隴中黃土高原典型草原生物土壤結皮發(fā)育對土壤養(yǎng)分的影響

周詩晶，韓炳宏，姜佳昌，韓天虎，孫 斌，牛得草*

(1 蘭州大學 草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心，草地農(nóng)業(yè)科技學院，蘭州 730020;2 甘肅省草原技術推廣總站,蘭州 730010)

黃土高原位于中國中北部，總面積約64.87 km2[1]，是世界上最大的黃土沉積區(qū)，也是中國水土流失最嚴重的地區(qū)。在人類活動干擾和氣候變化的綜合影響下，黃土高原生態(tài)環(huán)境不斷惡化，生態(tài)系統(tǒng)服務功能降低。草原作為黃土高原分布面積最廣的植被類型，不僅是黃土高原重要的生態(tài)屏障[2]，也是發(fā)展畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎和生產(chǎn)資源。隨退化草地的恢復，土壤地表發(fā)育有大面積的生物土壤結皮(biological soil crusts,BSCs)，進一步促進了草地的正向演替[3]。

生物土壤結皮是由隱花植物如藻類、地衣、苔蘚及豐富的微生物群落與土壤顆粒膠結形成的一類有機復合體[4-5]，覆蓋干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)70%的面積[1,6]。生物土壤結皮的發(fā)育過程改變了周圍環(huán)境的土壤理化性質(zhì)[7]，能夠促進生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力[8-9]、增加碳、氮固存[10-11]，增強沙質(zhì)穩(wěn)定性并減少沙漠風蝕[8]，降低氣候變暖對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的負面影響[12]，具有重要的生態(tài)功能[13]。此外，黃土高原中的生物土壤結皮還能有效消減由降雨引起的土壤流失[14-16]，對于黃土高原的水土保持具有重要意義。生物土壤結皮的發(fā)育過程由簡單到復雜，可分為藻結皮、地衣結皮和蘚結皮階段，在某些條件下可略過地衣結皮直接發(fā)育為蘚結皮。在發(fā)育過程中，一些混生結皮(如藻-地衣結皮、藻-蘚結皮)中地衣和苔蘚占總結皮的比例(蓋度)，可作為判斷該類型結皮的發(fā)育程度的依據(jù)，且在生物土壤結皮中，除優(yōu)勢種外還存在著許多原核生物和真菌等微生物群落，共同驅(qū)動生物土壤結皮發(fā)揮生態(tài)功能。然而，不同類型的生物土壤結皮對生態(tài)系統(tǒng)功能的貢獻不同[11,17]。在干旱半干旱地區(qū)，生物土壤結皮可作為評判荒漠化發(fā)生、發(fā)展和逆轉的指示生物[18-19]。因此，生物土壤結皮的發(fā)育和演替進程常被作為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和退化生態(tài)系統(tǒng)恢復評價的重要指標[20]。

在生物土壤結皮的發(fā)育過程中，土壤肥力進一步增強，而目前有關生物土壤結皮的研究多集中于發(fā)育初期的藻結皮，對發(fā)育中后期地衣和苔蘚結皮研究較少。因此本研究就黃土高原典型草原不同發(fā)育階段的生物土壤結皮及其結皮下層土壤養(yǎng)分含量進行了分析比較，同時對不同蓋度的混生結皮及其下層土壤養(yǎng)分進行了相關性分析，以期揭示生物土壤結皮發(fā)育對土壤養(yǎng)分特征的影響，為深入了解干旱半干旱地區(qū)環(huán)境生物土壤結皮系統(tǒng)的演替進程奠定基礎，對于脆弱的黃土高原典型草原生態(tài)系統(tǒng)恢復有著重要的科學價值和實際意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站開展(35°56′46″ N,104°8′13″ E)，該區(qū)地處黃土高原，為溫帶半干旱氣候[21]，海拔1 965.8m，年降水量382 mm，年均氣溫6.7 ℃，年均無霜期90～140 d，蒸發(fā)量為1 343 mm，年日照時數(shù)約2 600 h[22]。植被類型為典型草原，主要優(yōu)勢植物有本氏針茅(Stipabungeana)、萬年蒿(Artemisiagmelinii)、冷蒿(Artemisiafrigida)和賴草(Leymussecalinus)等，土壤多為灰鈣土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置2013年9月，于蘭州大學半干旱氣候與環(huán)境觀測站圍封地內(nèi)選取一塊較為平坦且生物土壤結皮分布較為均勻的土地作為實驗樣地。該樣地自2005年10月開始圍封，至試驗取樣已有8年。調(diào)查的結皮類型包括蘚結皮、地衣結皮和藻結皮(圖1)。

1.2.2 樣品采集(1)生物土壤結皮生物體養(yǎng)分含量及其結皮下層土壤養(yǎng)分特征關系取樣 選取相隔約20 cm的蘚結皮(M-crust)和地衣結皮(L-crust)，用拇指鉆取地表以下0～3 cm土壤，每個樣點取4鉆混合為1份土樣，風干后的土壤樣品，過0.25 mm篩后，用橡膠棒吸附以去除土壤內(nèi)的細根等雜質(zhì)，以供后續(xù)養(yǎng)分分析。另外，用小鏟收集該4鉆位點的蘚類和地衣結皮(圖2)，于實驗室內(nèi)將生物土壤結皮的生物體與土壤進行分離，用水沖洗干凈附著的土壤后，將結皮生物體置于105 ℃烘箱殺青30 min，后于65 ℃烘干至恒重。烘干后的結皮生物體樣品采用球磨儀粉碎，以供后續(xù)養(yǎng)分測定分析。每樣點間隔約2 m，蘚類和地衣結皮及其下層土壤各取20個樣品。

(2)生物土壤結皮發(fā)育蓋度及其微生境土壤養(yǎng)分特征關系取樣 在樣地內(nèi)，采用目測法以“S”形均勻選取不同蓋度的混生蘚類和地衣結皮各30個，使圓形取樣器(直徑約為10 cm)中的結皮蓋度均勻分布在0～100%之間，每樣點間隔約1 m，同時采集圓形取樣器中地表以下0～3 cm的土壤樣品。風干后的土壤樣品，過0.25 mm篩后，用橡膠棒吸附以去除土壤內(nèi)的細根等雜質(zhì)，供后續(xù)養(yǎng)分分析。

1.2.3 樣品分析土壤全氮(total nitrogen,TN)和全磷(total phosphorus,TP)采用流動注射分析儀測定(FIAstar 5000)[23]；鈉(Na)、鉀(K)、鈣(Ca)元素采用火焰光度計測定；鐵(Fe)、錳(Mn)、鎂(Mg)、銅(Cu)和鋅(Zn)元素采用原子吸收分光光度計測定[24-25]。生物土壤結皮養(yǎng)分除TN采用有機元素分析儀測定外，其他元素測定方法同土壤樣品。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2018和SPSS 16.0結合進行統(tǒng)計分析,并用Excel 2018繪制散點圖。以Q值檢驗法除去數(shù)據(jù)中不符合條件的值，采用獨立樣本t檢驗方法分析蘚結皮和地衣結皮生物富集系數(shù)差異性；采用配對樣本t檢驗分析同一結皮不同組分(結皮生物體和結皮下層土壤)間的養(yǎng)分差異性，生物富集系數(shù)=結皮生物體養(yǎng)分含量/結皮下層土壤養(yǎng)分含量×100%[26]。

2 結果與分析

2.1 生物土壤結皮生物體及其微生境的土壤養(yǎng)分特征

對不同結皮生物體(蘚類和地衣)的同一組分(結皮生物體和結皮下層土壤)養(yǎng)分含量進行分析發(fā)現(xiàn)，除蘚結皮下層土壤中TN含量顯著高于地衣結皮下層土壤外，其余養(yǎng)分在兩類結皮結皮下層土壤中差異不明顯(表1)。對于結皮生物體來說，常量養(yǎng)分TN含量在兩類結皮生物體中的差異不明顯，而TP和K則表現(xiàn)為蘚結皮生物體顯著高于地衣結皮。在微量礦質(zhì)養(yǎng)分中，除地衣結皮生物體中Ca含量是蘚類結皮生物體的8.8倍，Ca含量在兩類結皮生物體中的差異十分顯著外，其余養(yǎng)分(Na、Cu、Fe、Mg、Mn、Zn)均表現(xiàn)為蘚類結皮生物體顯著高于地衣結皮生物體。

表1 生物土壤結皮生物體養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分含量特征統(tǒng)計表Table 1 Statistics on the nutrient and soil nutrient content characteristics of biological soil crust organisms

生物土壤結皮生物體對養(yǎng)分的富集具有選擇性(表1)。對于土壤中的常量元素(N、P和K)，蘚類和地衣生物體對TN和TP的富集作用明顯，其結皮層生物體TN、TP含量顯著高于其結皮下層土壤，尤其是TN，其富集系數(shù)分別高達807.4%和950.8%；而對K無明顯富集作用。此外，對于土壤中的微量元素，蘚結皮生物體對Cu和Zn也有較強富集作用，其富集系數(shù)分別為122.4%和244.5%；地衣結皮生物體則對Ca的富集作用較強，其富集系數(shù)為208.6%。其余礦質(zhì)養(yǎng)分元素(Na、K、Fe、Mg和Mn)在蘚類和地衣結皮生物體中的富集效應不明顯，且其均表現(xiàn)為結皮生物體中的含量顯著低于結皮下層土壤。

2.2 生物土壤結皮發(fā)育蓋度與其微生境土壤養(yǎng)分的相關性分析

對不同蓋度的生物土壤結皮及其對應的下層土壤養(yǎng)分含量進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，無論是蘚類結皮還是地衣結皮，兩者之間均無顯著線性相關關系，且不同蓋度的生物土壤結皮其微生境土壤養(yǎng)分含量集中分布在一定范圍內(nèi)(圖3)。對于土壤中的常量養(yǎng)分，蘚類和地衣結皮中的TN和TP含量分別集中在0.8～2.0 mg·g-1和0.6～1.5 mg·g-1；而K含量變化范圍較大，分布在19～27 mg·g-1之間。

圖3 生物土壤結皮蓋度與其土壤養(yǎng)分特征關系Fig.3 Relationship between biological soil crust cover and its soil nutrient characteristics

對于微量礦質(zhì)養(yǎng)分，不同蓋度的蘚類和地衣結皮微生境Cu、Mn和Zn養(yǎng)分含量十分相近，分別集中在0.04～0.05 mg·g-1、0.63～0.70 mg·g-1和0.12～0.16 mg·g-1之間。而不同蓋度的蘚類和地衣結皮Na、Ca、Fe和Mg養(yǎng)分含量變化范圍較大，分別分布在13～19 mg·g-1、50～80 mg·g-1、25～33 mg·g-1和24～28 mg·g-1之間。對不同蓋度蘚類與地衣結皮微生境土壤養(yǎng)分進行均值分析發(fā)現(xiàn)，蘚結皮微生境土壤中TN、TP、Ca、Na、K、Fe和Cu含量高于地衣結皮，其余元素在兩類結皮間差異不明顯(表2)。

表2 不同蓋度蘚結皮和地衣結皮微生境平均土壤養(yǎng)分特征Table 2 Average soil nutrient characteristics of moss crust and lichen crust microhabitats at different cover levels

3 討 論

3.1 生物土壤結皮生物體及其微生境的土壤養(yǎng)分特征

生物土壤結皮的形成和發(fā)育顯著增加了其微生境土壤養(yǎng)分含量，是養(yǎng)分貧瘠的生態(tài)系統(tǒng)獲取養(yǎng)分的重要途徑[27]。本研究結果表明，蘚結皮及其結皮下層土壤中的TN含量均高于地衣結皮，且兩者的結皮下層土壤TN含量差異顯著，這與Pietrasiak等[28]的研究結果相同。Pietrasiak等[28]研究發(fā)現(xiàn)，氮固定效率在不同結皮類型中差異顯著，藍藻結皮的固定能力顯著高于其他類型的結皮，苔蘚類和綠藻結皮也表現(xiàn)出較高的固定率，這是因為雖然苔蘚不固定氮，但它往往伴隨著固氮藍藻生長，這些藍藻可能是蘚結皮固氮能力升高的原因，因此本研究中蘚結皮及其下層土壤表現(xiàn)出較高的TN含量。本研究結果顯示，微量礦質(zhì)養(yǎng)分Na、Fe、Mg和Mn，在蘚結皮中的含量均顯著高于地衣結皮，這可能是因為，蘚結皮的發(fā)育程度較地衣結皮更高，對養(yǎng)分具有更明顯的累積效應[29]，因此其內(nèi)部養(yǎng)分含量顯著高于地衣結皮。

本研究結果表明，蘚結皮和地衣結皮對土壤養(yǎng)分的富集作用明顯，尤其是TN和TP，其生物富集系數(shù)分別高達807.4%和950.8%。然而，不同種類的生物土壤結皮對養(yǎng)分的富集作用不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)，蘚結皮對Cu和Zn(富集系數(shù)分別為122.4%和244.5%)具有富集作用，而地衣結皮則對Ca(富集系數(shù)208.6%)具有富集作用。由此可見，對于土壤中的微量礦質(zhì)元素，蘚結皮對Cu和Zn較其他養(yǎng)分優(yōu)先利用，而地衣結皮對Ca的需求最高，可能是因為蘚結皮和地衣結皮對不同礦質(zhì)養(yǎng)分元素的喜好具有差異性。已有研究表明，生物土壤結皮的存在通常與其生境周圍植物組織中Cu、Zn和K含量的增加有關[30]，因此，結皮生物體中較高的Cu、Zn和K含量可能是生物土壤結皮發(fā)育的先決條件。Harper等[30]認為，生物土壤結皮其生境周圍的維管植物根系與其競爭土壤種的礦質(zhì)養(yǎng)分，如Fe、Mn、Na、P、Zn等，鈣質(zhì)、沙質(zhì)土壤中常缺乏此類元素。因此，蘚結皮和地衣結皮對不同礦質(zhì)養(yǎng)分富集作用的差異也有可能是由維管植物的競爭造成的。但由于本研究未涉及生物土壤結皮生境周圍的維管植物，還需進一步深入研究。不同類型生物土壤結皮對養(yǎng)分富集作用不同，在后續(xù)的研究中，我們要對生物土壤結皮類型進行更明細的劃分，了解微生物在生物土壤結皮發(fā)育過程中的互相作用機制，以明晰生物土壤結皮發(fā)育與土壤養(yǎng)分特征的關系。

3.2 生物土壤結皮發(fā)育蓋度與微生境土壤養(yǎng)分的相關特征

生物土壤結皮蓋度是干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要評價指標和生態(tài)學參數(shù),對于實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。同時，生物土壤結皮的形成和發(fā)育也顯著增加了土壤有機質(zhì)(Soil Organic Matter,SOM)的含量，且高蓋度生物土壤結皮SOM含量高于低蓋度[31]。而本研究結果顯示，無論蘚結皮還是地衣結皮，其結皮蓋度與下層土壤養(yǎng)分含量之間并無顯著線性相關關系，說明生物土壤結皮下層的土壤養(yǎng)分并不隨結皮蓋度的增加而增加，這與Raúl的研究成果——Ca對結皮的蓋度有積極影響不一致[32]。這可能是因為，SOM來源于植物、動物以及微生物殘體，極易受環(huán)境和人類活動的影響[33]；而土壤中的礦質(zhì)元素養(yǎng)分主要來源于成土母質(zhì)，且成土母質(zhì)是決定其含量的最主要因素[34]，因此不同蓋度生物土壤結皮的土壤養(yǎng)分含量較為一致，其蓋度與土壤養(yǎng)分間的正相關關系不明顯。對不同蓋度蘚類和地衣結皮下層的土壤進行均值分析比較，發(fā)現(xiàn)發(fā)育有蘚結皮的土壤TN、TP、Na、K、Ca、Cu、Fe含量高于地衣結皮，而、Mg、Mn和Zn含量與地衣結皮土壤無明顯差異或略低于地衣結皮，這與2.1中蘚類和地衣結皮微生境土壤養(yǎng)分的結果略有不同。這是因為2.1中是來自于100%蓋度生物土壤結皮的微生境土壤，而本節(jié)是蓋度均勻分布在0～100%間的生物土壤結皮微生境土壤的均值，存在其他非隱花植物的干擾，因此兩者之間不具有比較性。生物土壤結皮的形成發(fā)育是一個高度動態(tài)的變化過程，在生物土壤結皮與土壤理化性質(zhì)相互影響的過程中，各土壤因子也在單獨或交互地影響著生物土壤結皮有機體的生理活動，進而影響生物土壤結皮的發(fā)育過程[35]。因此，在以后的研究中，描述土壤理化性質(zhì)動態(tài)變化過程中生物土壤結皮形成機制以及生物土壤結皮發(fā)育過程中土壤理化性質(zhì)的變異十分必要。另外，研究土壤因子在生物土壤結皮形成發(fā)育過程中的作用機理，定量確定關鍵土壤因子也是需要解決的問題。

4 結 論

不同類型生物土壤結皮生物體對土壤養(yǎng)分的吸收與富集存在差異，蘚結皮生物體對TN、TP、Cu和Zn的生物富集作用較強，而地衣結皮生物體對TN、TP和Ca的生物富集作用較強；相較于地衣結皮，蘚結皮對養(yǎng)分的累積效應更強，發(fā)育有蘚結皮的土壤中的TN含量顯著高于地衣結皮，且除Ca外，蘚結皮生物體中TP、Na、K、Cu、Fe、Mg、Mn和Zn均顯著高于地衣結皮；(3)混生結皮中地衣或苔蘚蓋度與其對應的土壤養(yǎng)分含量之間無顯著線性相關關系，且不同蓋度的地衣或苔蘚結皮的土壤養(yǎng)分含量均集中在一定變化范圍內(nèi)。

本研究分析了黃土高原不同發(fā)育階段的生物土壤結皮及其結皮下層土壤養(yǎng)分，揭示了生物土壤結皮發(fā)育對土壤養(yǎng)分特征的影響，對脆弱的黃土高原典型草原生態(tài)系統(tǒng)恢復有著重要的科學價值和實際意義。但本研究僅按優(yōu)勢種將生物土壤結皮劃分為藻結皮、地衣結皮和蘚結皮三大類，若能通過高通量測序等技術手段確定結皮中隱花植物群落類型，探究微生物在生物土壤結皮發(fā)育過程中與土壤的相互作用機制，有助于理解生物土壤結皮發(fā)育與土壤養(yǎng)分特征的關系。