全 文 ：第 16 卷
第 1 期

Vol. 16
No . 1
草
地
学
报
ACTA AGRESTIA SINICA



2008 年
1 月

Jan.

2008
黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育
及其水土保持效应
肖
波1, 3 , 赵允格1, 2* , 邵明安1
( 1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100;
2. 西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3. 中国科学院研究生院, 北京
100039)
摘要: 探讨生物结皮的人工培育技术, 并对其发育初期的水保功能进行评价。结果表明: 撒播粉碎后的自然生物结
皮,培育 1 个雨季即可形成盖度高达 30% ~ 60%的人工生物结皮 ,其主成分不变; 人工生物结皮具有较好的水保效
应,其中室内培育的生物结皮在坡度 5
、雨强 46. 8 mm
h- 1、历时 1 h 的模拟降雨条件下可减少 49% ~ 64%的径
流,消除土壤侵蚀; 同条件下野外培育的生物结皮在无植被时对径流影响不明显, 但全年可减少 26%的土壤侵蚀,
有柠条植被时全年可减少 11%的径流和 39%的土壤侵蚀; 在黄土高原侵蚀区以人工生物结皮进行大规模的水保
治理成本较低,切实可行。
关键词: 生物结皮; 人工培育; 水土保持; 黄土高原侵蚀区
中图分类号: S812. 2; S157. 2




文献标识码: A




文章编号: 1007
0435( 2008) 01
0028
06
Artificial Cultivation of Biological Soil Crust and its Effects on Soil and Water
Conservation in Water
Wind Erosion Crisscross Region of Loess Plateau, China
XIAO Bo1, 3 , ZHA O Yun
ge1, 2* , SHAO Ming
an1
( 1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farmin g on the Loess Plateau, Inst itute of S oil and Water Conservat ion,
Chin ese Academy of Sciences an d Min ist ry of Water Resources, Yangl ing, S haanxi Province 712100, China;
2. Northw es t Sci
T ech University of Ag ricultur e and Fores try, Inst itute of S oil and Water Conservat ion, Yanglin g,
Shaan xi Province 712100, Ch ina;
3. Graduate S chool, Chinese Academy of S ciences, Beijing 100039, Ch ina)
Abstract: Biolog ical so il cr ust ( BSC) is one of the most impo rtant vegetation components in arid and semi

ar id areas and has very important ecolog ical functions w hich at t ract more and more at tentions to it s ef fects
on soil and w ater conser vation. In summar y, ther e are three dif ferent opinions about the ef fect o f BSCs on
inf iltr at ion: incr ease, decr ease, and no funct ion. In order to explo re ar tif icial cult ivation method of BSC
and evaluate it s ef fects on soil and w ater conservat ion, BSC w as art ificially cult ivated in laboratory and
field in w ater
w ind erosion crisscro ss r eg ion of loess plateau, China and the runoff and sediment w ere
measured during the simulated rainfall in laboratory and after natur al r ainfall in field. T he results show:
1. It w as feasible to inoculate and cult ivate art ificial BSC using the method of crushing and broadcast so

w ing natural BSC co llected fr om research area; 2. T he art if icial BSCs coverage reached to 30%~ 60% after
a rainy season and the main components w as same to natural BSC; 3. T he art ificial BSC had obvious func

t ion of soil and w ater conser vation. T he art ificial BSC in the laboratory decreased 49%~ 64% o f runoff and
elim inate soil erosion and in f ield had no signif icant ef fects on runof f and decr eased 26% of sediment in the
plo t w ithout vegetation, decreased 11% o f runof f and 39% of sediment in the plot w ith Car agana korshin

ski i Kom. , respect ively. Those results confirm that it could be effect ive to cult iv ate art ificial BSC and
收稿日期: 2007
04
24; 修回日期: 2007
07
23
基金项目: 中国科学院
西部之光
人才培养计划项目( 2005
2007)、国家自然科学基金青年基金( 40401026 )和中国科学院
百人计划
项
目资助
作者简介: 肖波( 1981
) ,男,陕西西乡人,博士研究生,研究方向为生物结皮生态功能及土壤系统中物质运移, E
mail: xiaob ox b@ gmail .
com; * 通讯作者 Author for corresponden ce, E
mail: zyunge@ ms. isw c. ac. cn, sx zyunge@163. com
第 1期 肖波等:黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应
use it to cont rol the lo ss of soil and w ater in research area.
Key words: Bio logical so il crust ( BSC) ; Inoculat ion and cult ivat ion; So il and w ater conservat ion; Water

w ind erosion crisscr oss reg ion of loess plateau


黄土高原侵蚀区生态系统退化,水土流失严重,
是长期以来生态环境治理的重点和难点[ 1, 2] 。随着
植被的退化,生物结皮[ 3, 4] 逐渐发育成为该区生态系
统中的重要组成部分, 但其生态功能尚不明确,其发
育后对该区水土流失有何影响亟待研究解决。
相关研究认为生物结皮能够改变表层土壤的理
化性质[ 5~ 8] ,进而影响诸多生态过程, 其中, 生物结
皮对入渗- 产流及土壤侵蚀的影响受到研究者的广
泛关注,但所得结论并不一致甚至截然相反。入渗
方面,
促进论
者认为生物结皮阻碍水分流动,延长
雨水在地表的滞留时间 [ 9] , 加上生物结皮对土壤结
构的改善和孔隙度的提高[ 10, 11] , 最终促进入渗;
降
低论
者研究发现移除砂质土壤上的生物结皮后入
渗能力会明显提高 [ 12, 13] ,而且自然降雨下生物结皮
的湿润锋深度浅于无结皮土壤[ 14, 15] , 由此得出
生
物结皮降低入渗
的结论;
无影响
论者则认为生物
结皮对表层土壤性质的改变尚不足以显著影响水分
入渗[ 16, 17 ]。与入渗不同,绝大多数研究均发现生物
结皮可极显著的降低土壤侵蚀, 并将其归因于生物
结皮减少径流、降低冲刷 [ 18]以及生物结皮中菌丝体
和微生物分泌物对土壤的黏结和固定 [ 19] ,但仍有少
数研究认为生物结皮可降低入渗、促进产流从而加
大径流的冲刷作用最终加剧土壤侵蚀[ 19]。
对目前生物结皮水土保持功能的分歧,研究者认
为可能与生物结皮的种类以及下层土壤的类型等因素
有关[ 11] ;随着研究的深入,研究者证实不同气候区及不
同类型土壤上发育的生物结皮形态特征差异很大,主
要成分截然不同,其水土保持功能理应有所差异。
本文旨在通过室内与野外试验相结合的方法阐
明人工培育的生物结皮在发育初期对入渗- 产流和
土壤侵蚀的影响,并对其水保功能进行初步评价, 为
陕北侵蚀区生物结皮的人工培育以及利用生物结皮
进行大规模的水保治理提供决策支持和经验借鉴。
1
材料与方法
1. 1
研究区自然概况
试验区在神木县六道沟流域(东经 110
21
~
110
23
,北纬 38
46
~ 38
51
) ,海拔 1094. 0~ 1273. 9
m[ 20] ,既属于黄土高原向毛乌素沙漠过渡、森林草
原向典型干旱草原过渡的过渡地带, 又属于流水
作用的黄土丘陵区向干燥剥蚀作用的鄂尔多斯高
原过渡的水蚀风蚀交错带[ 21] , 是黄土高原水土流
失最为严重的区域。该区为典型的盖沙黄土丘陵
区,土壤质地多为砂质壤土(国际土壤分类制) , 属中
温带半干旱气候,年均降水量 408. 5 mm,其中6- 9月
占全年 80. 93% ,且多为大暴雨 [ 22] ,是典型的脆弱生
态区。
1. 2
试验设计
采用室内和野外相结合的方法,土壤为沙壤土。
室内试验: 将神木土壤过筛 ( 2 mm )装填土槽
( 1. 0 m
0. 4 m
0. 4 m ) , 高度 35 cm, 容重
1. 3 g
cm- 3 ,后将生物结皮粉碎, 以 1. 25 kg
m- 2
的接种量均匀洒于土槽表面。试验设置接种生物结
皮的处理组( BSC)和未接种对照组( CK) ,每组 2个重
复,待生物结皮基本形成后进行模拟降雨试验, 坡度
5
,平均雨强46. 8 mm
h- 1 ,降雨1 h。
野外试验:选择适宜地块依地势将其平整为坡
度大约 10
试验区,修建 5 m
3 m 的径流小区, 使
用与室内相同的方法接种并进行培育。试验分无植
被和柠条植被 2组, 每组包括 1个接种生物结皮的
处理小区和 1个未接种的对照小区, 植被小区在接
种前以 30 cm
50 cm 间距播种柠条 ( Car agana
kor shinsk ii Kom . )。待生物结皮及植被初步形成
后即开始自然降雨下径流和泥沙的观测。
1. 3
生物结皮人工培育过程
室内培育: 2005年 4月 17 日接种,遮阴并每隔
2- 3 d充分浇水,在 7- 9月用玻璃覆盖以降低水分
蒸发,至 2006年 4 月停止浇水, 1 个月后进行模拟
降雨试验,共培育 414 d。
野外培育: 2005年 8月 4日接种, 每日浇水,其
间除草并喷施农药防治土壤生物对地表的破坏,
2005年 9 月 12 日和 2006 年 6 月 17 日喷施少量
KH 2PO4 ,共培育 323 d。
1. 4
测定项目与方法
室内试验: 2006 年 6 月 5 日进行模拟降雨试
验,自开始产流起每 2 min接 1次径流至降雨结束,
称量径流和泥沙, 降雨前后每土槽选 3 个剖面用插
针式 T DR( TRIME
EZ, 德国 IMKO 公司)以 5 cm
为间距分层测定土壤剖面水分含量。
野外试验:径流和泥沙的观测时间为 2006年 4
29
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月至 2006年 11月,每次降雨产流后测量径流量并
取一定量水样静置后烘干计算总泥沙量。
计算公式为:径流深 Rn( mm) = R
10- 3 / ( S

cos
) ; 泥沙量 E ( g
m- 2 ) = ( E sample
R ) / ( V sample

S)。其中: R 为径流量( mL) ; S 为面积( m2 ) ;
为坡
度(单位
) ; Esample为所取径流样中泥沙干重( g ) ;
V sample为所取径流样体积( mL)。
植被和生物结皮盖度: 用数码相机垂直拍摄小
区,然后用 Erdas Image 8. 7遥感图像处理软件进
行监督分类 [ 23] ,结合目测验证。
降雨量和雨强:降雨量为标准雨量器人工观测
结果; 雨强来自小型便携式气象站 (美国 Davis
Weather Pro, 数据采集时间间隔为1 h)所附自动雨
量计,并使用人工观测的降雨量数据校正。
2
结果与分析
2. 1
室内试验
2. 1. 1
室内生物结皮生长过程
模拟降雨前生物
结皮盖度的测定结果显示, 虽然接种的两个土槽在
接种量、生长条件等方面完全一致,但二者的盖度差
异较大。经过近 1年的培育, 两个土槽的生物结皮
盖度分别达 31%和 56%, 相差近 1倍,而且大多呈
斑块状,成分与自然发育生物结皮基本相同。说明
通过室内人工接种培育生物结皮是可行的。在培育
后期发现未接种的土槽也有少量的苔藓植株生长,
说明仅通过控制生长条件(主要为水分)也可以培育
出生物结皮,但其生长过程较慢。
2. 1. 2
室内培育生物结皮对入渗- 产流的影响
由
模拟降雨时各土槽累计径流量与时间的关系(图 1)
可知,室内培育形成的生物结皮与无结皮在产流时
间以及速率方面均差异明显: 生物结皮在降雨第 6
m in 左右即开始产流, 而无结皮则推迟至10 min左
右,明显晚于生物结皮;无结皮 2次重复的总径流深
分别为 24. 58和32. 86 mm,而生物结皮为11. 73和
12. 65 mm, 仅为无结皮的 0. 36~ 0. 51。表明室内培
育形成的生物结皮可明显减少径流, 即增加入渗。


在降雨前后分别测定各土槽的剖面含水量(图
2)可知,生物结皮的降雨入渗深度远大于无结皮:无
结皮的入渗深度大约为 25 cm ,但生物结皮的入渗
深度超过了装填土壤的总深度( 35 cm)。另外, 计算
降雨前后各土槽储水量差异即总入渗量可知,生物结
皮的总入渗量远大于无结皮。入渗深度及入渗量的
差异证实室内培育形成的生物结皮可促进雨水入渗。
图 1
室内模拟降雨下各土槽累计径流量
F ig. 1
Accumulative runoff o f BSC and CK
dur ing simulated r ainfall
图 2
室内模拟降雨前后各土槽剖面含水量
Fig. 2
Soil mo istur e profile of BSC and CK before and after simulated rainfall
30
第 1期 肖波等:黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应
2. 1. 3
室内培育生物结皮对土壤侵蚀的影响
无
结皮土槽在产流开始后即伴随有一定量的泥沙, 但
生物结皮土槽的径流自始至终仅略为混浊。计算总
泥沙量可知, 两个无结皮土槽的总泥沙量为 74. 31
和61. 09 g,换算为侵蚀强度分别为 185. 82和 158. 72
g
m- 2 ,而生物结皮的泥沙量均为零。分析认为,
由于培育过程中对接种和未接种土槽均使用相同的
浇水处理,多次浇水使得无结皮土槽表面土壤颗粒
黏结,有一定程度的物理结皮发育,因此对照的实际
泥沙量应高于测定值。由此可知,室内培育形成的
生物结皮可极显著降低土壤侵蚀。
2. 2
野外试验
2. 2. 1
野外生物结皮生长过程
野外无植被和柠
条植被下生物结皮盖度的变化过程见图 3: 自接种
至 2006年 6月生物结皮的盖度为 0; 7月进入雨季
后,生物结皮迅速生长,无植被和柠条植被下生物结
皮的盖度分别达到约 60%和 30%; 在 7- 9月的雨
季及后期,生物结皮盖度稳定,生长较为缓慢。由此
表明,野外接种后经过短期的人工培育即可形成较
高的盖度,且生长主要集中在雨季, 另外, 在无植被
条件下生物结皮的生长似乎更为迅速, 更容易形成
较高盖度。将人工培育与自然发育形成的生物结皮
进行比较,发现二者在组成成分、形态特征等方面基
本相同,在结皮厚度、苔藓密度等方面差别较大。说
明野外培育与自然发育的生物结皮为同类生物结皮。


蝼蛄等土壤动物对地表的扰动可严重破坏生物
结皮的生长,因此要尽量避免。另外,结合施肥记录
和生物结皮的生长状况发现,喷施 KH 2PO4 后生物
结皮的生长并无明显变化,表明其生长可能不受磷
肥、钾肥制约。
图 3
野外培育过程中生物结皮的盖度变化
F ig. 3
Coverage of BSC after inoculated in field
2. 2. 2
野外培育生物结皮对入渗- 产流的影响
野
外观测时间为 2006年 6月23日- 10月 3日,期间总
降水量 267. 7 mm,占全年降雨总量(不包括降雪) 的
80%,共产流13次,期间大多数降雨较为平缓,短时暴
雨较少。各次降雨量、雨强以及各小区径流量见表1。
表 1
自然降雨量、雨强以及各小区径流深
Table 1
Rainfall, r ain rate and runo ff of each plot in field
日期
Date
降雨量
Rainfal l( mm)
平均雨强
Rain rate
( mm
h- 1)
径流深 Runof f ( mm)
无植被小区 Plot s w ithout vegetation 柠条小区 Plot s w ith C. kor shinski i
未接种 CK 接种 BSC 比较 Com pari son* 未接种 CK 接种 BSC 比较 Comparison*
6- 28 41. 4 222. 7 6. 18 5. 60 0. 58 6. 57 6. 03 0. 54
7- 9 11. 8 34. 2 1. 56 2. 32 - 0. 76 2. 16 1. 78 0. 38
7- 22 28. 3 54. 5 4. 18 4. 10 0. 08 3. 97 3. 73 0. 24
7- 27 12. 2 35. 8 2. 58 2. 57 0. 01 2. 29 1. 95 0. 34
7- 30 21. 7 22. 2 2. 10 2. 84 - 0. 74 2. 76 2. 20 0. 56
7- 31 2. 3 23. 0 1. 08 0. 90 0. 18 0. 94 0. 92 0. 02
8- 2 6. 4 12. 1 0. 35 0. 38 - 0. 03 0. 19 0. 31 - 0. 12
8- 9 34. 6 39. 5 5. 68 4. 60 1. 08 5. 57 3. 73 1. 84
8- 12 3. 6 15. 0 0. 98 0. 40 0. 58 0. 20 0. 13 0. 07
8- 25 21. 4 38. 1 1. 52 3. 01 - 1. 49 1. 95 1. 90 0. 05
8- 30 26. 6 13. 5 0. 52 2. 75 - 2. 23 0. 13 0. 81 - 0. 68
9- 20 21. 0 45. 0 3. 70 2. 99 0. 71 3. 50 2. 41 1. 09
10- 3 16. 9 132. 7 6. 82 6. 80 0. 02 6. 94 6. 96 - 0. 02
总和 T otal 248. 2 - 37. 25 39. 26 - 2. 01 37. 17 32. 86 4. 31


注: * 为未接种小区径流深减去接种小区; Note: * Run of f dif f erence of CK minu s BSC


将无植被时生物结皮小区和无结皮小区的各次
径流量进行对比分析发现, 二者径流量的比较结果
在各次降雨时并不一致。若仅考虑频数, 生物结皮
小区的径流量在 13 次降雨中有 5次多于无结皮小
区,占总产流次数的 39% ,其余 8 次少于无结皮小
区,占 62%。另外, 计算 13次降雨的总径流可知,
31
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报 第 16卷
生物结皮小区的径流深比无结皮小区多 5% , 表明
总体上生物结皮略微增加了径流,即对雨水入渗略
有降低作用。结合各次雨情, 分析认为,野外复杂的
自然降雨条件和较大的雨情差异在一定程度上掩盖
生物结皮对入渗- 产流的影响。
在柠条生长状况基本相同(图 4)的条件下, 生
物结皮小区和无结皮小区的径流量较为一致。除 8
月 2日、8月 30日以及 10月 30日生物结皮小区的
径流量略多于无结皮小区外, 其它均明显少于无结
皮小区。计算 13次降雨的总径流量可知,生物结皮
小区的总径流深比无结皮小区少 12%, 可见生物结
皮明显减少径流,对入渗有显著促进作用。


归纳可知, 无植被条件下培育形成的生物结皮
略微降低了雨水入渗, 而柠条植被条件下则明显增
加,但两种条件下生物结皮对雨水入渗的影响程度
均非常有限, 所受影响仅占总降雨量的 0. 8% ~
1. 7%。笔者认为这是由各次降雨的降雨特征及表层
土壤水分含量不同所致。
2. 2. 3
野外培育生物结皮对土壤侵蚀的影响
无
论对无植被小区或柠条小区, 各次降雨时生物结皮
的泥沙量均明显小于无结皮小区, 生物结皮可降低
1/ 3到 2/ 3的土壤侵蚀, 在大雨强条件下这一比例
更高(图 5) , 这说明接种后形成的生物结皮可明显
降低土壤侵蚀,且降雨量越大, 侵蚀量越多,生物结
皮对土壤侵蚀的降低作用也越明显。计算 13次降
雨的总泥沙量可知,无植被条件下生物结皮小区的
泥沙量仅为无结皮小区的 74%, 柠条植被条件下则
为 61%,即总体上在无植被和柠条植被条件下生物结
皮分别减少了26%和39%的泥沙,显示生物结皮对土
壤侵蚀有明显的降低作用。
图4
野外培育过程中柠条植被盖度变化
Fig .4
Coverage of C. korshinskii in field
图 5
生物结皮接种小区和对照区泥沙量
F ig . 5
Sediment of BSC and CK in plo ts wit h and wit hout v egetation
3
讨论与结论


在荒漠化地区生态环境的治理过程中, 生物结
皮的水保功能逐渐受到关注,近来魏江春 [ 24]等人提
出在干旱沙漠地区大面积复制自然发育生物结皮的

生物地毯工程
这一宏伟设想, 这将改善当前日益
恶化的环境问题。然而, 如何快速大面积
复制
生
物结皮,复制形成的生物结皮在多长时间后可发挥
出多大程度的水土保持功能, 尚未得到解决。
3. 1
通过粉碎自然发育生物结皮然后撒播的方法
进行接种后仅需维持较高的土表水分, 约 1个雨季
即形成盖度高达 30%~ 60%的生物结皮, 其组成成
分与自然发育的生物结皮完全相同, 结果证实在荒
漠化地区通过人工接种的方法可以在短期内快速大
规模培育生物结皮,而且,如果接种措施安排在雨季
到来之前进行,则无需人工维持水分条件。
3. 2
室内培育形成的生物结皮在模拟降雨条件下
可减少 49%~ 64%的径流;野外培育形成的生物结
皮在自然条件下可分别增加 5% (无植被) 和降低
12%(柠条植被)的径流, 表明人工生物结皮可初步
32
第 1期 肖波等:黄土高原侵蚀区生物结皮的人工培育及其水土保持效应
影响入渗- 产流,但影响程度较为有限,且影响结果
随降雨特征和雨前表层土壤水分含量的不同而有所
差异。人工生物结皮可极显著的降低土壤侵蚀, 室内
培育形成的生物结皮在坡度5
、雨强46. 8 mm
h- 1、
降雨 1 h的条件下可基本消除土壤侵蚀,野外培育形
成的生物结皮在坡度 10
、总降雨量 267. 7 mm 时可
分别降低 26%(无植被)和 39% (柠条植被)的泥沙。
可见,在研究区大规模人工培育生物结皮不仅成本
较低,简单易行,而且这些人工培育生物结皮可迅速
表现出明显的水保效应。
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梁艳萍)
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