干旱沙区生物结皮对土壤膨胀的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00111

摘要/Abstract

摘要：

土壤膨胀通过改变土壤结构和水文过程影响土壤系统抵抗力和恢复力。生物结皮可以加速土壤形成，改变土壤理化性质，但生物结皮的形成和发育过程如何影响土壤膨胀还不清楚。本文借助空间取样替代时间的方法和模拟降水（0、1、3、5、10 mm）法，以腾格里沙漠南缘4个年代的固沙植被带（64、39、33、0年）的5种演替阶段的生物结皮（蓝藻、藻-地衣混生、真藓、土生对齿藓和齿肋赤藓）及其土壤为研究对象，旨在阐明生物结皮的形成和发育过程对土壤膨胀的影响及其对降水的响应。结果表明：（1）生物结皮的形成增加了土壤膨胀高度，结皮后土壤的平均膨胀高度是流沙的94倍，平均0.939 mm；（2）不同演替阶段生物结皮均随着其发育年龄的增加显著增加土壤膨胀高度（P<0.05），主要体现在两个方面，在同一植被区，从初级阶段到高级阶段生物结皮的膨胀高度逐渐增加（P<0.05），其中土生对齿藓结皮最显著，同一种结皮在不同植被区，随植被年龄的增加，发育39年的生物结皮膨胀高度增加最显著，其中以藻-地衣混生结皮最显著（P<0.05）；（3）降水量增加显著增加生物结皮覆盖下土壤的膨胀高度（P<0.05），藓类结皮对降水量的敏感性最强，特别是对3 mm以内的降水；（4）冗余分析表明生物结皮演替阶段是干旱沙区土壤膨胀的最关键因子（RDA 1：88.21%，RDA 2：6.49%）。

关键词: 土壤膨胀, 生物结皮, 结皮演替, 腾格里沙漠

Abstract:

Soil swelling affects soil system resistance and resilience by altering soil structure and hydrological processes. Biocrusts are important ecosystem engineers on the surface of arid sandy areas， which can accelerate soil formation and change soil physicochemical properties. But how the formation and development of biocrusts affect soil swelling is unclear. Our study use the method of spatial sampling instead of biocrusts' development time. Experiments were carried out on the biocrusts developed under the sand-fixing vegetation of different ages on the southern edge of the Tengger Desert. The sequence of the formation and succession of biocrusts was constructed （64， 39， 33 years and mobile sand dunes （0 years）， the method of simulating precipitation （0， 1， 3， 5， 10 mm） was used to measure the biocrusts （cyanobacteria， algal-lichen mixed crust， Bryum argenteum， Didymodon vinealis， and Syntrichia caninervis） Variation in swell height under different precipitation conditions. The sequence of biocrust formation and succession was constructed to elucidate the expansion changes of biocrusts in five succession stages at different developmental times under different precipitation conditions.The results showed that：（1） the formation of biocrusts increased the soil swelling height， and the average swelling height of the soil after crusting was 94 times that of quicksand， with an average of 0.939 mm. （2） the biocrusts and the succession stages of the biocrusts were both With the increase of its developmental age， the soil swelling height increased significantly （P<0.05）， which was mainly reflected in two aspects. Among them， D. vinealis are the most significant. The same crust is in different vegetation areas. With the increase of vegetation age， the effect of increasing the expansion of biocrusts after 39 years of development is the most significant， and the increase of algal-lichen mixed crusts is the most significant. （P<0.05）. （3） The increase of precipitation significantly increased the swelling height of soil under the cover of biocrusts （P<0.05）. The biocrusts （moss crusts） in the high succession stage were most sensitive to precipitation， especially within 3 mm. （4） Redundancy analysis showed that the biocrust succession stage was the most critical factor for soil swelling in arid sandy regions （RDA 1： 88.21%， RDA 2： 6.49%）. Our study revealed the changing trend of soil swelling under different successional stages of biological crusts and their developmental years， and explored the ways that biocrusts affect ecosystems by affecting soil swelling. It provides an important reference for a comprehensive understanding of the function of biocrusts to play an ecosystem.

Key words: soil swelling, biocrust, biocrust succession, Tengger Desert

中图分类号:

S152.9

贾鸿飞, 贾荣亮, 吴秀丽, 赵芸, 刘立超, 高艳红, 杨昊天, 张甜. 干旱沙区生物结皮对土壤膨胀的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 28-36.

Hongfei Jia, Rongliang Jia, Xiuli Wu, Yun Zhao, Lichao Liu, Yanhong Gao, Haotian Yang, Tian Zhang. Effects of biocrust on soil swelling in arid desert[J]. Journal of Desert Research, 2023, 43(2): 28-36.

图/表 7

表1 沙坡头人工固沙植被不同演替阶段生物结皮盖度

Table 1 Biocrust coverages of different succession years at Shapotou Desert ecosystem comprehensive observation site

生物结皮发育时间 /a	盖度/%
生物结皮发育时间 /a	蓝藻结皮	藻-地衣结皮	真藓结皮	土生对齿藓结皮	齿肋赤藓结皮
0	0	0	0	0	0
33	16	23.9	50.9	0	0
39	1.3	32.5	58.4	2.5	1.2
64	0	29.3	63.1	1.9	0.9

图1 生物结皮作用下不同发育时间固沙植被区土壤膨胀高度随降水量变化的曲线图中值为平均值±标准误差（SE），均值以不同年代植被区生物结皮盖度为权重对土壤膨胀高度进行加权计算所得

Fig.1 Curves of soil swelling height with precipitation in the sand-fixing vegetation area at different development times under the action of biocrusts

图2 不同发育时间固沙植被区生物结皮对土壤膨胀高度的影响

Fig.2 Influence in mean soil swelling height of biocrusts in the sand-fixing vegetation area at different development times

图3 土壤膨胀高度与降水量的线性拟合

Fig.3 Linear fitting between soil swelling height and precipitation

图4 不同生物结皮类型的土壤膨胀高度随降水量变化的曲线对比

Fig.4 Comparison of curves of soil swelling height with precipitation for different biocrust types

表2 拟合曲线斜率在不同降水量下的取值

Table 2 The value of the slope of the fitted curve under different precipitation

结皮类型	固沙植被发育时间/a	降水量/mm
结皮类型	固沙植被发育时间/a	1	2	3	5	10
蓝藻结皮	64	3.533	0.052	0.026	0.013	0.005
	39	0.080	0.070	0.062	0.051	0.035
	33	0.120	0.032	0.019	0.010	0.005
藻-地衣混生结皮	64	0.214	0.154	0.121	0.084	0.048
	39	0.087	0.087	0.087	0.086	0.085
	33	0.904	0.093	0.049	0.025	0.011
真藓结皮	64	0.176	0.147	0.126	0.098	0.063
	39	0.167	0.060	0.036	0.020	0.010
	33	0.460	0.093	0.052	0.027	0.013
土生对齿藓结皮	64	10.833	0.129	0.065	0.032	0.014
	39	0.289	0.134	0.087	0.051	0.025
	33	1.377	0.079	0.041	0.021	0.009
齿肋赤藓结皮	64	1.933	0.056	0.029	0.014	0.006
齿肋赤藓结皮	33	0.211	0.100	0.065	0.038	0.019

图5 影响土壤膨胀因素的冗余分析

Fig.5 Redundant analysis of factors affecting soil swelling

参考文献 39

1	王国鹏，肖波，李胜龙，等.生物土壤结皮对风沙土和黄绵土膨胀特性的影响［J］.中国沙漠，2020，40（1）：97-104.
2	赵诚斋.土壤膨胀及其研究方法［J］.土壤学进展，1982（2）：1-12.
3	邵丽媛，甘永德，苏辉东，等.土壤膨胀性对降雨入渗产流影响试验［J］.中国农村水利水电，2018（11）：42-47.
4	王益.黄土高原土壤结构性状及影响因素分析［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2005.
5	王益，王益权，刘军，等.黄土地区影响土壤膨胀因素的研究［J］.干旱地区农业研究，2005（5）：93-97.
6	徐卫明，胡文奎，周阳，等.合徐合安高速公路膨胀土的胀缩特性［J］.岩土工程界，2008（5）：34-36.
7	丁述理，贾东亮，杜海金，等.邯郸击实膨胀土的胀缩特性研究［J］.建井技术，2005（）：46-49.
8	黄传琴.干湿交替过程中土壤胀缩特征的试验研究［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2008.
9	Stell E， Guevara M， Vargas R.Soil swelling potential across Colorado： a digital soil mapping assessment［J］.Landscape and Urban Planning，2019，190：103599.
10	刘代全，李献民，胡伟.击实膨胀粘土变形曲线特征的研究［J］.公路，2003（1）：25-30.
11	林敬兰.花岗岩崩岗红土层土体胀缩特性研究［J］.水土保持学报，2019，33（2）：87-92.
12	Guerra A M， Cui Y J， He Y，et al.Characterization of water retention，compressibility and swelling properties of a pellet/powder bentonite mixture［J］.Engineering Geology，2018，248：14-21.
13	Li J S， Xue Q， Wang P，et al.Effect of lead （II） on the mechanical behavior and microstructure development of a Chinese clay［J］.Applied Clay Science，2015，105-106：192-199.
14	张同娟.黄土地区表层土壤结构状况与效应研究［D］.陕西杨凌：西北农林科技大学，2007.
15	司梦可，曹建生，阳辉.微地形变化对地表水文过程影响的研究进展［J］.中国生态农业学报（中英文），2019，27（10）：1587-1595.
16	李新荣，周海燕，王新平，等.中国干旱沙区的生态重建与恢复：沙坡头站60年重要研究进展综述［J］.中国沙漠，2016，36（2）：247-264.
17	罗雅曦，刘任涛，张静，等.腾格里沙漠草方格固沙林土壤颗粒组成、分形维数及其对土壤性质的影响［J］.应用生态学报，2019，30（2）：525-535.
18	Terrer C， Phillips R P， Hungate B A，et al.A trade-off between plant and soil carbon storage under elevated CO₂ ［J］.Nature，2021，591（7851）：599-603.
19	李新荣，谭会娟，回嵘，等.中国荒漠与沙地生物土壤结皮研究［J］.科学通报，2018，63（23）：2320-2334.
20	李新荣，张元明，赵允格.生物土壤结皮研究：进展、前沿与展望［J］.地球科学进展，2009，24（1）：11-24.
21	赵芸，贾荣亮，滕嘉玲，等.腾格里沙漠人工固沙植被演替生物土壤结皮盖度对沙埋的响应［J］.生态学报，2017，37（18）：6138-6148.
22	李金峰，孟杰，叶菁，等.陕北水蚀风蚀交错区生物结皮的形成过程与发育特征［J］.自然资源学报，2014，29（1）：67-79.
23	Wang L J， Zhang G H， Zhu L J，et al.Biocrust wetting induced change in soil surface roughness as influenced by biocrust type，coverage and wetting patterns ［J］.Geoderma，2017，306：1-9.
24	李新荣，张志山，刘玉冰，等.长期生态学研究引领中国沙区的生态重建与恢复［J］.中国科学院院刊，2017，32（7）：790-797.
25	Kirby J M， Bernardi A L， Ringrose-Voase A J，et al.Field swelling，shrinking，and water content change in a heavy clay soil［J］.Soil Research，2003，41（5）：963-978.
26	Toledo M P S， Rolim M M， de Lima R P，et al.Strength，swelling and compressibility of unsaturated sugarcane soils［J］.Soil & Tillage Research，2021，212：105072.
27	Qi Wei， Wang C， Zhang Z Y，et al.Experimental investigation on the impact of drying-wetting cycles on the shrink-swell behavior of Clay Loam in Farmland［J］.Agriculture，2022，12（2）： 245.
28	李新荣.荒漠生物土壤结皮生态与水文学研究［M］.北京：高等教育出版社，2012：72-92.
29	李新荣.中国沙区生态重建与恢复的生态水文学基础［M］.北京：科学出版社，2016：502-508.
30	Kidron G J， Tal S Y.The effect of biocrusts on evaporation from sand dunes in the Negev Desert［J］.Geoderma，2012，179-180：104-112.
31	常帅斌，陈明，张虎元，等.陇东地区早胜塬古土壤膨胀特性研究［J］.铁道建筑技术，2020（9）：7-11.
32	张永旺.黄土丘陵区不同恢复植被下土壤蓄持水分能力及其调控［D］.陕西杨凌：中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，2017.
33	高丽倩，赵允格，秦宁强，等.黄土丘陵区生物结皮对土壤物理属性的影响［J］.自然资源学报，2012，27（8）：1316-1326.
34	Kramarenko V V， El-Shinawi A， Matveenko I A，et al.Clay swelling of Quaternary and Paleogene deposits in the south-eastern flanks of West Siberian iron ore basin［J］.IOP Conference Series： Earth and Environmental Science，2016，33（1）：012041.
35	王芳芳，肖波，李胜龙，等.黄土高原生物结皮对土壤养分的表层聚集与吸附固持效应［J］.植物营养与肥料学报，2021，27 （9）：1592-1602.
36	Li X R， Hui R， Zhang P，et al.Divergent responses of moss-and lichen-dominated biocrusts to warming and increased drought in arid desert regions［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2021，303：108387.
37	Bhattacharyya R， Ghosh A， Zhang Y，et al.Land use affects temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition in macroaggregates but not in bulk soils in subtropical Oxisols of Queensland，Australia［J］.Soil & Tillage Research，2020，198：104566.
38	Nong X F.Effects of organic content on soil-water characteristic curve and soil shrinkage［J］.Environmental Geotechnics，2019，8（7）：442-451.
39	Chen Y W， Li X R.Spatio-temporal distribution of nests and influence of ant （Formica cunicularia Lat.） activity on soil property and seed bank after revegetation in the Tengger Desert［J］.Arid Land Research and Management，2012，26（4）：365-378.

[1]	贾冰, 司建华, 武志博, 齐识, 马丽丽, 朱兴林, 秦洁, 石福年. 飞播种子丸粒化技术应用对植被和土壤的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 195-204.
[2]	杨馥宁, 吕萍, 马芳, 曹敏, 肖南, 顾立霞, 杨迎. 腾格里沙漠南部格状沙丘的形态演变及移动特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 107-115.
[3]	陶玲, 任汉儒, 周怡蕾, 任珺. 水分和养分供应对凹凸棒石复配苔藓结皮生长的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(6): 288-294.
[4]	古拉依赛木·艾拜都拉, 张峰, 吴枫, 吴世新, 郑江华, 孙涛. 腾格里沙漠沙丘沉积物粒度特征及其空间差异[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 133-145.
[5]	张云枫, 马义娟, 苏志珠, 梁爱民, 张欣, 崔颖颖. 巴丹吉林沙漠与腾格里沙漠连接带沙丘移动规律[J]. 中国沙漠, 2022, 42(5): 82-91.
[6]	陈敏, 李保生, 王丰年, 牛东风, 温小浩, 舒培仙, 司月君, 杨庆江, 王晨. 腾格里沙漠西南缘土门剖面微量元素记录的MIS3高分辨率季风环境变化[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 253-263.
[7]	樊瑾, 李诗瑶, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地不同类型生物结皮与下层土壤酶活性及土壤碳氮磷化学计量特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 109-120.
[8]	李亚红, 卜崇峰, 郭琦, 韦应欣. 毛乌素沙地藓、藻结皮生态功能对比[J]. 中国沙漠, 2021, 41(2): 138-144.
[9]	王文帆, 刘任涛, 郭志霞, 冯永宏, 蒋嘉瑜. 腾格里沙漠东南缘固沙灌丛林土壤理化性质及分形维数[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 209-218.
[10]	杨昊天, 李新荣, 闫培洁, 李云飞, 马全林. 腾格里沙漠土壤类型空间分布特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 154-162.
[11]	王炳尧, 刘星辰, 刘立超. 1957—2017年腾格里沙漠地区降水量[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 163-170.
[12]	陈应武, 陈庆霄, 杨昊天. 腾格里沙漠陆生野生脊椎动物多样性及区系[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 171-182.
[13]	颜长珍, 李森, 逯军峰, 刘立超. 1975—2015年腾格里沙漠湖泊面积与数量[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 183-189.
[14]	马全林, 张锦春, 陈芳, 张德魁, 魏林源. 腾格里沙漠南缘花棒（*Hedysarum scoparium*）人工固沙林演替规律与机制[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 206-215.
[15]	陈应武, 陈庆霄, 杨昊天. 腾格里沙漠昆虫多样性及区系特征[J]. 中国沙漠, 2020, 40(4): 216-222.