自1999年起，黄土高原开始大面积实施“退耕还林还草”工程，给生物结皮的生长发育创造了有利的水热条件^[1-2]，生长成为重要的植物群落近地表组成成分。生物结皮中菌丝体、藻丝体和苔藓假根等生物体的发育可以改善土壤理化性质，从而影响土壤抗蚀性能，具有较强的水土保持功能^[3]。目前关于生物结皮对土壤抗蚀性能的研究主要集中于土壤紧实度、黏结力、饱和导水率、团聚体稳定性和土壤可蚀性K因子等指标。

Thomas等^[4]认为土壤紧实度随着生物结皮盖度的增加而增加，Chamizo等^[5]、赵允格等^[6]和李聪会等^[7]发现生物结皮的存在可以增加土壤紧实度和黏结力，并且认为黏结力随结皮盖度的增加而增加；赵允格等^[6]和Wang等^[3]指出，生物结皮的生长发育会在土壤表面形成一个致密的隔水层，导致土壤入渗性能降低，而去除结皮层后土壤渗透性能增强；Liu等^[8]发现生物结皮会强化土壤团聚体稳定性，发育后期的苔藓结皮提升土壤团聚体稳定性的功能明显大于发育初期的藻结皮；高丽倩等^[9]认为生物结皮可显著降低土壤可蚀性，土壤可蚀性与结皮生物量呈显著的负相关关系，苔藓结皮发育土壤的可蚀性明显小于藻结皮发育的土壤。

土壤抗蚀性能反应了土壤抵抗侵蚀的潜力，与土壤的理化性质密切相关。虽然大量研究都已从多个角度分析了生物结皮对土壤抗蚀性能的影响，但研究中使用的土壤抗蚀性指标比较单一，无法从整体上系统理解生物结皮对土壤抗蚀性能的综合影响；因此，笔者选择2块典型的生物结皮样地，在不同盖度等级条件下，采用多个土壤抗蚀性能指标，系统研究生物结皮类型及盖度对土壤抗蚀性能的影响，为揭示生物结皮提升土壤抗蚀性能的机理、评价生物结皮的水土保持效益提供理论基础。

1 研究区概况

试验在陕西省延安市安塞区的县南沟小流域进行(E109°12′12″~109°22′12″，N36°41′24″~36°46′12″)，流域属大陆性半干旱季风气候，年均降水量为505 mm，年内分配不均，集中在7—9月。流域内梁峁起伏、沟谷纵横，最高海拔为1 404 m，最低海拔为1 012 m，平均海拔为1 219 m。土壤类型单一，地带性黑垆土已流失殆尽，目前以黄绵土为主^[3]。

2 材料与方法 2.1 样地选择

2018年7月，在对县南沟退耕地进行系统调查后，选择2块人为扰动较少、生物结皮生长发育比较完整的退耕地作为研究样地，生物结皮的类型分别是苔藓结皮和混合结皮，以附近无生物结皮发育的玉米地为对照，样地信息如表 1所示。

在每个样地内，根据结皮盖度等级(0~20%、>20%~40%、>40%~60%、>60%~80%和>80%~100%)分别选取3个50 cm×50 cm的样方，测定土壤紧实度、黏结力、饱和导水率和团聚体稳定性等指标，并根据土壤土壤机械组成的测定结果计算土壤可蚀性K因子，基于上述5个土壤抗蚀性能因子计算综合性土壤抗蚀性能因子。完成所有指标的取样和测定后，轻轻削去表层1 cm的生物结皮层，然后重复上述指标的测定与计算。为了避免植被根系的影响，取样和测定均选择在植株间隙进行，图 1为生物结皮样品。

2.2 指标测定与计算

土壤紧实度用Eijkelkamp 0603便携式贯入仪测定，每个样方重复20次。土壤黏结力用Eijkelkamp1410便携式黏结力仪测定，每个样方重复20次；饱和导水率用环刀法(环刀直径10 cm、高5 cm)测定，每个样方重复5次，其计算公式如下：

$ \[{K_{\rm{s}}} = \frac{{QL}}{{AtH}} \circ \] $

(1)

式中：K_s为饱和导水率，mm/min；Q为水的体积，mL；A为环刀横截面积，mm²；t为测定时间, min；H为水头差，mm；L为环刀高，mm。

团聚体稳定性用常水头滴定法和湿筛法测定，具体操作方法参见Wang等^[2]的文章，并由下式计算：

$ {M_{{\rm{wd}}}} = {\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{x_i}{w_i}} \right)} _ \circ } $

(2)

式中：M_wd为团聚体平均质量粒径，mm；x_i为相邻筛子的平均直径，mm；w_i为留在第i个筛子上湿团聚体的质量；n为筛子序号。

使用EPIC模型计算K因子，公式如下：

$ \left. \begin{array}{l} {K_{{\rm{epic}}}} = \left\{ {0.2 + 0.3{\rm{exp}}\left[ { - 0.025{\rm{ }}6{S_a}\left( {1 - {S_i}/100} \right)} \right]} \right\} \cdot \\ {\left( {\frac{{{S_i}}}{{{C_l} + {S_i}}}} \right)^{0.3}}\left( {1.0 - \frac{{0.25C}}{{C + {\rm{exp}}\left( {3.72 - 2.95C} \right)}}} \right) \cdot \\ \left( {1.0 - \frac{{0.71{S_{n1}}}}{{{S_{n1}} + {\rm{exp}}\left( { - 5.51 + 22.9{S_{n1}}} \right)}}} \right);\\ {S_{n1}} = 1 - {S_a}/100;\\ C = 0.58{S_{{\rm{om}}}} \circ \end{array} \right\} $

(3)

式中：K_epic为用EPIC模型计算得到的土壤可蚀性因子，Mg ·ha ·h/(ha ·MJ ·mm)；S_a为土壤砂粒含量，%；S_i为土壤粉粒含量，%；C_l为土壤黏粒含量，%；C为土壤有机碳含量，%；S_om为土壤有机质含量，%。

Zhang等^[10]根据黄土高原实际情况，提出黄土高原土壤可蚀性因子的修正公式：

$ K = - 0.013{\rm{ }}83 + 0.515{\rm{ }}8{K_{{\rm{epic}}}}{\;_ \circ } $

(4)

式中：K为土壤可蚀性因子，Mg ·ha ·h/(ha ·MJ ·mm)。

为了综合评价土壤抗蚀性能，用加权综合法^[11]计算综合土壤抗蚀指数C_SAI，公式如下：

$ {C_{{\rm{SAI}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{K_i}{C_i}} $

(5)

式中：C_SAI为综合土壤抗蚀指数；K_i为每个因子的权重，用因子分析法得出；C_i为用隶属函数计算的每个因子的得分；K_iC_i为每个因子对C_SAI的贡献率。隶属函数如图 2所示，其中紧实度、黏结力、团聚体稳定性和饱和导水率的权重用“S”曲线计算，而K因子的权重用反“S”曲线计算，隶属函数中具体参数的确定参考Wang等^[2]的文章。

2.3 数据计算与分析方法

运用SPSS 18.0软件对数据进行因子分析得到土壤抗蚀性能各指标的因子权重；对不同盖度间、生物结皮样地与对照样地的指标差异显著性用单因素方差分析；对不同生物结皮类型之间各个指标的差异显著性用配对样本t检验，运用Origin 8.5软件进行绘图。

3 结果与分析 3.1 紧实度和黏结力

土壤紧实度和黏结力分别反映了土壤在垂直和水平方向抵抗径流剪切的能力。混合结皮覆盖的土壤紧实度和黏结力均显著大于苔藓结皮(P < 0.05)，这一结果与Chamizo等^[5]的研究结果一致。去除生物结皮后土壤紧实度和黏结力的变化趋势一致，但差异并不显著(P>0.05)。而且土壤紧实度和黏结力均随着结皮盖度的增大而增大，这一结果与Thomas等^[4]的研究结果一致。单因素方差分析显示，当生物结皮盖度小于80%时，不同盖度间土壤紧实度和黏结力差异不显著(P>0.05)。

与对照相比，苔藓结皮样地的紧实度平均减少19.45%，而混合结皮在盖度大于40%后，紧实度有所增大，这一结果与前人的研究结果不一致，可能与对照样地存在明显的物理结皮发育、土壤板结比较严重有关。单因素方差分析显示，当结皮盖度大于80%时，有结皮覆盖的土壤紧实度和黏结力均与对照样地差异显著(P < 0.05)。去除生物结皮层后2种结皮类型下土壤黏结力均与对照存在显著差异(P < 0.05)。

3.2 饱和导水率

混合结皮土壤饱和导水率显著小于苔藓结皮(P < 0.05)，混合结皮较苔藓结皮减小约49.06%。这可能与苔藓样地有机质含量高、土壤紧实度低(表 2)有关，这一结果与Chamizo等^[12]的研究结果一致。土壤饱和导水率均随结皮盖度的增加而呈下降趋势，苔藓结皮仅在盖度为0~20%时，与其他盖度存在显著差异(P < 0.05)，混合结皮盖度间差异不显著(P>0.05)。去除生物结皮后土壤饱和导水率也具有相同的趋势，但差异并不显著(P>0.05)，这一结果与赵允格等^[6]的研究结果一致。与对照相比，生物结皮样地土壤饱和导水率有所增加。与对照相比，结皮覆盖下土壤饱和导水率存在显著差异(P < 0.05)(图 3)。

3.3 团聚体稳定性

苔藓结皮覆盖下的土壤团聚体稳定性较混合结皮有所增大，湿筛法平均增大约6.26%，常水头滴定法平均增大约13.68%。配对样本t检验显示，仅在生物结皮盖度大于80%时土壤团聚体稳定性存在显著差异(P < 0.05)。去除结皮层后土壤团聚体稳定性明显减小，随着结皮盖度的增加，土壤团聚体稳定性呈增加趋势，与对照相比，生物结皮覆盖下的土壤团聚体稳定性显著增加(P < 0.05)。去除生物结皮后土壤团聚体稳定性有所减小，但下降的幅度并不显著(P>0.05)(图 4)。

3.4 土壤可蚀性K因子

混合结皮覆盖下的土壤可蚀性K因子较苔藓结皮明显减小，平均减小0.98%(图 5)。配对样本t检验结果显示，当生物结皮盖度>40%后，苔藓结皮和混合结皮的K因子存在显著差异(P < 0.05)，说明生物结皮对土壤可蚀性因子的影响存在一定的盖度阈值。去除生物结皮后，土壤可蚀性K因子增大。

土壤可蚀性K因子随着生物结皮盖度的增加呈减小趋势。与对照相比，有生物结皮覆盖样地的K因子有所减小，混合结皮平均减小6.57%，苔藓结皮平均减小5.65%；去除生物结皮后土壤K因子有所增加，混合结皮平均增加4.27%，苔藓结皮平均增加3.16%。

3.5 综合土壤抗蚀指数

如表 3所示，混合结皮覆盖下的综合土壤抗蚀指数小于苔藓结皮，去除生物结皮后有相同的变化趋势。去除结皮后土壤抗蚀指数减小，说明生物结皮的存在能使土壤抗蚀性能增强，这一结果与李聪会等^[7]的研究结果一致。随着生物结皮盖度的增大，综合土壤抗蚀指数呈增大趋势，说明随着生物结皮盖度的增大土壤抗蚀性能不断增强。与对照相比，生物结皮覆盖条件下，综合土壤抗蚀指数有所增加，混合结皮平均增大1.9%，苔藓结皮平均增大13.04%。去除生物结皮层后，综合土壤抗蚀指数减小，混合结皮平均减小4.60%，苔藓结皮平均减小2.0%。

4 讨论

苔藓结皮和藻结皮是黄土丘陵沟壑区常见的生物结皮类型，文中主要探讨苔藓结皮和混合结皮对土壤抗侵蚀性能的影响。生物结皮对土壤抗蚀性的影响体现在3个方面：一方面是因为生物结皮的假根和菌丝本身具有一定的抗剪强度，其对土壤颗粒的缠绕、捆绑作用也会增强土壤抗剪强度；同时生物结皮的分泌物及其腐烂物会增加土壤有机质含量，促进土壤颗粒间的胶结作用；而且微生物细胞带负电荷，静电引力可以促使土壤颗粒彼此连接在一起。相关研究^[13]表明，苔藓结皮湿润后体积约膨胀13倍左右，而藻结皮湿润后膨胀约8倍，不均匀的体积膨胀会增大地表糙率，促进降水入渗，使得结皮层下土壤水分含量较高，促进有机物分解、提高有机质含量，增大团聚体稳定性。

混合结皮和苔藓结皮对土壤抗蚀能力影响的机制不尽相同，发育初期的藻结皮可以分泌较多的胞外多聚糖，且藻结皮中丝状蓝藻等物种可以通过物理作用捆绑土壤颗粒，使得土壤结构更稳定不易被侵蚀。与此相反，苔藓结皮分泌的胞外多糖较少，其抵抗侵蚀的能力主要来源于假根对土壤颗粒的物理捆绑作用，导致混合结皮的可蚀性低于苔藓结皮。

研究结果发现混合结皮饱和导水率小于苔藓结皮，而土壤饱和导水率随着结皮盖度的增加呈下降趋势，两种结果存在矛盾，经分析发现，苔藓结皮覆盖的部分样地中发育有较多细小的蚂蚁洞，可能导致土壤入渗的增大，但具体原因有待于进一步考究。

5 结论

苔藓结皮发育的土壤，其饱和导水率、团聚体稳定性和综合性抗蚀指数C_SAI均大于混合结皮发育土壤的对应指标，表明在同样盖度条件下，苔藓结皮发育的土壤抗蚀性能优于混合结皮发育的土壤；去除生物结皮层后，土壤紧实度、黏结力、饱和导水率、团聚体稳定性和综合性抗蚀指数C_SAI均显著减小，而K因子显著增大，说明生物结皮的生长发育使土壤抗蚀性能显著增强；随着生物结皮盖度的增大，土壤紧实度、黏结力、团聚体稳定性和综合性抗蚀指数C_SAI呈增大趋势，而饱和导水率和土壤可蚀性K因子呈下降趋势，说明随着生物结皮盖度的增大，土壤抗蚀性能增强；与对照相比，有结皮发育的样地综合抗蚀性指数C_SAI有所增加，也说明生物结皮的生长发育可以有效增强土壤抗蚀性能。