全 文 ：中国生态农业学报 2012年 10月 第 20卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2012, 20(10): 1329−1333


* 国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项(2002AA2Z405)资助
周贵连(1965—), 男, 高级工程师, 主要从事林业工程和生态研究。E-mail: 83050824@163.com
收稿日期: 2012-03-15 接受日期: 2012-06-19
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.01329
人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究*
周贵连1 张万军2
(1. 河北省林业厅 石家庄 050081; 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)
摘 要 为探讨在太行山半干旱区利用人工土壤生物结皮进行集雨的潜力和可行性, 以自然生长的生物土壤
结皮为种子, 通过培育建立人工土壤生物结皮和生物结皮集雨, 对人工土壤生物结皮建成后土壤物理性状、渗
透率的变化及人工生物结皮集雨面的集流效率进行了研究。结果表明, 人工土壤生物结皮与自然生长的生物
结皮一样, 可显著改变土壤的颗粒组成, 使 0~1 cm 表层土壤的小颗粒物质含量增加、大颗粒物质减少, 但对
0~5 cm的土壤容重影响不显著。对土壤入渗速率的测定结果表明, 人工培育的土壤生物结皮具有降低入渗速
率的作用, 与自然土壤相比, 生物结皮的土壤初始入渗速率和稳定入渗速率分别下降 59.1%和 44.4%, 达到稳
定入渗的加水量也减少 50.0%。人工营建的生物结皮集雨面的平均集雨效率达 60.86%, 与自然土面相比, 提
高 23.0%。对集雨面效益分析表明, 生物结皮集雨面不仅具有较高的集雨效果, 且使用年限较长, 并具有明显
的减少地表径流沉积物含量, 提高土壤抗蚀性的作用。综上结果可以看出, 人工土壤生物结皮是一种极具潜力
的绿色环保型集雨材料。
关键词 生物土壤结皮 土壤机械组成 入渗速率 径流 集雨面 集雨效率
中图分类号: S152; S154 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)10-1329-05
Artificial biological soil crust property and potential for rainwater harvest
ZHOU Gui-Lian1, ZHANG Wan-Jun2
(1. Hebei Forest Bureau, Shijiazhuang 050081, China; 2. Research Center for Agricultural Resources Research, Institute of
Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China)
Abstract It is important to collect limited rainwater for agricultural and domestic use in arid and semiarid areas. Rainwater
harvesting systems used for collection, storage and purification of rainwater are critical for rainwater utilization. Materials used in
building the surfaces of rainwater harvesting plots determine the efficiency of rainwater harvesting system as they affect the
hydrological characteristics of the plot surfaces. This paper discussed the potential and feasibility of artificially cultivated biological
soil crusts (BSCs) as surface materials of rainwater harvesting plots. It investigated the effects of artificial BSCs on soil physical
properties and infiltration and also on the efficiency of rainwater harvest. The results showed that the surface soil (0~1 cm) with
artificial BSCs contained more tiny particles and less coarse particles than natural soil. However, no significant difference was noted
in bulk density of 0~5 cm soil between artificial BSCs and natural soil. Infiltration rate decreased under artificial BSCs. Initial and
stable infiltration rates as well as stable infiltration water volume of BSCs decreased by 59.1%, 44.4% and 50.0%, respectively. The
investigation based on rainwater harvesting plots established on 30° slope loamy soil mountain showed that BSCs rainwater runoff
efficiency increased. The average runoff efficiency of BSCs rainwater harvesting plot was 60.86% during six runoff events in May to
August 2005. BSCs rainwater harvesting plot increased runoff efficiency over that of natural soil by 23.0%. Benefit analysis showed
that BSCs not only increased runoff efficiency, but also longer-lasting with significantly less runoff sediment. BSCs were therefore
recommended as potential green materials for rainwater harvest.
Key words Biological soil crusts, Soil texture, Infiltration rate, Runoff, Rainwater harvesting plot, Rainwater harvest
efficiency
(Received Mar. 15, 2012; accepted Jun. 19, 2012)
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雨水集蓄利用是干旱半干旱地区提高农业生产
力、促进植被恢复、造林营林的关键技术, 对改善
生态环境和农业发展十分重要。雨水集流系统是雨
水集蓄利用的基础, 其主要目标是采取人工措施将
产生于集流面的径流进行拦截、蓄集、净化和利用,
提高自然降雨的利用效率[1]。其中的集流面是雨水
集流系统的重要组成部分 , 具有改变地表土壤结
构、减少雨水向土壤中入渗、增加地表径流的功能。
由于营建材料直接影响到集流面的表面特征和水文
过程 , 因此与集雨效率密切相关 [2], 同时对雨水利
用的成本和效益起着决定性作用。
真菌、细菌、藻、地衣、苔藓等生物体在地表
与表层土壤混合形成一层密实结皮——生物土壤结
皮, 不仅起到保护土壤的作用, 而且改变了表层土
壤诸多的物理性状 [3−5], 因此对地表水文过程产生
深刻的影响。相关研究表明, 地表的生物土壤结皮
可降低水分入渗, 增加地表径流, 人工营造的生物
土壤结皮可用于雨水的收集, 且具有显著的持久性
和环保性[2]。说明生物土壤结皮在雨水资源利用方
面具有广阔的应用前景。然而, 人工营造的生物土
壤结皮对土壤物理特性、入渗特征及自然降雨下生
物结皮集雨面的应用效果目前尚少见报道[6]。为此
本研究通过人工培育的方法, 对人工生物土壤结皮
下土壤物理性质、入渗特性及其在自然降雨条件下
的集流效果进行了研究, 并对人工生物土壤结皮的
保土效果进行了分析, 探讨应用人工生物土壤结皮
进行集雨的潜力及其效益, 为干旱半干旱地区的雨
水利用提供新的材料和方法。
1 材料与方法
1.1 试验材料
营造人工生物土壤结皮所用的“种子”(以后简
称“种土”)为自然生长有生物土壤结皮的0~0.5 cm表
层土壤。试验所用种土采自太行山浅山区的土坡 ,
土壤为黄土 , 生物土壤结皮盖度在80%以上 , 生物
结皮主要为由石果地衣(Endocarpon pusillum Hedw)
和苔藓(Funaria hygrometrica Hedw)组成的混合结
皮。选择生物结皮均匀盖度在90%以上的土表, 用小
平铲铲起地表0~0.5 cm土层土壤 , 风干后粉碎成
0.25~0.5 mm的颗粒, 即为种土。
1.2 试验方法
1.2.1 人工生物土壤结皮对土壤物理特性的影响
在种土采集地选择平坦的黄土田培育人工生物
土壤结皮。先将地表杂草除去, 铲平, 整平压实表面,
喷水使土壤含水量达到饱合但不积水, 按 200 g·m−2
的用量将种土均匀地撒在土表, 之后覆膜保湿, 不
定期喷水保持土壤湿润[6], 30~40 d后目测生物土壤
结皮盖度达到 90%以上后揭去塑料膜, 在自然环境
下生长。生长过程中若遇干旱天气浇适量水以保证
生物土壤结皮正常生长, 同时及时除草, 除草后压
平, 以防影响地表的平整和结皮生长。同时选择临
近条件相同的地块 , 去除杂草后 , 整平地表 , 分别
设压实和不压实两种处理作为对照。试验共设 3 种
处理人工生物土壤结皮、压实土壤和自然土壤, 每
个处理重复 3次, 小区面积为 2 m×2 m。
在人工土壤生物结皮生长 1 年后, 分别在每个
处理小区随机选择 3个点, 用环刀法测定 0~5 cm容
重; 同时选择 3点取表层 0~1 cm土壤, 用吸管法测
定土壤颗粒组成。
1.2.2 土壤入渗特征
依据 1.2.1所描述的方法, 在渗透筒中培育人工
生物结皮, 同时设置自然土壤和压实土壤处理。生
物结皮的盖度达到 90%以上(培育 30 d后)采用渗透
筒法[7]测定土壤的入渗特性。每个处理重复 3次。
1.2.3 人工生物土壤结皮集雨的应用效果
2004年 5—10月在中国科学院遗传与发育生物
学研究所太行山生态试验站进行了人工生物结皮集
雨面的营建与集雨效率的试验。试验所用种土同上。
在坡度为 30°的山坡修建径流小区, 小区长为 5 m,
宽为 0.6 m, 四周为埋入土中约 30 cm的水泥档板。
径流小区的表面分别为自然坡面、塑料覆盖面和人
工生物结皮集雨面, 每个处理重复 2 次。自然坡面
为人工除草后整平的自然土面, 人工生物结皮集雨
面的营造方法同 1.2.1 中人工土壤生物结皮的培育
方法, 两种坡面均及时进行除草管理。塑料覆盖面
所用覆盖材料为 0.08 mm 的大棚用塑料膜, 地面除
草整平后直接覆盖在土壤表面, 为防止风吹, 四周
放石块固定。
于 2005 年 5—8 月自然降雨过程中测定各集雨
面的径流量, 同时利用试验站的雨量自动记录仪测
定降雨量并计算降雨强度。于集雨面建成的当年和
翌年的雨季, 收集地表径流, 测定径流沉积物含量。
1.3 数据统计分析方法
应用 EXCEL和 SPSS进行数据整理和统计分析。
2 结果与分析
2.1 人工生物土壤结皮对土壤物理性状的影响
生物在土壤发育过程中起着重要的作用, 不断
地改善着土壤肥力, 且对土壤物理性状产生重要影
响。前人在沙地的研究结果表明, 由微生物和植物
第 10期 周贵连等: 人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究 1331


组成的生物土壤结皮使土壤中含有大量胶着的菌丝
和藻丝体 , 吸附空气降尘中的细小颗粒 [8], 使土壤
颗粒组成发生变化, 大粒径颗粒减少, 小粒径颗粒
含量增加。本文所用的材料虽为人工培育的生长 30 d
左右人工生物土壤结皮, 且试验地区为黄土区, 但
试验观测到其对土壤颗粒组成的影响与前人的结果
一致(表 1)。从表 1看出, 与对照的自然土壤相比, 生
长有人工生物土壤结皮的表层土壤颗粒粒径<0.01
mm 的细粒物质增加, 0.01~0.005 mm、0.005~0.001
mm和<0.001 mm颗粒含量分别增加 4.62%、1.25%
和 9.71%; 而 >0.05 mm 的砂粒含量有所降低 ,
0.05~0.01 mm、0.25~0.05 mm和 1~0.25 mm颗粒含
量分别减少 5.36%、7.40%和 14.81%。虽变化不显著,
但呈现出了的降低趋势。人工生物土壤结皮的存在
虽然引起表层土壤颗粒组成发生了变化, 但对 0~5
cm土壤容重的影响并不显著。人工生物土壤结皮的
容重比自然土壤有所增加 , 但与压实土壤无差异 ,
可能是土壤处理导致的容重的变化, 说明人工生物
土壤结皮对土壤物理性状的影响范围仅限于土壤表
层。

表 1 人工生物土壤结皮对土壤机械组成的影响
Table 1 Effects of artificial biological soil crusts (BSCs) on the texture of soil
0~1 cm土层土壤机械组成 Mechanical composition of 0~1 cm soil (%) 处理
Treatment
容重
Bulk density
(g·cm−3) 1~0.25 0.25~0.05 0.05~0.01 0.01~0.005 0.005~0.001 <0.001
人工生物土壤结皮 Artificial BSCs 1.27 5.75 12.01 39.76 16.32 19.38 4.97
压实土壤 Compacted soil 1.27 6.54 12.57 41.64 15.71 19.41 4.53
自然土壤 Natural soil 1.24 6.75 12.97 42.01 15.60 19.14 4.53

2.2 人工生物土壤结皮对入渗的影响
前人研究表明, 天然的沙地生物土壤结皮由于
改变了土壤的机械组成, 使沙地土壤渗透性降低[8]。
上文的结果表明, 人工培育的生物土壤结皮具有同
样的改变土壤颗粒组成的效果, 故对土壤入渗的影
响也应相近。图 1 是采用双环法测定的人工生物土
壤结皮、自然土壤、压实土壤的入渗速率。从图中
可以看出, 不同处理的土壤渗透速率不同, 生物土
壤结皮的存在大幅度降低了土壤渗透速率; 尤其是
水量较少时, 降低效果更明显, 3种土面的入渗速率
差异较大。



图 1 人工生物土壤结皮对土壤入渗速率的影响
Fig. 1 Effects of artificial biological soil crusts (BSCs) on soil
infiltration rate

对不同处理土壤入渗特征的分析(表 2)表明, 在
本研究的试验条件下, 与未经处理的自然土壤相比,
生物土壤结皮的初始入渗速率和稳定入渗速率分别
下降 59.12%和 44.44%, 而稳定入渗时的累计入渗量
也显著低于另外两个处理 , 比自然土壤处理减少
50.00%。说明人工生物土壤结皮具有明显的降低土
壤入渗的效果。
2.3 人工生物土壤结皮的集雨效果
表 3为 2005年夏季在河北太行山区径流小区测
定的降雨径流系数。从表 3 可以看出, 不同集雨面
的径流系数不同。人工生物土壤结皮使集流面的入
渗速率减少, 地表径流明显增加, 生物结皮集雨面
的平均径流系数是自然土面集雨面的 1.2 倍; 塑料
膜集雨面的径流系数最高, 平均达到 76.12%。从表
中还可看出, 即使在较小的降雨强度和雨量下, 生
物结皮集雨面也可以形成较高的径流, 在前期降雨
较少的 5 月 10 日, 降雨量和强度都不高, 但生物结
皮集雨面的径流系数也达 42.56%, 表现出了较强的
集流优势。地表平整、光滑、坚实加上生物结皮对
降雨入渗的阻碍作用, 使生物结皮集雨面更有利于
径流的形成, 其平均径流系数达 60.86%。但无论哪
种集雨面, 径流系数都受到雨强和前期降雨量的影
响, 达到一定的降雨强度和时间集雨面才能起到良
好的集流雨水的作用。
2.4 人工生物土壤结皮集雨面的效益分析
2.4.1 固持土壤的效果
荒漠化地区的生物结皮可减少流水对地面的冲
蚀 , 同时将降雨产生的径流与土表的疏松层隔开 ,
保护土壤不受雨水的侵蚀[3]。为探讨人工生物土壤
1332 中国生态农业学报 2012 第 20卷


结皮在黄土区固持土壤的作用, 对自然降雨下不同
集雨面的侵蚀状况进行了调查。表 4 为太行山山区
不同年限生物结皮集雨面径流沉积物含量的测定结
果。从表中可以看出, 1年生和 2年生生物结皮集雨
面的径流总沉积物含量分别比自然土壤集雨面降低
8.08%和 88.62%, 不同粒级颗粒含量均明显减少 ,
尤其是<0.1 mm 的颗粒。说明人工生物土壤结皮可
以有效保护土壤, 具有明显减少雨水对土壤侵蚀的
作用, 且随着生物结皮生长时间延长, 结皮盖度和
厚度增加, 保护土表的作用显著加强。
2.4.2 集雨面经济效益分析
对不同集雨材料的集雨效率及其成本进行了对
比分析, 结果见表 5。从表中可以看出, 生物结皮集
雨面的建造费用明显低于目前常用的水泥和塑料集
雨面; 而其集雨效率又高于成本最低的土面夯实集
雨面。由于生物材料的寿命明显长于其他材料, 且
生物结皮集雨面的集雨效率随着材料的生长不断增
加, 在适当的维护措施(及时除草等)下生物结皮集
雨面可以无限期地使用, 集雨效率会不断提高。因
此生物结皮是一种持久性强的集雨材料。

表 2 人工生物土壤结皮对土壤入渗特征的影响
Table 2 Effects of artificial biological soil crusts (BSCs) on soil infiltration characters
处理
Treatment
试验前土壤含水量
Antecedent soil
moisture (%)
初始入渗速率
Initial infiltration rate
(mm·min−1)
稳定入渗速率
Stable infiltration rate
(mm·min−1)
入渗稳定时的累计入渗量
Cumulative infiltration
when infiltration was stable
人工生物土壤结皮 Artificial BSCs 14.57±1.09 0.65±0.11b 0.10±0.10c 42.12±9.58b
压实土壤 Compacted soil 13.01±3.24 0.95±0.54b 0.14±0.08b 73.71±14.67a
自然土壤 Natural soil 12.59±2.17 1.59±0.35a 0.18±0.23a 84.24±12.58a

表 3 自然降雨条件下不同类型集雨面的径流系数
Table 3 Runoff coefficients of rainwater harvesting plots (RHP) with different surface materials under natural rainfall %
降雨日期(月-日) Rainfall time (month-day) 项目 Item
05-10 06-29 07-25 08-10 08-11 08-13
平均
Average
降雨量 Rainfall (mm) 3.50 2.25 5.90 18.61 56.70 6.20
降雨强度 Rainfall intensity (mm·h−1) 0.50 0.33 0.10 1.86 4.76 0.51
生物结皮集雨面 BSCs RHP 42.56 39.79 30.68 75.98 82.95 93.24 60.86
塑料膜集雨面 Plastic film RHP 57.61 49.61 68.83 89.54 93.75 97.48 76.12
径流系数
Runoff coefficient (%)
自然土壤 Natural soil RHP 37.45 32.25 58.20 60.94 63.36 49.48 49.48

表 4 不同坡面降雨径流中的沉积物含量
Table 4 Sediments in runoff of rainwater harvesting plots (RHP) with different surface materials g
沉积物粒级 Particle size (mm) 集雨面类型
Rainwater catching plot
总沉积物量
Total sediment >1 0.5~1 0.25~0.5 0.1~0.25 <0.1 mm
自然土壤 Natural soil RHP 69.75 0.39 6.33 6.75 10.23 46.05
1年生物结皮集雨面 RHP of 1 year BSCs 64.11 0.38 6.02 6.06 8.20 43.47
2年生物结皮集雨面 RHP of 2 year BSCs 7.94 0.26 1.51 1.45 1.50 3.22

表 5 不同集雨面的集雨效果及效率分析
Table 5 Comparison of runoff efficiency and benefit of rainwater harvesting plots (RHP) with different surface materials
集雨面类型
Rainwater harvesting plot type
营造费用
Construction cost (Yuan·m−2)
管护成本
Management cost (Yuna·m−2)
平均产流率
Average runoff rate (%)
有效年限
Useful time (a)
水泥面 Concrete RHP 3.00 0 57.061) 10
土面夯实 Compacted soil RHP 0.05 0 35.511) 1~2
塑料面 Plastic film RHP 1.00 0 66.501) 0.5
人工生物土壤结皮面 BSCs RHP 0.50 0.82) 49.25 无限 Infinite
1)由李小雁和龚家栋的结果计算得出[1]; 2)主要指营造开始 2~3年的除草和开春后土面压实以防冻融引起的开裂。1) The data was cal-
culated with Li and Gong’s research[1]; 2) Management measures are weeding and soil surface compacting after winter to prevent crack in the first two
to three years.


3 讨论和结论
干旱半干旱地区有限的水资源是制约当地农林
业生产和居民生活的重要因素。对雨水资源的开发
利用是解决这些地区水资源短缺的有效途径。雨水
的富集叠加利用是雨水资源化的重要途径[9]。目前
常用的雨水收集面的材料主要有三合土、瓦、塑料
膜、油毡、沥青、混凝土、黏土夯实及多种新型高
第 10期 周贵连等: 人工生物土壤结皮特性及其集雨潜力的研究 1333


效材料等[6]。但以往的材料或以高分子化学物质为
主, 易在土壤中产生残留, 由此可能会产生一系列
环境问题; 或使用寿命短, 造价高、效果不明显。而
利用生物土壤结皮作为集雨材料, 不仅可避免物理
方法和化学方法造价高、耐久性差、对环境产生污
染等缺点, 还可以固持土壤, 防止土壤受水风侵蚀;
并可改善土壤营养及结构, 促进土壤向有利于维管
植物发展的方向进化[6]。本研究分析表明, 与前人所
用的水泥、夯实土面、塑料集雨面相比, 人工生物
土壤结皮集雨面具有使用寿命长、集雨效率高的优
点, 虽然初建的几年要有一定的管护投入, 但之后
形成稳定的群落后可以自我保持稳定的集雨效果 ,
且对环境没有任何污染。而对径流沉积物的测定结
果也表明, 坡面的人工生物土壤结皮可以保护土壤,
明显减少雨水对土壤的侵蚀。这些研究与前人的研
究结果一致[2−3,10]。
目前有关生物土壤结皮对土壤入渗性影响的研
究已很多, 所得结论不尽相同, 归纳起来主要有完
全相反的两方面, 增加和降低[11−14]。可能是由于研
究方法、气候条件、土壤类型、参考变量等不同所
致。但是对于结皮类型的影响, 几乎所有的研究结
论都是一致的, 即平滑结皮是降低入渗、增加径流
的[15]。近年来, 国内相关研究进展明显。李莉等[16]
在黄土高原北部的研究结果表明, 生物土壤结皮可
以降低土壤入渗, 减幅达8.3%; 而熊好琴等[17]在毛
乌素沙地的研究结果也表明, 15年围栏恢复区生物
土壤结皮的发育导致土壤入渗速率降低。本文在太
行山区的研究结果表明, 与自然土壤相比, 人工培
育的生物土壤结皮具有明显降低土壤入渗的效果 ,
且高于压实土壤; 而人工生物土壤结皮集雨面在建
造前已整平压实原地面, 在地表培养形成的生物结
皮又使集流面更加平滑, 微地形变化小, 雨水填洼
现象少, 有利于地表径流的产生, 生物土壤结皮又
起到阻碍土壤入渗的效果, 所以生物结皮集雨面的
平均径流系数达60.86%。这一方面说明人工培育的
生物土壤结皮具有自然生长的生物结皮的相同特征,
也进一步验证了前人的相关结论。
生物结皮在土壤表面形成一层致密的不透水结
皮, 具有消除或降低雨水入渗、增加地表径流的功
能; 结皮层还可以保护土壤免受雨水侵蚀, 减少水
土流失[3]。在经过平整后的自然坡面人工培育生物土
壤结皮, 可以形成连续且光滑的地表结皮阻止水分
向土壤中入渗, 促进降雨过程中地表径流的形成。由
此可以看出生物结皮是一种理想的修建集雨面的绿
色材料。生物土壤结皮对环境的适应能力强, 在我国
广大的干旱半干旱地区有大面积分布, 因此生物土
壤结皮集雨技术适宜在很多地区推广应用, 尤其是
干旱半干旱地区, 生物结皮集雨技术不仅有利于提
高集雨效率, 而且对改善生态环境意义重大。
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