沙坡頭苔蘚生物結皮層土壤特性演變研究

閆德仁，張勝男，閆 婷

（內蒙古林業科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010）

沙漠生物土壤結皮（biological soil crusts，BSC），特別是沙漠苔蘚結皮層不僅對改善風沙地區的生態環境狀況具有良好效果，而且通過向氮素缺乏的沙漠生態系統中輸入氮和有機碳，對改善風沙土理化性質具有特別重要的現實意義。諸多研究表明［1］，生物土壤結皮通過表層能量、物質交換作用，養分富集，促進風沙土發育，而固定風沙土上生長的維管植物通過控制風沙危害，降低地表風速，能夠攔截沉積足夠的粘粒和粉粒，為苔蘚結皮層發育提供了良好物質條件，進一步形成完整的苔蘚結皮層并覆蓋在風沙土表面，對風沙土演變發育具有積極的促進作用［2］。目前，國內諸多研究［3］表明，沙漠地區苔蘚結皮層能夠在土壤表層富集養分，并通過沉積粘粒和粉粒改善風沙土物理性質［4-6］。此外，閆德仁［7］研究了鄂爾多斯高原區沙漠生物結皮的“肥島效應”，表明苔蘚結皮層具有明顯的養分表聚特征。楊元明等［8］研究了古爾班通古特沙漠生物結皮層有機質含量的變化特征，表明0～5 cm土層是土壤有機質的主要分布層，而生物結皮對0～5 cm土層有機質含量的影響最為強烈。同樣，單飛彪［9］認為，生物結皮層僅影響風沙土0～5 cm養分含量的變化，而對5 cm以下甚至更深層次土壤養分含量的影響不明顯。崔燕等［10］研究表明，生物土壤結皮層的養分富集作用顯著，而在流沙環境下，一旦形成了生物土壤結皮層其顆粒組成含量的變化非常明顯，并且粗砂粒（0.25～0.05 mm粒徑級）含量顯著減少。張軍紅等［11］研究表明，生物土壤結皮層在增加表層有機質、全氮及細顆粒物含量方面具有顯著作用。郭軼瑞等［6］認為生物土壤結皮層能夠明顯增加土壤中粘粉粒和極細砂的含量，并在0～5 cm土層富集有機質、氮、磷等養分。本文研究了騰格里沙漠中國科學院沙坡頭沙漠試驗站不同年齡固沙植被下苔蘚結皮層顆粒物組成、腐殖質以及礦物質元素含量變化特征，對評價沙漠生物結皮及其和流動風沙土發育的關系具有指導作用。

1 研究區概況

研究區位于騰格里沙漠中國科學院沙坡頭沙漠試驗站，干燥度2.5，地帶性土壤為棕鈣土。年平均降水186.4 mm，年平均氣溫9.6℃，年平均蒸發量2880.5 mm，無霜期150～180d。固沙植被植物種主要為小葉錦雞兒（Caraganamicrophylla）、油蒿（Artemisiaordosica）、豬毛菜（SalsolacollinaPall.）、霧冰藜（Bassiadasyphylla）等，植被平均蓋度45%～50%，固沙植被建立時間分別為1956年、1964年、1981年、1990年。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據固沙林營造時間及植被恢復情況，2017年8月在騰格里沙漠中國科學院沙坡頭研究站分別選擇1956年（植被年齡62年）、1964年（植被年齡54年）、1981年（植被年齡37年）、1990年（植被年齡28年）建立的固沙植被樣地，并以風沙土為對照，在上述樣地采集苔蘚結皮層樣品，結皮層厚度1.0～1.5 cm。每個樣地采集3個重復測試樣品，混合后的樣品帶回室內風干，過0.25 mm篩備用。

2.2 顆粒物組成測定

采用CLY-2000激光顆粒分布儀測定顆粒組成。每個測定樣本3次重復。

2.3 腐殖質及其組成測定

采用重鉻酸鉀容量法測定樣品有機質含量。腐殖質組成含量采用偏磷酸鈉-氫氧化鈉提取，重鉻酸鉀容量法測定。胡敏酸E4（465μm）和E6（665μm）光密度值采用分光光度計測定。每個測試樣本2個重復，其平均值作為分析數據。

2.4 礦物質元素含量

采用偏硼酸鋰熔融，電感耦合等離子體發射光譜儀（PE ICP-OES）測定樣品中礦物質元素含量，并換算成氧化物含量。此外，硅鐵鋁率是指用以表達土壤脫硅富鋁化程度的比值，是將SiO2與AL2O3、Fe2O3的含量分別除以二者的相對分子質量，再求比值。計算參考如下公式:

其中，SiO2分子含量計算，SiO2含量÷60；R2O3（AL2O3、Fe2O3）分子含量計算，AL2O3含量÷102，Fe2O3含量÷160。

測定的數據采用Excel 2003軟件進行分析。

3 結果與分析

生物土壤結皮層是沙漠地區最具特色的地表景觀，是流動沙土固定后形成固沙風沙土物質和能力交換的最表層。杜曉暉［12］研究認為“沙漠結皮不僅是沙地固定后環境變化的直觀反映，而且是由蘚類植物組成的一層活地被物，實質也是植物群落的組成部分”。因此，沙漠地區生物土壤結皮層（即苔蘚結皮層）的出現，不僅是流動沙地被固定的重要表征，而且對改善流動風沙土理化性質，促進風沙土進一步發育等也具有積極作用。

3.1 苔蘚結皮層顆粒物組成變化

顆粒組成是土壤重要的物理性指標，特別是小于10μm物理性粘粒增加對土壤物理性質影響巨大。而固沙植被能有效減少近地面風速，同時由于固沙植被能夠有效地控制地表風蝕以及降雨對風沙土表層的夯實作用和土壤微生物活動逐漸為苔蘚結皮層的形成提供了有利條件，且苔蘚結皮層凸凹不平，提高了苔蘚的攔截細沙粒的能力。所以，有研究者認為沙漠地區生物土壤結皮形成發育和細土多少有密切的關系。通常認為，苔蘚結皮層中細顆粒含量，特別是物理性粘粒含量增加主要是受固沙植被蓋度、苔蘚結皮層粗糙表面所攔截富集的大氣降塵多少等因素影響。

從圖1看出，隨著固沙植被建立時間增加，其苔蘚結皮層小于10μm物理性粘粒含量呈現出增加的趨勢，其中，1956年建立的固沙植被下，苔蘚結皮層小于10μm物理性粘粒含量平均為2.90%，1964年為2.61%，1981年為2.49%、1990年為1.81%，風沙土對照為1.25%。說明建立固沙植被后，能夠有效攔截更多的細顆粒物質，并和大氣降塵顆粒物特征有密切關系。凌裕泉等［13］認為大氣降塵中的細顆粒物積累是流沙表面結皮形成的物質基礎和必要條件。Gillette和Dobrouolski［14］認為塵埃沉降是形成土壤結皮的原因之一，Danin［2］認為維管植物的建立，能夠沉積足夠的粘粒和粉粒，并為生物結皮的生長提供水分環境，而一旦形成生物結皮，對土壤發育具有促進作用。

此外，從圖1看出，在騰格里沙漠沙坡頭研究站，苔蘚結皮層顆粒物粒徑主要分布在350～400以及250～350和400～500μm范圍。其不同年度植被下，苔蘚結皮層不同粒徑顆粒物的平均含量分別為36.03%、29.57%和27.82%，風沙土分別為36.06%、23.52%和28.95%。而苔蘚結皮層大于500μm粒徑顆粒物平均只有3.21%，風沙土為10.22%。在渾善達克沙地多倫生態站測定苔蘚結皮層300～350、350～400μm粒徑含量分別為30.1%和32.8%，大于400μm粒徑顆粒物含量8.65%。閆德仁等［15］測定了渾善達克沙地多倫縣天然草地降塵粒徑集中分布在50～150μm范圍，而榆樹、楊樹和樟子松林地降塵粒徑集中分布在150～250μm范圍。說明不同地區苔蘚結皮層顆粒物粒徑組成含量具有相似的特征。

圖1 不同植被年度下苔蘚結皮層顆粒組成變化

3.2 苔蘚結皮層腐殖質組成含量變化

土壤腐殖物質主要包括胡敏酸（HA）和富里酸（FA），而芳香核是胡敏酸的結構基礎，這種芳香核通過含氧功能團中H+的電離，使胡敏酸具有良好的功能，其中就包括可溶性、吸收性和酸性。所以，胡敏酸對改良風沙土的不良結構具有重要作用。或者說，苔蘚結皮層胡敏酸含量的增加對促進風沙土的形成演變過程具有積極的影響。

從表1中看出，1990到1956年固沙植被下，苔蘚結皮層有機質含量從8.61 g/kg增加到11.95 g/kg，腐殖酸從2.10 g/kg增加到2.20 g/kg，胡敏酸含量從0.40 g/kg增加到0.90 g/kg，并且胡敏酸的光學特性E4、E6吸光值增加，E4/E6值在減少，同樣反映出隨著固沙植被建立時間的增加，苔蘚結皮層胡敏酸的芳構化度和分子量也逐漸增加，其結構得到改善，并進一步影響著風沙土演變過程。張玉蘭等［16］在中國科學院沙坡頭沙漠試驗站研究表明，土壤中腐殖質及其組分的含量隨著植被恢復年代的增加而呈現出增加趨勢，而且HA/FA值也呈現增加趨勢，說明植被固定改善了土壤質量，土壤腐殖化程度增加，土壤質量有了很大提高。陳隆亨等［17］認為，“在不同氣候區，隨著降雨量減少和溫度增高，風沙土中HA/FA值呈現出減低的趨勢，并且在亞濕潤氣候下的黑鈣土區，風沙土胡敏酸分子中的芳香核縮合程度高，結構較復雜”。這就意味著，由西向東，隨著降水量增加和溫度降低，沙漠生物結皮層的腐殖質結構及其復雜程度呈現增加特征，并對改善土壤肥力特性和理化性質具有積極的促進作用，或者說，我國西部荒漠地區的胡敏酸結構更趨于簡單化，分子中芳香核縮合程度也更低，對該區域風沙土改良作用效果相對緩慢。

表1 不同植被年度下苔蘚結皮層腐殖質特征的變化

3.3 苔蘚結皮層全量化學元素含量變化

土壤礦物質既是植物礦質營養的源泉，也是影響土壤肥力水平的重要因素。由于沙漠地區干旱、少雨、大風等不利環境，風沙土細顆粒物質相對更少。而流動沙地一旦被固定，并且固沙植被下形成苔蘚結皮層后細顆粒物質增加，進一步改善風沙土的全量化學組成含量。

從表2看出，沙漠苔蘚結皮層全量化學組成（SiO2除外）含量均高于對照風沙土，且隨著固沙植被建立時間的增加，苔蘚結皮層SiO2含量呈現出明顯降低的趨勢。從1990～1956年時間段，SiO2含量由658.93 g/kg下降到637.29 g/kg，而對照風沙土SiO2含量為753.71 g/kg。隨著苔蘚結皮層SiO2含量的降低，其它全量化學元素含量均呈現不同程度的增加趨勢。特別是苔蘚結皮層中Fe2O3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、P2O5等含量顯著增加，對改善風沙土養分狀況具有積極意義。陳隆亨等［17］認為，隨著土壤發育，其化學成分具有增加的趨勢，這種關系既與植物生長后促進了土壤中礦物風化有關，也受到了不斷沉積的細土物質的影響。所以沙漠苔蘚結皮層的形成和長期保留，對改良風沙土礦物質元素含量及促進風沙土形成演變意義重大。

表2 不同植被年度下苔蘚結皮層全量化學組成含量變化 （g/kg）

3.4 苔蘚結皮層硅鐵鋁率變化

硅鐵鋁率是指用以表達土壤脫硅富鋁化程度的比值。而隨著流動風沙土固定程度的增加，SiO2/R2O3、SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3比率逐漸降低［17］，表明土壤發育過程逐漸向好的方向發展。

從表3看出，隨著固沙植被建立時間的增加，苔蘚結皮層硅鐵鋁率均表現出降低的趨勢。其中，對照風沙土 SiO2/R2O3、SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3分別為6.77、8.33和36.08；而1990年建立的固沙植被，其苔蘚結皮層分別為5.02、6.40和23.30；1964年建立的固沙植被，其苔蘚結皮層分別為3.94、5.13和16.90；1956年建立的固沙植被，其苔蘚結皮層分別為4.49、5.81和19.83。表明沙漠環境下，苔蘚結皮層中細顆粒物成分沉積量更多一些，相應的Fe2O3、Al2O3含量也高。陳隆亨等［17］數據表明，在科爾沁沙地奈曼旗，0～10 cm土層Al2O3含量為77.30 g/kg，Fe2O3含量為7.45 g/kg，SiO2含量為862.6 g/kg；在渾善達克沙地，正蘭旗0～16 cm土層Al2O3含量為80.70 g/kg，SiO2含量為813.8 g/kg，Fe2O3含量為14.40 g/kg；在騰格里沙漠，中衛縣0～1 cm土層Al2O3含量為103.20 g/kg，SiO2含量為720.1 g/kg，Fe2O3含量為30.50 g/kg。說明沙漠苔蘚結皮層的存在對風沙土形成演變具有促進作用。

表3 不同植被年度下苔蘚結皮層硅鐵鋁率變化

4 討論

沙漠生物結皮層不僅對固定流沙具有重要的作用，而且對改善流動風沙土理化性質，促進風沙土發育等也具有積極作用。因為，沙漠生物結皮層是在風沙環境下，土壤顆粒物與有機物緊密結合在土壤表層而形成的一種殼狀體，主要由活的微小生物及其代謝產物（胞外多糖）與砂粒組成，是風沙土物質和能力交換的最活躍的表層。齊雁冰等［18］研究認為，生物結皮層顆粒組成細化趨勢隨植物固定流沙時間增加而發生明顯變化，并且土壤速效養分、全氮以及有機碳含量也不斷增加。寧遠英［19］研究表明，藻類結皮向苔蘚結皮發育過程中，粉砂逐漸增加，粗砂、細砂含量逐漸減少，而理化性質不斷改善的固定風沙土對苔蘚結皮的形成又具有促進作用，不斷增加風沙土表面苔蘚結皮層的蓋度面積，進一步促進了風沙土養分含量的增加，并為其發育演化提供了相對豐富的物質條件。謝靜等［20］研究表明，呼倫貝爾、科爾沁和渾善達克沙地等3個沙地優勢重礦物為石榴石、鈦鐵礦和綠簾石，含量較多的重礦物種類有角閃石、磁鐵礦、榍石、鋯石、輝石、金紅石和電氣石。閆德仁等［7］研究表明，生物結皮層養分含量隨著生物結皮層形成年份延長而明顯增加，土壤細顆粒成分也表現出同樣的變化特征。本研究進一步表明，風沙環境下，隨著苔蘚結皮層形成時間增加，全量化學元素組成含量呈現出增加的趨勢，且苔蘚結皮層全量化學元素組成含量明顯高于對照風沙土，而表達土壤脫硅富鋁化程度的硅鐵鋁率則顯著降低，表明沙漠苔蘚結皮層對促進風沙土形成演變和改良風沙土理化性質意義重大。同時，和苔蘚結皮層中各元素含量相比，大氣降塵中礦物元素（Fe2O3、Al2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO）含量顯著增加，而隨著大氣降塵的落地，這些礦物元素將參與物質循環過程，并進一步影響風沙土全量化學元素組成含量變化。所以，大氣降塵在促進風沙土演變、改善苔蘚結皮層養分含量等方面具有積極作用。

5 結論

風沙環境下苔蘚結皮層全量化學元素組成（SiO2除外）含量均高于對照流動風沙土，但仍具有流動風沙土的特征，并且隨著固沙植被建立時間增加，其苔蘚結皮層SiO2含量呈現出明顯降低的趨勢，其它全量化學元素含量均呈現增加趨勢。

苔蘚結皮層硅鐵鋁率低于對照流動風沙土，且隨著固沙植被建立時間增加，其苔蘚結皮層硅鐵鋁率均呈現降低趨勢，表明苔蘚結皮層的存在對風沙土形成演變具有促進作用。

沙坡頭固沙植被下苔蘚結皮層顆粒物粒徑集中分布在350～400μm范圍，并隨著固沙植被建立時間增加，苔蘚結皮層＜10μm粒徑的顆粒物含量增加，苔蘚結皮層有機質、腐殖酸、胡敏酸含量增加，且胡敏酸的光學特性E4、E6吸光值增加，而E4/E6值在減少。表明苔蘚結皮層對改善風沙土理化性質具有重要作用。