藻類與微生物添加對高陡邊坡生物結皮人工恢復的影響

鞠孟辰, 卜崇峰,, 王清玄, 白雪強, 李亞紅, 郭 琦, 韋應欣

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

作為旱區生態系統中重要的活性地被物，生物結皮(biocrusts， BSCs)能夠顯著提高土壤中碳、氮積累，提高地表的粘結力，調節土壤水文過程，提高啟動風速，減輕風蝕，發揮著重要的水土保持作用[1-4]。另外，苔蘚結皮作為生物結皮的高級演替階段，具有極強的抗逆性[5-7]，且能夠生長在陡峭的土質坡面上，并可通過撒播莖葉碎片實現人工培育，作為一種生物防護新手段，近年來受到越來越多的關注[8-11]。陸生藻類是生物結皮的重要組成部分，其分泌的胞外聚合物與絲狀結構能夠穩定地表，促進生物結皮形成[12-13]，陸生藻類對于干旱等極端條件有較強適應性，其能夠忍受較大溫度變化范圍及強光環境[14-15]。土壤中的微生物群落同樣是生物結皮的重要組分，調節著旱區生態系統中物質循環與能量流動[16-17]。自然環境中生物結皮的發育改善了土壤顆粒組成與水分再分配過程，影響土壤養分含量及土壤pH值[18]，生物結皮的發育往往伴隨著微生物群落的發展，二者相互作用，共同發揮生態效益[19-21]。現有野外培育研究多以苔蘚或藻類為培育對象，在平緩土質或砂質坡面，直接撒播苔蘚碎片或藻液，控制光照、溫度、水分等環境條件，或施用營養液、生長調節劑等化學物質，促進生物結皮恢復[22-25]。如何在廣泛存在的、工程開挖形成的高陡邊坡上接種恢復生物結皮，目前關注有限。本研究將苔蘚莖葉碎片與藻液及功能性微生物接種在布設于45°黃土坡面的自制培育基質上，了解藻類與微生物對生物結皮恢復效果的影響，以期更為有效的在高陡邊坡上開展生物結皮接種恢復，為生態修復提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

培育試驗在位于陜西省楊凌區五泉鎮嶺后水土保持試驗站(34°—34°20′N，108°—108°07′E)的45°黃土坡面(方位角224°)進行。區內北高南低，屬暖溫帶大陸性季風型半濕潤氣候，四季分明。年日照時數2 163.8 h；主導風向為東風和西風，最大風速21.7 m/s；年平均氣溫12.9 ℃，最熱月在7月，平均26.1 ℃，最冷月在1月，平均-1.2 ℃，極端最高氣溫42 ℃，極端最低氣溫-19.4 ℃；年平均降水量635.1 mm，為全年農作物需水量的63.9%，降水量年際變化較大；潛在蒸發量1 505.3 mm，濕潤指數0.64，無霜期211 d。區內主要植被為國槐(Sophorajaponica)、柏樹(Cupressusfunebris)、榆樹(UlmuspumilaL.)、鬼針草(Bidenspilosa)、蒺藜(Tribulusterrestris)、阿爾泰紫菀(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 苔蘚種源采集與預處理 苔蘚結皮采自陜西省延安市磚窯灣鎮賈居溝(東經109°08′46″—109°14′30″，北緯36°42′21″—36°48′44″)，海拔1 003.1～1 203.4 m，主要植被包括：小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)和長芒草(Stipabungeana)等，采樣時選擇發育良好，株高度大于5 mm，較為完整的苔蘚結皮，利用小鏟鏟取苔蘚結皮層(1 cm)。將采集好的結皮層，放在溫度小于30 ℃，相對濕度不大于60%背陰處晾干備用。經鑒定，優勢種為土生對齒蘚(Didymodonvinealis)，伴生有長尖對齒蘚(Didymodonditrichoides)及叢生真蘚(Bryumcaespitium)等。待晾曬干燥后，人工挑出結皮樣品中雜質，使用高速植物粉碎機(艾澤拉-2 500 C)將結皮層粉碎為長度均勻分布在0.01～2 mm間的莖葉碎片，混勻后獲得苔蘚結皮種源。

1.2.2 坡面整備與接種 經預試驗測試不同坡面承載結構的穩定性，基質對于苔蘚莖葉碎片的接種適宜性，選擇在45°黃土坡面布設三維土工網(國標EM3)并上覆10～20 mm厚，按照不同處理混合了功能性微生物(巨大芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌)的基質(過4 mm孔徑篩黃土、育苗基質、水、有機肥，它們的體積比為1∶1∶1∶0.2)后，立即于坡面上手工撒播苔蘚莖葉碎片(500 g/m2)，并適量灑水促進附著。

1.2.3 培育養護 試驗于2018年7月至10月進行，考慮小球藻+硅藻復合藻液與功能性微生物兩個因素，每因素各3個水平，采用完全試驗設計，共9個處理(表1)，每個處理3個重復，于坡面27個2 m×1 m小區中隨機排布各處理。微生物按照重量比(10 g/kg)直接拌和于基質中，藻液于接種苔蘚莖葉碎片后15 d根據處理要求均勻撒于坡面上。培育初期(0～30 d)使用遮陽網控制光強<20 000 lux，土壤水分>10%，并每隔5 d按照2.1 L/m2施用Hoagland營養液，培育中期(31～60 d)僅控制土壤水分與光照，培育末期(61～90 d)撤下遮陽網，不再人為補充水分。

表1 試驗因子及其水平

1.3 觀測指標與方法

1.3.1 生物結皮覆蓋度 在處理小區兩對角線上均勻選取5個點，放置由4線交叉等分為9個方格的10 cm×10 cm塑料樣框，從中隨機選取三個方格測量其中生物結皮覆蓋度。

1.3.2 生物結皮厚度 在處理小區的兩條對角線上均勻選取5個點，使用直徑1.43 cm環形取樣器取>10 mm厚度樣品，使用電子游標卡尺隨機選點測量生物結皮厚度3次。

1.3.3 苔蘚株高度 在處理小區的兩條對角線上均勻選取5個點，每個點使用電子游標卡尺隨機選點測量苔蘚植株體高度3次。

1.4 數據處理

采用Excel對數據進行處理，利用R語言首先進行巴特利特方差齊性檢驗(Bartlett’s test)，隨后進行方差分析，并檢查雙因素間交互作用，分析不同因素對處理間差異的貢獻程度與顯著性(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物結皮生長狀況

生物結皮在小區內呈斑塊狀分布(圖1)，在小區間格擋處往往蓋度較高，而在各小區上部蓋度明顯較小。添加1 g藻類并施用巨大芽孢桿菌處理下，生物結皮蓋度有最大中位數,各處理中蓋度均值為61.41%,最小值為32.72%,變異系數Cv=24.48,各處理間存在一定差異。添加3 g藻，不施用功能性微生物處理下，苔蘚株高度有最大中位數，各處理株高度均值為2.67 mm，最小值為1.31 mm，變異系數Cv=33.34。不添加藻，施用膠質芽孢桿菌處理下，生物結皮厚度有最大中位數，各處理生物結皮厚度均值為2.58 mm，最小值為1.25 mm，變異系數Cv=32.63。

圖1 培育90 d后生物結皮發育情況

2.2 藻類的影響

為了有效分析處理對生物結皮各指標的影響，首先使用巴特萊特方差齊性檢驗檢查處理方差齊性(表2)，結果顯示在藻類與功能性微生物兩因子作用下的生物結皮3個指標的方差齊性表現良好(average-p=0.45/0.88/0.45)，可以進一步進行方差分析。

在生物結皮蓋度方面，藻類添加物解釋了95.81%的處理間方差,影響顯著(p=8.01×10-12)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.000 83/0.008 00/0.001 20)。在不施用藻類時，生物結皮蓋度預測均值為59.32%，施用量為1 g/m2時,預測均值為66.8%，施用量增加至2 g/m2時,預測均值下降至62.2%。

在生物結皮厚度方面，藻類添加物解釋了92.44%的處理間方差，影響顯著(p=4.33×10-9)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.005 6/0.003 0/0.001 6)，當不施用藻類時，生物結皮厚度預測均值為2.54 mm，當施用量為1 g/m2時,預測均值下降為2.26 mm，當施用量提升至2 g/m2時,預測均值上升為3.10 mm，說明在添加劑量為2 g時,藻類能夠最大限度的提高生物結皮厚度。

表2 不同梯度藻添加對各生長指標影響顯著性

在苔蘚株高度方面，藻類添加物解釋了90.53%的處理間方差，影響顯著(p=1.40×10-8)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.002 00/0.007 00/0.000 76).，當不施用藻類時，苔蘚株高度預測均值為2.81 mm，當施用量為1 g/m2時,預測均值開始下降,為2.61 mm，當施用量提升至2 g/m2時,預測均值下降為2.52 mm，說明隨添加劑量的上升,藻類對苔蘚株高度有明顯負作用，當施用量為1 g/m2時,促進作用達到最大(coe-f=66.82)。

2.3 功能性微生物的影響

功能性微生物對表征試驗樣地生物結皮生長狀況的3個指標影響微弱,分別解釋了生物結皮蓋度與厚度、苔蘚株高度樣地間方差的0.036%，0.66%和0.071%，p值分別為0.91，0.93和0.49，均不具有顯著性(表3)。

表3 雙因素方差分析結果

2.4 藻類與微生物的交互作用

交互作用對表征試驗樣地生物結皮生長狀況的3個指標影響微弱,分別解釋了生物結皮蓋度與厚度、苔蘚株高度樣地間方差的0.011%，0.005 0%和0.009 7%，p值分別為0.43，0.89和0.78，均不具有顯著性(表4)。

表4 交互作用方差分析結果

3 討 論

以往利用藻類進行生物結皮人工恢復的研究多開展于干旱或半干旱荒漠的，流動或半流動沙丘表面。通過接種具鞘微鞘藻等陸生藻類，構建具有一定厚度的藻結皮[26-28]，將水生藻類應用于人工生物結皮構建尚未見相關報道。水生藻類與陸生藻類在形態結構等方面具有相似性，其藻絲能夠纏繞土粒，并通過分泌胞外聚合物增強土表穩定性，促進土壤團聚體形成，增加土壤水穩性，提高土壤肥力[13,29-30]。另外，藻類還能夠通過提高土壤表層孔隙度，增加土表持水量，降低擊濺侵蝕的同時，降低土表蒸發作用，提高水分在土壤中的留存時間，改善近地表水分條件[31-32]，為生物結皮中其他組分的發育營造了適宜的土壤與水分條件。在生理活性方面，藻類能夠與苔蘚植株的葉片和假根緊密纏繞在一起,以低濃度胞外多糖促進蘚類原絲體與配子體產生新的莖葉體,而苔蘚植物提取液對藻類生長同樣具有促進作用[33]。藻類與苔蘚結皮的混生同樣有利于細菌與真菌等微生物組份多樣性的上升，從總體上提高群落多樣性[34]，從而促進了本試驗中生物結皮的發育。

雖然本次使用的兩種芽孢桿菌在農業生產中已被廣泛應用[35]，但未見將之應用于生物結皮人工培育恢復的研究報道。通過改善土壤結構，促進養分循環與能量流動，芽孢桿菌能夠提高作物抗病能力，提升果蔬含糖量，改善口感、提高產量的同時降低化肥與農藥的使用[17,35-36]。就試驗結果的分析來看，兩種芽孢桿菌的作用并不顯著，這可能是由于而培養初期環境溫度較高(地表溫度錄得47 ℃)[37]，且菌種拌合于混合基質中，隨水分散失基質內部有硬化現象，礦化作用弱，速效氮不足，不適宜功能性微生物的增殖并發揮作用[38]。

于培育結束時(90 d)觀察坡面生物結皮，相較于緩坡(坡度<10°)，多為斑塊離散分布，藻結皮為主要覆蓋，而苔蘚組分較少且株高度較低。雖然在苔蘚種源處理、接種方式、養護措施等方面，與李茹雪于2016年9月在同一地區5°黃土緩坡上開展的生物結皮人工培育恢復研究基本相同，但培育期末，苔蘚株密度、蓋度明顯偏低[39]。這可能是坡度與坡向以及季節導致的立地條件差異造成的。方位角為224°的45°西南坡在7月時，使用90%遮光率遮陽網遮陰，坡面溫度依然可達50 ℃，且坡面陡峭，即使配方基質也難以有效的蓄存水分，雖然接種于晚間進行，但因次日白天溫度較高，導致種源著生前失水并最終失活。同時，7—8月主導風向為東、東南，與坡面水平走向重合，可能將莖段碎片吹起，使種源附著失敗，降低接種成功率。

4 結 論

通過完全試驗設計和系統觀測分析，本研究表明水生藻類能夠顯著提高野外坡面人工恢復生物結皮的蓋度與厚度及苔蘚株高度，而功能性微生物的作用則并不明顯。同時發現，復合藻種的最適施用量應該在2～3 g/m2，而環境條件的坡面分布差異可能影響生物結皮的人工恢復狀況。綜合認為，生物結皮坡面人工接種恢復具有可行性，添加藻類能夠促進生物結皮形成覆蓋，提升恢復效率，但需要充分考慮坡面立地條件及季節的適宜性。