土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho 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 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 5 修回日期:2 0 2 2-1 0-2 5 资助项目:青海省科技厅基础研究项目(2 0 2 1-Z J-7 0 1);国家自然科学基金项目(4 1 6 6 2 0 2 3,4 2 1 6 1 0 6 8)第一作者:童生春(1 9 9 8),男(土族),青海互助人,硕士研究生,研究方向为地质灾害及其防治。E-m a i l:t o n g_s h e n g c h u n 1 6 3.c o m 通信作者:李国荣(1 9 7 9),男,青海贵德人,博士,教授,硕士生导师,主要从事生态环境保护及地质灾害防治研究。E-m a i l:q d l i g u o r o n g1 6 3.c o mh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 4 6.童生春,李国荣,李进芳,等.土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):7 6-8 4.T ON GS h e n g c h u n,L IG u o r o n g,L I J i n f a n g,e t a l.E f f e c t so f S o i lC r u s t o nB a s i cC h a r a c t e r i s t i c s a n dW a t e rE r o s i o no fZ o k o rM o u n dS o i l i nA l p i n eM e a d o wJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):7 6-8 4.土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响童生春1,李国荣1,2,李进芳1,翟 辉1,李希来3,刘亚斌1,2,朱海丽1,2,赵健赟1,陈文婷1,胡夏嵩1,2(1.青海大学 地质工程系,西宁8 1 0 0 1 6;2.青藏高原北缘新生代资源环境重点实验室,西宁8 1 0 0 1 6;3.青海大学 农牧学院,西宁8 1 0 0 1 6)摘 要:目的 阐明土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及其水力侵蚀的影响,为高寒草甸鼠丘土壤的水力侵蚀特征评价及今后当地生态植被的修复和保护提供理论依据。方法 以青海省河南县鼠害退化区高原鼢鼠鼠丘表面发育的物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮为研究对象,并以原生草甸和未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘作对照,结合野外调查和原位模拟降雨侵蚀试验,对不同类型鼠丘结皮土壤的物理力学特征、水力侵蚀规律及土壤侵蚀量与可蚀性因子间的关联度和相关性等进行了分析和讨论。结果(1)鼠丘表层不同结皮土壤的含水率大小依次为:苔藓结皮地衣结皮物理结皮,并与原生草甸和新鲜鼢鼠鼠丘之间存在显著性差异(p物理结皮苔藓结皮地衣结皮新鲜鼢鼠鼠丘;较未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘相比,土壤结皮的发生可通过改造土壤基本特性进而提升鼠丘土壤的保水固土能力。(2)土壤总流失量由高到低依次为:新鲜鼢鼠鼠丘物理结皮地衣结皮苔藓结皮原生草甸,且与降雨强度具一定的正相关关系;降雨侵蚀的1 01 5m i n是不同鼠丘结皮土壤降雨侵蚀的敏感期,土壤流失率均呈先增后减的变化趋势;较未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘相比,不同类型鼠丘结皮土壤均会提高土壤的抗侵蚀能力,土壤抗侵蚀能力优异性排序为:原生草甸苔藓结皮地衣结皮物理结皮新鲜鼢鼠鼠丘。(3)基于关联度和相关性分析双重检验方法,土壤结皮主要通过改变鼠丘表层土壤的基本物理力学特性指标,从而导致土壤侵蚀状况出现了差异性,其中土壤含水率、密度和孔隙比是影响土壤侵蚀量的关键影响因子。结论 土壤结皮通过促进土壤基本物理力学特性,从而可不同程度地抑制高寒草甸鼠丘土壤的水力侵蚀。关键词:高寒草甸;鼠害退化区;土壤结皮;土壤基本特征;水力侵蚀中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 7 6-0 9E f f e c t so fS o i lC r u s t o nB a s i cC h a r a c t e r i s t i c sa n dW a t e rE r o s i o no fZ o k o rM o u n dS o i l i nA l p i n eM e a d o wTONGS h e n g c h u n1,L IG u o r o n g1,2,L I J i n f a n g1,Z HA IH u i1,L iX i l a i3,L I UY a b i n1,2,Z HU H a i l i1,2,Z HAOJ i a n y u n1,CHE N W e n t i n g1,HUX i a s o n g1,2(1.D e p a r t m e n t o fG e o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,Q i n g h a iU n i v e r s i t y,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;2.K e yL a bo fC e n o z o i cR e s o u r c e&E n v i r o n m e n t i nN o r t hM a r g i no ft h eT i b e t a nP l a t e a u,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a;3.C o l l e g eo fA g r i c u l t u r ea n da n i m a lH u s b a n d r y,Q i n g h a iU n i v e r s i t y,X i n i n g8 1 0 0 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h ea i m s a r e t oc l a r i f y t h e e f f e c t o f s o i l c r u s t o n t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c s a n dw a t e r e r o-s i o no f a l p i n em e a d o wm o u n ds o i l,a n d t op r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e e v a l u a t i o no fw a t e r e r o s i o nc h a r-a c t e r i s t i c sa n dt h er e s t o r a t i o na n dp r o t e c t i o no fl o c a le c o l o g i c a lv e g e t a t i o ni nt h ef u t u r e.M e t h o d sT h ep h y s i c a l c r u s t s,l i c h e nc r u s t sa n dm o s sc r u s t so nt h es u r f a c eo fp l a t e a uz o k o rm o u n d s i nt h e r o d e n td e g r a d a-t i o na r e ao fH e n a nC o u n t y,Q i n g h a iP r o v i n c ew e r et a k e na st h er e s e a r c hs a m p l e s,a n dt h ef r e s hz o k o rm o u n d sw i t hn a t i v em e a d o wa n dw i t h o u t c r u s tw e r e t a k e na s t h ec o n t r o l.T h ep h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l c h a r-a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t t y p e so f s o i l c r u s t s,t h er u l eo fw a t e re r o s i o na n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ns o i l e r o s i o na n de r o d i b i l i t yf a c t o r sw e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e db yc o m b i n i n gf i e l di n v e s t i g a t i o na n di n-s i t us i m u l a t e dr a i n f a l l e r o s i o nt e s t.R e s u l t s(1)T h es o i lm o i s t u r ec o n t e n t so fd i f f e r e n tc r u s t so nt h es u r f a c eo fm o u n dd e c r e a s e di nt h eo r d e r:m o s sc r u s tl i c h e nc r u s tp h y s i c a lc r u s t,a n dt h e r e w a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nn a t i v em e a d o wa n df r e s hz o k o rm o u n d(pp h y s i c a lc r u s t m o s sc r u s t l i c h e nc r u s t f r e s hz o k o rm o u n d.C o m-p a r e dw i t hf r e s hz o k o rm o u n d sw i t h o u t c r u s t s,t h eo c c u r r e n c eo f s o i l c r u s t s c o u l d i m p r o v e t h ew a t e r a n ds o i lc o n s e r v a t i o nc a p a c i t yo fm o u n ds o i lb ym o d i f y i n gt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l.(2)T h et o t a la m o u n to fs o i l l o s sd e c e a s e di nt h eo r d e r:f r e s hz o k o rm o u n d p h y s i c a lc r u s tl i c h e nc r u s tm o s sc r u s tn a t i v em e a d o w,a n dh a dap o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t hr a i n f a l l i n t e n s i t y.T h e 1 01 5m i n u t e s o f r a i n f a l l e r o s i o nw a s t h es e n s i t i v ep e r i o do fr a i n f a l le r o s i o ni nd i f f e r e n ts o i lc r u s t s,a n dt h es o i ll o s sr a t ei n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d.C o m p a r e dw i t hf r e s hm o u n d sw i t h o u tc r u s t s,d i f f e r e n t t y p e so fm o u n dc r u s t sc o u l di m p r o v et h es o i l e r o s i o nr e s i s t a n c e.T h eo r d e ro fs o i le r o s i o nr e s i s t a n c e i s:n a t i v em e a d o wm o s sc r u s t l i c h e nc r u s t p h y s i c a l c r u s t f r e s hz o k o rm o u n d.(3)B a s e do n t h ed o u b l e t e s tm e t h o do f c o r r e l a t i o nd e g r e e a n dc o r r e l a t i o na n a l y s i s,s o i lc r u s tm a i n l yc h a n g e dt h eb a s i cp h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es u r f a c es o i lo ft h em o u n d,w h i c hl e dt ot h ed i f f e r e n c eo fs o i le r o s i o n.Am o n gt h e m,s o i lm o i s t u r ec o n t e n t,d e n s i t ya n dv o i dr a t i ow e r e t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gs o i le r o s i o n.C o n c l u s i o nS o i lc r u s t sc a ni n h i b i tt h ew a t e re r o s i o no fa l p i n em e a d o wm o u n ds o i l t ov a r y i n gd e g r e e sb yp r o m o t i n g t h eb a s i cp h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f s o i l.K e y w o r d s:a l p i n em e a d o w;r o d e n td e g r a d a t i o na r e a;s o i l c r u s t s;b a s i cs o i l c h a r a c t e r i s t i c s;w a t e re r o s i o n 黄河源区地处青藏高原腹地,是我国涵养水源的重要区域1,覆有近8 0%的高寒草甸草地2。高寒草甸作为青海省占地面积最大、分布区域最广的草地类型,对于促进高寒干旱草地稳定性和生态环境的可持续发展均具有十分重要的生态价值和战略意义3。但是,近年来由于鼠害活动、过度放牧以及气候环境变迁等因素的长期影响,致使黄河源高寒草甸呈加剧退化态势,且区内土壤侵蚀、沙化及荒漠化现象频发4-7。据报道,黄河源区分布的小型啮齿动物主要有高原鼠兔(O c h o t o n ac u r z o n i a e)和高原鼢鼠(E o s-p a l a xb a i l e y i)8,由它们行为活动所导致的退化草甸面积占当地草地退化总面积的2 3.2 9%,部分区域内高原鼢鼠鼠丘密度数高达3 7 4个/h m2,而每只高原鼢鼠平均每年在高寒草甸土壤表层至少翻掘土壤10 2 4k g9。此外,经由啮齿动物扰动后压覆在健康草甸上的松散鼠丘也会直接导致植被枯死,从而在高寒草甸地表分布数量众多的鼠丘裸地1 0。而这些裸露的鼠丘由于土壤结构疏松、养分贫瘠、颗粒细小,因此在风水、冻融及其他因素作用下引发较严重的土壤侵蚀1 1-1 3。降雨条件作为土壤侵蚀最主要也是最直接的动力因子之一1 4,雨水的溅蚀及冲刷作用在加剧退化区草甸土壤侵蚀的同时,鼠丘土壤也会在反复降雨及太阳照射耦合作用下为土壤结皮的发生创造环境条件和物质来源1 5-1 6。经野外调查发现,土壤结皮现象在高寒草甸退化草地区分布广泛,尤其在鼠害退化区极为明显,不同历时堆积的鼠丘表面普遍存在土壤物理结皮或生物结皮1 7-1 9。土壤结皮作为地表的致密保护层2 0,其中不论是土壤物理结皮还是生物结皮,均会通过改变土质结构和土体特性从而抑制土壤的侵蚀状况2 1-2 3,另外不同类型土壤结皮的生长环境、发育性状、形态数量分布及其土壤理化特性等也是影响土壤侵蚀状况的重要因素2 4-2 7。鉴于高寒草甸鼠丘表面土壤结皮方面的研究相对较浅,因此开展土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及其水力侵蚀的影响研究,对于深入分析高寒退化草甸区土壤侵蚀机理等方面具有重要意义。目前诸多学者针对不同类型结皮土壤的基本特性及其水力侵蚀研究方面有了一定的进展,如都军等2 8通过研究腾格里沙漠地区不同类型土壤结皮的基本特性,得出结皮层厚度、孔隙度和田间持水量均表现为:藓类结皮混生结皮地衣结皮。程琴娟等2 9提出黄土表土结皮对溅蚀、入渗、产流和产沙均会产生明显的影响作用。高丽倩等3 0认为生物结皮覆盖能提升土壤抗冲性,且土壤抗溅蚀性与结皮形成时间、表层土壤质地和77第5期 童生春等:土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响地形坡度等有关。J o a n n a等3 1研究发现土壤物理结皮和蓝藻结皮在雨滴撞击成坑、颗粒迁移和土壤流失等方面存在差异性,但土壤物理结皮和蓝藻结皮均具有抑制土壤侵蚀的作用。钟香艳等2 2认为物理结皮和生物结皮均会通过降低土壤的累积入渗量和平均入渗速率从而减少降雨侵蚀过程的土壤流失量,但是生物结皮的抗侵蚀能力则大于物理结皮。综上,尽管诸多学者已经对不同类型结皮土壤的基本特征及其水力侵蚀规律等方面进行了相关研究,但是针对高寒草甸区鼠丘表面结皮后土壤的物理力学特性发生何种变化、对水力侵蚀和草甸退化产生何种影响等方面的研究却鲜有报道。为此,本文以黄河源高寒草甸鼠害退化区鼠丘表面发育的物理结皮、苔藓结皮和地衣结皮为研究对象,并以原生草甸和未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘作对照,结合野外调查及原位模拟水力侵蚀试验,定量分析土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特性及其水力侵蚀的影响作用。研究结果可为评价高寒草甸鼠害退化区鼠丘土壤的水力侵蚀特征及为今后当地生态植被的修复和保护提供理论依据。1 试验材料与方法1.1 研究区基本概况研究区位于青海省黄南州河南县南旗村(图1),属黄河源高寒草甸区,地理位置为东经1 0 1 4 7、北纬3 4 4 4,平均海拔约36 0 0m,属典型的高原大陆性气候,年均气 温-1.31.6,年 均降雨量约6 1 5.5mm,降雨主要集中在每年69月份3 2。图1 研究区地理位置图由于当地鼠害活动猖獗,草甸地表堆积有大量的新鲜鼢鼠鼠丘(图2),并伴随土壤侵蚀和草甸退化的逐年加剧,堆积鼠丘与秃斑草甸之间也会相互连通,从而形成明显的鼠害退化区。鼠害退化区广泛分布的松散鼠丘表层土壤在降水、太阳照射或在菌藻类和低等植物的生长条件下普遍发生土壤结皮现象,其中在反复降雨作用下裸露的鼢鼠鼠丘表面极易出现土壤物理结皮(图3),而部分鼢鼠鼠丘表面也存在苔藓、地衣和微生物等与表土层复合形成的土壤生物结皮,如苔藓结皮(图4)、地衣结皮(图5)。图2 新鲜鼢鼠鼠丘 图3 鼠丘物理结皮 图4 鼠丘苔藓结皮 图5 鼠丘地衣结皮87 水 土 保 持 研 究 第3 0卷1.2 试验设计与方法此次研究的鼠丘为高原鼢鼠活动堆积而成的鼠丘,根据其表面土壤结皮类型,分为物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮3种鼠丘结皮类型,并以原生健康草甸和未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘作为对照。将上述3种天然表层结皮土壤和相同深度的对照区土壤作为测试对象(02c m),分别原位测试其在降雨前表层土壤的初始基本物理力学特性(各重复1 0次),测试指标主要包括土壤的含水率(采用烘干法)、密度(采用称重法)、孔隙比(采用比重计法)、紧实度(采用紧实度仪)和黏聚力(采用直接剪切试验),取其平均值作参数指标值,以此来对比分析不同结皮土壤基本物理力学特性与原生草甸、新鲜鼠丘之间的差异性。然后另外选取鼠丘形状、大小等相同的各类结皮鼠丘、新鲜鼠丘,以发育不同土壤结皮的独立鼠丘为中心,分别选定坡度为2 0、面积为2m 2m的试验小区开展水力侵蚀模拟试验,并选择同等坡度和面积的原生草甸区开展对照试验。从试验区小型气象站2 0 1 82 0 2 0年度降雨强度实时监测数据得知,该区域78月份的平均降雨量占年平均降雨量的7 2.1%,最大降雨强度接近1 5mm/h,而当降雨强度小于2mm/h时草甸表面很难形成径流现象。因此,在水力侵蚀模拟试验中将降雨强度设为5mm/h,1 0mm/h和1 5mm/h共3个梯级(各类小区及同级降雨强度试验均各重复3次)。水力侵蚀试验采用人工模拟降雨试验装置3 3。该装置由抽水泵、实心伞形喷头、降雨强度调节器、导水槽、烧杯等组成,喷头距小区中心的垂直距离为2m,向下喷水有效半径为1.2 5m,模拟降雨精度为0.5mm/m i n。正式降雨前在试验小区外围调节好降雨强度使之达到稳定降雨状态,然后再将喷头延伸到试验小区上方进行降雨试验。试验中降雨历时设定为6 0m i n,每5m i n收集小区内产生的径流样品(含泥沙)。降雨侵蚀试验结束后,将野外每隔5m i n收集的所有径流样品带回实验室,并放置到1 0 5烘箱,恒温烘干至2 4h后采用称重法得到土壤流失量(流失干土重)。1.3 数据分析及处理土壤侵蚀产沙率是表征土壤抗侵蚀能力大小的指标,其计算公式如下:Sr=QAT式中:Sr表示土壤侵蚀产沙率g/(m2m i n);Q表示土壤侵蚀量(g);A表示产流面积,即试验样方的表面积(m2);T表示产流时间(m i n)。采用M i-c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9软件作数据统计与分析、绘制相应图表等,采用S P S S软件作相关和统计分析。2 结果与分析2.1 不同类型鼠丘结皮土壤的基本物理力学特性由表1看出,试验小区内不同类型鼠丘结皮土壤的基本物理力学特性均存在显著差异(p苔藓结皮地衣结皮,它们的黏聚力分别比新鲜鼠丘增长了9 1.6%,4 6.2%和2 2.9%,而比原生草甸减少3 2.9%,4 8.8%和5 6.9%。此外,物理结皮土壤的含水率、密度、孔隙比、紧实度和黏聚力分别是苔藓结皮土壤的3 0.3%,1 0 7.5%,7 5.1%,1 6 3.9%,1 3 1.1%,是地衣结皮土壤的3 6.6%,1 1 0.2%,6 4.7%,2 0 0.3%,1 5 5.9%。统计分析结果表明,上述5类试验土壤的基本物理力学特性均差异显著,其中原生草地和物理结皮土壤的孔隙比显著低于其他土壤类型,而其他的物理力学特性指标值均显著增加(p 0.0 5)。这一结果也进一步印证了啮齿动物对草甸土壤的机械破坏作用和不同类型土壤结皮生长对鼠丘土壤的稳固作用。表1 不同类型鼠丘结皮土壤的基本物理力学特性土壤类型含水率/%密度/(gc m-3)孔隙比/%紧实度/k P a黏聚力/k P a原生草甸3 8.2 52.1 6 a1.6 80.0 8 a4.7 50.0 7 c d1 5 3.5 05.1 8 a3 5.8 63.5 3 a苔藓结皮2 8.6 21.8 7 b1.6 00.1 6 b7.5 60.2 4 b c6 8.9 25.3 4 c1 8.3 62.3 2 c地衣结皮2 3.7 32.3 6 c1.5 50.1 2 c8.7 80.3 8 b5 6.3 94.2 8 d1 5.4 41.7 6 c d物理结皮8.6 80.2 6 e1.7 20.1 4 a5.6 80.1 6 c1 1 2.9 46.7 2 b2 4.0 72.5 6 b新鲜鼠丘1 3.2 11.9 3 d0.7 60.1 1 d1 9.4 30.4 6 a1 0.2 22.1 5 e1 2.5 61.1 2 d 注:表中不同小写字母表示同一物理力学指标间差异显著(p物理结皮地衣结皮苔藓结皮原生草甸,且随 降雨强度 的增加,不同类型结皮土壤的总流失量出现持续递增的变化趋势。较未结皮的新鲜鼠丘和原生草甸相比,鼠丘土壤结皮均有利于提高土壤的抗侵蚀性能,以降雨强度1 0mm/h为例,物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮土壤的总流失量比原生草甸分别增长6.8倍、4.0倍和2.2倍,而比新鲜鼠丘分别降低4 0.3%,6 1.8%和7 5.3%。分析得出同一降雨强度不同土壤结皮类型间鼠丘土壤总流失量均差异显著(p0.0 5),不同降雨强度同一土壤结皮类型间除原生草甸无明显差异外,其余土壤结皮类型的土壤总流失量也呈现显著差异(p0.0 5)。这一结果说明鼠丘土壤结皮类型不同时,其土壤物理力学特性具有明显的差异性,从而导致其土壤抗侵蚀能力大小不一。注:不同大写字母表示同一降雨强度不同土壤结皮类型间差异显著(p0.0 5);不同小写字母表示相同结皮土壤不同降雨强度间差异显著(p物理结皮地衣结皮苔藓结皮原生草甸,并且土壤累计流失量均随降雨侵蚀时间和降雨强度的增加呈持续增加的变化趋势(图7)。相较于新鲜鼠丘和原生草甸,3类鼠丘结皮土壤在降雨侵蚀1 01 5m i n内土壤流失量的增加幅度较大,说明这一时间段是不同鼠丘结皮土壤运移最明显的时期,以1 0mm/h的降雨强度为例,苔藓结皮、地衣结皮和物理结皮在此期间产生的土壤流失量分别占其总流失量的1 9.3%,2 3.8,2 4.3%。统计分析得出,降雨强度的增加可显著增大土壤流失量,在降雨前1 0m i n内,新鲜鼠丘表面土壤流失量显著高于其他鼠丘结皮土壤,3种鼠丘结皮土壤流失量差异不显著(p0.0 5)。在同一降雨强度下降雨1 01 5m i n后,原生草甸土壤流失量变化不大,新鲜鼠丘和鼠丘物理结皮土壤流失量显著高于地衣结皮和苔藓结皮(p0.0 5),且新鲜鼠丘土壤流失量与其他鼠丘结皮土壤间呈极显著(p0.0 1),地衣结皮与苔藓结皮间的差异不显著。图7 不同类型鼠丘结皮土壤累积流失量随降雨侵蚀时间的变化规律2.2.3 不同类型鼠丘结皮土壤流失量的变化量对比从图8可以看出,3种降雨强度下不同鼠丘结皮土壤的流失率均表现为先增后减的变化趋势,并在1 5m i n左右达到峰值,且不同鼠丘结皮土壤流失率在1 01 5m i n内处于显著增大的阶段(p物理结皮地衣结皮苔藓结皮原生草甸,且不同鼠丘结皮土壤的流失率均随降雨强度的08 水 土 保 持 研 究 第3 0卷增加而增大。另外,通过对比土壤流失率的变化情况发现,原生草甸土壤侵蚀率变化不明显,新鲜鼠丘和物理结皮土壤的流失率变化幅度显著高于其他鼠丘结皮土壤(p 0.0 5),且新鲜鼠丘土壤流失率的变化与其他鼠丘结皮土壤相比表现出极显著差异(p物理结皮地衣结皮苔藓结皮原生草甸,且随着降雨强度的增加而增加。以1 0mm/h的降雨强度为例,新鲜鼠丘土壤侵蚀产沙率分别是物理结皮的1.6 7倍、地衣结皮的2.6 2倍、苔藓结皮的4.0 6倍、原生草甸的1 3.0 9倍。统计分析得出,新鲜鼠丘土壤侵蚀产沙率与各类鼠丘结皮土壤相比表现出极显著差异(p0.0 1),而3种不同类型鼠丘结皮土壤的侵蚀产沙率显著高于原生草甸(p苔藓结皮地衣结皮物理结皮新鲜鼠丘。表2 不同类型鼠丘结皮土壤侵蚀量与降雨强度之间的函数关系结皮土壤类型回归方程R2原生草甸Q=3 9.1 9 l n(P)-3 5.5 30.9 9 8苔藓结皮Q=1 3 8.2 l n(P)-1 3 6.90.9 9 8地衣结皮Q=2 3.0 4P+8.3 7 60.9 9 9物理结皮Q=5 7.8 6P0.8 5 90.9 9 7新鲜鼠丘Q=1 3 0.0P0.7 3 90.9 9 9注:表中Q为土壤侵蚀量;P为降雨强度。表3 不同类型鼠丘结皮土壤侵蚀产沙率的对比g/(m2m i n)降雨强度/(mmh-1)原生草甸苔藓结皮地衣结皮物理结皮新鲜鼠丘50.1 1 c E0.3 6 c D0.5 2 c C0.9 5 c B1.7 8 c A1 00.2 3 a b E0.7 4 b D1.1 5 b C1.8 b B3.0 1 b A1 50.2 7 a E0.9 9 a D1.4 8 a C2.4 1 a B3.9 4 a A注:不同大写字母表示同一行相同降雨强度下不同土壤结皮类型间差异显著(p0.0 5);不同小写字母表示同一列相同结皮土壤不同降雨强度间差异显著(p0.0 5)。2.3 鼠丘结皮土壤侵蚀量与可蚀性因子间的关联度和相关性分析不同鼠丘结皮土壤侵蚀量与可蚀性因子间的关联度分析 结果中,当降 雨强度依次 为5 mm/h,1 018第5期 童生春等:土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响mm/h和1 5mm/h时,各可蚀性因子对土壤侵蚀量的关联度均较为明显,其中土壤密度、紧实度和黏聚力的关联度相对最高,关联度值均在0.6 4 6以上,而土壤含水率对土壤侵蚀量的关联度相对较小,则介于0.5 4 30.5 8 1之间(表4)。从表中还可以看出,在不同降雨强度下,鼠丘结皮土壤侵蚀量与其土壤含水率和密度之间存在显著负相关,与其土壤孔隙比之间存在显著正相关,而与其土壤紧实度和黏聚力之间存在不显著正相关。关联度和相关性分析结果表明不同降雨强度下鼠丘结皮土壤侵蚀量与其土壤基本物理力学特性具有一定的相互影响作用,其中土壤含水率、密度和孔隙比是影响高寒草甸鼠丘结皮土壤水力侵蚀状况的关键影响因子。分析认为鼠丘表面土壤结皮的发生可通过增进土壤基本物理力学特性,从而起到提高土壤抗侵蚀能力、抑制鼠丘土壤水力侵蚀的作用,这也进一步印证了啮齿动物活动导致高寒草甸退化的内在关联性。表4 鼠丘结皮土壤侵蚀量与可蚀性因子间的关联度和相关性分析可蚀性因子类型含水率/%密度/(gc m-3)孔隙比/%紧实度/k P a黏聚力/k P a5mm/h关联度0.5 4 30.6 4 60.7 5 60.6 7 50.6 8 4相关性-0.8 0 8*-0.8 4 7*0.8 6 5*-0.7 1 3-0.6 3 3S i g(单尾)0.0 4 90.0 3 50.0 2 90.0 2 90.1 2 61 0mm/h关联度0.5 7 10.6 8 20.8 3 20.6 8 40.6 9 8相关性-0.8 4 6*-0.8 1 7*0.8 4 6*-0.7 3 0-0.6 7 3S i g(单尾)0.0 3 50.0 4 60.0 3 50.0 8 10.1 0 71 5mm/h关联度0.5 5 20.6 5 70.8 0 50.6 7 40.6 7 9相关性-0.8 5 5*-0.8 0 6*0.8 3 6*-0.7 2 0-0.6 6 6S i g(单尾)0.0 3 20.0 5 00.0 3 90.0 8 50.1 1 0注:表中“*”为相关性显著(0.0 1p0.0 5)。3 讨 论3.1 鼠丘表面不同结皮土壤物理力学特性差异的原因分析分析上述土壤基本物理力学特性出现差异性的原因主要在于原生草甸受高原啮齿动物活动干扰,土体结构才会遭到破坏,导致土壤物理力学特性劣势化发展,而新鲜鼢鼠鼠丘正是基于此才表现出显著的差异特性。此外,鼠丘表面的土壤结皮也会在接连的降雨侵蚀过程中通过改变孔隙结构、水分入渗和养分循环来影响土壤基本物理力学特性,从而导致不同类型鼠丘结皮土壤与原生草甸和未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘土壤的基本物理力学特性出现差异性。本次研究得出生物结皮的土壤含水率明显大于物理结皮土壤的含水率,这与周虹等3 4通过测定高寒沙区土壤结皮层的基本物理性质后得出的结果一致。另外苔藓结皮和地衣结皮土壤的基本物理力学特性也具明显差异(p物理结皮苔藓结皮地衣结皮新鲜鼢鼠鼠丘,而土壤侵蚀量的大小变化趋势却与之相反,并且土壤总流失量随降雨强度的逐级递增而持续增大,土壤流失速率呈先增后减的变化趋势,这一结果与秦宁强3 6、路培等3 7诸多学者研究的结果基本一致。此外,通过对不同鼠丘结皮土壤的基本特性与其土壤侵蚀量的关联度和相关性分析得出,土壤侵蚀量与土壤基本物理力学特性指标之间具有一定的相互作用3 8,如鼠丘物理结皮土壤的侵蚀量与土壤含水率呈显著负相关,而与土壤紧实度呈极显著正相关。然而,结皮土壤微观结构、结皮厚度发育特征及其物理力学特性的变化规律等也是评价高寒草甸退化区土壤侵蚀的重要内在因素,这将是今后需要深入思考和探究的科学问题。3.2 鼠丘土壤侵蚀状况与其表面发育物理结皮的厚度有关土壤结皮厚度是研究结皮发育状况的重要指标之一,其不仅与水力侵蚀力度、太阳辐射、近地表风速和地表层温度等外界因素有关3 9-4 0,还与土壤理化力学特性、土体空间结 构和土质类 型 等 内 部 因 素 有关4 1-4 2。野外调查中发现,鼠丘是啮齿动物机械扰动健康草甸后土壤颗粒发生重组并堆积而成的松散土丘,伴随自然降雨过程其表层土壤首先会被雨滴浸润和夯实,并在太阳照射等作用下可导致土壤水分迅速蒸发,由于降雨前后土壤团聚体发生物理变化明显,因此鼠丘表层易形成结构性物理结皮1 5;当二次降雨发生时,水分可通过孔隙入渗至结皮层下部,细微颗粒的局部团聚作用会导致结皮层土壤的微观结构在水力侵蚀作用下出现略微的分层现象,从而影响到物理结皮厚度的变化。并随着降雨频次的不断累增,土壤分层现象会愈加趋于明显,最终引起物理结皮层厚度的不断增加。当然,受降雨入渗、地下水、土壤水分等的影响,高寒退化草甸区域的土壤物理结皮厚度总会有阈值。此外,本研究中也发现随着鼠丘土壤结皮厚度的变化,其土壤物理力学特性也会发生变化。鉴于土壤基本物理力学特性与土壤侵蚀状况之间存28 水 土 保 持 研 究 第3 0卷在一定的相互影响作用,其必将对土壤的侵蚀乃至生物结皮的发育和植被恢复等产生影响。但是关于物理结皮厚度发育是如何影响土壤侵蚀状况、对退化草甸的植被恢复和生态治理等方面产生何种效应,这也是今后需要深入调查和研究的方向之一。3.3 啮齿动物活动对鼠丘土壤结皮的影响黄河源高寒草甸区啮齿动物分布广泛且数量众多,它们的掘穴啃食等活动可以使大面积的土壤直接裸露于地表,这不仅破坏了原生草甸土壤的理化特性和空间结构,而且翻出地表的土壤也会直接导致草甸植被腐烂枯萎,从而在草甸表面形成大面积的斑块状次生裸地4 3,这与原生草甸之间发生了明显区别。土壤结皮作为土层特殊的致密性结构,经由啮齿动物活动后堆积的松散鼠丘可创造土壤结皮发生的环境条件和物质来源,在持续降雨及太阳照射条件下鼠丘土壤表面极易发生土壤物理结皮,且降雨历时和降雨强度均会通过影响土壤表层孔隙和挟沙水流的沉积效应4 4,从而决定土壤物理结皮的发育性状。此外,由于啮齿动物活动的频次、啃食植被和挖掘土层的程度也不尽相同,部分草甸会出现高度退化现象4 5,鼠害退化区植被恢复早期在没有其他植物种竞争的条件下,菌藻类和低等植物可作为植被恢复生长过程中的先锋种,在鼠丘表