黃土高原生物結皮對土壤養分的表層聚集與吸附固持效應

王芳芳，肖 波，李勝龍，孫福海

（1 中國農業大學土地科學與技術學院/農業農村部華北耕地保育重點實驗室，北京 100193；2 中國科學院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

由水土流失和土地退化導致的干旱和半干旱地區養分貧瘠問題，已經成為制約該地區生態環境實現可持續發展的關鍵因素[1]。自我國實行退耕還林還草工程等政策后，貧瘠土壤的養分在逐漸恢復，而林間草地中生物土壤結皮 (簡稱生物結皮) 的形成無疑對養分的積累發揮著重要作用。生物結皮作為廣泛存在于干旱和半干旱地區土壤表層的特殊復合層，它是由細菌、真菌、藻類、地衣和苔蘚植物等有機體和土壤中的礦物質黏結而形成[2-4]。由于生物結皮能夠在極地和荒漠等極端環境中生長，且在土地荒漠化治理中的應用較為廣泛，目前越來越受到重視[5]。研究表明，生物結皮具有重要的生態功能，能通過自身代謝影響微環境，在防風固沙、改良土壤結構、防止水土流失、改變水文及土壤養分積累方面發揮著重要作用[6-8]。作為地表特殊的覆蓋物，生物結皮通過富集表層土壤養分、參與物質和能量循環、改善土壤的形成和發育，從而加速土壤演化過程、調節干旱和半干旱區生態環境[8-9]。

研究表明，生物結皮中的地衣和藍藻能實現生物固氮和光合固碳，加速干旱和半干旱地區生態系統碳、氮循環[10]，降低土壤pH值，增強土壤微生物和酶活性，從而影響土壤養分狀況，促進土壤養分積累和循環。受生物結皮覆蓋的影響，土壤中的養分含量顯著提高[11-12]，并且在生物結皮層表現出明顯的養分富集作用[8]。這一機制主要歸結于生物結皮與外界強烈的物質、能量交換以及生物結皮對土壤的物理和生物學性質的改善。

由于生物結皮各方面性質完全不同于裸地土壤，在顯著增加土壤表層養分含量的同時，對養分也存在更強的吸附和固持能力[13]。通過淋溶實驗來探究養分在淋溶作用下的動態變化，能夠從側面反映出土壤對養分的固持效應。而通過土壤吸附實驗研究土壤對養分的固定，將土壤對養分的吸附能力作為土壤養分綜合狀況評價指標，是比較科學和準確的土壤養分狀況分析方法[14]。目前該方法主要集中應用于不同類型的農田土壤和部分森林、礦區土壤的研究，并且取得了比較深入的研究成果，而對生物結皮方面的研究還較少采用此類方法。

作為干旱和半干旱地區水土流失最為嚴重的地區之一，黃土高原自實施“退耕還林還草”政策以來，生物結皮廣泛分布，這對該地區土壤養分改善和生態環境發揮著顯著效能。目前多數研究集中于生物結皮對荒漠地區風沙土養分的影響和調控，而生物結皮對不同質地土壤養分的影響及其對不同養分元素的吸附和固持效應還有待更深一步探究。基于此，以黃土高原地區發育的典型黃綿土和風沙土為對象，研究生物結皮對土壤有機質、全碳、全磷和全鉀的表層聚集效應，并深入分析生物結皮對養分的吸附作用，以及淋溶作用下生物結皮所表現出的養分固持效應，探討生物結皮對養分的吸附和固持機制，評價生物結皮在土壤肥力改善方面發揮的作用和生態效應。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區(圖1)位于陜西省神木市以西14 km的六道溝小流域 (110°21′～110°23′E，38°46′～38°51′N)。研究區屬于半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤，年平均氣溫8.4℃，冬季月平均氣溫為－9.7℃，夏季月平均氣溫23.7℃[15]。降水年際變化較大，70%以上的降水集中在6—9月份，年降水量在409 mm左右，年平均潛在蒸發量1337 mm[15-16]。暴雨、洪澇、干旱等自然災害頻發[16]，該地區為嚴重的水蝕風蝕交錯地區，生態環境十分脆弱。整個流域分為東西兩半，西部以風沙土為主，東部大部分為黃綿土[17]。

圖1 黃土高原六道溝流域位置圖Fig. 1 Location of the Liudaogou watershed in the Loess Plateau

1.2 試驗設計

1.2.1 供試樣品 試驗于2020年8—10月進行野外采樣與室內分析測定。在進行充分野外調查的基礎上，挑選風沙土和黃綿土上發育良好、有代表性的蘚結皮樣方作為采樣點，常見的蘚種為土生對齒蘚 (Didymodon vinealis Bird.)、雙色真蘚 (Bryum dichotomum Hedw.)、銀葉真蘚 (Bryum argenteum Hedw.)、叢生真蘚 (Bryum caespiticium Hedw.) 等類型，同時以無結皮的裸地作為對照。生物結皮覆蓋土壤和無結皮土壤基本性質見表1，生物結皮層基本性質見表2。

表1 生物結皮覆蓋土壤與無結皮土壤的理化性質 (平均值 ± 標準差)Table 1 Physicochemical properties of biocrusts covered soil and uncrusted soil (mean ± SD)

具體采樣分為兩部分。第一部分：對于風沙土和黃綿土生物結皮覆蓋土壤，采集生物結皮層 (蘚結皮，地表2 cm左右)、結皮下0—2、2—5和5—10 cm土壤；對于無結皮土壤，采集0—2、2—5和5—10 cm土壤，共采集14個樣本，每個樣本重復5次。此樣品用于土壤養分的測定和土壤養分吸附實驗測定 (土壤養分吸附實驗測定只用風沙土和黃綿土生物結皮層和無結皮0—2 cm土壤)。第二部分：采用200 cm3的環刀 (內徑7.14 cm、高5 cm) 取樣，共設置4個樣本，分別為風沙土無結皮、風沙土生物結皮、黃綿土無結皮、黃綿土生物結皮，每個樣本重復5次。此樣品用于土壤淋溶實驗測定。

表2 生物結皮層基本性質 (平均值 ± 標準差)Table 2 Fundamental properties of biocrusts (mean ± SD)

1.2.2 試驗方法 土壤養分測定：將野外采集的土壤樣品帶回實驗站，置于室內通風陰干。風干后，剔除動植物殘體、石塊等。將風干后的土樣過2 mm孔徑篩，充分混勻后用四分法分成兩份。其中一份備用或用于土壤其他性質的測定，另一份研細過1 mm孔徑篩，混勻后取部分樣品磨細過0.149 mm孔徑篩，注意生物結皮樣品必須將蘚類生物體全部剔除。過0.149 mm孔徑篩樣品用于土壤有機質、全碳、全氮和全磷含量的測定。其中，土壤有機質測定采用重鉻酸鉀氧化法；土壤全碳和全氮含量使用碳氮分析儀進行測定；土壤全磷含量測定采用鉬銻抗比色法。實驗步驟參照國家標準進行，每個樣本均測定5個重復值。

土壤淋溶實驗：為使試驗結果更具代表性和更直觀反映生物結皮對不同類型養分離子的固持效應，本試驗選用二價陽離子Ca2+、一價陽離子K+和無機陰離子Cl-3種離子作為示蹤離子來進行土壤連續淋溶實驗，實驗裝置如圖2所示。Ca2+作為示蹤離子的淋溶實驗選用CaCl2，K+、Cl-的淋溶實驗選用KCl。具體操作步驟為：以乳膠軟管連接馬氏瓶底端，密封。將馬氏瓶裝滿去離子水，頂部以塞子塞住，檢查氣密性。裝置鐵架臺，調整鐵架臺鐵圈略低于馬氏瓶內玻璃管起泡點。放置漏斗于鐵架臺上，取出原狀土壤樣品，并在孔蓋位置放置提前剪好的定性濾紙，以空環刀上蓋倒置于土樣上蓋上，以防水膠帶套住兩環刀結合部，防止漏水。將土壤樣品用去離子水充分淋溶，水頭高度為1 cm，直到測定出浸出液中的Cl-、K+、Ca2+含量低至1.0×10-6mol/L。然后停止向環刀供水，加入0.1 mol/L的KCl或CaCl21 mL，放置12 h使得養分與土壤充分接觸。再用裝有去離子水的馬氏瓶進行淋溶，每20 mL承接一次出流液，共承接20次，總計所需去離子水量為400 mL。淋溶液中的Cl-、K+、Ca2+含量使用上海雷磁公司生產的離子計PXSJ-216F進行測定。測定結束之后，取生物結皮和無結皮0—2和2—5 cm的土壤進行Cl-、K+、Ca2+含量的測定，此測定是為了進一步表明在相同的淋溶條件下，與無結皮土壤相比，生物結皮對土壤養分所表現出的固持效應。

圖2 淋溶實驗裝置圖Fig. 2 Installation of leaching experiment

土壤吸附實驗：分別取風沙土和黃綿土生物結皮層和無結皮的過0.149 mm孔徑篩的風干土10 g，加入50 mL 0.1 mol/L的KCl和CaCl2，充分震蕩或攪拌8 h以上，使土壤與KCl或CaCl2充分反應和接觸。然后將浸提液用0.4 μm的濾膜進行過濾，用離子計測定濾液中Cl-、K+、Ca2+的濃度，初始溶液中的離子濃度與濾液中的離子濃度差即為土壤吸附的離子量q。

式中： c0、 c分別為吸附前后溶液中的離子濃度 (mol/L)；M為該離子的相對原子質量 (g/mol)；q為土樣中的離子吸附量 (mg/g)。

1.3 統計分析

采用Microsoft Office 2019對數據進行預處理，用OriginPro 2019作圖，并使用IBM SPSS Statistics 22.0對數據進行雙因素方差分析，用LSD法進行多重比較；對生物結皮和無結皮土壤離子吸附量進行單因素方差分析和統計檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物結皮對土壤養分含量和剖面分布的影響

圖3所示，生物結皮覆蓋土壤有機質、全碳、全氮、全磷含量均高于無結皮覆蓋土壤。其中，風沙土和黃綿土生物結皮層比無結皮0—10 cm各土層有機質含量提高了1.28～6.68倍，全碳含量提高了0.90～10.51倍，全氮含量提高了0.43～6.18倍，全磷含量提高了0.57～2.59倍。風沙土生物結皮覆蓋下0～10 cm土層土壤養分含量相較于無結皮各土層提升幅度為4.4%～184.9%，黃綿土結皮下層 (即0—10 cm土壤) 養分提升幅度為1.4%～27.1%。生物結皮對黃綿土養分含量的影響主要在0—5 cm土層，對風沙土的全氮、全磷、全鉀含量影響可至10 cm深度。相較而言，生物結皮對風沙土養分的影響程度大于黃綿土。

圖3 生物結皮對不同深度土層土壤有機質和養分含量的影響Fig. 3 Effects of biocrusts on organic matter and nutrient contents at different soil depths

隨土壤深度的增加，生物結皮覆蓋和無結皮覆蓋土壤養分含量呈現明顯下降趨勢。生物結皮層有機質、全碳、全氮、全磷含量較其下0—10 cm土壤提升幅度分別為82.7%～557.1%、91.3%～349.0%、42.0%～193.5%、38.2%～119.8%。而對于無結皮土壤，除0—2 cm土壤全碳比下層土壤提高78.5%～213.9%以外，其余養分僅提高13.4%～92.0%。因此，生物結皮覆蓋土壤養分表層聚集效應更加明顯，生物結皮在很大程度上促使土壤養分的表層富集。

2.2 生物結皮對土壤養分淋溶的影響

淋溶作用下，浸出液中的Cl-、K+和Ca2+濃度大致均呈現先增加后逐漸降低的趨勢，累積Cl-、K+和Ca2+含量呈現逐漸增加并趨于穩定的趨勢 (圖4)。風沙土和黃綿土無結皮覆蓋土壤的浸出液離子濃度最高值高于對應的生物結皮覆蓋土壤，生物結皮覆蓋土壤Cl-、K+和Ca2+浸出液離子濃度變化趨勢總體相對平緩。

圖4 生物結皮與無結皮土壤淋出液中離子濃度和單位累積量Fig. 4 Concentration and cumulative quantity of leached ions in soils covered with and without biocrusts

在養分含量和淋溶用去離子水量相同的條件下，4個土壤處理中添加的Cl-均全部淋出，但生物結皮覆蓋土壤Cl-全部淋出所對應的淋出液承接次數更多 (即需要的去離子水總量比無結皮土壤更多)，并且飽和導水率顯著低于無結皮土壤 (表1)，表明生物結皮覆蓋土壤中Cl-不易被淋出。

風沙土和黃綿土無結皮土壤中的K+均全部淋出，而生物結皮覆蓋土壤中的K+未全部淋出，分別比其無結皮土壤K+總淋出量減少了21.9%和47.4%，且生物結皮覆蓋黃綿土淋出的K+總含量比風沙土降低38.6%。

對于Ca2+，風沙土無結皮覆蓋土壤中的Ca2+均全部淋出，其余處理未全部淋出。風沙土和黃綿土生物結皮覆蓋土壤累積淋出Ca2+總量比無結皮分別降低32.5%和25.1%，且黃綿土、黃綿土生物結皮覆蓋土壤分別比風沙土、風沙土生物結皮覆蓋土壤淋出Ca2+總量降低29.9%和22.3%。

淋溶實驗后，整體上看，風沙土和黃綿土生物結皮層 (即 0—2 cm) 土壤的 Cl-、K+和 Ca2+含量均顯著高于無結皮土壤和生物結皮下層 (2—5 cm) 土壤(P＜0.05)，但2—5 cm土壤有無結皮對Cl-和K+含量影響不大。其中，Cl-和K+在淋溶實驗后的土壤中殘留量很低，但生物結皮層 (0—2 cm) 土壤Cl-含量是其他處理的1.17～2.41倍，K+則高出62.7%～340.4%；土壤中殘留的Ca2+含量相對較高，以生物結皮層最高。風沙土和黃綿土生物結皮層 (0—2 cm) Ca2+含量分別比無結皮0—5 cm土壤高8.8%和46.4%，分別比生物結皮下層 (2—5 cm) 土壤高26.8%和14.5%(圖5)。

圖5 淋溶實驗結束后生物結皮與無結皮土壤不同土層的離子含量 (平均值 ± 標準差)Fig. 5 Ion contents in different layers of soils covered with and without biocrusts (mean ± SD)

2.3 生物結皮對土壤養分的吸附作用

土壤吸附實驗 (圖6) 表明，生物結皮能夠顯著(P＜0.05) 提高土壤對 Cl-、K+和 Ca2+的吸附。風沙土和黃綿土生物結皮對Cl-的吸附量分別為1.45和1.80 mg/g，比相應無結皮土壤提高118.1%和28.5%；對K+吸附量分別為風沙土和黃綿土無結皮土壤的1.51、1.52倍，而對鈣離子的吸附量分別提高了45.7%和27.8%。綜合而言，生物結皮對陽離子的吸附作用大于陰離子，且對價數較高的離子吸附作用更強，整體的吸附能力強弱表現為Ca2+＞K+＞Cl-。

圖6 生物結皮層對土壤離子吸附量的影響Fig. 6 Effects of biocrust covering on ion adsorption ability of soil

3 討論

3.1 生物結皮對表層土壤養分的聚集效應

生物結皮覆蓋對土壤養分狀況產生顯著影響。生物結皮在從無到有的發育和形成過程中，依靠其自身特性、內在調節機制及其與外界環境之間物質和能量交換過程，在土壤中不斷的積累和聚集養分。生物結皮的形成使得土壤理化性質得到明顯改善，顯著提高了土壤養分含量，但不同發育年限和階段以及不同質地土壤發育的生物結皮對養分的積累程度存在一定差異[11]。本研究結果表明，相較于無結皮土壤，生物結皮層及其下層土壤中有機質、全碳、全氮、全磷含量均有所提高，以生物結皮層提高養分含量最顯著。生物結皮對土壤養分的影響以表層5 cm土壤為主，但發育年限較久的生物結皮對土壤養分影響可至地表10 cm甚至20 cm以下土層。

隨著土壤深度增加，養分含量逐漸下降。生物結皮層存在明顯的養分聚集效應。閆德仁[8]將這一聚集效應稱為“肥島效應”。但生物結皮的養分表聚現象與土壤發生學規律的土壤肥力分布趨勢有明顯區別。生物結皮能夠提高其下層土壤的養分含量，但生物結皮層肥力與下層土壤的肥力差異較大，不存在明顯的過渡特征。并且生物結皮層與下層土壤的物理學、生物學特性均存在顯著差異。因此，理解生物結皮對土壤養分含量的影響及生物結皮層養分富集作用需要從養分的輸入途經和養分間的聯系機制展開。

生物結皮地上部的苔蘚能在干旱和半干旱環境中捕捉大氣中有限的水分 (降雨、露、霧氣等) ，提高光合能力，通過增強光合固碳作用增加土壤碳素累積量[18-19]。研究證實，生物結皮蘊含豐富的碳儲量，苔蘚結皮和藻類結皮的碳儲量均顯著高于裸地碳儲量[20-22]。土壤中的全量碳素主要包含有機碳和無機碳兩部分。而土壤有機質為土壤中的有機物質，其中很大一部分是由碳物質組成，土壤有機質與有機碳之間呈正比關系。雖然土壤有機質還包含許多尚未分解的有機物質，土壤中的全碳含量并不能表征土壤中有機質含量的多少，但在一定程度上，土壤全碳含量越高，土壤中的有機質含量也相應越高。另一方面，結皮生物的分解礦化、微生物殘體、藻類結皮的次生代謝物 (多糖等) 以及結皮生物體不斷衰亡生長過程中的腐敗分解均是土壤碳素和有機質的重要來源[20]。此外，生物結皮中的藍藻和地衣將大氣中N2轉化為可吸收利用的化合態氮，依靠生物固氮作用及其死亡殘體等為土壤提供豐富的氮源[23]。植物的富集作用也使得苔蘚結皮吸收土壤中的氮素，并將其聚集在根系 (假根系) 周圍，供其吸收利用，加之結皮層豐富的微生物及其分泌物可能也是結皮層全氮含量相對較高的重要原因[24]。由于碳、氮和磷循環存在緊密聯系，因此生物結皮對磷素也存在重要影響[25]。生物結皮的發育可顯著提高土壤全磷和有效磷含量，通過提高堿性磷酸酶活性促進土壤磷元素的轉化，并通過提高表層土壤有機質含量和降低土壤pH值進一步提高土壤磷素有效性[26]，將穩定的磷轉化為不穩定的、易被作物吸收利用的磷，在地球化學磷循環中發揮重要作用[25]。另外，近地表風沙流、大氣沉降以及枯枝落葉物的分解作用均是生物結皮層養分輸入的重要途經。

不同土壤類型的生物結皮對表層土壤養分的積累作用存在差異。一般來說，由于黃綿土土壤質地較細、有機質含量較高且對養分離子的吸附作用較強，黃綿土及其生物結皮覆蓋各土層養分的含量均高于風沙土，風沙土和黃綿土生物結皮對土壤養分表層聚集效應的影響程度也有差異。風沙土生物結皮層的養分聚集效應是下層土壤的1.4～5.5倍，黃綿土生物結皮層的養分聚集效應是下層土壤的1.4～3.9倍。由于風沙土本身的養分含量低于黃綿土，風沙土生物結皮對表層養分的提升幅度高于黃綿土生物結皮，說明相較于黃綿土而言，在養分貧瘠的風沙土土壤上，生物結皮更能加劇養分的表層聚集效應。

研究表明，生物結皮的發育和不斷地變化演替，不僅顯著增加土壤碳、氮和磷等元素含量，而且其對交換性元素鉀、鈉、鈣、鎂以及重金屬元素鉻、鉛、銅、鎘均具有不同程度的富集作用，但生物結皮對營養元素的富集能力遠高于重金屬元素[9]。生物結皮的這一作用對于改善養分貧瘠的干旱與半干旱地區土壤養分狀況、增強土壤肥力具有重要意義。

3.2 生物結皮對土壤養分的吸附和固持效應

本研究顯示，當土壤中所添加養分含量一致時，在淋溶作用下，生物結皮覆蓋土壤能夠更好地固持土壤中的養分，減少養分向下遷移流失。同時，生物結皮能夠顯著增加土壤對養分的吸附能力。肖波等[11]研究表明，生物結皮能夠增加土壤有機質含量，并且通過土壤質地的黏化增加土壤養分的吸附。另外，生物結皮增強肥料元素的吸附和保持，減少隨降雨流失。此類研究結果均證明了生物結皮能夠增強對土壤養分的固持能力。

生物結皮的發育能夠改善干旱和半干旱地區土壤物理性質[11]，具體表現為土壤質地、結構和孔隙狀況等的改善。生物結皮的發育顯著增加土壤黏粒和粉粒含量[27]，相較于砂粒，這些細顆粒物本身養分含量高，且土壤顆粒越細，比表面積越大，表面能越高，而土壤固相顆粒表面能的增加能夠增強土壤對養分的吸附力[28]。生物結皮影響也使得土壤中的團粒結構和水穩性團聚體增多，良好的土壤結構有利于養分的固持。同時，生物結皮覆蓋土壤的孔隙度提高[11]，孔隙結構趨于復雜[13]，土壤的導水率顯著下降[29]，使得淋溶作用下養分在土壤中的遷移路徑趨于復雜，均一定程度上增加了土壤對養分的固持效應。

生物結皮影響下土壤細顆粒物增多以及有機質含量的顯著提升均增加了土壤膠體數量，離子能夠被土壤膠體吸附從而使離子在土壤固相表面產生富集[28]，因此相較于砂粒含量較高和有機質含量較低的無結皮土壤，生物結皮覆蓋土壤對養分的吸附能力更強。一般情況下，土壤膠體帶負電荷較多，土壤對陽離子的吸附作用更為普遍，并且價數越高的陽離子，受膠體的靜電吸附能力越大[28]。因此相同條件下，生物結皮覆蓋土壤對K+、Ca2+的吸附量高于Cl-，并且對Ca2+的吸附和固持能力更強。而黃綿土由于在土壤質地和結構上均優于風沙土，因此對土壤養分表現出較強的吸附和固持能力。

除此之外，生物結皮自身的特殊屬性也是增強養分固持和吸附的關鍵要素。生物結皮藍藻鞘能夠分泌黏性和帶負電的多糖，這些多糖與帶正電的元素結合，以防止這些營養元素的流失[30]，增加對養分的固持效應。這些多糖也有助于增加土壤有機質，在淋濾中減少養分流失[31]。生物結皮藍藻還可以分泌環狀化合物，如螯合物，以維持高pH值土壤中的有效鐵、銅、鉬、鋅等元素[32]。另外，生物結皮的特點是通過真菌菌絲、藍藻絲、有機凝膠、多糖、地衣和苔蘚根狀體進行物理結合，有助于提高土壤團聚體的穩定性，進而導致土壤頂部元素富集和固持[33]。

生物結皮增強土壤對養分的吸附和固持效應，能夠在很大程度上增加土壤養分的積累，提高干旱和半干旱地區表層土壤肥力，為草本植物的生長發育提供充足的養分支撐，也對維持該地區生態系統穩定和改善生態環境發揮著不可替代的作用。

4 結論

1) 生物結皮增加了土壤的有機質、全碳、全氮、全磷含量，以生物結皮層增加養分效應最為顯著。生物結皮層土壤養分含量比無結皮可提高10倍以上。且與無結皮土壤相比，覆蓋著生物結皮的土壤養分表層聚集效應更為明顯。

2) 生物結皮增強了土壤養分的固持能力。當土壤中養分含量和淋溶總量相同時，生物結皮減少了土壤養分淋失，累積淋出離子含量比無結皮減少21.9%～47.4%，并且生物結皮層土壤在淋溶作用后仍能保持較高的養分含量。

3) 生物結皮提高了土壤對養分的吸附能力。與無結皮土壤相比，生物結皮對養分的吸附量可增加至兩倍以上。