红壤丘陵区不同盖度生物结皮对水分入渗的影响.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 3 资助项目:国家自然科学基金项目(4 2 0 7 7 0 6 6)第一作者:李雨晨(1 9 9 5),男,在读硕士研究生,主要从事水土保持与生态恢复研究。E-m a i l:6 2 5 2 5 0 3 0 1q q.c o m 通信作者:郭忠录(1 9 8 0),男,教授,博士生导师,主要从事土壤侵蚀退化与土壤质量研究。E-m a i l:z l g u o h z a u1 6 3.c o m红壤丘陵区不同盖度生物结皮对水分入渗的影响李雨晨,平 原,澹腾辉,张航宇,郭忠录(华中农业大学水土保持研究中心,武汉4 3 0 0 7 0)摘要:为探究不同盖度生物结皮对入渗特征的影响,在红壤丘陵区咸宁选取第四纪黏土发育土壤(S型)和泥质页岩发育土壤(N型)上的生物结皮,设计6个盖度水平(裸地,1%2 0%,2 0%4 0%,4 0%6 0%,6 0%8 0%,8 0%1 0 0%),使用微型圆盘入渗仪(m i n id i s k)测定土壤入渗过程,探究入渗过程的影响因素,同时采用3种常见的入渗模型对入渗过程进行拟合,并评价模型适用性。结果表明:(1)相对于裸地,生物结皮发育提高土壤有机质和黏粒含量,增加结皮厚度和生物量,降低砂粒含量。(2)第四纪黏土发育土壤水分入渗特征随生物结皮盖度的增加而逐渐降低,初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率、非饱和导水率的变化范围分别为0.2 51.5 5,0.1 30.9 1,0.1 71.1 1,2.0 48.4 8mm/m i n。泥质页岩发育土壤除4 0%6 0%盖度砾石含量较高,土壤水分入渗也随盖度的增加而逐渐减小,8 0%1 0 0%盖度的初始、平均和稳定入渗率较裸地分别降低9 1.1 4%,8 7.6 4%和9 1.3 0%,生物结皮的存在阻碍土壤水分入渗。冗余分析表明,对于第四纪黏土发育土壤,生物量(5 4.3 0%)对其入渗特征的解释度最高,泥质页岩发育土壤则为盖度(3 9.3 0%)和砾石含量(3 4.0 0%)。(3)H o r t o n模型、K o s t i a k o v模型、P h i l i p模型3种主流入渗模型中H o r t o n模型拟合效果最优。研究结果可为揭示湿润区生物结皮水分运移规律提供科学参考。关键词:生物结皮;土壤水分入渗;冗余分析;红壤丘陵区;入渗模型中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 7 1-0 7D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 9E f f e c t so fB i o c r u s tw i t hD i f f e r e n tC o v e r a g eo nW a t e rI n f i l t r a t i o ni nR e dS o i lH i l l yR e g i o nL IY u c h e n,P I NGY u a n,T ANT e n g h u i,Z HANG H a n g y u,GUOZ h o n g l u(R e s e a r c hC e n t r eo fW a t e ra n dS o i lC o n s e r v a t i o n,H u a z h o n gA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,W u h a n4 3 0 0 7 0)A b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h e i n f l u e n c eo f b i o c r u s tw i t hd i f f e r e n t c o v e r a g eo n i n f i l t r a t i o np r o c e s s,b i o c r u s tf r o mq u a t e r n a r yc l a yd e v e l o p e dr e ds o i l(St y p e)a n da r g i l l a c e o u s s h a l ed e v e l o p e ds o i l(Nt y p e)w e r e s e l e c t e di nt h er e ds o i lh i l l ya r e ao fX i a n n i n g.A n ds i xc o v e r a g el e v e l s(b a r el a n d,1%2 0%,2 0%4 0%,4 0%6 0%,6 0%8 0%a n d8 0%1 0 0%)w e r es e t.T h eM i n id i s ki n f i l t r a t i o ni n s t r u m e n tw a su s e dt od e t e r m i n et h es o i l i n f i l t r a t i o np r o c e s s a n de x p l o r e t h e f a c t o r s a f f e c t e d t h e i n f i l t r a t i o np r o c e s s,m e a n w h i l e t h r e e c o mm o nm o d e l sw e r eu s e dt os i m u l a t et h ei n f i l t r a t i o np r o c e s sa n dt h es u i t a b i l i t yo ft h em o d e lw e r ec o m p a r e d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)C o m p a r e dw i t hb a r es o i l,t h ed e v e l o p m e n to f t w ot y p e so fb i o c r u s t i n c r e a s e ds o i lo r g a n i cc a r b o n,c l a yc o n t e n t,c r u s tt h i c k n e s sa n db i o m a s s,w h i l ed e c r e a s e ds a n dc o n t e n t.(2)T h ew a t e ri n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fS-t y p es o i ld e c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fb i o c r u s tc o v e r a g e.T h ei n i t i a l i n f i l t r a t i o nr a t e,s t a b l ei n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g ei n f i l t r a t i o nr a t ea n du n s a t u r a t e dw a t e rc o n d u c t i v i t yv a r i e df r o m0.2 5t o1.5 5,0.1 3t o0.9 1,0.1 7t o1.1 1a n d2.0 4t o8.4 8mm/m i n,r e s p e c t i v e l y.I nN-t y p es o i l,t h es o i lw a t e ri n f i l t r a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o v e r a g ee x c e p tf o r4 0%t o6 0%(h i g hg r a v e lc o n t e n t).T h e i n i t i a l i n f i l t r a t i o nr a t e,a v e r a g ei n f i l t r a t i o nr a t ea n ds t a b l ei n f i l t r a t i o nr a t eo f8 0%t o1 0 0%c o v e r a g ed e c r e a s e db y9 1.1 4%,8 7.6 4%a n d9 1.3 0%,r e s p e c t i v e l y,c o m p a r e d w i t ht h eb a r es o i l.T h ep r e s e n c eo fb i o c r u s ti m p e d e dt h es o i lw a t e ri n f i l t r a t i o n.T h eR D Aa n a l y s i ss h o w e dt h a tf o rS-t y p es o i l,b i o m a s s(5 4.3 0%)h a dt h eh i g h e s t i n t e r p r e t a t i o nf o ri t si n f i l t r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s,w h i l ef o rN-t y p es o i l,t h e yw e r ec o v e r a g e(3 9.3 0%)a n dg r a v e lc o n t e n t(3 4.0 0%).(3)Am o n gt h et h r e em a i n s t r e a mi n f i l t r a t i o nm o d e l s,H o r t o nm o d e l,K o s t i a k o vm o d e la n dP h i l i pm o d e l,H o r t o nm o d e lh a dt h eb e s tf i t t i n ge f f e c t.T h er e s u l t sc o u l dp r o v i d e au s e f u l r e f e r e n c e f o r t h e s t u d yo fw a t e r t r a n s p o r t l a wo f b i o l o g i c a l c r u s t s i nh u m i da r e a s.K e y w o r d s:b i o l o g i c a l c r u s t;s o i lw a t e r i n f i l t r a t i o n;R D Aa n a l y s i s;r e ds o i lh i l l yr e g i o n;i n f i l t r a t i o nm o d e l 生物结皮(又称生物土壤结皮,b i o l o g i c a ls o i lc r u s t,B S C),是由隐花植物如蓝藻、地衣、苔藓、土壤微生物及其次生代谢物等与土壤颗粒胶结而成的地表覆被物1。生物结皮广泛分布于各类气候区,作为近地表的重要组成部分,生物结皮对坡面流域水分运动与循环2-3、土壤理化性质4-5、土壤侵蚀6-7等都有重要影响。生物结皮对极端温度和高强度紫外线有较高的耐受性,在极端环境下能够更好地生存,可以促进区域生态环境恢复8。土壤入渗作为水文循环的重要组成部分,是将地表水转化土壤水的唯一途径,土壤入渗性能影响土壤水分循环与降雨的再分配,并与土壤性质、地表覆盖、植被根系等密切相关。已有研究9表明,生物结皮可以通过改变表层土壤理化性质及地表生态环境等影响土壤水文过程。但是受研究区域、气候条件、土壤性质及试验方法等影响,目前对于二者的关系并没有统一定论,仍存在一些矛盾的结果。一方面,有学者1 0认为,生物结皮可以通过假根及菌丝体的锚固结构增加土壤大孔通道,促进土壤水分入渗;同时,发育良好的生物结皮具有较高的表面粗糙度,可以延长雨水在地表的停留时间,增加水分入渗1 1。另一方面,结皮土壤本身具有斥水特征,削弱土壤对水分的吸附能力,降低土壤水分入渗1 2。此外,W a n g等1 3研究发现,生物结皮对降雨入渗的响应有显著差异,在大雨强下有无生物结皮对水分入渗无显著影响。可见,关于生物结皮对水分入渗的影响是促进还是阻碍,相关研究结论并不统一。因此,定量化描述不同区域生物结皮对土壤入渗的影响仍然十分关键。目前国内关于生物结皮对土壤水分入渗的影响主要集中在干旱和半干旱地区,湿润区有关生物结皮的研究相对较少。受降雨情况及土壤性质等因素影响,不同气候区生物结皮的组成及生态功能差异较大,生物结皮发育演替表现出区域异质性,其他区域的研究成果推演到湿润区显然是不合适的。南方红壤丘陵区,受立地条件及人为干扰的影响,部分地区植被生长不良,林下郁闭度低,加之侵蚀性降雨集中,林下水土流失严重1 4。生物结皮的存在能够增强地表稳定性,特别是在土地退化和植被匮乏的区域,生物结皮是影响水分入渗及土壤侵蚀的关键因子1 5。本研究以亚热带气候盛行的南方红壤丘陵区为对象,探究不同发育程度下生物结皮对土壤入渗的影响,分析影响土壤入渗的驱动因子,为揭示湿润区生物结皮水分运移规律提供理论依据,并为区域水土流失防治提供科学支持。1 研究区概况贺胜桥镇(1 1 4 2 1 3 5 E,3 0 0 1 4 5 N)位于武汉市与咸宁市的交界处,地处江汉平原边缘,多丘陵,海拔4 4.3m。气候类型属于亚热带季风气候,多年平均气温为1 6.8,多年平均降水量为15 7 7.4m m,且多集中在36月,多年平均蒸发量为14 5 5m m。土壤多为棕红壤,土地利用类型多样,以种植经济林和水稻为主。植被类型多为次生混交林,受水热条件影响,该地区生物结皮广泛发育,尤其是在林下区域,且多以藓结皮为优势种。2 材料与方法2.1 土样采集与样品测定在前期野外调查的基础上,选择该区域的2种典型土壤类型(第四纪黏土和泥质页岩发育的红壤,以下简称为红壤S型和红壤N型),选择5个结皮盖度(1%2 0%,2 0%4 0%,4 0%6 0%,6 0%8 0%,8 0%1 0 0%)的藓结皮样地,并以附近无结皮发育的裸地作为对照,结皮盖度采用网格法确定。综合考虑地形、植被等因素,保证这些条件基本一致的前提下,对上述1 2种处理采用微型圆盘入渗仪(高,3 2.7c m;直径,4.5c m)进行野外原位入渗试验,入渗试验前先去除样点表面的枯落物等杂物,水平放置仪器。设置虹吸速度为2c m,每隔3 0s记录1次水位变化数据,为了准确测出土壤导水率,需要保证至少1 5 2 0m L的水量入渗至土壤中,整个入渗过程持续约1 0m i n。计算出初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率和非饱和导水率作为入渗指标1 6,每个处理进行3次重复,共进行3 6次入渗试验,最后取平均值。同时使用环刀采集02c m的结皮层土壤,测量结皮容重及砾石含量(2mm);采集结皮层样品测量土壤的基本理化性质,包括使用吸管法测定土壤机械组成,重铬酸钾外加热法测定土壤有机质,电位法(水土比为2.51)测定土壤p H,游标卡尺测定生物结皮厚度,干燥法测定苔藓生物量。2.2 土壤水分入渗模型选取对生物结皮覆盖土壤入渗过程进行定量描述及拟合模型至今未得到统一,因地表覆盖、土壤类型、气候条件等存在差异,不同研究区域选取的拟合模型也不尽相同,而合适的土壤入渗模型是研究区域水文过程重要手段。因此,本研究选取3种主流入渗模型分别对生物结皮覆盖土壤水分入渗过程进行模拟,并对3种模型的拟合结果和模型的适用性行评价。K o s t i a k o v模型的拟合公式:I(t)=a t-b(1)式中:I(t)为 入 渗 率(mm/m i n);t为 入 渗 时 间27水土保持学报 第3 7卷(m i n);a、b为模型参数。H o r t o n模型的拟合公式:I(t)=If+(Ii-If)e-k t(2)式中:Ii为初始入渗率(mm/m i n);If为稳定入渗率(mm/m i n);k为模型参数。P h i l i p模型的拟合公式;I(t)=A+0.5S t-0.5(3)式中:A为稳定入渗率(mm/m i n);S为模型参数。2.3 数据处理使用S P S S2 4.0软件进行数据分析,采用M a t-l a b 2 0 2 0 b软件拟合土壤入渗过程,C a n o c o5.0软件进行冗余分析(R D A),采用O r i g i n2 0 2 1 b软件绘图。3 结果与分析3.1 生物结皮发育对土壤性质的影响红壤(N型)生物结皮厚度为1 3.0 61 6.8 8mm,且随着盖度的增加而显著增加(表1);苔藓生物量、有机质、黏粒含量也表现出同样的趋势。苔藓生物量高盖度(8 0%1 0 0%)相对于低盖度(1%2 0%)增加约3 6.8 3%,8 0%1 0 0%生物结皮盖度土壤黏粒含量相对于裸地增加约4.6 9%。方差分析表明,6 0%8 0%,8 0%1 0 0%生物结皮盖度的有机质含量显著高于其余低盖度。结皮容重和p H随着结皮盖度的增加无显著变化,砂粒含量随着盖度增加表现出相反的趋势。值得注意的是,在4 0%6 0%生物结皮盖度下的砾石含量显著高于其他盖度(p0.0 5)。红壤(S型)土壤的理化性质整体上与红壤(N型)土壤变化趋势一致,有机质、生物量、厚度和黏粒含量随盖度的增加而增大,结皮厚度为7.2 81 1.2 9mm。本研究中红壤(S型)砾石含量0.5%,未统计该数据。从2种不同的土壤类型来看,红壤(N型)土壤的结皮厚度、生物量和砂粒含量均高于红壤(S型),根据美国农业部土壤质地分类标准,红壤(S型)和红壤(N型)土壤均为粉质黏土。表1 不同盖度下2种母质发育土壤上的生物结皮特征及土壤性质土壤类型结皮盖度/%结皮容重/(gc m-2)有机质/(gk g-1)砂粒/%粉粒/%黏粒/%生物量/(gd m-2)结皮厚度/mm砾石含量/%p H第四纪黏土发育土壤01.2 90.0 1 a7.3 80.3 2 b4.4 50.2 1 a4 8.3 11.0 2 b4 7.2 40.8 7 c4.3 80.0 4 a12 01.1 90.0 3 a7.5 01.4 3 b4.8 10.5 7 a4 9.8 60.5 8 a4 5.3 40.2 9 d1.7 90.2 9 c7.2 80.8 2 c4.7 70.0 1 a2 04 01.1 90.1 a7.7 50.1 0 b4.4 00.3 6 a4 7.6 80.3 9 b c4 7.9 20.1 1 c2.5 00.6 3 b c8.8 70.3 9 b5.0 30.0 2 a4 06 01.2 50.0 3 a7.4 50.2 5 b4.1 20.5 5 a4 5.8 20.8 4 d5 0.0 70.3 9 b2.6 40.2 4 b c9.6 10.5 0 b4.8 70.1 6 a6 08 01.2 40.0 1 a9.8 40.1 5 a2.6 90.1 9 b4 6.2 00.8 0 c d5 1.1 10.7 2 b3.7 70.2 3 a b1 0.0 30.4 7 a b4.6 70.0 2 a8 01 0 01.2 60.0 4 a1 0.3 20.1 9 a2.4 80.1 0 b4 5.0 70.1 4 d5 2.4 50.1 3 a4.8 60.9 6 a1 1.2 90.9 3 a4.5 70.0 5 a泥质页岩发育土壤01.3 40.0 1 a5.6 80.2 2 e9.6 10.2 9 a4 9.5 70.3 2 b c4 0.8 20.2 7 c5.0 00.7 1 b6.1 70.1 6 a12 01.3 10.0 1 a7.3 40.1 1 d8.9 40.1 8 b4 9.2 70.1 4 b c4 1.8 00.3 3 c3.6 30.6 5 c1 2.8 00.2 5 b4.3 70.8 2 b5.5 20.2 6 a2 04 01.1 90.0 7 b9.4 10.6 0 c 16.9 40.1 5 c5 1.4 90.7 3 a4 1.5 80.8 8 c3.5 40.3 1 c1 3.1 60.6 7 b5.4 70.7 1 b6.1 20.1 1 a4 06 01.3 00.0 1 a1 0.1 40.1 9 b6.3 00.0 3 d5 1.9 40.1 5 a4 1.7 60.1 5 c5.9 90.5 8 b c1 3.7 70.8 3 a9.8 00.3 2 a6.2 70.0 5 a6 08 01.2 60.0 1 a b9.1 90.1 5 c6.3 30.0 2 d5 0.1 30.0 7 b4 3.5 40.0 6 b6.7 50.4 3 b1 5.6 30.9 5 a4.0 00.5 3 b5.7 90.1 6 a8 01 0 01.2 00.0 4 b1 2.0 80.1 6 a6.1 80.0 3 d4 8.3 11.0 1 c4 5.5 11.0 3 a9.1 50.2 9 a1 6.6 00.2 5 a4.0 00.8 2 b6.0 80.0 3 a 注:表中数据为平均值标准差;同列不同字母表示不同处理间差异显著(p0.0 5)。下同。3.2 不同生物结皮盖度对土壤入渗特征的影响不同土壤中生物结皮的发育均显著影响土壤水分入渗速率,入渗速率随着生物结皮盖度的增加而逐渐减小(图1),说明生物结皮的存在阻碍土壤水分的入渗。土壤水分入渗过程均表现为初期入渗速率较大,随着入渗时间的增加而入渗速率减小,最终逐渐趋于稳定阶段,整个入渗过程呈“L”形。由表2可以看出,对于红壤(S型)而言,较低盖度(6 0%)。稳定入渗率、平均入渗率和非饱和导水率虽然随着结皮盖度的增加逐渐降低,但未达到显著水平(p 0.0 5)。裸地的初始入渗率、稳定入渗率和平均入渗率分别为1.5 5,0.9 1,1.1 1,8.2 5mm/m i n,是8 0%1 0 0%生物结皮盖度的4.0 4 7.0 0倍。对于红壤(N型)而言,除4 0%6 0%生物结皮盖度,初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率均随着生物结皮盖度的增加而逐渐减小,且达到显著水平(p0.0 5)。非饱和导水率变化趋势相同,但未达到显著水平。裸地的入渗特性显著高于结皮覆盖土壤,初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和非饱和导水率分别为1.9 2,0.8 9,1.3 8,1 1.7 3mm/m i n,为8 0%1 0 0%生物结皮盖度的6.8 51 1.5倍。总体来看,研究区内2种不同母质发育土壤均表现出生物结皮发育阻碍土壤水分的入渗,且随着盖度的增加入渗速率大体上呈现降低的趋势。37第5期 李雨晨等:红壤丘陵区不同盖度生物结皮对水分入渗的影响图1 不同盖度下2种生物结皮土壤的水分入渗过程表2 2种生物结皮土壤不同处理下的入渗特征土壤类型结皮盖度/%初始入渗率/(mmm i n-1)稳定入渗率/(mmm i n-1)平均入渗率/(mmm i n-1)非饱和导水率/(1 0-2mmm i n-1)01.5 50.2 1 a0.9 10.2 7 a1.1 10.2 1 a8.2 53.9 9 a12 01.4 20.2 6 a0.8 70.1 0 a1.0 20.1 7 a8.4 81.3 6 a第四纪黏土发育土壤2 04 01.1 50.4 9 a0.6 30.5 9 a0.8 50.7 8 a6.3 70.6 5 a4 06 00.5 80.1 9 b0.3 10.2 0 a0.4 00.1 8 a4.0 91.9 9 a6 08 00.3 30.1 5 b0.1 70.0 6 a0.2 60.1 0 a3.1 50.8 7 a8 01 0 00.2 50.0 7 b0.1 30.0 2 a0.1 70.0 4 a2.0 40.2 1 a01.9 20.4 8 a0.8 90.3 5 a1.3 80.4 3 a1 1.7 37.4 3 a12 01.0 50.1 6 b0.5 50.1 2 a b c0.7 50.1 2 b c4.9 31.5 0 a泥质页岩发育土壤2 04 00.9 40.2 7 b0.3 90.0 9 b c0.5 80.1 1 b c d1.4 21.4 1 a4 06 01.5 60.1 7 a b0.7 00.0 8 a b1.0 00.0 1 a b4.9 82.6 7 a6 08 00.3 30.1 5 c0.2 10.0 7 c0.2 70.1 c d2.4 00.6 8 a8 01 0 00.1 70.0 2 c0.1 10.0 2 c0.1 20.0 2 d1.7 10.6 9 a3.3 入渗特征的影响因素为探明土壤性质、结皮特征与生物结皮土壤入渗性能之间的关系,采用R D A对参数进行分析。结果表明,对于红壤(S型),第1排序轴和第2排序轴分别解释总方差的7 0.6 6%和4.3 0%,前2轴累积解释量达7 4.9 6%(图2 a),表明第1轴和第2轴能充分反映入渗特征与结皮土壤性质之间的关系,且主要由第1轴决定。偏蒙特卡罗置换检验结果表明,苔藓生物量(5 4.3%)的解释度较高,是影响土壤入渗的主要因素(表3);砂粒含量与入渗特征呈正相关,除容重外,其余指标与入渗特征均呈负相关;于红壤(N型),R D A前2个轴分别解释总方差8 1.6 1%和8.3 1%,共解释8 9.9 2%(图2 b)。偏蒙特卡罗置换检验结果表明,结皮盖度(p=0.0 1 4)和砾石含量(p=0.0 1 6)是影响土壤入渗特征的主要因素,解释度分别为3 9.3 0%和3 4.0 0%。从表3可以看出,结皮容重、砂粒含量和砾石含量与土壤入渗特征呈正相关,其余指标均呈负相关。结皮容重与土壤入渗特征呈正相关,这可能与砾石含量增加导致结皮容重增大有关。冗余分析结果表明,不同土壤下生物结皮发育的入渗特征与土壤理化性质的响应结果和敏感程度不同。3.4 入渗模型拟合效果为了进一步研究经典入渗模型对不同盖度下2种母质发育土壤上的生物结皮土壤水分入渗的适用性,使用3种经典入渗模型对其入渗过程进行拟合(表4)。K o s t i a k o v模型中,a、b均为经验入渗常数,a表示第1个时间单位的平均入渗率,可以用来表征初始入渗率的大小;b值代表入渗速率随时间衰减速度的快慢,b值越大,入渗速率降低得越快。由表4可知,红壤(S型)K o s-t i a k o v模型中a值为1.8 9 0.2 8,其中裸地最大,8 0%1 0 0%生物结皮盖度a值最小,总体表现为随盖度增加逐渐减小。对于红壤(N型),除4 0%6 0%生物结皮盖度,a值变化规律与红壤(S型)一致。2种土壤的b值则均表现为先增大后减小的趋势,符合图2中入渗变化规律。在H o r t o n模型中,If和Ii分别代表稳定入渗速率和初始入渗速率,将模型拟合值与2种土壤实测值进行对比分析,红壤(S型)和红壤(N型)2种土壤平 均误差分别 为0.5 0,2.0 7和0.4 6,2.1 6,说明H o r t o n模型对该区域初始入渗速率拟合效果高于稳定入渗速率。P h i l i p模型中S值在一定程度上代表初始入渗率的大小,红壤(S型)土壤中拟合值S为0.2 11.6 1,且随着结皮盖度增加而降低。47水土保持学报 第3 7卷红壤(N型)除4 0%6 0%生物结皮盖度,也表现为随着结皮盖度的增加而逐渐降低。注:S OM为有机质;B D为容重;G R为砾石含量;B i o m a s s为生物量;C o v e r a g e为结皮盖度;T h i c k n e s s为结皮厚度;C l a y为黏粒含量;S a n d为砂粒含量;Is为稳定入渗率;I0为平均入渗率;Ia为平均入渗率;K为非饱和导水率。图2 2种生物结皮土壤性质与入渗特征的R D A排序图表3 冗余分析统计结果土壤理化性质第四纪黏土发育土壤解释度/%p土壤理化性质泥质页岩发育土壤解释度/%p生物量5 4.30.0 0 2砾石含量3 4.00.0 1 6砂粒4.80.3 6 0结皮厚度0.90.7 5 2有机质1 3.20.0 5 0容重6.30.2 3 6容重2.00.6 3 4有机质2.50.3 7 8盖度1.30.7 2 6黏粒2.20.4 7 8结皮厚度苔藓生物量4.60.2 0 6黏粒0.50.9 4盖度3 9.30.0 1 4砂粒2.10.4 6 6 不同模型对入渗过程拟合效果可以用决定系数(R2)表示,R2越大,拟合效果越好,对于红壤(S型)K o s t i a k o v模型、H o r t o n模型和P h i l i p模型3种入渗模型的R2均值分别为0.7 6,0.8 1和0.7 6;红壤(N型)3种入渗模型的R2均值则分别为0.8 0,0.8 3和0.7 3。总体而言,3种入渗模型都能较好地拟合研究区域的入渗过程,其中H o r t o n模型拟合效果最优,其次为K o s t i a k o v模型,最后为P h i l i p模型。表4 入渗模型拟合参数土壤类型结皮盖度/%K o s t i a k o v模型abR2H o r t o n模型IfIikR2P h i l i p模型ASR2第四纪黏土发育土壤01.8 90.4 20.8 50.9 34.7 01.4 20.9 00.2 41.6 10.8 712 01.7 10.4 10.8 50.8 54.1 01.3 40.9 40.2 51.4 30.8 72 04 01.5 10.4 60.8 80.6 93.9 91.4 40.9 50.1 11.3 70.8 94 06 00.7 10.5 30.7 90.3 11.7 81.3 20.8 10.0 60.7 00.7 86 08 00.4 00.2 40.6 20.2 20.3 61.0 10.6 60.1 40.2 70.5 88 01 0 00.2 80.2 80.5 80.1 60.5 10.8 40.6 10.0 80.2 10.5 9泥质页岩发育土壤02.2 10.3 70.9 51.1 03.7 10.7 90.9 20.4 31.7 50.9 512 01.2 40.3 90.7 90.6 43.1 51.5 30.8 40.2 01.0 20.8 22 04 01.2 20.6 70.8 70.4 34.3 81.7 20.9 50.1 11.3 50.6 94 06 01.7 40.4 60.8 70.7 53.9 21.0 10.8 90.1 11.6 20.8 76 08 00.3 90.2 20.5 10.1 70.3 80.1 20.5 00.1 60.2 40.2 08 01 0 00.1 80.2 30.8 30.1 10.2 40.4 50.9 00.0 70.1 20.8 5 注:a、b为模型参数;Ii为初始入渗率(mm/m i n);If为稳定入渗率(mm/m i n);k为模型参数;A为稳定入渗率(mm/m i n);S为模型参数。4 讨 论生物结皮是土壤表层由隐花植物如蓝藻、地衣、苔藓、土壤微生物及其次生代谢物等与土壤颗粒胶结而成的复杂有机体1 7。生物结皮发育改变土壤地表特征及土壤理化性质,导致整个土壤剖面的不连续性,进而影响土壤水分入渗过程。本研究表明,大体57第5期 李雨晨等:红壤丘陵区不同盖度生物结皮对水分入渗的影响上2种母质发育土壤的入渗率随生物结皮盖度的增加而逐渐降低,生物结皮的存在阻碍土壤水分入渗,具体表现为与裸地相比,降低初始入渗率、平均入渗率、稳定入渗率及非饱和导水率。试验结果与其他使用盘式入渗仪进行试验1 8-1 9的结果一致。由图2和表1可知,对于红壤(S型),除砂粒含量与土壤入渗特征呈正相关外,有机质等其余指标均呈负相关;对于红壤(N型),容重、砂粒和砾石含量与入渗特征呈正比,有机质、盖度、厚度和生物量等其余指标与其呈反比。不难发现,生物结皮可以通过其发育程度直接影响土壤入渗,同时通过改变土壤性质间接影响入渗。因此生物结皮发育阻碍土壤水分入渗可合理地归因于细颗粒含量的增加、结皮厚度的增大以及苔藓植物本身具有吸水性。供试土壤为粉黏土,质地黏重,黏粒含量较高(4 0%5 0%)。有研究2 0表明,黏性土壤具有胀缩性,吸水后体积膨胀导致入渗降低,同时生物结皮可以通过捕获大气降尘物质,以及微生物群落的生物化学风化作用增加土壤中细颗粒的含量2 1,结皮层细颗粒含量越高,预计对水分入渗阻碍越大。虽然本研究中供试土壤细颗粒(0.0 5mm)含量较高,生物结皮对土壤细颗粒含量增幅总量较小,但是相对于裸地,红壤(S型)和红壤(N型)8 0%1 0 0%盖度的生物结皮土壤中砂粒含量分别减少4 4.2 7%和3 5.6 9%,生物结皮能富集细粒物质仍是不可忽略的重要因素。结皮盖度和结皮厚度、生物量具有显著相关性,盖度的增加往往伴随着厚度和生物量的增大,结皮层越 厚对水分入 渗的阻碍越 大2 2。有 研究2 3指出,生物结皮能分泌大量的胞 外聚合物 质(E P S),其在吸水后急剧膨胀(最多增大5 0倍),进而堵塞孔隙阻碍水分入渗。苔藓植物自身疏松多孔有类似海绵弹力性状的特征,具有强大的吸水和持水能力,能够延缓土壤水分入渗2 4。同时,值得注意的是,砾石等大颗粒的存在对土壤水分入渗具有一定的促进作用,吕刚等2 5研究表明,当砾石含量为5%1 0%时,累积入渗量较大,与本研究结果相似。红壤(N型)中,4 0%6 0%盖度下砾石含量高于其他盖度,相应的入渗特征也表现出同样的趋势。冗余分析结果显示,砾石含量对入渗特征的解释度达到3 4%。此外,本研究中水分入渗的降低并不能用土壤有机质含量的增加来解释,普遍认为土壤有机质可以促进土壤团粒结构形成,增加团聚体的稳定性,改善土壤孔隙结构,促进土壤水分入渗2 6。但在本研究中情况并非如此,尽管不同盖度下生物结皮具有较高的有机质含量,但仍阻碍土壤水分的入渗。本文采用3种常见的入渗模型对2种母质(第四纪黏土和泥质页岩)发育土壤上的生物结皮和裸地的入渗过程进行拟合,结果表明,不同土壤类型下H o r-t o n模型的拟合效果最优,其次为K o s t i a k o v模型,P h i l i p模型拟合效果较差,这与郝文静等2 7的研究结果一致。H o r t o n模型虽然是通过大量数据得出的经验公式,但是可以用来描述长时间尺度下的入渗过程,且模型中常数项b可以反映长时间在重力作用下达到稳定入渗,对长时间入渗过程拟合效果较好。对于K o s t i a k o v模型,入渗刚开始进行时的入渗速率表现为无限大,但是随着时间的无限增大,入渗速率逐渐趋近于0。在本试验中,时间是从非0开始的,当入渗时间足够长时,入渗速率逐渐趋于一个定值且达到稳定状态,因此拟合效果不理想2 8。P h i l i p模型为半理论半经验模型的物理模型,是在非饱和半无限入渗条件下求得的,仅适用于一维垂直入渗的土壤条件,对于原位自然土壤条件下的三维入渗过程拟合具有一定的局限性,且生物结皮的存在影响土壤水分水平扩散。同时,P h i l i p模型中时间(t)的指数为固定常数-0.5,对于在各种不同前期含水