黃河源區建植19年人工草地生物結皮CO2通量與葉綠素熒光參數的變化

孫華方，李希來*，李成一，張 靜, 林春英，2，金立群，3，楊鑫光

(1.青海大學農牧學院，青海 西寧 810016；2.青海省人工影響天氣辦公室，青海 西寧 810001；3.湟源縣草原站，青海 西寧 812100；4.青海民族大學生態環境與資源學院，青海 西寧 810007)

生物土壤結皮(Biological soil crusts，BSCs)又稱生物結皮，是藍藻、地衣、苔蘚、真菌和細菌組成的復雜群落，這些結殼約占地球陸地面積的40%[1-2]，被認為是世界上熱、冷、干旱和半干旱地區的重要地表組成部分[3-5]。近年來，BSCs因具有較高的碳循環效率受到學者的廣泛關注[6-8]。在干旱和半干旱地區，BSCs在生態系統碳固定和釋放過程中起著關鍵作用。研究發現，在半干旱草原生態系統中，BSCs作為主要的碳源，所釋放的碳占呼吸釋放總量的43%[7]，而在沙漠地區，BSCs固碳效果顯著，通常被作為重要的碳匯[9-10]。

BSCs碳固定和釋放受許多因素影響。根據發育水平和地殼優勢類群，可以將BSCs分為藻、地衣和苔蘚土壤結皮[11]。不同類型的BSCs碳通量具有差異。研究表明，藍藻的BSCs碳通量為0.06～0.25 μmol·m-2·s-1[12]，顯著小于苔蘚的碳通量(2.52 μmol·m-2·s-1)[13]，這種差異可能跟BSCs自身組成有關。此外，BSCs還能夠影響土壤和植被CO2排放。土壤CO2釋放是指土壤碳酸鹽風化、植物根系自養呼吸、土壤微生物的異養呼吸、菌根的分解代謝和土壤動物的呼吸作用的總和[14]。BSCs能夠通過增加環境異質性如增加土壤養分含量和微生物數量對土壤CO2釋放產生影響[15-16]。BSCs發育階段與植被群落特征顯著相關。研究表明，苔蘚能夠顯著降低雜類草比例[17]。所以在草地中，不同發育類型的BSCs能夠通過影響植物群落結構對草地生態系統CO2通量產生影響。目前BSCs對草地生態系統CO2通量的影響研究較少，不同類型的BSCs CO2通量數量特征和BSCs演替對土壤、植被以及草地CO2通量的影響還不清楚。

光合作用通常被用作衡量植被固碳能力的一個重要指標，在植被碳循環的研究中得到廣泛關注。目前，許多學者通過測量植物組織的葉綠素含量來衡量植被光合潛力，但這種傳統的方法會破壞植物組織，而葉綠素熒光技術具有快速測定和不對植物造成損傷等優點，逐漸被應用于植物光合生理特性的研究中[18-20]。BSCs葉綠素熒光變化具有不確定性，該過程很大程度上受到近地面小氣候和土壤理化性質、土壤基質以及微生物群落組成的影響[21]。研究表明環境因子如污染物、干旱及光輻射是影響BSCs光合能力的關鍵因子，缺水與強光輻射均能夠導致BSCs葉綠素熒光參數顯著下降，降低BSCs光合速率[22-23]。此外，BSCs自身發育階段的不同也會引起葉綠素熒光參數的差異，通常認為發育后期的BSCs具有更高的光合潛力[24]。黃河源退化黑土灘上建植的人工草地內分布著大面積的BSCs，但因局部環境差異如微地形和水熱條件等導致BSCs類型和葉綠素熒光過程發生變化，不同類型的生物結皮葉綠素熒光參數變化特征以及關鍵影響因子還不清楚。

目前草地生態系統碳循環的研究多聚焦于高等維管束植物，植被群落之間的BSCs常被忽略，尤其在高寒地區黑土灘退化草地生態恢復中BSCs方面的研究鮮見報道。由于恢復治理黑土灘建植人工草地局部環境的差異性，導致生物結皮處于不同演替階段，進一步增加了人工草地BSCs碳循環的復雜性。本研究通過測定黃河源區建植19年人工草地不同類型BSCs的光保護熒光參數Y(NPQ)(Non photochemical quenching,NPQ)、光損傷熒光參數Y(NO)(Fluorescence quenching)、葉綠素初始熒光參數F0(Minimal fluorescence)、最大熒光參數Fm(Maximal fluorescence)、PS Ⅱ最大光化學量子產量Fv/Fm(Optimal/Maximal quantum yield of PS Ⅱ)5個葉綠素熒光參數和植被群落以及土壤CO2通量，分析環境因子對葉綠素熒光參數和CO2通量的影響，以期了解人工草地中不同類型生物結皮的碳釋放和碳固定變化規律，為后期評價BSCs對草地碳循環的貢獻以及完善草地生態系統碳循環機制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于青海省東南部、果洛藏族自治州東北部阿尼瑪卿山區瑪沁縣(98°45′～100°56′ E，33°43′～35°16′ N，海拔4 100～4 500 m)大武灘(圖1)。該區屬典型的高原山地地貌，氣候類型屬青藏高原寒冷氣候，冬季長而干寒，夏季短而溫濕；年平均氣溫為—3.9～3.8℃，最低氣溫達—31.4℃；年降水量 492.7 mm，是青海省降雨最多的地區之一，無絕對無霜期。

圖1 試驗樣地地理位置

研究所用人工草地樣地于2000年建成，面積約為1.75 hm2，海拔為3 735 m，由“黑土灘”退化草地機械翻耕并重新播種建成。農藝措施為：深翻—耙平—施肥—撒種—覆土—鎮壓—圍欄封育。所播牧草混播品種有：垂穗披堿草(Elymusnutans)、青海冷地早熟禾(Poacrymophila)和青海中華羊茅(Festucasinensis)，混播比例為2∶1∶1。牧草種子由當地草籽繁殖場生產，播量為45 kg·hm-2，施肥量為45 kg·hm-2(磷酸二銨復合肥)，使用C-型肉毒素控制高原鼠兔種群數量[25-26]。人工草地建植之前的草地類型屬于典型“黑土灘”退化草地，優勢種莎草科植物被毒雜草取代，原生植被蓋度不足10%，禿斑裸露地大面積存在。該地主要優勢植物種為甘肅馬先蒿(Ligulariavirgaurea)和鐵棒槌(Aconitumpendulum)，次要優勢種為鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)。人工草地生長季內圍欄封育不利用，每年12月至次年4月冬季放牧利用，放牧強度是4只羊·hm-2[27]。

1.2 研究方法

1.2.1植被調查方法 2019年8月在青海省瑪沁縣大武灘選擇建植19年人工草地，依據外觀形態和顏色等特征判斷生物結皮類型，具體詳見秦福雯等方法[28]。其中苔蘚結皮分布最廣泛，在人工草地中占比為40%左右，其次是地衣(占比15%左右)，藻結皮和物理結皮分布較少(小于10%)。本文選擇物理結皮(Physical Crust)和不同類型生物結皮如藻結皮(Algal Crusts)、地衣結皮(Lichen Crust)、苔蘚結皮(Moss Crust)等為研究對象，調查人工草地中分布著不同生物結皮的群落分布特征。利用樣方法調查各生物結皮演替階段的群落結構，調查樣方面積為1 m2。隨機選擇調查樣方位置，目測估算樣方內植被總蓋度、各經濟類群蓋度，清點樣方內各經濟類群密度，鋼卷尺測定植被高度；將地上生物量刈割并烘干測定干物質量；利用土鉆(直徑為3 cm)鉆取0～10 cm深度土壤，洗去土壤獲得0～10 cm土層中的根，烘干獲得地下生物量干重。地上地下生物量烘干條件為烘箱65℃條件下將樣品烘干48 h至恒重，使用電子天平稱量獲得地上、地下生物量干重。不同演替階段的生物結皮(除物理結皮)的植被特征重復調查6次。

1.2.3BSCs呼吸和葉綠素熒光測定 利用土壤碳通量測量系統LI-8100A紅外氣體分析儀(美國，IR-GA)原位測定不同生物結皮演替階段的植被+BSCs+土壤、BSCs+土壤、土壤和物理結皮CO2通量，CO2通量測定時間為上午9：00—11：00[29]。為減小誤差，測量時需將氣室垂直埋入土壤0.5～1.0 cm，測定90 s，記錄CO2通量變化。各測定方法如下：植被+BSCs+土壤CO2通量，直接將氣室垂直地面放置，測定CO2通量；BSCs+土壤CO2通量，在確保BSCs完整前提下，將氣室內所有維管束植物全部去除，再測定；土壤CO2通量，繼續將氣室內所有BSCs去除，測定去除維管束植物和BSCs后地表的CO2通量；物理結皮CO2通量，直接將氣室垂直地面放置，測定CO2通量。BSCs的CO2通量，利用BSCs+土壤CO2通量與土壤CO2通量的差值估算。利用基礎型調制熒光儀Junior-PAM葉綠素熒光儀(德國，WALZ)測定3個演替階段BSCs的葉綠素熒光參數。測量之前將待測BSCs暗反應20 min，用光強約1 500 μmol·m-2·s-1的飽和脈沖激發葉綠素分子[30]，測定180 s，記錄光保護Y(NPQ)、光損傷Y(NO)參數、最小熒光Fo、最大熒光Fm和Fv/Fm，注意測定時調節光纖末端距離測定樣本1 mm左右。

1.3 數據處理與分析

本文數據利用Excel 2016對數據進行整理；利用SPSS 19.0對不同演替階段BSCs CO2通量、葉綠素熒光參數、植被和土壤理化性質進行單因素方差分析、多重比較；利用Sigma Plot 14.0繪制不同演替階段BSCs CO2通量和葉綠素熒光參數分布圖;利用R4.0對不同演替階段BSCs呼吸、葉綠素熒光參數與植被特征、土壤理化性質進行冗余分析，在RDA分析之前，對環境因子進行Hellinger轉換，并對R2進行校正，最后繪制圖。

2 結果與分析

2.1 不同類型BSCs的CO2通量和葉綠素熒光參數

對不同類型BSCs和植被CO2通量分析發現(圖2)：藻結皮和地衣結皮對應所處的植被和土壤群落(植被+BSCs+土壤)CO2通量分別為19.91 μmol·m-2·s-1和20.13 μmol·m-2·s-1，顯著高于苔蘚結皮CO2通量(15.87 μmol·m-2·s-1，P<0.05)。不同類型生物結皮的BSCs+土壤CO2通量變化趨勢與植被+BSCs+土壤CO2通量變化相似，均為藻和地衣結皮類型顯著高于苔蘚(P<0.05)。但對比不同類型的BSCs CO2通量發現，苔蘚有較高的CO2通量(10.58 μmol·m-2·s-1)，顯著高于地衣和藻結皮(P<0.05)。BSCs能夠引起土壤呼吸速率發生變化，不同類型生物結皮下的土壤CO2通量不同。對比不同類型結皮下土壤CO2通量發現，所有類型生物結皮均能夠提高土壤呼吸強度，其中藻和地衣結皮效果更顯著(P<0.05)，它們的CO2通量約是物理結皮土壤CO2通量的2倍，而苔蘚下土壤CO2通量與物理結皮相近。

圖2 不同類型BSCs CO2通量

圖3為不同類型BSCs葉綠素熒光參數變化特征。由圖3-I和3-II可知：不同類型BSCs的Y(NO)具有顯著差異(P<0.05)，其中地衣最高(0.567)，苔蘚最低(0.246)。不同類型BSCs的Y(NPQ)變化趨勢不同，苔蘚值最大，為0.605，約是地衣的2.4倍。圖3-III和3-IV分別表示不同類型BSCs初始熒光參數(F0)和最大熒光參數(Fm)變化特征，從圖中可以看出藻-地衣-苔蘚過程中，F0和Fm逐漸增加，苔蘚生物結皮的值最大，分別為135.16(F0)和286.5(Fm)，顯著高于藻和地衣結皮(P<0.05)。圖3-V是不同類型BSCs光合潛力(Fv/Fm)大小變化特征，不同類型BSCs的Fv/Fm值排列順序為苔蘚>藻>地衣，彼此之間差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同類型BSCs葉綠素熒光參數

2.2 CO2通量、葉綠素熒光參數與環境因子關系

表1為不同BSCs階段植被變化特征，從表中能夠看出不同類型BSCs對應所處的植被特征有較大差異。就植被總蓋度而言，苔蘚階段植被蓋度最高，為72%，地衣階段植被覆蓋度最低，僅為29.17%，各BSCs階段植被覆蓋度差異顯著(P<0.05)。分析不同類型BSCs的不同經濟類群(禾本科、莎草科、雜類草)蓋度和高度發現，就禾本科植物而言，苔蘚階段禾本科植物蓋度和高度較其他經濟類群大，分別為23%和19.05 cm；就莎草科而言，苔蘚階段莎草科蓋度顯著高于藻和地衣階段(P<0.05)，但高度沒有表現出顯著的優勢。雜類草在苔蘚階段蓋度最大(48.00%)，顯著高于地衣階段。對比同一類型生物結皮不同經濟類群蓋度和高度發現，不同經濟類群蓋度高度特征表現出一定差異性。各BSCs演替階段雜草蓋度最高，而莎草科植物蓋度最低。但各BSCs階段禾本科植物高度均占優勢，均顯著高于其他兩個經濟類群(P<0.05)。就生物量而言，地衣階段地上和地下生物量最高，分別為293.97 g·m-2和22.8 kg·m-3，其中地上生物量顯著高于藻和苔蘚結皮(P<0.05)。

表1 不同BSCs類型植被分布特征

圖4為不同類型BSCs階段不同經濟類群植被密度特征圖。分析發現，地衣和苔蘚階段禾本科植物密度顯著高于藻類階段(P<0.05)。就莎草科植物而言，藻類和地衣階段的莎草科植物密度顯著低于苔蘚時期(P<0.05)；而雜類草密度在不同生物結皮階段差異不顯著。通過對比相同階段生物結皮不同經濟類群植物密度發現，各生物結皮階段的莎草科植物均顯著低于禾本科和雜類草植物密度(P<0.05)。

圖4 不同生物結皮階段各經濟類群植被密度

不同類型生物結皮土壤理化性質分布特征見表2。由表可得，物理結皮土壤表層溫度顯著高于生物結皮覆蓋下的土壤表層溫度(P<0.05)，即生物結皮對維持地面溫度效果顯著，同時對比不同類型BSCs發現，苔蘚效果最好。就土壤體積含水率而言，不同類型的生物結皮均顯著高于物理結皮表層土壤體積含水率(P<0.05)。苔蘚類生物結皮保水能力最強，其覆蓋下表層土壤體積含水率最高，為33.53%；地衣次之，藻類結皮效果較差，僅為25.35%。就電導率而言，物理結皮與地衣結皮之間差異顯著(P<0.05)。苔蘚結皮對改良土壤pH的效果較其他類結皮更好(P<0.05)。各類型生物結皮均能積累土壤養分，但不同類型生物結皮存在一定差異。其中苔蘚和地衣對土壤全氮、全磷、銨態氮和速效磷的積累效果較好，而藻類對硝態氮、速效磷積累效果顯著。

表2 不同BSCs類型土壤理化性質

圖5為植被、土壤理化性質和土壤微生物與CO2通量的RDA排序圖，從圖可以看出RDA模型承載的總方差比例(R2)均達到了70%以上，其中植被—CO2通量RDA模型R2達到了82.91%。說明以上所有模型均能夠較好解釋環境因子與BSCs CO2通量的關系。植被分布的差異性會引起BSCs的CO2通量發生變化。由RDA排序可知植被中禾本科和雜類草的植被高度為主控因子，CO2通量與禾本科、雜草的植被高度呈現出較強的正相關關系(圖5Ⅰ)，表明禾本科和雜草植物的長高有助于提高不同BSCs演替階段各類群的CO2排放速率。土壤理化性質中銨態氮含量與土壤pH為主控因子，其中銨態氮含量與CO2通量呈正相關關系，而土壤pH與CO2通量表現出較強的負相關關系，表明較多的速效養分和較低的土壤pH有利于促進各類群的生長呼吸(圖5Ⅱ)。

圖5 CO2通量和環境因子的RDA排序

圖6 葉綠素熒光參數和環境因子的RDA排序

3 討論

3.1 不同類型生物結皮CO2通量的變化

不同發育和演替狀態以及不同環境下BSCs的優勢物種、生理、生化等特征各不相同[8]，因此不同類型BSCs的CO2通量不同。一些研究表明，BSCs演替后期的苔蘚結皮具有更高的呼吸速率[29,31]，本文得出相似結論(圖2)。研究表明CO2釋放量和釋放速率與有機體的生物量顯著正相關[32]，演替后期的苔蘚具有較高的生物量，所以苔蘚自身的CO2通量也較大。同時，BSCs也能增加土壤呼吸，但不同類型BSCs對土壤CO2通量的影響具有差異性，這種差異性可能是由于土壤中微生物群落的呼吸活動的不同所致[32]。研究發現，不同BSCs對微生物的積累具有差異性，藻和地衣類下微生物數量更多[33]。土壤微生物是釋放土壤CO2的主要貢獻者，微生物數量較多導致呼吸加強，土壤CO2釋放速率也就較快。因此，藻和地衣結皮覆蓋下的土壤會釋放更多的CO2。除微生物數量外，外界環境因子也是影響土壤CO2通量的重要因子。與干旱半干旱地區相比，高寒地區人工草地相同演替階段的生物結皮均具有更高的CO2通量[29,34]。與沙漠地區相比，黃河源區人工草地土壤具有較高濕度和養分含量，有利于促進BSCs物質量的積累，提高BSCs生理生化反應速率，而沙漠地區因受到水分及土壤養分條件的限制，該地區的土壤和BSCs的CO2通量較低。有研究表明水分是影響BSCs生長發育的首要影響因子[35-36]，本文通過冗余分析得出不同結論。本文研究結果表明，在土壤理化性質中養分和pH為主要影響因子,可能是因為本試驗樣區地處黃河源地區，降水較充足，所以該地區水分不是首要限制因子，但土壤養分和pH是影響草地BSCs生長演替的重要驅動因子[37]，所以二者可能通過影響BSCs演替對土壤以及BSCs本身CO2釋放速率產生影響。

BSCs作為高寒地區人工草地演替過程中出現的重要伴生種，其碳循環功能的發揮與草地植被群落息息相關。冗余分析表明，禾本科植物是影響BSCs CO2通量的主控因子。作為高寒地區人工草地主要優勢植物物種，禾本科植物的分布對BSCs和土壤CO2釋放具有重要意義，禾本科植物能夠通過積累土壤養分以及為BSCs生長提供合適的生存環境來促進BSCs生長發育[38]，例如禾本科植物生長過程中能夠為BSCs提供散射光以及降低土壤水分蒸發速率，從而緩解BSCs受到的光和干旱脅迫，使BSCs生理和生化活動均處于活躍狀態，促進CO2釋放。但禾本科植被的生長繁殖也會與BSCs形成競爭關系，如較多禾本科凋落物嚴重降低了BSCs蓋度和厚度，特別是對苔蘚影響最大。苔蘚類植物體積累生物量的主要途徑是光合作用，而較多凋落物使苔蘚植物長時間處于遮光狀態，不能進行光合作用，最終導致苔蘚植物體死亡。生態系統中沒有獨立關系存在，植被影響BSCs的同時，BSCs也會影響植被生長。研究表明，苔蘚階段有較高的植被總蓋度，但該生物結皮階段植被總CO2通量最低(圖2)，所以苔蘚可能能夠影響植被群落結構特征，進而減少草地生態系統CO2的排放。

3.2 不同類型生物結皮葉綠素熒光參數的變化

BSCs光合活性或光和潛力受自身組成的影響[39]。不同類型的BSCs群落光合優勢種具有差異性，導致生物結皮光合能力的不同。有研究指出，藻結皮的Fv/Fm約為0.4，而苔蘚結皮的Fv/Fm超過0.5，顯著高于藻結皮[24]，本研究也得出相似結論(圖3-V)。這可能是因為藻結皮階段主要的光合生物是藍藻(原核生物)和藻類植物[40]，而苔蘚階段光合生物主要是苔蘚。原核生物藍藻中，由于缺乏葉綠體結構，光合作用和呼吸中的電子轉移都發生在類囊體膜內，兩個電子轉移鏈同時共享大量的電子轉移中間體，在一定程度上降低了光合電子傳遞效率[41]，導致光合效率降低。而演替后期的苔蘚具有獨立的呼吸和光合場所，光合電子傳遞效率較其他類型生物結皮高，所以苔蘚階段光合效率高。

藻類、地衣和苔蘚都屬于光合生物，這些光合生物主要通過光合色素(如葉綠素和藻藍蛋白)吸收和轉化光能，所以光合色素含量也是影響植被光合作用的關鍵因子。不同類型的BSCs群落的色素分子不同，故其光能轉化效率具有一定差異[42]。研究發現，與演替后期的苔蘚類生物結皮相比，藻類結皮中的光合生物量較低，各種光合色素如葉綠素A和B含量也較低，故表現出較低的F0，Fm和Fv/Fm，該結果與Pushkareva等研究結果相似[43]。而在苔蘚階段，苔蘚占據光合生物量的90%以上，該階段的光合生物量和光合體中的光合色素含量顯著高于藻類[44]，光合能力增強，葉綠素熒光參數如F0，Fm和Fv/Fm增加，顯著高于藻結皮(約2倍)。同時，BSCs抗逆性(抗光損害)的強弱也對BSCs光合作用有顯著影響。不同類型的BSCs的Y(NO),Y(NPQ)不同。Y(NO)、Y(NPQ)分別是光損傷和光保護重要指標。本文研究表明地衣類結皮具有高的Y(NO)和低的Y(NPQ)值，說明地衣對光調節和抗光損害和忍受強光的能力最差，可能是因為地衣類結皮色素含量最低，而植物的光保護色素如類胡蘿卜素含量缺失導致地衣結皮在受到較強的光脅迫時，有機體內沒有足夠的色素來消除組織內過多的活性氧化物(ROS)[45]，地衣結皮受到光損傷，最終引起有機體光合能力下降。苔蘚的Y(NPQ)指數顯著大于地衣和藻結皮(圖3-I)，可能是因為苔蘚的絲核菌素合成能力的提升，其基內菌絲產生各種水溶性或脂溶性的色素從而增強BSCs抵抗強光脅迫能力[46]。青藏高原地區海拔高，光輻射強度大，BSCs容易受到光脅迫，生理生化活動降低，所以在該地區散射光的形成和利用對BSCs生長演替以及光合等生理作用十分重要。冗余分析發現，在黃河源區人工草地中優勢種禾本科植物(表1)的高度是影響BSCs葉綠素熒光參數的主控因子。較高的植被高度能夠減小BSCs被太陽輻射直射的機會，有利于BSCs在避免強光脅迫的同時高效的進行光合作用。同時，青藏高原上BSCs對非降水形式的水資源的利用也十分重要，較高的植被有利于凝結水的形成，在非降水時期為BSCs提供充足水資源進行光合作用。研究發現，苔蘚本身也能夠顯著提升土壤濕度(表2)，促進自身和禾本科植物生長(表1)，能夠進一步優化BSCs生長和光合的條件。因此，高寒地區人工草地中禾本科植物與BSCs互利生長。土壤理化性質中，銨態氮以及pH為主控因子(圖6Ⅱ)。養分和土壤pH顯著影響BSCs生長和演替[47-48]，如養分充足有利于苔蘚的建植，藻類BSCs更趨向于土壤pH低的地方生長[49]，故pH低的地方多分布藻結皮，光合效率較低。

4 結論

高寒地區人工草地中苔蘚結皮CO2通量最大，但苔蘚階段植被群落和土壤CO2通量最低，故苔蘚有利于減少草地系統碳的外排。苔蘚能促進禾本科和土壤養分恢復，地衣有效積累了人工草地地下生物量，而藻類與莎草科植物的恢復息息相關，所以生物結皮有利于促進黑土灘的生態恢復；苔蘚較其他類型BSCs具有更大的光合和抗逆潛力；禾本科高度和蓋度、銨態氮含量和pH均是BSCs呼吸和光合作用的重要影響因子。綜上，生物結皮尤其是苔蘚結皮提高了人工草地碳源能力，同時對促進黑土灘退化草地向高寒草甸的演替有積極重要的作用。