沙坡頭苔蘚生物結(jié)皮層土壤特性演變研究

閆德仁，張勝男，閆 婷

（內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

沙漠生物土壤結(jié)皮（biological soil crusts，BSC），特別是沙漠苔蘚結(jié)皮層不僅對(duì)改善風(fēng)沙地區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況具有良好效果，而且通過向氮素缺乏的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中輸入氮和有機(jī)碳，對(duì)改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義。諸多研究表明［1］，生物土壤結(jié)皮通過表層能量、物質(zhì)交換作用，養(yǎng)分富集，促進(jìn)風(fēng)沙土發(fā)育，而固定風(fēng)沙土上生長的維管植物通過控制風(fēng)沙危害，降低地表風(fēng)速，能夠攔截沉積足夠的粘粒和粉粒，為苔蘚結(jié)皮層發(fā)育提供了良好物質(zhì)條件，進(jìn)一步形成完整的苔蘚結(jié)皮層并覆蓋在風(fēng)沙土表面，對(duì)風(fēng)沙土演變發(fā)育具有積極的促進(jìn)作用［2］。目前，國內(nèi)諸多研究［3］表明，沙漠地區(qū)苔蘚結(jié)皮層能夠在土壤表層富集養(yǎng)分，并通過沉積粘粒和粉粒改善風(fēng)沙土物理性質(zhì)［4-6］。此外，閆德仁［7］研究了鄂爾多斯高原區(qū)沙漠生物結(jié)皮的“肥島效應(yīng)”，表明苔蘚結(jié)皮層具有明顯的養(yǎng)分表聚特征。楊元明等［8］研究了古爾班通古特沙漠生物結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)含量的變化特征，表明0～5 cm土層是土壤有機(jī)質(zhì)的主要分布層，而生物結(jié)皮對(duì)0～5 cm土層有機(jī)質(zhì)含量的影響最為強(qiáng)烈。同樣，單飛彪［9］認(rèn)為，生物結(jié)皮層僅影響風(fēng)沙土0～5 cm養(yǎng)分含量的變化，而對(duì)5 cm以下甚至更深層次土壤養(yǎng)分含量的影響不明顯。崔燕等［10］研究表明，生物土壤結(jié)皮層的養(yǎng)分富集作用顯著，而在流沙環(huán)境下，一旦形成了生物土壤結(jié)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(jí)）含量顯著減少。張軍紅等［11］研究表明，生物土壤結(jié)皮層在增加表層有機(jī)質(zhì)、全氮及細(xì)顆粒物含量方面具有顯著作用。郭軼瑞等［6］認(rèn)為生物土壤結(jié)皮層能夠明顯增加土壤中粘粉粒和極細(xì)砂的含量，并在0～5 cm土層富集有機(jī)質(zhì)、氮、磷等養(yǎng)分。本文研究了騰格里沙漠中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗(yàn)站不同年齡固沙植被下苔蘚結(jié)皮層顆粒物組成、腐殖質(zhì)以及礦物質(zhì)元素含量變化特征，對(duì)評(píng)價(jià)沙漠生物結(jié)皮及其和流動(dòng)風(fēng)沙土發(fā)育的關(guān)系具有指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于騰格里沙漠中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗(yàn)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(fā)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(shí)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(jù)固沙林營造時(shí)間及植被恢復(fù)情況，2017年8月在騰格里沙漠中國科學(xué)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(fēng)沙土為對(duì)照，在上述樣地采集苔蘚結(jié)皮層樣品，結(jié)皮層厚度1.0～1.5 cm。每個(gè)樣地采集3個(gè)重復(fù)測(cè)試樣品，混合后的樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干，過0.25 mm篩備用。

2.2 顆粒物組成測(cè)定

采用CLY-2000激光顆粒分布儀測(cè)定顆粒組成。每個(gè)測(cè)定樣本3次重復(fù)。

2.3 腐殖質(zhì)及其組成測(cè)定

采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定樣品有機(jī)質(zhì)含量。腐殖質(zhì)組成含量采用偏磷酸鈉-氫氧化鈉提取，重鉻酸鉀容量法測(cè)定。胡敏酸E4（465μm）和E6（665μm）光密度值采用分光光度計(jì)測(cè)定。每個(gè)測(cè)試樣本2個(gè)重復(fù)，其平均值作為分析數(shù)據(jù)。

2.4 礦物質(zhì)元素含量

采用偏硼酸鋰熔融，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PE ICP-OES）測(cè)定樣品中礦物質(zhì)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(dá)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(duì)分子質(zhì)量，再求比值。計(jì)算參考如下公式:

其中，SiO2分子含量計(jì)算，SiO2含量÷60；R2O3（AL2O3、Fe2O3）分子含量計(jì)算，AL2O3含量÷102，F(xiàn)e2O3含量÷160。

測(cè)定的數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

生物土壤結(jié)皮層是沙漠地區(qū)最具特色的地表景觀，是流動(dòng)沙土固定后形成固沙風(fēng)沙土物質(zhì)和能力交換的最表層。杜曉暉［12］研究認(rèn)為“沙漠結(jié)皮不僅是沙地固定后環(huán)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(shí)質(zhì)也是植物群落的組成部分”。因此，沙漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮層（即苔蘚結(jié)皮層）的出現(xiàn)，不僅是流動(dòng)沙地被固定的重要表征，而且對(duì)改善流動(dòng)風(fēng)沙土理化性質(zhì)，促進(jìn)風(fēng)沙土進(jìn)一步發(fā)育等也具有積極作用。

3.1 苔蘚結(jié)皮層顆粒物組成變化

顆粒組成是土壤重要的物理性指標(biāo)，特別是小于10μm物理性粘粒增加對(duì)土壤物理性質(zhì)影響巨大。而固沙植被能有效減少近地面風(fēng)速，同時(shí)由于固沙植被能夠有效地控制地表風(fēng)蝕以及降雨對(duì)風(fēng)沙土表層的夯實(shí)作用和土壤微生物活動(dòng)逐漸為苔蘚結(jié)皮層的形成提供了有利條件，且苔蘚結(jié)皮層凸凹不平，提高了苔蘚的攔截細(xì)沙粒的能力。所以，有研究者認(rèn)為沙漠地區(qū)生物土壤結(jié)皮形成發(fā)育和細(xì)土多少有密切的關(guān)系。通常認(rèn)為，苔蘚結(jié)皮層中細(xì)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(jié)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(shí)間增加，其苔蘚結(jié)皮層小于10μm物理性粘粒含量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其中，1956年建立的固沙植被下，苔蘚結(jié)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(fēng)沙土對(duì)照為1.25%。說明建立固沙植被后，能夠有效攔截更多的細(xì)顆粒物質(zhì)，并和大氣降塵顆粒物特征有密切關(guān)系。凌裕泉等［13］認(rèn)為大氣降塵中的細(xì)顆粒物積累是流沙表面結(jié)皮形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和必要條件。Gillette和Dobrouolski［14］認(rèn)為塵埃沉降是形成土壤結(jié)皮的原因之一，Danin［2］認(rèn)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(jié)皮的生長提供水分環(huán)境，而一旦形成生物結(jié)皮，對(duì)土壤發(fā)育具有促進(jìn)作用。

此外，從圖1看出，在騰格里沙漠沙坡頭研究站，苔蘚結(jié)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(jié)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(fēng)沙土分別為36.06%、23.52%和28.95%。而苔蘚結(jié)皮層大于500μm粒徑顆粒物平均只有3.21%，風(fēng)沙土為10.22%。在渾善達(dá)克沙地多倫生態(tài)站測(cè)定苔蘚結(jié)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(cè)定了渾善達(dá)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(qū)苔蘚結(jié)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(jié)皮層顆粒組成變化

3.2 苔蘚結(jié)皮層腐殖質(zhì)組成含量變化

土壤腐殖物質(zhì)主要包括胡敏酸（HA）和富里酸（FA），而芳香核是胡敏酸的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這種芳香核通過含氧功能團(tuán)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(duì)改良風(fēng)沙土的不良結(jié)構(gòu)具有重要作用。或者說，苔蘚結(jié)皮層胡敏酸含量的增加對(duì)促進(jìn)風(fēng)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(jié)皮層有機(jī)質(zhì)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(xué)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(shí)間的增加，苔蘚結(jié)皮層胡敏酸的芳構(gòu)化度和分子量也逐漸增加，其結(jié)構(gòu)得到改善，并進(jìn)一步影響著風(fēng)沙土演變過程。張玉蘭等［16］在中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗(yàn)站研究表明，土壤中腐殖質(zhì)及其組分的含量隨著植被恢復(fù)年代的增加而呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，而且HA/FA值也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說明植被固定改善了土壤質(zhì)量，土壤腐殖化程度增加，土壤質(zhì)量有了很大提高。陳隆亨等［17］認(rèn)為，“在不同氣候區(qū)，隨著降雨量減少和溫度增高，風(fēng)沙土中HA/FA值呈現(xiàn)出減低的趨勢(shì)，并且在亞濕潤氣候下的黑鈣土區(qū)，風(fēng)沙土胡敏酸分子中的芳香核縮合程度高，結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)皮層的腐殖質(zhì)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜程度呈現(xiàn)增加特征，并對(duì)改善土壤肥力特性和理化性質(zhì)具有積極的促進(jìn)作用，或者說，我國西部荒漠地區(qū)的胡敏酸結(jié)構(gòu)更趨于簡(jiǎn)單化，分子中芳香核縮合程度也更低，對(duì)該區(qū)域風(fēng)沙土改良作用效果相對(duì)緩慢。

表1 不同植被年度下苔蘚結(jié)皮層腐殖質(zhì)特征的變化

3.3 苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素含量變化

土壤礦物質(zhì)既是植物礦質(zhì)營養(yǎng)的源泉，也是影響土壤肥力水平的重要因素。由于沙漠地區(qū)干旱、少雨、大風(fēng)等不利環(huán)境，風(fēng)沙土細(xì)顆粒物質(zhì)相對(duì)更少。而流動(dòng)沙地一旦被固定，并且固沙植被下形成苔蘚結(jié)皮層后細(xì)顆粒物質(zhì)增加，進(jìn)一步改善風(fēng)沙土的全量化學(xué)組成含量。

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

表2 不同植被年度下苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)組成含量變化 （g/kg）

3.4 苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率變化

硅鐵鋁率是指用以表達(dá)土壤脫硅富鋁化程度的比值。而隨著流動(dòng)風(fēng)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(fā)育過程逐漸向好的方向發(fā)展。

從表3看出，隨著固沙植被建立時(shí)間的增加，苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。其中，對(duì)照風(fēng)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(jié)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(jié)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(jié)皮層分別為4.49、5.81和19.83。表明沙漠環(huán)境下，苔蘚結(jié)皮層中細(xì)顆粒物成分沉積量更多一些，相應(yīng)的Fe2O3、Al2O3含量也高。陳隆亨等［17］數(shù)據(jù)表明，在科爾沁沙地奈曼旗，0～10 cm土層Al2O3含量為77.30 g/kg，F(xiàn)e2O3含量為7.45 g/kg，SiO2含量為862.6 g/kg；在渾善達(dá)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，F(xiàn)e2O3含量為14.40 g/kg；在騰格里沙漠，中衛(wèi)縣0～1 cm土層Al2O3含量為103.20 g/kg，SiO2含量為720.1 g/kg，F(xiàn)e2O3含量為30.50 g/kg。說明沙漠苔蘚結(jié)皮層的存在對(duì)風(fēng)沙土形成演變具有促進(jìn)作用。

表3 不同植被年度下苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率變化

4 討論

沙漠生物結(jié)皮層不僅對(duì)固定流沙具有重要的作用，而且對(duì)改善流動(dòng)風(fēng)沙土理化性質(zhì)，促進(jìn)風(fēng)沙土發(fā)育等也具有積極作用。因?yàn)椋衬锝Y(jié)皮層是在風(fēng)沙環(huán)境下，土壤顆粒物與有機(jī)物緊密結(jié)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(chǎn)物（胞外多糖）與砂粒組成，是風(fēng)沙土物質(zhì)和能力交換的最活躍的表層。齊雁冰等［18］研究認(rèn)為，生物結(jié)皮層顆粒組成細(xì)化趨勢(shì)隨植物固定流沙時(shí)間增加而發(fā)生明顯變化，并且土壤速效養(yǎng)分、全氮以及有機(jī)碳含量也不斷增加。寧遠(yuǎn)英［19］研究表明，藻類結(jié)皮向苔蘚結(jié)皮發(fā)育過程中，粉砂逐漸增加，粗砂、細(xì)砂含量逐漸減少，而理化性質(zhì)不斷改善的固定風(fēng)沙土對(duì)苔蘚結(jié)皮的形成又具有促進(jìn)作用，不斷增加風(fēng)沙土表面苔蘚結(jié)皮層的蓋度面積，進(jìn)一步促進(jìn)了風(fēng)沙土養(yǎng)分含量的增加，并為其發(fā)育演化提供了相對(duì)豐富的物質(zhì)條件。謝靜等［20］研究表明，呼倫貝爾、科爾沁和渾善達(dá)克沙地等3個(gè)沙地優(yōu)勢(shì)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(jié)皮層養(yǎng)分含量隨著生物結(jié)皮層形成年份延長而明顯增加，土壤細(xì)顆粒成分也表現(xiàn)出同樣的變化特征。本研究進(jìn)一步表明，風(fēng)沙環(huán)境下，隨著苔蘚結(jié)皮層形成時(shí)間增加，全量化學(xué)元素組成含量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，且苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成含量明顯高于對(duì)照風(fēng)沙土，而表達(dá)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(jié)皮層對(duì)促進(jìn)風(fēng)沙土形成演變和改良風(fēng)沙土理化性質(zhì)意義重大。同時(shí)，和苔蘚結(jié)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(zhì)循環(huán)過程，并進(jìn)一步影響風(fēng)沙土全量化學(xué)元素組成含量變化。所以，大氣降塵在促進(jìn)風(fēng)沙土演變、改善苔蘚結(jié)皮層養(yǎng)分含量等方面具有積極作用。

5 結(jié)論

風(fēng)沙環(huán)境下苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成（SiO2除外）含量均高于對(duì)照流動(dòng)風(fēng)沙土，但仍具有流動(dòng)風(fēng)沙土的特征，并且隨著固沙植被建立時(shí)間增加，其苔蘚結(jié)皮層SiO2含量呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢(shì)，其它全量化學(xué)元素含量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率低于對(duì)照流動(dòng)風(fēng)沙土，且隨著固沙植被建立時(shí)間增加，其苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，表明苔蘚結(jié)皮層的存在對(duì)風(fēng)沙土形成演變具有促進(jìn)作用。

沙坡頭固沙植被下苔蘚結(jié)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(shí)間增加，苔蘚結(jié)皮層＜10μm粒徑的顆粒物含量增加，苔蘚結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)、腐殖酸、胡敏酸含量增加，且胡敏酸的光學(xué)特性E4、E6吸光值增加，而E4/E6值在減少。表明苔蘚結(jié)皮層對(duì)改善風(fēng)沙土理化性質(zhì)具有重要作用。