沙漠苔蘚生物結皮層物理特征研究

閆德仁 黃海廣

摘要[目的]研究適宜的方法測定苔蘚結皮層物理性指標，并進一步評價其對生物結皮層物理性能的評價。[方法]在借鑒相關土壤物理特性指標測定方法的基礎上，采用差減法、室內浸泡法、鏈條法分別測定了苔蘚生物結皮層的容重、吸水速率、生物量及其持水特征和表面糙度等。[結果]苔蘚生物結皮層容重為0.95t/m3，對照純沙土為1.52t/m3;苔蘚生物結皮層吸水2min時其吸水速度為0.23g/（g·min），吸水60min時其吸水速度僅為0.01g/（g·min）;苔蘚結皮層表面糙度為5.0，藻類結皮層表面糙度為11.2;苔蘚生物結皮層生物體干重為689.69g/m2，植物體持水量為283.03%。[結論]該研究采用的相關測定方法不僅具有可操作性、簡便等特點，而且測定結果能夠客觀反映沙漠苔蘚生物結皮層特性指標，對指導生物結皮層物理性能研究具有參考意義。

關鍵詞生物土壤結皮;物理特征;表面糙度;測定方法;生物體干重

中圖分類號S714.2文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0077-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.024

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

沙漠生物結皮是沙漠地區最具特色的微自然景觀，遍布于沙漠或荒漠地區，主要由藻類、地衣、苔蘚、菌類等植物與土壤顆粒物相作用，在土壤表面形成的一層特殊表面結構。由于生物結皮在防風固沙、風沙土形成演化等方面扮演著重要的角色，近年來，國內有關科技人員進行了很多的研究[1-5]，但有關沙漠生物結皮層物理特性測定方法的研究一直滯后，并影響著對生物結皮層物理性能的評價。筆者在借鑒相關土壤物理特性指標測定方法的基礎上，對如何測定苔蘚結皮層物理性指標方法及苔蘚結皮層物理特征進行了探討。

1資料與方法

1.1研究地概況

研究地位于庫布齊沙漠達拉特旗白土梁林場解放灘作業區，地理坐標為40°21′30″E、109°50′30″N。該區屬中溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量一般在360mm，年蒸發量平均2160mm，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫-34.5℃，≥10℃有效積溫3197.4℃·d，無霜期130～140d，8級以上大風日數27d，揚沙日數58d，年平均風速3.3m/s。天然植物種主要有寸苔草（Carexduriuscula）、披堿草（Elymusdahuricus）、沙米（Agriophyllumsquarrosum）、豬毛菜（SalsolacollinaPall.）、苦豆子（Sophoraalopecuroides）、油蒿（Artemisiaordosica）、霧冰藜（Bassiadasyphylla）等，植被蓋度為30%～60%，森林植被以人工林為主，主要樹種為楊樹（Populus）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）、小葉錦雞兒（Caraganamicrophylla）、沙柳（Salixpsammophila）等。

樣本采集樣地為20年的楊樹人工林，林分郁閉度0.3，林內灌木樹種有沙柳、小葉錦雞兒。具體取樣地點的草本植物蓋度小于5%。林地內生物結皮類型主要為苔蘚生物結皮和藻類生物結皮，其中苔蘚生物結皮厚度0.75～1.23cm，藻類生物結皮厚度小于0.3cm。

1.2研究內容與方法

1.2.1生物結皮層容重特征。

通常苔蘚結皮層厚度1～2cm，且結皮層松脆，單獨取原狀結皮層樣本比較困難，所以采用差減法測定其容重，具體測定方法如下。

選擇表面相對平整的典型苔蘚生物結皮樣地，先噴少量水使結皮層濕潤，再用環刀取原狀苔蘚結皮層（包括結皮層及其下面的的風沙土）樣本。修整后帶回室內，放入烘箱中，105℃烘干12h，取出測定環刀、風沙土和苔蘚結皮層的總重量（W總），然后取出結皮層并單獨稱重（W），同時將環刀內的風沙土抹平，從環刀內側測定風沙土到環刀上邊的深度（h），將環刀內風沙土倒出，并測定環刀重（W環），用差減法計算風沙土重量（W沙），并根據取出結皮層后環刀的深度變化，計算結皮層體積，并用如下公式計算苔蘚結皮層容重。

生物結皮層體積（V）=100×h/H（1）

式中，h為環刀內側測定的深度變化值，cm;H為環刀總高度，5cm;100為所用環刀體積，cm3。

苔蘚結皮層容重=W/V（2）

式中，W為環刀內苔蘚結皮層重量，g;V為環刀內苔蘚結皮層體積，cm3。

該內容共采集40個重復樣本，測定苔蘚結皮層容重，同時探討了結皮層厚度及其與容重的關系。

1.2.2生物結皮層吸水特征。

苔蘚結皮層吸水速率測定使用室內浸泡法，即取完整的1塊結皮層稱重（W1），然后將稱重后的樣品裝入尼龍網袋，且有苔蘚的一面朝下，放入容器中，加注1cm深的清水，然后分別在吸水2、5、10、20、30、60min取出3個重復樣品，稱重（W2），用差減法測定其吸水量，并計算單位時間重量苔蘚結皮層的吸水速度。具體公式計算如下：

吸水速率（U）=（W2-W1）/（W1×h）（3）

式中，U為吸水速率，g/（g·min）;W2為吸水后結皮層重量，g;W1為吸水前結皮層重量，g;h為結皮層吸水時間，min。

1.2.3生物結皮層生物量及其持水特征。

在選定的樣地，按照20cm×20cm規格采集苔蘚生物結皮層8個重復樣本，帶回室內，用水浸泡并反復搓洗，使土壤脫落，然后放入20目篩中，反復用水沖洗至沒有土壤為止，并將苔蘚生物體中水分擠出，在65℃烘箱中烘干12h，稱重，并計算單位面積苔蘚結皮層生物體重量。

苔蘚生物體持水測定采用浸泡法。即取烘干的苔蘚生物體稱重（W1），然后將稱重后的樣品裝入尼龍網袋放入容器中，加注2cm深的清水，吸水12h，取出吸水后的苔蘚生物體，并懸掛在空中靜置，當無水滴滴下時稱量（W2），然后計算苔蘚生物體持水量。該測定內容共設置5個重復，其平均值作為分析結果。計算公式如下：

苔蘚生物體持水量（W）=（W2-W1）/W1×100%（4）

式中，W為苔蘚生物體持水量，%;W2為吸水后苔蘚生物體重量，g;W1為吸水前苔蘚生物體重量，g。

1.2.4生物結皮層表面糙度。

采用Ali[6]鏈條法測定生物結皮層表面糙度。具體測定方法是選定苔蘚或藻類生物結皮樣地，用1m線繩（L1）平鋪在樣地上，用手從一端下壓，使線繩在凸凹不平的生物結皮層上收縮前行，然后測定線繩兩端的直線距離（L2）。每種生物結皮類測定10個重復。由于L1和L2的差異與粗糙程度密切相關，并用以下公式計算糙度。

C=（1-L2/L1）×100（5）

式中，C為生物結皮層表面糙度，無綱量;L1為給定的線繩長度，m;L2為當線繩被置于一段粗糙地表時，與在光滑平面比較，其水平長度縮短的距離，m。L2越小，其生物結皮層表面糙度越大。

1.3數據統計

所有數據采用SPSS13.0和Excel2003軟件進行統計分析。

2結果與分析

2.1生物結皮層容重變化

容重對生物結皮物理性質有直接影響，不僅影響其水分物理性質，而且也能夠反映出生物結皮物質組成的特點。閆德仁等[7]測得的苔蘚結皮層容重為1.03t/m3，對照沙土為1.47t/m3;而崔燕等[8]測定（蠟封法測定）苔蘚結皮層容重平均為1.81t/m3，對照沙土為1.50t/m3。顯然，苔蘚結皮層容重測定方法的差異對結果有明顯的影響。

從差減法測定的結果（表1）來看，苔蘚結皮層容重最小，40個測定樣本的平均容重為0.94t/m3，純沙土為1.52t/m3，結皮層和沙土總容重為1.42t/m3，同時，從數據標準差看，苔蘚結皮層容重的標準差較大，說明測定苔蘚結皮層容重時測定樣本數量非常重要。此外，苔蘚結皮層主要是由沙、降塵和苔蘚植物體及其假根組成，所以結皮層的容重不可能比純沙土容重高。而崔燕等[8]的測定結果（1.81t/m3）顯然偏離了正常規律。

此外，從苔蘚結皮層厚度和容重變化關系看（圖1），隨著生物結皮層厚度的增加，其容重變化總體呈現線性降低的趨勢（R2=0.7025），其原因可能與生物結皮層的物質組成成分有關。苔蘚結皮層中單位體積內生物結皮層厚度增加其生物體成分也在增加，特別是苔蘚植假根數量增加，而土壤成分相對減少，并導致苔蘚結皮層容重降低。

2.2生物結皮層的吸水速率變化特征

快速吸水生物結皮層最明顯的水分特征，苔蘚植物雖然個體較小，但常形成大片叢生或墊狀群落，枝葉交錯形成大量毛細孔隙，具有吸水快、蓄水量大的特點[9]。從圖2可以看出，隨著苔蘚生物結皮層吸水時間的延長，其吸水速度急劇下降，并呈現出冪函數關系（R2=0.9827）。吸水2min時其吸水速度為0.23g/（g·min），吸水60min時其吸水速度僅為0.01g/（g·min）。因此，沙漠地區一旦降雨，生物結皮層將急速吸水，使其生長，并在一定程度上影響降雨的入滲過程，這種吸水特征反映出沙漠生物結皮層能夠獲取清晨露水中的水分，并對生物結皮中水分的獲得起著特殊的作用[10]。

2.3生物結皮層表面糙度變化

沙漠地區不同生物結皮類型其表面凸凹不平，而表面糙度又是評價其抗風蝕能力的主要指標。從表2可以看出，生物結皮類型不同，其表面糙度差異明顯，苔蘚結皮層平均表面糙度為5.0，且數據標準差為1.4142，而藻類結皮層平均表面糙度為11.2，且數據標準差為1.8738。事實上，苔蘚結皮層干燥的表面相對平滑，且結皮裂隙明顯，形態各異;而藻類結皮層則表面凸起明顯，類似“石林”形態，所以，藻類結皮層表面糙度較大。

2.4生物結皮層生物量及其持水特征

沙漠中的苔蘚生物結皮不僅分布廣，而且結皮層厚、細顆粒物含量高，抗風蝕和抗踩壓能力強，同時苔蘚植物作為活地被物層，其腐爛、分解和更新在生物地球化學循環中發揮著重要作用，且苔蘚植物大部分屬于外吸水型，雖然只有假根，但由于其很強的體表吸水能力、較大的表面積與體積比、大量的陽離子交換點和由于不發達的角質層而產生的對離子吸收很低的阻力，使苔蘚能吸收大量的溶解于體表水中的礦質元素。因此，苔蘚生物體對改善事物結皮層肥力水平具有積極作用，并在風沙土演化中扮演著重要角色。

從表3可以看出，苔蘚結皮層生物體（含假根）生物量平均為689.68g/m2，生物體持水量為自身干重的2.83倍。而川西亞高山人工云杉林下苔蘚持水量平均為466.25%[9]，長白山暗針葉林苔蘚植物平均含氮量為54.37kg/hm2，含磷31.68kg/hm2，含鉀12.04kg/hm2[11]。因此，沙漠生物結皮的這些特性有著巨大的生態作用。例如，苔蘚結皮能夠很好地利用清晨露水，這與其吸水速度快有密切關系，同樣，生物體持水量大可以有效攔截降雨，不會形成水土流失;而生物體在死亡和分解礦化的過程必然增加結皮層養分含量，促進結皮層肥力的形成并改善其物理性質。

3討論與結論

沙漠生物結皮在防風固沙、風沙土形成演化等方面具有重要的作用。通常苔蘚結皮層厚度在1～2cm，用傳統的環刀法幾乎無法測定其物理特性。從現有文獻看，不同研究者測定苔蘚結皮層容重的差別很大。例如，崔燕等[8]采用蠟封法測定苔蘚結皮層容重平均為1.81t/m3，閆德仁等[7]采用鋁合蓋容積法測定苔蘚結皮層容重為1.03t/m3，所以，尋找適宜的方法測定苔蘚結皮層容重等物理性指標就顯得特別重要。同時，苔蘚結皮層厚度、物理特性等指標對降雨入滲以及沙層水分變化具有重要影響。通常認為苔蘚結皮層影響著小于10mm降雨的入滲過程，導致降雨入滲的淺層化，并影響草本固沙植物的生長。此外，由于苔蘚結皮層主要是由沙、降塵和苔蘚植物體及其假根組成，所以苔蘚結皮層的容重不可能比純沙土容重（1.5～1.7t/m3）高。而該研究采用不同測定方法測定了沙漠苔蘚生物結皮層的物理特性，不僅方法簡便、適用，可操作性強，而且取得了預期效果。