒的位置和運(yùn)移速率是反映水分垂向運(yùn)動(dòng)的特征之一[20]。圖2是濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間變化過(guò)程線, 不同處理下, 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì), 即隨著入滲深度的增加, 濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程線逐漸平緩, 運(yùn)移速率呈先快后慢的規(guī)律。在不同入滲階段, 各處理下濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率均不相同, CK組濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率明顯高于有BSCs覆蓋的情況, 從各處理滲漏時(shí)間(表2)可看出類似規(guī)律, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮的滲漏時(shí)間分別為CK組的2.13、3.04和2.98倍。以上BSCs的性質(zhì)可能對(duì)本地降水的有效轉(zhuǎn)化產(chǎn)生深刻的影響：在干旱荒漠區(qū), 次降水中, 若水分不能及時(shí)滲入深層區(qū)域, 處在表層沙土的水分很快會(huì)被蒸發(fā)損失掉, 從而降低降水有效性。

圖3 3種類型BSCs 1h累積入滲量降低率 Fig.3 The reduction rate of one hour cumulative-infiltration underdifferent biological soil crusts

BSCs對(duì)濕潤(rùn)鋒運(yùn)移過(guò)程的影響主要是通過(guò)其較高持水性實(shí)現(xiàn)。在形成過(guò)程中, BSCs通過(guò)菌絲和假根網(wǎng)羅或粘結(jié)沙粒, 并借此形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體, 從而增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量, 提高了土壤持水性[21], 將更多入滲水分儲(chǔ)存于表面結(jié)皮層；部分藻類還可在細(xì)胞外分泌粘性物[22], 阻塞一些基質(zhì)孔, 從而阻止入滲, 以上BSCs的水文物理特性會(huì)延緩水分下滲過(guò)程, 最終影響了濕潤(rùn)鋒在土柱中的運(yùn)移。而蘚類結(jié)皮與地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮之間滲漏時(shí)間存有區(qū)別的原因可能在于其表面結(jié)構(gòu)：蘚類結(jié)皮表層為單株蘚類植物體密集叢生為主[12], 其株間間隙為水流進(jìn)入下層土壤提供了良好通道。同時(shí), 蘚類結(jié)皮遇水會(huì)發(fā)生膨脹, 可進(jìn)一步加大株間間隙, 而地衣結(jié)皮與藻結(jié)皮表層均比較致密, 阻礙了水分進(jìn)入土體。

3.3 不同類型BSCs對(duì)土壤累積入滲量的影響

累積入滲量隨入滲過(guò)程逐漸增加。由表2可知, 3種類型BSCs覆蓋下土壤1 h累積入滲量均顯著(P<0.05)小于CK組。如圖3, 3種類型BSCs減滲的程度不一, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮的1 h累積入滲量分別比CK組減少16.10%、28.56%和26.56%。地衣結(jié)皮與藻結(jié)皮減滲作用更顯著的可能原因：相對(duì)于蘚類結(jié)皮, 地衣結(jié)皮與藻結(jié)皮的表層結(jié)構(gòu)更封閉, 結(jié)皮層越封閉, 減滲作用更加明顯。同時(shí), BSCs對(duì)土壤累積入滲量的影響與其對(duì)穩(wěn)滲速率影響規(guī)律一致, 這也說(shuō)明累積入滲量主要受穩(wěn)滲速率的影響, 受初滲速率影響較弱。

3.4 不同類型BSCs覆蓋下風(fēng)沙土入滲過(guò)程模擬

本研究選用3種經(jīng)典的入滲模型, 用Origin 8.5軟件進(jìn)行擬合, 探討其對(duì)本實(shí)驗(yàn)中不同類型BSCs覆蓋下土壤入滲過(guò)程的實(shí)用性, 結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn), 在本實(shí)驗(yàn)條件下, 使用Kostiakov方程對(duì)不同處理下土壤入滲過(guò)程擬合結(jié)果顯示, 參數(shù)a值在7.14—15.16之間,a值越大, 入滲曲線的斜率越大, 瞬時(shí)入滲率衰減越快, 其衰減快慢順序：CK>蘚類結(jié)皮>地衣結(jié)皮>藻結(jié)皮, 這與圖1顯示結(jié)果一致；而參數(shù)b沒(méi)有實(shí)際物理意義, 其變化范圍在0.639—0.933之間。Horton模型參數(shù)c值在2.823—3.734之間, 最大值出現(xiàn)在藻結(jié)皮, 最小值在地衣結(jié)皮, 反映了入滲速率遞減情況。Philip模型中A為穩(wěn)滲速率, 將各處理A值帶入求得參數(shù)b,b值在3.95—6.81之間, 它在一定程度上反映了初始入滲率的大小, 即蘚類結(jié)皮覆蓋下土壤初滲速率大, 而地衣結(jié)皮及藻結(jié)皮覆蓋下初滲速率小。

表3 不同類型BSCs覆蓋下沙土入滲模擬方程

對(duì)入滲過(guò)程的擬合效果可以用回歸方程的決定系數(shù)R2表示, 其值越大, 擬合效果越好。由表4可以看出, Kostiakov 模型對(duì)本實(shí)驗(yàn)不同處理入滲過(guò)程的模擬效果都較好,R2都在0.85以上。對(duì)于Kostiakov模型, 當(dāng)t→∞時(shí)I(t) →0僅在水平吸滲時(shí)出現(xiàn), 但此實(shí)驗(yàn)中時(shí)間t是有限的, 因此Kostiakov 模型可以用來(lái)模擬本實(shí)驗(yàn)入滲過(guò)程。Horton模型對(duì)4種處理的擬合效果也較好, 除地衣結(jié)皮(R2=0.74)處理外, 其余處理R2在0.81以上。Horton雖是純經(jīng)驗(yàn)公式, 但能描述長(zhǎng)時(shí)間的入滲特征, 且模型參數(shù)具有物理意義, 是描述本研究入滲過(guò)程的較好模型。Philip模型是在半無(wú)限均質(zhì)土壤并有積水條件下求得, 只適用于均質(zhì)土壤一維入滲, 不適用于BSCs覆蓋下的非均質(zhì)土壤, 因此對(duì)本實(shí)驗(yàn)入滲過(guò)程的模擬效果較差。

由以上分析可知, 在本實(shí)驗(yàn)條件下, Kostiakov模型最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過(guò)程, Horton 模型次之。此外, 結(jié)皮覆蓋下的二元結(jié)構(gòu)土壤, 其入滲過(guò)程與結(jié)皮發(fā)育程度、土壤理化性質(zhì)等關(guān)聯(lián), 本實(shí)驗(yàn)所得擬合方程及其系數(shù)能否具有通用性還有待檢驗(yàn)和討論。

4 結(jié)論

(1)不同類型BSCs均阻礙了風(fēng)沙土水分入滲, 但阻礙程度差別較大。3種類型BSCs均顯著降低了風(fēng)沙土初滲速率, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮覆蓋下初滲速率降低幅度依次為36.10%、46.42%、50.39%、同時(shí), 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮(P<0.05)、藻結(jié)皮(P<0.05)均明顯降低了風(fēng)沙土穩(wěn)滲速率, 穩(wěn)滲速率降低幅度依次為16.50%、33.98%和35.92%。

(2)本研究中, 不同類型BSCs均限制了濕潤(rùn)鋒在風(fēng)沙土的推進(jìn)過(guò)程, CK組濕潤(rùn)鋒平均運(yùn)移速率明顯高于有BSCs覆蓋的情況, 表現(xiàn)為：蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮的滲漏時(shí)間分別為CK組的2.13、3.04和2.98倍。

(3)不同類型BSCs均顯著減小了1 h累積入滲量。與無(wú)結(jié)皮對(duì)照相比, 蘚類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、藻結(jié)皮1 h累積入滲量分別降低16.10%、28.56%和26.56%；地衣結(jié)皮與藻結(jié)皮減滲作用相仿, 大于蘚類結(jié)皮的減滲作用。

(4)本實(shí)驗(yàn)條件下, Kostiakov最適用于模擬不同類型BSCs覆蓋下土壤水分入滲過(guò)程；Horton模型模擬效果也較好；Philip模型并不適用于模擬本實(shí)驗(yàn)水分入滲過(guò)程。

[1] 趙文智, 程國(guó)棟. 干旱區(qū)生態(tài)水文過(guò)程研究若干問(wèn)題評(píng)述. 科學(xué)通報(bào), 2001, 46(22): 1851-1857.

[2] 王新平, 李新榮, 康爾泗, 張景光, 周海燕, 楊詩(shī)秀, 雷志棟. 騰格里沙漠東南緣人工植被區(qū)降水入滲與再分配規(guī)律研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2003, 23(6): 1234-1241.

[3] 李新榮, 張?jiān)? 趙允格. 生物土壤結(jié)皮研究:進(jìn)展、前沿與展望. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2009, 24(1): 11-24.

[4] Bowker M A, Maestre F T, Escolar C. Biological crusts as a model system for examining the biodiversity-ecosystem function relationship in soils. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(3): 405-417.

[5] Zhang Y M. The microstructure and formation of biological soil crusts in their early developmental stage. Chinese Science Bulletin, 2005, 50(2): 117-121.

[6] Fischer T, Yair A, Veste M. Infiltration, water holding capacity and growth patterns of biological soil crusts on sand dunes under arid and temperate climates. Vienna:Egu General Assembly, 2012, 14: 5034.

[7] 李守中, 肖洪浪, 宋耀選, 李金貴, 劉立超. 騰格里沙漠人工固沙植被區(qū)生物土壤結(jié)皮對(duì)降水的攔截作用. 中國(guó)沙漠, 2002, 22(6): 612-616.

[8] Xiao B, Wang Q H, Zhao Y G, Shao M A. Artificial culture of biological soil crusts and its effects on overland flow and infiltration under simulated rainfall. Applied soil ecology, 2011, 48(1): 11-17.

[9] Wang X P, Li X R, Xiao H L, Berndtsson R, Pan Y X. Effects of surface characteristics on infiltration patterns in an arid shrub desert. Hydrological Processes, 2007, 21(1): 72-79.

[10] 徐敬華, 王國(guó)梁, 陳云明, 盧建利. 黃土丘陵區(qū)退耕地土壤水分入滲特征及影響因素. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2008, 6(2): 19-25.

[11] 張?jiān)? 陳晉, 王雪芹, 潘惠霞, 辜智慧, 潘伯榮. 古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮的分布特征. 地理學(xué)報(bào), 2005, 60(1): 53-60.

[12] 張?jiān)? 王雪芹. 荒漠地表生物土壤結(jié)皮形成與演替特征概述. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(16): 4484-4492.

[13] 李衛(wèi)紅, 任天瑞, 周智彬, 劉加珍. 新疆古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮的土壤理化性質(zhì)分析. 冰川凍土, 2005, 27(4): 619-626.

[14] 王雪芹, 張?jiān)? 張偉民, 韓致文. 古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮對(duì)地表風(fēng)蝕作用影響的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn). 冰川凍土, 2004, 26(5): 632-638.

[15] 周宏飛, 李彥, 湯英, 周寶佳, 徐宏偉. 古爾班通古特沙漠的積雪及雪融水儲(chǔ)存特征. 干旱區(qū)研究, 2009, 26(3): 312-317.

[16] 張立運(yùn), 陳昌篤. 論古爾班通古特沙漠植物多樣性的一般特點(diǎn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22(11): 1923-1932.

[17] 吳林, 張?jiān)? 以數(shù)碼照相法估算生物土壤結(jié)皮蓋度. 中國(guó)沙漠, 2013, 33(6): 1810-1815.

[18] Dashtaki S G, Homaee M, Mahdian M H, Kouchakzadeh M. Site-Dependence performance of infiltration models. Water Resources Management, 2009, 23(13):2777-2790

[19] 劉目興, 聶艷, 于婧. 不同初始含水率下粘質(zhì)土壤的入滲過(guò)程. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 871-878.

[20] 陳洪松, 邵明安, 王克林. 土壤初始含水率對(duì)坡面降雨入滲及土壤水分再分布的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(1): 44-47.

[21] 曹成有, 蔣德明, 全貴靜, 耿莉, 崔振波, 駱永明. 科爾沁沙地小葉錦雞兒人工固沙區(qū)土壤理化性質(zhì)的變化. 水土保持學(xué)報(bào), 2004, 18(6): 108-111.

[22] 李守中, 肖洪浪, 李新榮, 宋耀選, 劉立超. 干旱、半干旱地區(qū)微生物結(jié)皮土壤水文學(xué)的研究進(jìn)展. 中國(guó)沙漠, 2004, 24(4): 500-506.

Characteristic and numerical simulation of sandy soil infiltration under the different types of biological soil crusts

LIU Xiang1, 2, ZHOU Hongfei1, 3, *, LIU Hao1, 2, ZHU Hai1, 2

1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China 2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3FukangStationofDesertEcology,ChineseAcademyofSciences,Fukang831505,China

In arid areas, soil water condition is the key factor for the desert ecosystem. An important part of the hydrologic cycle, infiltration is the only way for precipitation and surface water transfer to soil water. Soil water infiltration capacity profoundly affects the redistribution of precipitation, and is of crucial importance for the storage and utilization of precipitation. The Gurbanttunggut Desert is the largest fixed and semi-fixed desert in China. It is covered by well-developed biological soil crusts(mosses, lichens, alage, fungi, cyanobacteria and bacteria). In recent years, a number of studies have focused on the influence of biological soil crusts on the process of soil infiltration, but areas of uncertainty remain in the process. In this study, three typical types of biological soil crusts (moss, lichen and algal crusts) in the Gurbantunggut Desert were selected and an indoor soil column was used to simulate experiments to examine the effect of biological soil crusts on the process of soil infiltration, including changes in the infiltration rate, wetting front movement and cumulative water infiltration. The results indicated that the effect of biological soil crusts on soil water infiltration was significant. Firstly, all three types of biological soil crusts decreased the initial infiltration rate significantly, but they differed in the degree of the reduction. The moss crusts, lichen crusts and algal crusts decreased the initial infiltration rates by 36.10%,46.42% and 50.39% respectively. The moss, lichen(P<0.05)and algal crusts(P<0.05) also can decreased the stable infiltration rate by 16.50%,33.98% and 35.92% respectively. Secondly, movement of wetting front was slower in soils covered with these three types of biological soil crusts than in bare soil. The leakage time of soil under moss, lichen and algal crusts were respectively 2.13, 3.04, and 2.98 times that of bare soil. Thirdly, all three types of biological soil crusts reduced the cumulative infiltration volume. Relative to the bare soil, the reduction rates of moss, lichen and algal crusts are 16.10%,28.56% and 26.56% respectively. In simulated laboratory experiments, three typical models were used to simulate the water infiltration process in soils. The result showed that: In this experimental situation, the Kostiakov equation is most applicable to describe the infiltration processes of sandy soil covered by the three types of biological soil crusts. although the Horton equationwas the next best option.

biological soil crusts; desert region; sandy soil; water infiltration; wetting front

國(guó)土資源部公益行業(yè)科研專項(xiàng)(201511047-2)

2015-07-21;

2016-04-21

10.5846/stxb201507211531

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouhf@ms.xjb.ac.cn

劉翔, 周宏飛, 劉昊, 朱海.不同類型生物土壤結(jié)皮覆蓋下風(fēng)沙土的入滲特征及模擬.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5820-5826.

Liu X, Zhou H F, Liu H, Zhu H.Characteristic and numerical simulation of sandy soil infiltration under the different types of biological soil crusts.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5820-5826.