生物土壤結皮對東祁連山高寒草甸土壤特性的影響

盧研，張倩，張彩軍，孫小妹，蘇軍虎

(1.甘肅農業大學 草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學—新西蘭梅西大學草地生物多樣性研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省祁連山草原生態系統野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

生物土壤結皮(Biological soil crusts,BSCs)是由非維管束植物(苔類、蘚類、藻類、地衣、真菌、細菌和藍藻)通過菌絲體、假根和微生物分泌物等與表層松散的土壤顆粒緊密結合形成的集合體，是干旱、半干旱荒漠地表景觀的重要組成成分[1]。研究表明，BSCs在很多脆弱或受損生態系統中占據著重要的生態位[2]，在土壤生態系統的碳、氮循環中，發揮著重要的生態功能[3]。國內外對BSCs的研究目前主要集中在干旱、半干旱地區[4]，涉及BSCs對土壤穩定性和理化性質、土壤生態水文過程的影響等方面[1,4]，同時發現BSCs的存在可改變微生境，影響菌類和土壤動物及維管植物的生存和繁衍，多層次上影響著生態系統的結構和功能，促使生態系統健康發展[1,5]。

BSCs不僅在干旱、半干旱地區廣泛分布，在高寒草甸也有著分布[6]，尤其是在過度放牧及不合理的開發利用區[7]。作為原生演替的初始階段，BSCs可在荒漠生態系統的裸地生存、發育[8]，提高空斑的土壤養分含量[9]。在高寒草甸的研究發現，草地退化程度及其土壤狀況會影響BSCs的生長發育[10]。而在黃河源區人工草地的研究表明，BSCs有利于改善土壤特性，提高土壤速效養分和土壤有機質的含量[6]。也就是說BSCs既可促進正向演替，又是逆向演替的表征。

眾所周知，土壤酶活性和微生物量碳氮也與土壤養分含量息息相關，土壤酶主要來源于土壤微生物的活動、植物根系分泌物和動植物殘體腐解過程[11]。其既是生態系統的生物催化劑，也是土壤有機體的代謝動力，在土壤物質循環和能量轉化過程中起著重要作用，是土壤生態系統變化的敏感指標[12]，能夠較全面地反映土壤環境、肥力和質量的變化[13]。土壤微生物量可快速表征微生物的活躍性[14]，在土壤養分循環中發揮著不可或缺的作用。那么BSCs對土壤酶活性和微生物量碳氮含量是否存在影響，如果存在影響，BSCs對土壤酶活性、微生物量碳氮和養分含量的影響率是否存在差異還有待進一步的研究。

近年來祁連山高寒草甸生態系統受人類活動干擾嚴重，BSCs呈斑塊狀鑲嵌在高寒草甸中。本研究以高寒草甸為研究對象，比較BSCs覆蓋和草本植物(Herbs)覆蓋區的土壤特性，探究BSCs在高寒草甸生態系統中的作用，旨在為理解BSCs在高寒草甸中的生態功能提供理論依據，獻力祁連山高寒草甸退化草地的修復和管理。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省天祝縣抓喜秀龍鎮甘肅省祁連山草原生態系統野外科學觀測研究站，地理位置N 37°10′～37°13′，E 102°45′～102°48′，平均海拔約2 900 m。該地區氣溫晝夜溫差大，四季不甚分明，氣溫垂直分布明顯，年均氣溫-0.1 ℃，年均日照時數2 500～2 700 h，降水主要集中在6-8月，年均降水量416 mm，年均蒸發量1 600 mm，屬大陸性半干旱氣候，無絕對無霜期，屬于高寒草甸土[15]。草地類型為高寒草甸，優勢種為矮嵩草(Kobresiahumilis)，伴生種為扁穗冰草(Agropyroncristatum)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和鵝絨委陵菜(P.anserina)等。

1.2 樣地設置及取樣方法

選擇試驗站的3塊圍封樣地，樣地面積0.2 hm2，從2011年起全年圍封禁牧。樣地內BSCs呈25～48 cm2的斑塊狀分布，以苔蘚結皮為主。在每塊樣地沿對角線設置3個0.5 m×0.5 m的樣方，在每個樣方內采集BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區的土壤，土樣分5層采取，0～2、2～5、5～10 cm(直徑5 cm的環刀采取)、10～20和20～30 cm(直徑5 cm的土鉆采取)，1個樣地的土樣混合成1個樣品。土樣置于自封袋帶回實驗室進行自然風干，去除草根等雜物后過1 mm篩備用。

1.3 測定方法

土壤含水率用鋁盒烘干法，pH用蒸餾水(1∶2.5土水比)浸提后用酸度計測定，全氮用半微量凱氏定氮法，全磷用鉬銻抗比色法，全鉀用火焰光度計測定，有機質用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法，速效氮用堿解擴散法測定，速效磷用高錳酸鉀氧化-葡萄糖還原法測定[16]，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定[17]。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法測定，土壤堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉法測定，土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[11]。土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon，SMBC)和土壤微生物生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen，SMBN)含量采用氯仿熏蒸法[15]，浸提液采用碳氮聯合分析儀(Germany，analytikjena，Multi N/C 2100s)測定。

1.4 數據處理與分析

應用Excel 2010對所得數據進行簡單處理并制作相關圖表，采用SPSS 23.0軟件進行獨立樣本T檢驗，采用R 3.6.3語言軟件FactoMineR和Factoextra包對0～20 cm土層BSCs和Herbs覆蓋區下的土壤指標分別進行主成分分析，lavaan包構建結構方程模型。

2 結果與分析

2.1 BSCs對土壤理化特性的影響

BSCs覆蓋區，各土層pH均呈堿性，0～20 cm土層均表現為BSCs覆蓋區的pH值高于Herbs覆蓋區(圖1-A)。0～2，2～5，5～10，10～20和20～30 cm土層BSCs覆蓋區的含水率較Herbs覆蓋區含水率分別升高了3.44%、1.51%、7.96%、5.70%、9.83%，其中0～2 cm土層BSCs覆蓋區的含水率最大，為39.13%(圖1-B)。BSCs覆蓋區的pH值隨著土層深度增加，逐漸上升，含水率先降低后上升。0～10 cm土層有機碳含量在BSCs覆蓋區均低于Herbs覆蓋區，分別降低了12.10%、5.87%、1.88%，其中0～2 cm土層差異顯著(P<0.05)，2～5 cm土層差異極顯著(P<0.01)，10～30 cm土層有機碳含量在BSCs覆蓋區均高于Herbs覆蓋區，分別增加了0.50%、5.43%(圖1-C)。

在2～5、10～20和20～30 cm土層，BSCs覆蓋區全氮含量相較于Herbs覆蓋區分別升高了8.26%、51.80%和22.01%，其中10～20 cm土層BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區之間差異顯著(P<0.05)(圖1-D)。10～20 cm土層全磷含量，BSCs覆蓋區升高了23.36%，與Herbs覆蓋區間差異顯著(P<0.05)(圖1-E)。2～5、5～10、10～20和20～30 cm土層BSCs覆蓋區全鉀含量相較于Herbs覆蓋區分別降低了1.67%、8.62%、2.91%和2.4%(圖1-F)。相較于Herbs覆蓋區，2～5、5～10和10～20 cm土層BSCs覆蓋區的速效氮含量分別降低了7.21%、4.69%和11.45%，其中10～20 cm土層差異顯著(P<0.05)，0～2、20～30 cm土層的速效氮含量升高了0.71%、18.64%(圖1-G)。0～2、10～20和20～30 cm土層BSCs覆蓋區速效磷含量相較于Herbs，分別升高了33.86%、39.29%和18.03%，其中0～2 cm土層差異極顯著(P<0.01)(圖1-H)。除20～30 cm土層外，其他土層速效鉀含量低于Herbs覆蓋區，分別降低了11.08%、14.88%、15.77%和7.33%(圖1-I)。BSCs覆蓋下的土壤中，隨著土層深度的增加，土壤速效氮、速效鉀和有機碳含量逐漸降低(圖1-G，圖1-I，圖1-C)。

圖1 土壤理化特性Fig.1 Soil physical and chemical properties注：BSCs：生物土壤結皮；Herbs：草本；** 表示BSCs與Herbs之間在0.01水平上差異顯著；*表示BSCs與Herbs之間在0.05水平上差異顯著。下圖同

2.2 BSCs對土壤酶活性的影響

在0～2、5～10、10～20 cm土層BSCs覆蓋區蔗糖酶活性高于Herbs覆蓋區(圖2-A)，脲酶活性在各土層均低于Herbs覆蓋區(圖2-B)，2～5、10～20 cm土層BSCs覆蓋區堿性磷酸酶活性高于Herbs覆蓋區，其中2～5 cm土層差異極顯著(P<0.01)(圖2-C)。在BSCs覆蓋區，隨著土層深度增加，土壤蔗糖酶活性呈逐漸升高，脲酶活性逐漸下降，堿性磷酸酶活性先升高后降低(圖2-C)。

2.3 BSCs對土壤微生物生物量碳氮的影響

相較于Herbs覆蓋區，0～2、2～5 cm土層BSCs覆蓋區SMBC含量分別降低6.19%、21.74%，5～10、10～20 cm土層含量分別升高4.65%、27.06%(圖3-A)。SMBN含量在0～2、2～5、5～10、10～20 cm土層BSCs覆蓋區均低于Herbs覆蓋區，分別降低了26.26%、30.48%、30.39%、15.35%，其中5～10 cm土層BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區之間差異顯著(P<0.05)(圖3-B)。隨著土層深度的增加，BSCs覆蓋區的SMBC含量先降低后升高，SMBN含量則逐漸降低。

圖2 土壤酶活性Fig.2 Soil enzyme activity

圖3 土壤微生物生物量碳氮Fig.3 Soil microbial biomass

2.4 土壤因子的主成分分析

BSCs覆蓋區根據特征值高于1的原則提取4個公因子，累計貢獻率達81.703%，能較全面地反映所有信息(圖4-A)。第一主成分的特征值為6.439(表1)，微生物生物量碳(0.917)、脲酶活性(0.903)、微生物生物量氮(0.848)、速效鉀(0.825)、pH(-0.740)、有機碳(0.717)、蔗糖酶活性(-0.700)載荷高，與pH、蔗糖酶活性呈現負相關，各指標在主成分中的載荷值越大則與主成分關系越密切。Herbs覆蓋區根據特征值高于1的原則提取4個公因子，累計貢獻率達79.678%(圖4-B)。第一主成分的特征值為4.482(表1)，高載荷因子有速效鉀(0.905)、有機碳(0.795)、脲酶活性(0.788)，第二主成分的特征值為2.902，高載荷因子有SMBN(0.927)、堿性磷酸酶活性(0.727)，第三主成分的特征值為2.508，高載荷因子有蔗糖酶活性(0.833)，與之均呈現出較強的正相關。

圖4 BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區的土壤因子主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil factors in BSCs coverage area and Herbs coverage area注：SWC：含水率，TN：全氮，TP：全磷，TK：全鉀，AN：速效氮，AP：速效磷，AK：速效鉀，SOC：有機碳，UE：脲酶，ALP：堿性磷酸酶，SC：蔗糖酶，SMBC：微生物生物量碳，SMBN：微生物生物量氮。下同

2.5 土壤特性對BSCs和Herbs覆蓋區的響應率

由主成分分析結果篩選出代表土壤特性的指標，其中速效鉀、有機碳含量、pH、脲酶活性、蔗糖酶活性、微生物生物量碳、微生物生物量氮含量代表BSCs覆蓋區的土壤特性，速效鉀、有機碳含量、脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、微生物生物量氮含量代表Herbs覆蓋區的土壤特性。把BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區下土壤特性作為隱變量構建結構方程模型。結果表明，結構方程模型的擬合度指數分別為GFI=0.649，GFI=0.582，表明此結構方程模型都能夠較好的解釋BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區下土壤特性的變化。通過結構方程模型可以得出BSCs和Herbs對土壤特性的影響力(圖5)，BSCs對微生物生物量碳、微生物生物量氮含量、脲酶活性和速效鉀含量的影響明顯，通徑系數分別為0.881、0.867、0.842、0.841。Herbs對脲酶活性和速效鉀含量的影響明顯，通徑系數分別為0.961、0.814。

表1 土壤因子變量的載荷及解釋方差

圖5 BSCs覆蓋區和Herbs覆蓋區下的土壤特性Fig.5 Soil properties in BSCs coverage area and Herbs coverage area

3 討論

土壤穩定性是群落穩定性恢復的前提，BSCs通過維持土壤穩定性來恢復草地生態系統[8]，BSCs發生在所有主要土壤類型和幾乎所有陽光可以到達土壤表面的植被群落中[4]。本研究發現在BSCs影響下土壤含水率有增加趨勢，這可能是因為苔蘚能通過卷曲葉片、改變葉片的方向減少水分蒸發，葉片的毛狀葉尖結構能通過反射入射的光照減少水分蒸發，苔蘚植物形成墊狀、叢狀或毯狀的生長型，提高了毛細管系統的吸水能力，減少了空氣在葉片表面的運動，從而減少了水分的蒸發，保持了水分[18]。

結構方程結果表明，BSCs對土壤特性的影響大于Herbs。Herbs僅影響了速效鉀含量和脲酶活性，而BSCs對參試指標均為顯著的正效影響，其中對土壤微生物生物量碳氮含量的影響最大。究其原因，可能是BSCs的存在改善了表層土壤的理化性質，為微生物的生存提供了適宜的生存環境，同時為微生物提供了重要的食物來源，使微生物數量增加，從而提高土壤微生物生物量碳氮含量[19]。眾所周知，土壤碳、氮、磷、鉀不僅作為土壤重要的營養元素，更是表征土壤肥力和土壤質量的重要指標[9]。土壤養分循環與平衡直接影響著生態系統生產力的高低，關系到生態系統的穩定性[20]。本研究發現BSCs對土壤理化性質有所改善，使0～2 cm土層速效氮和速效磷含量分別增加0.71%、33.86%，使10～20 cm土層全氮(55.8%)、全磷(23.36%)、速效磷(39.29%)和有機碳(0.50%)含量增加(圖1)。孫華方等[6]研究發現，高寒地區BSCs覆蓋區土壤養分含量普遍高于無BSCs覆蓋區，對較長建植年限人工草地土壤速效氮、速效鉀積累效果顯著，能夠增加土壤有機質含量。這與本研究結果相似，可能是因為BSCs中微生物能夠在其生命活動過程中不斷同化環境中的有機碳，同時又向外界釋放碳素，而BSCs又作為土壤氮素輸入的重要貢獻者，在土壤碳氮循環過程中具有重要意義[4]。微生物作為土壤生態系統中最活躍的一部分，在養分轉化過程中起重要作用，其中有機質或全效養分被轉化為速效養分有利于速效養分在土壤中積累[20]。程才等[21]研究也表明在石漠化生境下，BSCs層養分含量顯著高于下層土壤，BSCs覆蓋的土壤養分高于無BSCs覆蓋的裸土。

BSCs影響下，隨著土層的增加，土壤蔗糖酶活性逐漸升高，脲酶活性逐漸降低(圖2)。這與楊航宇等[22]研究相似，在騰格里沙漠BSCs能提高土壤表層堿性磷酸酶活性，且呈明顯的垂直分布，即隨著土層的加深，酶活性逐漸減弱。這是因為表層有少量的枯枝落葉和腐殖質可以支持微生物的生長，且溫度條件和通氣狀況良好，表層土壤微生物很容易從BSCs獲得充足營養，使表層的土壤酶活性相應提高[13,22]。而在BSCs的影響下脲酶活性低于Herbs覆蓋區，這可能是因為在高寒草甸草地根際的影響高于BSCs產生的影響，馬源等[23]研究指出，在高寒草甸退化草地土壤中，酶活性和微生物生物量的含量均表現為根際土壤高于非根際土壤。土壤根系可直接影響的土壤范圍作為一個微生物的特殊生境，微生物受到環境因素刺激時會不斷向周圍分泌酶，表現為以植物根系為中心，向四周逐漸減小的變化規律[23]。但是表層土壤微生物能從BSCs獲得充足營養和能量，促進土壤微生物的生長與繁殖，使得土壤微生物生物量及酶活性增加，從而改善了表層土壤的理化性質[24]。

4 結論

與Herbs覆蓋區相比，BSCs覆蓋區能改善土壤特性，使土壤含水率提高，最高達9.83%，全氮、全磷、速效磷、速效氮和有機碳含量分別提高55.8%、23.36%、39.29%、18.64%和5.43%，增加土壤蔗糖酶活性(0～2、5～20 cm土層)和表層(2～5 cm)堿性磷酸酶活性。BSCs對土壤特性的影響大于Herbs，Herbs僅對速效鉀含量和脲酶活性影響顯著，而BSCs對參試指標均為顯著的正效影響，其中對土壤微生物生物量碳氮含量的影響最大。因此，BSCs具有改善高寒草甸土壤環境質量的生態功能，從而促進群落結構的正向演替，對高寒草甸生態系統的恢復具有重要的生態學意義。