喀斯特土壤

多喀斯特地貌
——身正心定
喀斯特地貌形态、形成和影响
河北正定中学 闫莉莉
——身正心定
闳中博学——
一、喀斯特地貌的成因
喀斯特地貌（又称岩溶地貌）是由 喀斯特作用而成的一种奇特地貌。 喀斯特作用即指水对可溶性岩石 （如石灰岩）的破坏与改造的作用。
——身正心定
闳中博学——
一、喀斯特地貌的成因
(08 年北京卷 )1. 与图示地区山体岩石、地貌类型及其形 成的外力作用对应的是 A.石灰岩、球状风化地貌、风力作用 B.花岗岩、流水堆积地貌、流水作用 C.大理岩、喀斯特地貌、风力作用 D.石灰岩、喀斯特地貌、流水作用
——身正心定
闳中博学——
二、喀斯特地貌的形态
雨后春笋
——身正心定
闳中博学——
二、喀斯特地貌的形态
——身正心定
闳中博学——
三、喀斯特地貌的影响
(2010山东文综)下图为某地地质地貌示意图。读图回答6～7题。 6．图中岩石和地貌形态形成的先后顺序是 A．②④① B．③①④ C．④②① D．④①③ D 7．该类地貌发育典型的山区 A．风蚀现象显著 B．岩石类型是花岗岩 C．土层较薄，土壤贫瘠 D．地表水丰富，地下水贫乏
——身正心定
闳中博学——
二、喀斯特地貌的形态
地表喀斯特地貌
地下喀斯特地貌
——身正心定
闳中博学——
二、喀斯特地貌的形态
三山迎客——身正心定闳中博学——二、喀斯特地貌的形态
天坑是指具有巨大的容积，陡峭而圈闭 的岩壁，深陷的井状或者桶状轮廓等非凡的 空间与形态特质，发育在厚度特别巨大、地 下水位特别深的可溶性岩层中，从地下通往 地面，平均宽度与深度均大于100米，底部与 地下河相连接(或者有证据证明地下河道已迁 移)的一种特大型喀斯特负地形。

喀斯特地貌形成为石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。

石灰岩的主要成分是碳酸钙，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙，后者可溶于水，于是空洞形成并逐步扩大。

在南欧亚德利亚海岸的喀斯特高原上最为典型指石灰岩地区的地表常见的石芽、石林、峰林、溶沟、漏斗、天坑、落水洞、溶蚀洼地、坡立谷、盲谷以及地下发育的溶洞、地下河等各种洞穴系统以及洞中石钟乳、石笋、石柱、石瀑布等地貌形态。

对于石灰岩地区上述独特的地貌，国内外学术界均以南斯拉夫典型的石灰岩地貌区喀斯特地貌高原的地名来命名，即“喀斯特地貌”。

过去中国亦曾用过“岩溶地貌”一词。

在我国，喀斯特地貌分布面积约达130万平方公里。

主要分布在广西、贵州、云南等省区，如广西的桂林山水、云南的路南石林等，广东则有英德英西峰林，怀集桥头镇燕子岩、肇庆七星岩等。

（文/梁以墀）喀斯特地貌(岩溶地貌)喀斯特地貌是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐)进行以化学溶蚀作用为主而形成的地貌。

喀斯特是南斯拉夫西北部伊斯的利亚半岛的石灰岩高原的地名，19世纪末，南斯拉夫学者司威杰(J.Cvijic)首先对该地区进行研究，并借用喀斯特一词作为石灰岩地区一系列作用过程的现象的总称，到1966年我国第二次喀特学术会建议将“喀斯特”一词改为“岩溶”。

所以，喀斯特地貌亦称岩溶地貌。

岩溶地貌地面上往往崎呕不平，岩石嶙峋，奇蜂林立，地表常见有石芽、石林、峰林、溶沟、漏斗、落水洞、溶蚀洼地等形态；而地下则发育着地下河、溶洞。

溶洞内有多姿多彩的石笋、钟乳石、石柱，美不胜收。

我国岩溶地貌分布十分广泛，主要集中于广西、云南、贵州等省区，如广西桂林的山美、石美，水美、洞美，云南的路南石林等闻名于世。

参考资料：重庆一中地理教研组丹霞地貌和卡斯特地貌上面已經介紹的差不多了。

我簡單補充一下其他的：3：河流地貌。

廣泛發育於河流經過的地區，對於流經不同的地質地貌河流地貌也會呈現不同的面貌。

它的動力來源和丹霞地貌喀斯特地貌一樣，主要是水力侵蝕作用。

第31卷第1期2024年2月水土保持研究R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .31,N o .1F e b .,2024收稿日期:2022-11-24 修回日期:2023-01-05资助项目:国家自然科学基金(42167044);贵州大学培育项目(贵大培育[2019]10号)第一作者:赵敏(1999 ),女,湖南湘潭人,硕士研究生,主要从事水土保持与生态恢复重建研究㊂E -m a i l :1376225458@q q .c o m 通信作者:戴全厚(1969 ),男,陕西长武人,教授,博士,博士生导师,主要从事喀斯特水力侵蚀与生态恢复重建研究㊂E -m a i l :q h d a i r i v e r @163.c o mh t t p :ʊs t b c y j .p a p e r o n c e .o r gD O I :10.13869/j.c n k i .r s w c .2024.01.032.赵敏,戴全厚,严友进,等.喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应[J ].水土保持研究,2024,31(1):241-249.Z h a oM i n ,D a iQ u a n h o u ,Y a nY o u j i n ,e t a l .L i t t e r a n dS o i lH y d r o l o g i c a l E f f e c t s o fT y p i c a lV e g e t a t i o nT y pe s i nK a r s tM o u n t a i n s [J ].R e s e a r c hof S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2024,31(1):241-249.喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应赵敏1,2,3,戴全厚1,3,严友进1,2,3,姚一文1,2,3,丁鹏玮1,2,3,周红1,2,3(1.贵州大学林学院,贵阳550025;2.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵阳50025;3.贵州大学土壤侵蚀与生态修复研究中心,贵阳550025)摘 要:[目的]研究喀斯特山地典型植被类型凋落物以及土壤水文效应,对该地区植被恢复具有重要意义㊂[方法]通过野外调查与室内分析的方法,选取喀斯特山地草地㊁草灌复合丛㊁灌丛㊁乔灌复合林和乔木林5种典型植被类型,探索不同植被类型下凋落物及土壤水文效应特征㊂[结果](1)5种典型植被类型凋落物蓄积量依次为乔灌复合林(3.57t /h m 2)㊁乔木林(3.00t /h m 2)㊁草灌复合丛(2.18t /h m 2)㊁灌丛(1.94t /h m 2)㊁草地(1.8t /h m 2),植被类型以及凋落物分解程度均与蓄积量呈极显著相关(p <0.01);凋落物有效拦蓄量㊁最大拦蓄量均以乔木林最高㊁乔灌复合林及草地次之,均随分解程度增加而降低,二者分别与植被类型和分解程度呈极显著相关(p <0.01)㊂(2)土壤自然含水量㊁最大持水量㊁毛管持水量㊁最小持水量均以乔木林和乔灌复合林较大,草地较小,植被类型对土壤各持水指标影响均极显著(p <0.001)㊂(3)凋落物拦蓄量通过影响土壤容重,改善土壤质地和孔隙状况,提高土壤的水文效应㊂[结论]结合喀斯特地区植被恢复的困难性,采用乔灌植被开展植被恢复能够更好地改善凋落物及土壤水文条件,提高植被恢复效益㊂关键词:喀斯特;土壤物理性质;凋落物持水特征中图分类号:S 715 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2024)01-0241-09L i t t e r a n dS o i lH y d r o l o g i c a l E f f e c t s o fT y p i c a lV e ge t a t i o n T y pe s i nK a r s tM o u n t a i n s Z h a oM i n 1,2,3,D a iQ u a n h o u 1,3,Y a nY o u j i n 1,2,3,Y a oY i w e n 1,2,3,D i n g P e n g w e i 1,2,3,Z h o uH o n g1,2,3(1.C o l l e g e o f F o r e s t r y ,G u i z h o uU n i v e r s i t y ,G u i y a n g 550025,C h i n a ;2.K e y L a b o r a t o r y o fK a r s tG e o r e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t ,m i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,G u i z h o uU n i v e r s i t y ,G u i y a n g 50025,C h i n a ;3.S o i lE r o s i o na n dE c o l o g i c a lR e s t o r a t i o nR e s e a r c hC e n t e r ,G u i z h o uU n i v e r s i t y ,G u i y a n g 550025,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t o s t u d y t h e l i t t e r a n d s o i l h y d r o l o g i c a l e f f e c t s o f t y p i c a l v e ge -t a t i o n t y p e s i nk a r s tm o u n t a i na r e a sf o r v eg e t a t i o n r e s t o r a t i o n i n thi s a r e a .[M e t h o d s ]T h i s s t u d y co m b i n e d f i e l d i n v e s t i g a t i o n a n d i n d o o r a n a l y s i s ,f i v e t y p i c a l v e g e t a t i o n t y p e s i n c l u d i n g k a r s tm o u n t a i n g r a s s l a n d ,g r a s s s h r u b c o m p l e x ,s h r u b ,a r b o r s h r u b c o m p l e xa n da r b o r f o r e s tw e r e s e l e c t e d t oe x p l o r e t h e c h a r a c t e r i s t i c so f l i t t e r a n d s o i l h y d r o l o g i c a l e f f e c t su n d e rd i f f e r e n tv e g e t a t i o nt y p e s .[R e s u l t s ](1)T h e l i t t e rv o l u m eo f t h e f i v e t y p i c a l v e g e t a t i o n t y p e sw e r e3.57t /h m 2i na r b o r s h r u bc o m p o s i t e f o r e s t ,3.00t /h m 2i na r b o r f o r e s t ,2.18t /h m 2i n g r a s s s h r u bc o m p o s i t e f o r e s t ),1.94t /h m 2i ns h r u b ,1.8t /h m 2i n g r a s s l a n d .T h ev e ge t a t i o n t y p e a n d t h ed e c o m p o s i t i o nd e g r e eof l i t t e rw e r es ig n i f i c a n t l y c o r r e l a t e dw i t hth e li t t e rv o l u m e (p <0.01).T h e e f f e c t i v ei n t e r c e p t i o na m o u n ta n d m a x i m u mi n t e r c e p t i o na m o u n to f l i t t e r w e r et h eh i gh e s t i na r b o r f o r e s t ,t h e s e c o n d i na r b o rs h r u bc o m po s i t e f o r e s t a n d g r a s s l a n d ,a n db o t hd e c r e a s e d w i t ht h e i n c r e a s eo f d e c o m p o s i t i o nd e g r e e ,w h i c h w e r es i g n i f i c a n t l y c o r r e l a t e d w i t hv e g e t a t i o nt y p ea n dd e c o m p o s i t i o nd e gr e e ,r e s p e c t i v e l y(p<0.01).(2)T h en a t u r a lw a t e rc o n t e n t,m a x i m u m w a t e rh o l d i n g c a p a c i t y,c a p i l l a r y w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y a n d m i n i m u m w a t e rh o l d i n g c a p a c i t y o fs o i lw e r eh i g h e r i na r b o r f o r e s ta n da r b o rs h r u b c o m p o s i t e f o r e s t,a n ds m a l l e r i n g r a s s l a n d.T h ev e g e t a t i o nt y p eh a dav e r y s i g n i f i c a n t i m p a c to ne a c hs o i l w a t e r h o l d i n g i n d e x(p=0).(3)L i t t e r h o l d i n g c a p a c i t y c o u l d i m p r o v e s o i l t e x t u r e a n d p o r o s i t y b y a f f e c t i n g s o i l b u l kd e n s i t y,a n d i m p r o v e s o i l h y d r o l o g i c a l e f f e c t.[C o n c l u s i o n]C o m b i n e dw i t h t h e d i f f i c u l t y o f v e g e t a-t i o n r e s t o r a t i o n i nk a r s ta r e a,t h eu s eo fa r b o ra n ds h r u bv e g e t a t i o nf o rv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o nc a nb e t t e r i m p r o v e t h eh y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n s o f l i t t e r a n d s o i l,a n d i m p r o v e t h eb e n e f i t s o f v e g e t a t i o n r e s t o r a t i o n. K e y w o r d s:k a r s t;p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f s o i l;w a t e r h o l d i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f l i t t e r喀斯特地区是我国四大生态脆弱地区之一[1]㊂由于长期以来的植被破坏导致的石漠化使当地的生态环境问题愈发严重㊂故开展植被恢复,遏制和治理石漠化成为该地区各项工作的重中之重㊂地处亚热带的西南喀斯特地区降水资源丰富,但出于该地区独特的地上地下二元水文结构使得降雨到达地表后快速渗入地下岩溶管道,从而导致了地表土壤常处于干燥状态,难以为植物生长提供足够的水分,从而限制了植被恢复[2-3]㊂解决喀斯特工程性缺水限制植被恢复的问题,是该地区开展石漠化治理和生态修复亟待解决的问题㊂凋落物层是补充土壤有机质的 仓库 ,同时影响着生态系统的水源涵养和物种多样性[4-5]㊂一方面,凋落物层作为林下水源涵养主体的第二层,可截留超过林冠层2~3倍的降水量[6]㊂截留降水的同时防止雨滴溅蚀,保护表土结构的完整,较大程度上抑制地表径流的产生和下层土壤水分蒸发㊂另一方面,凋落物分解产生的有机酸和腐殖质影响着土壤蓄水及入渗能力,增加土壤疏松程度和孔隙度,进而改善整个森林生态系统的水文循环[7-8]㊂而土壤层作为森林生态系统的 蓄水库 ,在森林生态系统水文循环过程中利用其特有的毛管孔隙结构促进降水及径流的下渗㊂植被作为森林中不可或缺的重要组成部分,其通过在林下形成不同的植被类型影响凋落物现存蓄积量㊁分解速率和拦蓄特征,影响凋落物层覆盖下土壤层持水特征,从而改变坡地水文过程㊂已有研究表明随着植被恢复,植被类型随之改变,凋落物覆盖率增加和土壤各理化性质逐渐优化,为植被恢复向着良性循环发展作出了有效贡献,现已经成为调控森林水文循环的关键环节[9-10]㊂且不同方式的植被恢复能在不同程度上改善喀斯特地区凋落物和土壤水文特征已经得到相关学者证实㊂周秋文[11]研究发现,在喀斯特地区种植持水效应更好的树种,可提升凋落物的水文效应㊂刘玉国等[12]通过对喀斯特森林凋落物水文作用的研究,认为随凋落物厚度增加,土壤水分蒸散速度减低㊂彭玉华等[13]通过研究桂西南喀斯特山地凋落物,发现进行适宜且有效的林分改造,可增强土壤拦蓄能力㊂前人的研究均证实了植被类型会引发凋落物以及土壤差异,但对可能引起的水文效应差异尚不可知㊂且大多仅以凋落物或土壤为对象研究其持水性能,从喀斯特典型植被类型出发,研究凋落物和土壤水文效应及二者互作特征的鲜有㊂同时,针对喀斯特山地凋落物持水特性的研究,大多将林下凋落物视为一个整体开展,而不同分解程度凋落物的水文效应尚缺乏研究㊂针对现有的不足,本研究以黔中典型喀斯特山地为研究区,探究5种典型植被类型不同分解程度凋落物蓄积和持水特征以及土壤物理和持水特征,同时分析二者的相关性,以期为喀斯特地区森林水文作用的改善以及植被恢复提供理论依据㊂1材料与方法1.1研究区概况研究于2021年6月 7月在贵阳市花溪区芦荻村(26ʎ26'25ᵡ 26ʎ26'40ᵡN,106ʎ34'6ᵡ 106ʎ34'23ᵡE)进行样地的调查和样品选取,研究区为典型的喀斯特地质地貌,亚热带季风湿润温和型气候,年均温16.4ħ,年总积温5984ħ,年日照时数1344.9h,无霜期约为296d,年平均降雨量1216mm,全年平均相对湿度在75%㊂土壤以碳酸盐发育成的石灰土为主㊂研究区主要的植被类型为草地㊁灌丛㊁草灌复合丛㊁乔灌复合林㊁以及乔木林㊂1.2样地设置与样品采集本研究以研究区的5种主要植被类型为研究对象,每一植被类型分别布设3个20mˑ20m的样地㊂各样地间除了植被类型不同,其余环境条件基本相似,样地基本情况如表1所示㊂在每个样地内采用 五点采样法 选取5个1mˑ1m的小样方,样方内按不同分解程度采集凋落物,共计采集225个凋落物样㊂凋落物野外采集完立即使用精度为0.01g的可携带式天平称其鲜重,用于计算凋落物含水量以及蓄积量㊂凋落物分成两部分,一部分用于持水特征测242水土保持研究第31卷定,一部分用蓄积量测定㊂同时在凋落物采集完的样方内采集0 30c m 土层的环刀土样用于测定土壤物理性质㊂每个土层深度为10c m ,在每个土层中用100c m 3环刀采集原状土3个,共计675个原状土样㊂表1 样地基本情况T a b l e 1 Ab a s i c o v e r v i e wo f s a m pl e p l o t 植被类型坡度/(ʎ)海拔/m 坡向植被特征优势种草地30~401206NW群落层次单一,由草本组成,无或少量灌木,高1m 左右,盖度高达90%以上,伴随少量带刺灌木,凋落物厚度3~5c m白茅㊁茅莓㊁蓬草草灌复合丛30~401182NW群落层次一层,由草本和灌木共同组成,盖度达90%以上,草本占其中60%左右,主要以茅草为主,有少量藤刺,群落下覆盖有3~5c m 枯枝落叶层马桑㊁铁仔㊁白茅㊁茅莓灌丛30~401184NW林分垂直结构单一,主要以灌木层为主,有或无少量乔木,灌木层覆盖率达70%以上,灌木层高1.5~2m ,有少数藤刺,群落下覆盖有3~5c m 左右凋落物层马桑㊁茅莓㊁皱叶荚蒾㊁插田泡乔灌复合林30~401214NW林分层次结构分化,高3~12m ,木本植物盖度达80%以上,林下草本覆盖度较低,混交少量马尾松,林下覆盖的枯枝落叶层厚3~7c m有齿鞘柄木㊁泡桐㊁青冈乔木林40~501222NW林分层次分化明显,乔木层㊁灌木层比较发达,乔木层高10~20m ,覆盖率高达80%,灌木层占10%~20%,群落中有少量基岩出露,附生石生苔藓,林下覆盖有3~6c m 枯枝落叶层青冈㊁朴树㊁杨树㊁樟注:白茅(I m p e r a t a c y l i n d r i c a )㊁蓬草(C o n y z a c a n a d e n s i s )㊁茅莓(R u b u s p a r v i f o l i u s )㊁马桑(C o r i a r i a n e p a l e n s i s )㊁铁仔(M y r s i n e a f r i c a n a )㊁皱叶荚蒾(V i b u r n u mr h y t i d o p h y l l u m )㊁插田泡(R u b u s c o r e a n u s )㊁有齿鞘柄木(T o r i c e l l i a a n g u l a t a )㊁泡桐(P a u l o w n i a )㊁樟(C i n n a m o m u mc a m p h o r a )㊁杨树(P o pu l u s )㊁青冈(Q u e r c u s g l a u c a )㊁朴树(C e l t i s s i n e n s i s )㊂1.3 测定方法采用称重法获取凋落物的蓄积量(A )㊁自然含水率(R 0)㊂另外采用浸泡法测定凋落物的持水量,记录持水量(M ),同时计算最大拦蓄量(L m a x )㊁最大持水率(W m a x )㊁有效拦蓄量(L E )㊂各指标计算公式如下:A =W D /1/100R 0=(W 0-W D )/W DW m a x =(W 24-W D )/W D L m a x =(W m a x -R 0)ˑA L E =(0.85ˑW m a x -R 0)ˑA 式中:A 为枯落物单位面积蓄积量(t /h m 2);W D 为枯落物干重(g );W 0为枯落物鲜重(g );R 0为自然含水率(%);W 24为枯落物持水24h 后的重量(g );0.85为有效拦蓄系数㊂土壤持水特征指标包括容重(B D )㊁自然含水量(C n )㊁毛管持水量(C m )㊁最大持水量(C m a x )㊁最小持水量(C m i n )㊁非毛管孔隙度(G n m )㊁毛管孔隙度(G m )㊁总孔隙度(G z ),均使用环刀法进行测定,将野外采样回来的环刀立即置于水中浸泡12h ,称重计算得C m a x ,然后放置在石英砂沙盘中2h 称重计算得C m ,继续浸水24h 得C m i n ,最后将环刀土置于105ħ恒温烘箱中烘干至恒重得B D ,C n ,G n m 以及G m ,G n m 和G m 之和即为G z ㊂各指标计算公式如下:B D=(G -G 0)/100C n =(M -G )/(M -G 0)C m =(G 2h -G )/G C m a x =(G 12h -G )/G C m i n =(G 24h -G)/G G n m =(C m a x -C m )ˑB D G m =C m ˑB DG z =G m +G n m式中:G 为烘干后环刀及土重(g );M 烘干前环刀及土样质量;100为环刀体积100c m 3;G 0为环刀重(g );G 2h 为环刀放置沙盘2h 重(g );G 12h 为环刀浸水12h 重(g );G 24h 为环刀放置沙盘24h 重(g )㊂1.4 数据处理采用E x c e l 2016对试验数据进行初步统计分析,S P S S21.0对数据进行平均值以及标准差的计算,P e a r s o n 相关性分析,邓肯多重比较,双重显著性分析㊂利用S t a t i s t i c a 10.0进行广义线性分析㊂利用O r i gi n2021进行图表的绘制㊂2 结果与分析2.1 不同植被类型凋落物水文效应2.1.1 不同植被类型凋落物蓄积量 方差分析结果表明植被类型和分解程度对凋落物蓄积量均有极显342第1期 赵敏等:喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应著影响(p<0.01),而植被类型和分解程度的交互作用对凋落物蓄积量的影响相对较弱(表2)㊂由图1A 可知,5种植被类型凋落物蓄积量大小为乔灌复合林>乔木林>草灌复合丛>灌丛>草地㊂乔灌复合林的总蓄积量最大为3.57t/h m2,而草地的总蓄积量最小为1.80t/h m2㊂由此可以看出,凋落物蓄积量大小与植被类型差异相关,且群落组成越复杂,植株分布密度越高,蓄积量随之越大,反之越小㊂由图1B 可知,不同植被类型凋落物未分解层㊁半分解层以及全分解层蓄积量,各层所占比例也有所不同,总体而言,5种植被类型凋落物均以全分解层蓄积量占比最大,除草灌复合丛㊁乔灌复合林外,其余植被类型均以半分解层蓄积量占比最小㊂2.1.2不同植被类型凋落物持水特征方差分析表明凋落物最大含水率受植被类型以及分解程度显著影响(p<0.01),最大拦蓄量仅受植被类型显著影响(p<0.01),有效拦蓄量则仅受分解程度显著影响(p <0.01)(表3)㊂如图2所示,5种类型植被最大含水率㊁最大拦蓄量㊁有效拦蓄量均呈现出随分解程度增大而变小的趋势㊂不同植被类型凋落物之间持水性能均存在差异,最大含水率表现为草地(314.10%)>草灌复合丛(252.56%)>乔灌复合林(236.29%)>灌丛(222.86%)>乔木林(207.38%);最大拦蓄量和有效拦蓄量变化规律类似,均表现为乔木林(1.22t/h m2,0.96 t/h m2)>草地(1.17t/h m2,0.94t/h m2)ȡ乔灌复合林(1.17t/h m2,0.80t/h m2)>草灌复合丛(0.96t/h m2,0.73 t/h m2)>灌丛(0.81t/h m2,0.62t/h m2)㊂表2基于方差分析的植被类型和分解程度对凋落物蓄积量和持水特性的显著性T a b l e2T w o-f a c t o rA N O V A s o f v e g e t a t i o n t y p e,s o i ld e p t ha n d t h e i r i n t e r a c t o r o nL i t t e r v o l u m e a n dw a t e r h o l d i n g c h a r a c t e r i s t i c s变量源F S i g.蓄积量植被类型5.2250.003分解程度8.6550.001交互1.4850.204最大持水率植被类型4.360.007分解程度41.440交互1.530.187最大拦蓄量植被类型25.400分解程度1.320.265交互0.610.765有效拦蓄量植被类型1.090.380分解程度32.420交互0.530.827注:不同大写字母表示在不同植被类型上差异显著(p<0.05);不同小写字母表示在不同分解程度上差异显著(p<0.05)㊂图1不同植被类型下凋落物蓄积量F i g.1L i t t e r v o l u m e o f d i f f e r e n t v e g e t a t i o n t y p e s注:图中不同大写字母同一植被型,不同分解程度上差异显著(p<0.05);不同小写字母表示同分解程度,不同植被类型差异显著(p<0.05)㊂图2不同植被类型凋落物持水性能F i g.2W a t e r h o l d i n g c a p a c i t y o f l i t t e r i nd i f f e r e n t v e g e t a t i o n t y p e s442水土保持研究第31卷2.2不同植被类型土壤水文效应2.2.1不同植被类型土壤物理特征图3表明:土壤容重表现为草地>草灌复合丛>灌丛>乔灌复合林>乔木林,总孔隙度整体表现为乔木林>乔灌复合林>灌丛>草灌复合丛>草地,其中乔木林的总孔隙度为57%,是最小草地的1.14倍㊂同时乔木林的毛管孔隙度也显著大于其他植被类型(p<0.05),为51%,占总孔隙度的89%㊂非毛管孔隙度也呈现同样规律,乔木林非毛管孔隙度显著大于其他植被类型,草地显著小于其他植被类型㊂注:图中不同小写字母表示不同植被类型间差异显著(p<0.05)㊂图3土壤物理特性箱型图F i g.3S o i l p h y s i c a l p r o p e r t i e s2.2.2不同植被类型土壤持水特征植被类型和土层深度对土壤各持水性能的影响进行方差分析,结果表明不同植被类型对土壤各持水指标均产生极显著影响(p=0)(表3)㊂由图4可以看出,乔木林表层土壤自然含水量和最小含水率显著高于其他植被类型(p<0.05),其平均值达到45.01%,53.12%,分别是草地表层土壤的1.22倍㊁1.34倍㊂毛管持水量和最大持水量呈现出相同规律,均表现为乔木林和乔灌复合林大于草灌复合丛以及灌丛,显著大于草地(p<0.05)㊂综上,5种植被类型中以乔木林土壤各物理性质以及持水性能最优,草地土壤最差㊂且这一结果与凋落物蓄积量呈现出类似规律,可见植被类型差异对凋落物层以及土壤层作用水文效应均有一定影响㊂2.3凋落物及土壤持水特性相关性分析相关性分析结果可见,土壤最大持水量㊁最小持水量和毛管持水量与土壤容重存在显著的负相关关系,与孔隙特性以及凋落物的有效拦蓄量㊁最大拦蓄量均存在显著的正相关关系㊂其中,土壤最大持水量㊁最小持水量和毛管持水量与土壤孔隙指标的相关性较高㊂表明土壤持水性能主要受到土壤孔隙特性的影响㊂此外,土壤孔隙特性主要与土壤容重存在显著的负相关关系,其与凋落物拦蓄特性相关性不明显,而土壤容重则显著的受到凋落物有效拦蓄量㊁最大拦蓄量的显著的削弱作用㊂可见,植物的凋落物对土壤持水性的影响是通过其有效拦蓄量和最大拦蓄量降低土壤容重,改善土壤孔隙特性,进而提高土壤的持水性㊂表3基于方差分析的植被类型和土层深度对土壤持水特性的显著性T a b l e3T w o-f a c t o rA N O V A s o f v e g e t a t i o n t y p e,s o i ld e p t ha n d t h e i r i n t e r a c t o r o n s o i l w a t e rr e t e n t i o n c h a r a c t e r i s t i c s变量源F S i g.自然含水量植被类型14.020土层深度0.540.588交互0.550.808毛管持水量植被类型42.110土层深度1.270.295交互1.100.393最小持水量植被类型7.1760土层深度4.6010.018交互0.9350.503最大持水量植被类型26.670土层深度3.700.37交互2.330.44542第1期赵敏等:喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应642水土保持研究第31卷注:图中不同小写字母表示不同植被类型间差异显著(p<0.05)㊂图4土壤持水特性箱型图F i g.4T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l w a t e r r e t e n t i o n注:椭圆右倾表示正相关,左倾表示负相关,p<0.05㊂图5土壤持水性能相关性分析F i g.5C o r r e l a t i o na n a l y s i s o f s o i l w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y3讨论3.1植被类型对凋落物水文效应的影响林下凋落物蓄积量是植被器官死亡凋落和分解动态平衡的结果,受植被自身性质㊁分解速率㊁人为活动㊁林木类型等多方面因素影响[14-15],但植被类型仍是制约凋落物蓄积量的首要因子[16-17],这是由于不同类型植被在叶面积指数㊁凋落物厚度㊁林木密度等方面存在差异[18]㊂本研究比较了5种喀斯特地区不同植被类型凋落物的蓄积量,结果表明植被类型和凋落物分解程度均对蓄积量影响显著(表2),乔灌复合林㊁乔木林凋落物的蓄积量明显大于其他类型凋落物,这可能是由于乔木凋落物大部分为面积较大落叶和较粗枝干,同时乔木林㊁乔灌复合林的生态系统相较更为成熟,养分输入量更大且循环过程更完整[19],致使凋落物输入量更大㊂同时研究结果表明不同分解程度凋落物蓄积量占比也不一样,本研究结果5种植被凋落物均以全分解层占比最大,可能是因为全分解层受土壤以及上层凋落物分解输入的影响,同时全分解层破碎度以及组成结构更为复杂㊂本研究结果进一步论证了蓄积量会因植被类型以及凋落物分解程度不同而受到影响㊂凋落物持水特征是评价森林水文效应的重要指标,常用有效拦蓄量来表示凋落物对雨水的实际拦截能力,最大含水率表征凋落物对雨水的最大拦截吸收能力[20]㊂本研究结果表明草地最大持水率最高,乔木林最低,但最大含水率是通过室内浸泡试验得出的理想持水指标,野外条件下,凋落物对雨水截留能力会受到其自身自然含水量以及蓄积量等因素的影响[15,21]㊂有效拦蓄量由凋落物蓄积量㊁自然含水量和最大含水率综合推算而成[22],其结果可反映凋落物的持水能力,结果显示5种植被类型有效拦蓄量最大为乔木林(0.96t/ h m2),其次为草地(0.94t/h m2),这与前人研究结果一致[18,23],通过两指标的对比分析,自然含水量以及蓄积量等在较大程度上制约草地植被持水能力,这极可能与研究区草地植被优势种以叶面积指数较大的禾本科为主,王盛琦[24]对沙地枯落物研究也表明禾本科植被扣除自身含水率,其持水潜力以及拦蓄能力均大于乔灌木㊂同时本研究结果显示最大含水率以及有效拦蓄量均随分解程度增大而减小,主要是因为随着分解程度的增加,枯枝落叶破碎程度加大组成更加复杂,结构逐渐紧密间隙变小,凋落物部分或已腐烂变质[24],从而吸水能力减弱㊂3.2植被类型对土壤水文效应的影响持水性能反映土壤对微生物活动以及酶促作用进行的支撑能力[25],对土壤肥力改善起到至关重要的影响,同时土壤持水是林地水源涵养的主体[26]㊂其中最大持水量是土壤含蓄水分的最大体现,反映土壤的蓄水能力㊂本研究中土壤最大含水量的最大值出现在乔木林以及乔灌复合林,说明这两种植被类型林分对于较大降水的截留和含蓄能力较优秀㊂毛管持水量反映土壤对外源水分输入调节和涵养的能力,关系到森林对降水储存能力,同时毛管孔隙中持有全部毛管水和少量膜状水,是可以全部为植物根系吸收利用以及土壤蒸腾作用的水分,对于植株生长和森林水分循环具有重要的生态学意义㊂本研究中的乔木林和乔灌复合林毛管持水量较草地植被而言,体现出绝对的优势,分析其原因可能一方面是因为乔木林植被凋落物蓄积量更大,更易在森林内形成防止雨滴溅蚀以及径流冲刷的缓冲层,创造土壤毛管孔隙形成的有利条件,另一方面可能是因为研究区中乔灌植被根系多为可在土壤中穿插纵横的粗根,具有较高的密度,而草地植被多为密度较小的浅根,不利于毛管孔隙的形成[27]㊂综上可知,群落物种组成较简单㊁植被盖度较低和地上生物量的较小草地和草灌复合丛土壤体现出了较差的水源涵养能力,而植被种类组成丰富,空间组成结构更复杂的乔灌复合林以及乔木林在土壤水源涵养能力上则表现出了明显优势㊂方差分析结果(表3)进一步说明科学调整植被类型,进行合理的植被恢复,可使土壤持水性能得到较大改善㊂土壤持水性能受到土壤疏松程度㊁孔隙状况等多方面因素影响,明确不同因素对土壤持水性能改善的能力,可为土壤水源涵养效应的改善和调节提供依据㊂土壤容重㊁孔隙度通过影响土壤的通气和蓄水性能,是与林下土壤水源涵养以及导水能力的相关性较强的重要指标[28]㊂容重表征土壤紧实度,土壤容重越小说明更加疏松,其保水保肥能力更强,反之则表明土壤质地越紧实,蓄水储肥空间越小㊂孔隙度状况反映着土壤的透气和持水性,同时也是土壤蓄水能力的决定性因子㊂相关分析结果表明,土壤持水性能与容重㊁孔隙度呈现显著相关关系,这与李鹏等[29]的研究结果一致㊂有研究认为较好的土壤孔隙特征和较为疏松的土壤质地是土壤水运移的有利条件,同时也可有效抑制土壤水分蒸散并增加对地下水的补给[30]㊂凋落物覆盖在土壤表层,形成粗糙度较高㊁对径流拦截吸收量较大的土表保护层,相关研究表明凋落物的输入可显著改善土壤水文效应[29,31],本研究中凋落物拦蓄量与土壤持水性能显著相关性佐证了这一点(图5)㊂综上,说明改善林分结构,增加物种多样性,通过增加土壤疏松孔隙状况以及增加凋落物拦蓄状况,可提升喀斯特地区林分土壤对水分的储蓄能力㊂本文从不同植被类型出发研究了凋落物以及土壤的水源涵养效应,探究了凋落物对土壤持水性能的742第1期赵敏等:喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应影响,综合而言乔木林以及乔灌复合林土壤及凋落物水文涵养能相对较优,但由于喀斯特地区特殊的地质生态环境,直接选择乔木林为植被恢复模式可行性不高,为尽可能提高生态修复效益,可以乔灌复合型植被为该地区首要的植被恢复类型㊂4结论(1)乔木林以及乔灌复合林凋落物具有较大的蓄积量,乔木林持水性能更佳,在森林生态中将发挥较好的水文效应㊂(2)乔木林以及乔灌复合林土壤物理性质以及对水分的涵蓄能力更佳㊂(3)土壤物理及持水性能与凋落物拦蓄特征显著相关㊂凋落物通过降低土壤容重,改善土壤质地以及孔隙状况,对土壤持水性能产生影响㊂参考文献:[1]刘淑娟,张伟,王克林,等.桂西北喀斯特峰丛洼地土壤物理性质的时空分异及成因[J].应用生态学报,2010,21(9):2249-2256.L 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第37卷第5期2023年10月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .5O c t .,2023收稿日期:2023-02-09资助项目:国家自然科学基金重点项目(41730748) 第一作者:张思琪(1997 ),女,博士研究生,主要从事喀斯特坡面土壤侵蚀研究㊂E -m a i l :z z h a n g s i q i @m a i l .b n u .e d u .c n 通信作者:张科利(1962 ),男,教授,博士生导师,主要从事土壤侵蚀研究㊂E -m a i l :k e l i @b n u .e d u .c n喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响张思琪,张科利,马芊红(北京师范大学地理科学学部,北京100875)摘要:西南喀斯特地区普遍发育的生物结皮,对土壤侵蚀有显著的抑制作用㊂以贵州喀斯特坡面不同退耕年限地块(0,3,5,8,11年)生物结皮为研究对象,对不同流量水平(0.2,0.3,0.4,0.5L /s )和坡度(5ʎ,12ʎ,17ʎ,23ʎ)条件下生物结皮对土壤抗蚀性能的影响机制进行研究㊂结果表明:(1)生物结皮发育能够促进土壤颗粒胶结,增强土壤团聚体稳定性,改善土壤结构,提高土壤持水和透水能力㊂(2)生物结皮发育可增强土壤抗崩解和抗剪切能力,与去除结皮处理相比,结皮存在时的土壤抗崩解和抗剪切能力分别提高24.83%~46.62%和25.77%~37.73%㊂(3)发育年限内(3~11年)结皮层抗拉力变化范围为1.95~5.76N ,随着生物结皮发育年限增加,结皮层结构越趋稳定,其抵抗破坏的能力也越强㊂(4)生物结皮可明显提高土壤抗冲性能,且受流量和坡度的双重制约,流量和坡度都存在临界值,分别为0.4L /s 和17ʎ,超过临界值后,其保护作用显著减弱㊂研究结果对于喀斯特地区准确估算土壤流失和生态恢复建设正确评价具有重要意义㊂关键词:喀斯特;生物结皮;土壤抗蚀性;抗崩解;抗剪切力中图分类号:S 157.1 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)05-0064-07D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.05.008E f f e c t s o fB i o l o g i c a l S o i l C r u s t sD e v e l o pm e n t o n S o i lA n t i -e r o d i b i l i t y o nK a r s t S l o pe Z H A N GS i q i ,Z H A N G K e l i ,MA Q i a n h o n g(F a c u l t y o f G e o g r a p h i c a lS c i e n c e ,B e i j i n g N o r m a lU n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100875)A b s t r a c t :B i o l o g i c a l s o i l c r u s t s (b i o c r u s t s ),w h i c hd e v e l o p c o mm o n l y i nt h es o u t h w e s t e r nk a r s tr e gi o n s ,h a v e a s i g n i f i c a n t e f f e c to nr e d u c i n g s o i l e r o s i o n .T oe x p l o r e t h ee f f e c to fb i o c r u s t so ns o i l a n t i -e r o d i b i l i t y ,b i o c r u s t sw i t hd i f f e r e n t r e h a b i l i t a t i o na g e s (0,3,5,8,11a )w e r e s t u d i e do nak a r s t h i l l s l o pe i nG u i z h o u ,a n dd if f e r e n t l e v e l s o f f l o wd i s c h a rg e (0.2,0.3,0.4,0.5L /s )a n ds l o p e g r a d i e n t s (5ʎ,12ʎ,17ʎ,23ʎ)w e r e d e s i g n e d .Th e r e s u l t ss h o w e dt h a t :(1)Bi o c r u s t so nk a r s th i l l s l o p e sc o u l d p r o m o t es o i l p a r t i c l e sc e m e n t a t i o n ,s t r e n g t h e ns o i la g g r e g a t es t a b i l i t y ,i m p r o v es o i ls t r u c t u r e ,a n de n h a n c es o i lw a t e rh o l d i n g c a p a c i t y a n d p e r m e a b i l i t y .(2)T h eb i o c r u s t s g r e a t l y e n h a n c e dt h ea n t i -d i s i n t e g r a t i o na n da n t i -s h e a rs t r e n gt h o fs o i l .C o m p a r e dw i t h t h e t r e a t m e n t o f r e m o v i n g b i o c r u s t s ,t h e s o i l s a n t i -d i s i n t e g r a t i o n a n d a n t i -s h e a r s t r e n g t ho f t h e t r e a t m e n to fr e t a i n e db i o c r u s t s i n c r e a s e db y 24.83%~46.62%a n d25.77%~37.73%,r e s p e c t i v e l y .(3)T h e t e n s i l e s t r e n g t ho f t h eb i o c r u s t l a y e r r a n g e d f r o m1.95t o 5.76Nd u r i n g t h e r e h a b i l i t a t i o n a ge s (3~11a ).A s t h e d e v e l o p m e n t a g e of b i o c r u s t s i n c r e a s e d ,t h e s t r u c t u r e o f t h e b i o c r u s t l a y e r b e c a m em o r e s t a b l e ,a n d i t s a b i l i t y t o r e s i s t d a m ag eb e c a m e s t r o n g e r .(4)Th ebi o c r u s t s c o u l da l s os i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e s o i l a n t i -s c o u r c a p a c i t y ,w h i c h w a sr e g u l a t e db y f l o w d i s c h a r g ea n ds l o p e g r a d i e n t .T h ec r i t i c a lv a l u ef o r f l o w d i s c h a r g ea n ds l o p e g r a d i e n t w a s0.4L /sa n d17ʎ,r e s p e c t i v e l y ,b e yo n d w h i c ht h e p r o t e c t i v ee f f e c to f b i o c r u s t sw a s s i g n i f i c a n t l y w e a k e n e d .T h e s e r e s u l t sw e r eo f g r e a t s i g n i f i c a n c e f o r a c c u r a t e l y e s t i m a t i n g s o i l e r o s i o na n d c o r r e c t l y e v a l u a t i n g e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n c o n s t r u c t i o n i nk a r s t r e gi o n s .K e yw o r d s :k a r s t ;b i o l o g i c a l s o i l c r u s t s ;s o i l a n t i -e r o d i b i l i t y ;a n t i -d i s i n t e g r a t i o n ;a n t i -s h e a r s t r e n g t h Copyright ©博看网. All Rights Reserved.生物土壤结皮是指由细菌㊁真菌㊁蓝绿藻㊁地衣和苔藓植物与土壤形成的有机复合体[1]㊂作为生态系统恢复与重建的拓殖先锋,生物结皮广泛发育于各种退化生态系统,是近地表系统的重要组成成分,对区域生态水文和侵蚀过程具有重要影响[2-3]㊂20世纪80年代,国内学者开始在西北干旱区和半干旱区开展大量生物结皮对土壤抗蚀性影响的研究表明,生物结皮发育对土壤抗蚀性的影响表现为内外双重机制㊂内在机制主要表现为生物结皮发育对土壤理化性质的影响㊂有研究[4-5]表明,生物结皮发育可以增加土壤团聚体稳定性和有机质含量,改善土壤结构和渗透性能[6],提高土壤抗剪切强度[7]㊂外在机制则主要表现为生物结皮覆盖能够有效削减降雨动能,改变地表微地形,降低雨滴击溅侵蚀和径流冲刷强度[8-9]㊂值得关注的是,近年来国家大力推进 退耕还林 石漠化生态治理工程的实施,加上喀斯特地区良好的水热条件,生物结皮广泛发育于各类岩溶生境中[10]㊂生物结皮的存在不仅可以抑制土壤侵蚀强度,而且也增加喀斯特地区土壤侵蚀量估算的不确定性㊂尽管在喀斯特地区,已有很多生物结皮相关的研究证实生物结皮发育有效降低喀斯特石漠化地区土壤p H,改善土壤养分状况,提高土壤有机质含量[11-12],增强土壤抗蚀能力[13-15],提升土地承载能力[16]㊂然而,生物结皮对土壤抗蚀性能的影响研究还比较缺乏,对喀斯特地区生物结皮抗蚀性能的机理尚不明确㊂本文选择贵州典型喀斯特坡面生物结皮为研究对象,通过野外采样㊁冲刷试验㊁室内静水崩解试验及土壤性质测定,探究喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响,研究结论对于喀斯特地区科学估算土壤流失和生态恢复建设具有重要意义㊂1材料与方法1.1研究区概况研究区位于贵州省遵义市浒洋水小流域(106ʎ39'59ᵡE,27ʎ36'20ᵡN)㊂气候类型为中亚热带湿润季风气候,年平均气温14.6ħ,年平均降水量1024 mm,主要集中在5 9月,约占全年降水的67%,年均相对湿度约82%㊂地貌类型属喀斯特高原地貌类型区,平均海拔为900~1050m,土壤类型为黄壤,结皮类型以苔藓结皮为主,其平均盖度约为30%㊂主要植被类型包括白茅(I m p e r a t a c y l i n d r i c a)㊁马兰(K a l i m e r i s i n d i c a)㊁飞蓬(E r i g e r o na c r i s)和鬼针(B i d e n s p i l o s a)等㊂1.2研究方法1.2.1样品采集与土壤性质测定在前期调研的基础上,于2022年5 7月在贵州省遵义市浒洋水小流域研究坡面选取4个不同退耕年限(3,5,8,11年)样地以种植玉米的耕地为对照,在每个退耕地块内随机设置3个调查样方,样方大小为25c mˑ25c m,调查地上植被及地表结皮发育状况(表1)㊂每个样方内用钢尺随机揭起小块的生物结皮,借助游标卡尺测定结皮厚度,此过程重复5次,以调查样方内生物结皮出现的次数占总调查数的百分比作为结皮盖度㊂使用十字板剪切力仪测定土壤抗剪强度㊂测定前,先用喷壶对采样点进行湿润,使其达到饱和含水量㊂每个调查样方先测定保留结皮时0 5c m的土壤抗剪切力,去除结皮后再次测定,每种处理测定5次重复㊂结皮层抗拉力使用数显拉力计进行测定,先将数显拉力计下方挂钩伸入结皮层,调整位置使挂钩与结皮层方向相互垂直,然后将拉力计缓缓向上提起,生物结皮层被破坏瞬间拉力计显示的读数即为结皮层抗拉力,每个样方重复测定5次㊂表1不同退耕年限地块基本概况退耕年限/a主要植被类型植被高度/c m结皮盖度/%结皮厚度/mm 0玉米150.08ʃ2.149.50ʃ2.06c1.20ʃ1.22c 3白茅㊁蒿类69.28ʃ10.5691.00ʃ4.14a8.33ʃ2.22b 5鬼针㊁蒿类56.09ʃ12.8982.33ʃ2.05b7.01ʃ3.04b 8飞蓬㊁白茅81.42ʃ19.5893.33ʃ4.71a9.37ʃ3.07b 11马兰㊁蒿类57.72ʃ6.6496.00ʃ4.32a14.68ʃ2.30a注:表中数据为平均值ʃ标准差;同列不同小写字母表示不同退耕年限地块间差异显著(p<0.05)㊂下同㊂测量结束后,用铲子在表层取5c mˑ5c mˑ5 c m大小的土样直接装入饭盒带回实验室用作崩解试样,试样设置保留结皮和去除结皮2种处理㊂去除结皮时,用铲子轻轻地移除结皮层,尽量避免对地表造成扰动㊂在每个样地按照 S 形5点采样法采集多点混合土样,带回室内风干后测定其土壤粒径组成㊁有机质含量及水稳性团聚体㊂用标准环刀采集各结皮发育年限地块表层原状土样(0 5c m),带回室内测定其土壤容重㊁孔隙度及饱和导水率,每个样地3个重复㊂为了避免植被根系的影响,试样采集及指标测定均在植株间隙进行㊂1.2.2静水崩解试验土壤崩解是指在静水状态下土壤发生破裂崩解塌落的一种现象,是发生降雨侵蚀的先决条件,可作为评价土壤抗蚀性能的重要指标之一[17]㊂静水崩解试验在采用由拉力计㊁笔记本电脑㊁电子秤㊁水桶㊁筛子(孔径10mm)等组成的自制土壤静水崩解装置上进行(图1)㊂试验前将崩解试样放置在托盘中,加入1c m左右的水使试样吸水饱和,以消除土壤含水量的差异㊂将吸水饱和的试样放置于筛子中心位置,悬挂于数显拉力计下方,然后轻轻地将筛子放入水桶中至试样上方距水面约5c m的位置㊂此时,立刻记录数显拉力计(艾德堡S H100N,精56第5期张思琪等:喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响Copyright©博看网. All Rights Reserved.度0.01N)读数,并将电子秤(精度0.01g)置零后开始计时㊂试验过程中,受水分子作用力发生崩解的土粒通过筛孔掉落到水桶中,拉力计用于记录崩解试样重力与浮力的差值变化情况,电子天平用于记录发生崩解的土样质量变化情况,试验过程中每隔3m i n读取并记录拉力计和电子秤读数,每个试样观测时长为3h ㊂图1试验过程示意1.2.3冲刷试验在遵义浒洋水小流域研究坡面开展原位冲刷试验,试验过程中对样地进行保留结皮和去除结皮2种处理㊂试验小区长2.8m㊁宽0.2m,由不锈钢板围合而成,将钢板垂直插入土中0.15m,上方距离地面0.15m,钢板连接处打上玻璃胶以保证其封闭性,在集流槽下方放置接样桶收集径流泥沙样㊂每场试验前,用喷壶均匀湿润地表至基本饱和,以保证初始土壤含水量相同㊂试验设置0.2,0.3,0.4,0.5L/s4个冲刷流量和5ʎ,12ʎ,17ʎ,23ʎ4个坡度条件㊂为了避免地形因素带来的误差,每场试验时长控制在11~13m i n㊂试验结束后,将浑水样品收集带回实验室静置24h,倒掉上清液,将沉积的泥沙转入饭盒中,在105ħ的烘箱中烘干24h,称重并计算含沙量(g/L)㊂1.3数据处理土壤团聚体稳定性通过干筛法和湿筛法进行测定,团聚体平均质量直径(m e a n w e i g h td i a m e t e r, MWD)计算公式为:MWD=ðn i=1(x iˑW j i)(1)式中:MWD为团聚体平均质量粒径(mm);x i为套筛中2个相邻筛子直径的平均值(mm);W j i为第i个筛子上团聚体的质量百分数;n为筛子编号㊂>0.25mm土壤团聚体是维持土壤架构的重要基础,其在土壤中的含量越高,则表示土壤结构越稳定[18]㊂>0.25mm团聚体结构破坏率用来表示团聚体受破坏的容易程度,计算公式为:P A D>0.25mm=>0.25mm团聚体含量(干筛-湿筛)>0.25mm团聚体含量(干筛)ˑ100%(2)生物结皮土壤抗冲系数用来表征生物结皮对土壤抗冲性的影响,是指相同坡度和流量条件下保留结皮与去除结皮处理含沙量的比值㊂计算公式为:C结皮=S保留结皮S去除结皮(3)式中:C结皮为结皮土壤抗冲系数,其值介于0~1, C结皮值越接近于0,则表明生物结皮对表层土的保护作用越好;反之,值越接近1,则表示保护效果越差㊂S保留结皮为保留结皮处理的含沙量(g/L);S去除结皮为相同条件下去除结皮处理的含沙量(g/L)㊂在E x c e l2016中进行数据整理和统计分析,在S P S S22.0中对不同退耕年限地块结皮发育状况和土壤性质指标进行单因素方差分析和D u n c a n多重比较,在O r i g i n2022软件中完成绘图㊂2结果与分析2.1不同退耕年限地块表层土壤特性与对照耕地相比,整体上退耕地块的黏粒和砂粒含量有所增大,且黏粒含量的增幅大于砂粒(图2)㊂不同退耕年限土壤黏粒含量增幅在退耕8年地块最大,其次为退耕3年地块,退耕11年地块增幅最小,可见生物结皮发育明显增加土壤黏粒含量,但这种作用并不随退耕年限的延长呈线性变化㊂退耕地块土壤容重均小于对照耕地,对照耕地和退耕11年地块间土壤容重差异显著(表2)㊂整体上随退耕年限的延长,土壤容重逐渐减小㊂退耕地块土壤水分和土壤孔隙度均大于对照耕地,随退耕年限的延长先增大后减小㊂退耕8年地块土壤水分最大,且与对照耕地差异显著㊂退耕地块土壤饱和导水率为0.95~1.06m m/m i n,均大于对照耕地的土壤饱和导水率,表明退耕后生物结皮发育可改善土壤结构,增强土壤透水能力,但这种作用随退耕年限的增66水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.加变化不显著㊂结皮发育土壤的平均质量直径变化为1.97~3.46m m,为对照耕地的1.54~2.70倍㊂除退耕5年地块外,其余退耕地块的平均质量直径均与对照耕地存在显著差异㊂退耕地块>0.25mm团聚体结构破坏率为14.08%~25.62%,均小于对照耕地的团聚体结构破坏率㊂除退耕3年地块的土壤有机质含量较高外,其余退耕地块土壤有机质含量与对照耕地差异不显著㊂上述分析表明,喀斯特坡面生物结皮发育能够促进土壤颗粒胶结,增强土壤团聚体稳定性,改善土壤结构,提高土壤持水和透水能力㊂图2不同结皮发育年限土壤粒径组成表2不同退耕年限地块表层(0-5c m)土壤性质退耕年限/a 土壤容重/(g㊃c m-3)土壤水分/%土壤孔隙度/%有机质含量/%土壤饱和导水率/(mm㊃m i n-1)平均质量直径/mm>0.25mm结构破坏率/%01.17ʃ0.08a21.83ʃ1.46c46.44ʃ3.35b1.72ʃ0.06b0.52ʃ0.26a1.28ʃ0.09b28.97ʃ3.16a31.09ʃ0.07a b24.45ʃ3.40b c50.90ʃ2.78a b2.42ʃ0.03a0.96ʃ0.82a3.25ʃ0.02a14.08ʃ0.27a51.10ʃ0.05a b27.43ʃ2.50a b53.77ʃ30.7a1.68ʃ0.02b1.06ʃ1.22a1.97ʃ0.48b25.62ʃ6.27a81.09ʃ0.06a b30.21ʃ5.02a52.24ʃ4.48a1.74ʃ0.02b1.02ʃ1.61a3.23ʃ0.47a15.93ʃ7.21a111.02ʃ0.08b27.45ʃ2.50a b50.27ʃ53.84a b1.73ʃ0.03b0.96ʃ0.53a3.34ʃ0.19a17.01ʃ4.84a 2.2生物结皮对土壤抗崩解性能的影响图3为静水崩解过程中累积崩解量随时间的变化,不同退耕年限保留结皮处理的土壤崩解速率明显小于耕地,而去除结皮时,对照耕地与退耕地块间土壤崩解速率的差值减小㊂由于在崩解试验开始前,将试样进行吸水饱和,试验过程中崩解现象发生的阶段性不明显㊂根据试验过程的观察,试样崩解的方式有2种表现:一种是在将土样放入试验水桶瞬间,土体周边部分松散的小土块快速崩解塌落,这个阶段崩解速率较大;另一种则是在静水过程中,随着水分子慢慢地侵入,土壤颗粒间的非水稳性胶结键在水分浸润作用下被削弱或断裂,此时发生部分崩解,由于这个过程需要一定的时间,因此崩解速率呈波动的变化㊂在试验过程中,发生崩解的部分主要位于土样的边角上,所有试样都只发生部分崩解㊂图3不同发育年限生物结皮原状土静水崩解过程由图4可知,对照耕地累积崩解量为7.91g,明显大于退耕地块保留结皮和去除2种处理的土壤崩解量㊂在同一退耕地块,去除结皮处理的土样崩解量明显大于保存结皮处理,说明生物结皮发育有助于增强土壤抗崩解能力,从而提高土壤抗蚀性能㊂由于退耕5年地块微生物活动频繁,土壤质地较疏松,导致该地块试样较其他退耕地块更易发生崩解㊂因此,为了消除退耕年限及微生物活动等对土壤抗崩解性能的影响,用土壤崩解量降低率表示在同一退耕地块,与去除结皮处理相比,保留结皮处理的土壤崩解量降低率㊂由图4(b)可以看出,不同退耕地块保留结皮处理较去除结皮处理土壤崩解量的降低率随退耕年限的增加而增大㊂当结皮发育年限为从3年增加到11年时,土壤崩解量变化率从24.83%增加至46.62%,说明退耕年限内生物结皮发育可减少24.83%~46.62%的土壤崩解量,特别是当发育年限达到11年时,可减少接近1/2的土壤崩解量㊂这是因为随着结皮发育年限的延长,生物结皮组成㊁结构及土壤性质等都发生变化㊂调查年限内(3~11年)生物结皮持续发育,生物量不断积累,土壤颗粒间胶结作用增强,因此其对土壤抗崩解能力的影响程度逐渐增大㊂76第5期张思琪等:喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响Copyright©博看网. All Rights Reserved.图4不同发育年限生物结皮原状土静水崩解量及其变化率2.3生物结皮对土壤抗剪切力的影响土壤抗剪强度从力学角度反映土壤的抗蚀性能,是评价土壤抵抗径流冲刷和搬运能力的重要指标之一㊂由图5可知,对照耕地表层土壤抗剪切力为29.29k P a,明显小于退耕地块去除结皮和保留结皮2种处理的土壤抗剪切力㊂在同一退耕地块,保留结皮处理的土壤抗剪切力均大于去除结皮处理㊂随着退耕年限的延长(3,5,8,11年),保留结皮处理土壤抗剪切力相比去除结皮处理分别提高32.54%,37.73%, 25.77%,27.09%,表明生物结皮发育早期(3~5年)对土壤抗剪切力的影响逐渐增强,随着退耕年限继续延长(8~11年),结皮发育对土壤抗剪强度的影响减弱并趋于平稳㊂从均值来看,去除结皮和保留结皮处理的土壤抗剪切力分别为48.58,62.01k P a,可见生物结皮发育明显提高土壤抗剪切力㊂此外,生物结皮作为保护地表免遭雨滴击溅和径流冲刷的缓冲区,其对于破坏作用的反馈至关重要㊂由图5(b)可知,随着退耕年限延长(3,5,8,11年),结皮层抗拉力分别为1.95,4.03,4.22,5.76N㊂这表明结皮发育年限越长,其发育的层状结构越稳定,抵抗外界破坏的能力越强,对地表的保护作用越好㊂土壤抗崩解与抗剪切强度是评价土壤抗蚀性能的2个重要指标,前者反映土壤抵抗水分子分解的能力,表现为土壤颗粒与水分子之间的相互作用;后者从力学角度反映土壤的抗蚀特性,是土壤颗粒间相互作用力的体现㊂从图6可以看出,退耕地块保留结皮和去除结皮2种处理的土壤崩解量与土壤抗剪切力均呈负相关关系,即随着土壤抗剪切力的增大,土样崩解量呈减小的变化趋势㊂这是由于随着土壤颗粒间凝聚力和摩擦力的增大,水分子难以侵入土壤颗粒间缝隙,破坏土粒间相互作用力的难度增大,因此土体不易发生崩解㊂图5不同结皮发育年限表层(0-5c m)土壤剪切力和结皮层抗拉力特征图6生物结皮土壤崩解量与抗剪切力的关系2.4生物结皮对土壤抗冲性能的影响从图7可以看出,生物结皮土壤抗冲系数的变化范围为0.3002~0.8627,表明生物结皮可有效提高土壤抗冲性能,但在不同的坡度和流量条件下,其变化趋势有所差异㊂在缓坡(5ʎ,12ʎ)坡面,结皮土壤抗冲系数随流量的增大呈先减小后增大的变化趋势,拐点处流量为0.4L/s;而在陡坡坡面(17ʎ,23ʎ),结皮土壤抗冲系数随流量的增大而增大,说明在陡坡条件下,结皮对地表的保护作用随流量的增大逐渐被削弱㊂当流量较小时(0.2,0.3L/s),陡坡(17ʎ,23ʎ)坡面结皮土壤抗冲系数小于缓坡(5ʎ,12ʎ)坡面;当流量增大到0.4,0.5L/s时,陡坡(17ʎ,23ʎ)坡面结皮土壤抗冲系数反而大于缓坡(5ʎ,12ʎ)坡面,表明当流量较86水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.小时(0.2,0.3L/s),陡坡坡面生物结皮抵抗径流冲刷和侵蚀的能力明显大于缓坡,但随着流量继续增大至0.4L/s及以上时,坡面水流流速急剧加快,径流冲刷和搬运作用力大大增强,在水流快速侵入生物结皮层时破坏其结构体稳定性及其与土壤间的紧密接触,此时陡坡坡面生物结皮对土壤的保护作用较缓坡有所削弱㊂上述分析表明,生物结皮对土壤抗冲性的影响受到流量和坡度的双重调控,在小流量条件下陡坡坡面生物结皮保土效果大于缓坡;反之,在大流量条件下缓坡坡面生物结皮保土效果大于陡坡,其临界流量和坡度分别为0.4L/s和17ʎ㊂图7不同坡度和流量下生物结皮土壤抗冲系数变化特征3讨论3.1生物结皮影响黄壤抗蚀性能的内在机制在西南喀斯特地区陡坡分布,地形破碎,土壤瘠薄的生境条件下,部分高等植物适生性差,植被恢复进程缓慢㊂土地退耕后生物结皮发育能够改善土壤结构,进一步影响土壤稳定性及保水保肥能力[19]㊂生物结皮发育形成浓密的假根穿插到土壤中,从而改善土壤孔隙结构,增强土壤持水和导水能力,退耕后土壤黏粒和砂粒含量较耕地不同程度增加,粉粒含量减少㊂这可能是因为:一方面生物结皮发育本身在一定程度上能黏化土壤,使得土壤细颗粒物质增加;另一方面,由于生物结皮发育过程中分泌胞外多聚糖能够增加土壤颗粒间的黏结力,使其胶结固定在一起,形成微团聚体㊂从黏粒含量和砂粒含量的变幅来看,生物结皮发育过程对土壤的黏化作用占主导,研究结论与肖波等[20]]㊁高丽倩等[21]在黄土丘陵区得出生物结皮发育能够细化土壤的结论一致;张军红等[22]在沙地的研究同样表明,生物结皮发育能够增加土壤细颗粒成分㊂此外,随着生物结皮发育,生物结皮假根对土壤颗粒的穿插㊁捆绑和固结作用使得土壤颗粒间相互黏结作用增强,而且微生物细胞带负电荷,静电引力作用也使得土壤颗粒相互连接,形成稳定的微团粒结构[23],有助于增强土壤颗粒抵抗水分子的分解能力[24]㊂喀斯特坡面生物结皮对土壤性质的影响进一步改善土壤的水肥状况,比如,土壤质地黏化可增强土壤养分的吸附能力,改善土壤养分状况[20];结皮覆盖下土壤持水和导水能力的提高,一定程度上能够缓解喀斯特岩溶干旱环境下植被的生存压力;着生于岩石表面的结皮分泌酸性物质,加快岩石的风化过程,促进成土速率[15]㊂生物结皮可为喀斯特地区植被恢复创造有利条件,在区域水土流失和石漠化治理工作中具有很大的应用前景㊂3.2生物结皮影响黄壤抗蚀性能的外在机制生物结皮发育增强土壤抗剪切能力,这是由于生物结皮发育形成大量的假根和菌丝,其本身具有一定的抗剪切能力;生物结皮浓密的假根对土壤颗粒的穿插㊁缠绕和固结作用增强土体稳定性,同样能够提高土壤抗剪切能力[25]㊂此外,生物结皮的强稳定层状结构也是其增强土壤抗蚀性能的重要原因之一,且生物结皮发育年限越长,其发育的层状结构越趋稳定,抵抗外界破坏作用力的能力也越强,从而能更好地保护下覆土壤免遭雨滴击溅和径流冲刷[8-9,14]㊂喀斯特石漠化地区苔藓结皮喜钙耐旱,吸水持水能力强,平均生物量达到161~6690k g/h m2[26],犹如一层 海绵 覆盖于地表,对喀斯特坡面地表径流的形成和降水下渗过程具有一定的控制作用[27]㊂在长期强烈的岩溶作用下,喀斯特地区形成独特的地上地下二元地质结构,区域水文过程更加复杂化,地表侵蚀与地下漏失并存[28]㊂生物结皮改变地表微地形,增大地表粗糙程度[29],发挥截流消能的作用,从而增加地表入渗,减少地表产流产沙和地下漏失[30-31]㊂根据野外调查,天然降雨条件下喀斯特自然坡面很难观察到高含沙水流,且很少发生细沟侵蚀,这可能与地表生物结皮发育增强土壤抗蚀性能有关㊂然而,在广泛使用的R U S L E㊁U S L E㊁C S L E等土壤侵蚀模型中,往往忽略生物结皮对土壤侵蚀过程的影响,这可能导致土壤流失量的高估㊂因此,在今后区域水土流失预报工作中,应当考虑将生物结皮因子纳入到土壤侵蚀模型中,提高估算结果的准确性,以便更好地指导石漠化地区水土流失防治工作㊂4结论(1)与对照耕地相比,生物结皮发育能够促进土壤颗粒胶结,增强土壤团聚体稳定性,改善土壤结构,提高土壤持水和透水能力,为喀斯特地区植被恢复创造条件㊂(2)喀斯特坡面生物结皮发育明显提高黄壤抗崩解和抗剪切能力㊂与去除结皮处理相比,发育年限内(3~11年)保留结皮处理的抗崩解和抗剪切能力分别提高24.83%~46.62%和25.77%~37.73%㊂(3)发育年限内(3~11年)结皮层抗拉力大小为1.95~5.76N,随着生物结皮发育年限的延长,结皮96第5期张思琪等:喀斯特坡面生物结皮发育对土壤抗蚀性能的影响Copyright©博看网. All Rights Reserved.层结构越稳定,其抵抗外界破坏的能力也越强,可有效保护结皮层下覆土壤免遭雨滴击溅和径流冲刷㊂(4)生物结皮发育有助于增强黄壤抗冲刷和抗侵蚀能力,且受到流量和坡度的调控作用㊂当流量较小时生物结皮提高土壤抗冲性能在陡坡上表现更明显,当流量较大时则在缓坡上更明显,其临界流量和坡度分别为0.4L/s和17ʎ㊂参考文献:[1]张元明,王雪芹.荒漠地表生物土壤结皮形成与演替特征概述[J].生态学报,2010,30(16):4484-4492.[2] G a oL,B o w k e r M A,S u n H e ta l.L i n k a g e sb e t w e e nb i oc r u s tde v e l o p m e n t a n dw a t e r e r o s i o n a n d i m p l i c a t i o n sf o r e r o s i o n m o d e l i m p l e m e n t a t i o n[J].G e o d e r m a,2020,357:e113973.[3]李新荣,张元明,赵允格.生物土壤结皮研究:进展㊁前沿与展望[J].地球科学进展,2009,24(1):11-24. 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