贛南稀土尾礦人工培育苔蘚植物的可行性

沈發(fā)興，鄭太輝，段 劍，胡 瑞，喻榮崗?

(1.江西省水利科學院，江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，330029，南昌；2.江西農(nóng)業(yè)大學林學院，330045，南昌)

稀土尾礦是稀土礦山經(jīng)營對生態(tài)系統(tǒng)的遺留物，尾礦蓄水能力差，氮、磷養(yǎng)分和有機質(zhì)等含量低，以及高濃度的有毒金屬，致使稀土尾礦區(qū)自然植物定植緩慢，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能重建延遲[1]。

生物結(jié)皮(biological soil crusts)是苔蘚、地衣、藻類、細菌、真菌等生物組份及其代謝產(chǎn)物與土壤顆粒物膠結(jié)而成的復(fù)合體，約占全球陸地表面面積的12%[2]。苔蘚植物是一類結(jié)構(gòu)相對簡單，能在其他陸地植物難以生存的環(huán)境中生長繁殖的高等植物，覆蓋于土壤表面植被之間的裸露斑塊，是我國南方生物結(jié)皮的主要組分。它可有效地豐富土壤養(yǎng)分，提高土壤穩(wěn)定性，減少水土流失，具有重要的生態(tài)功能[3-4]。苔蘚植物的形成和生態(tài)功能具有明顯的時空分異，根據(jù)贛南離子型稀土礦區(qū)苔蘚植物調(diào)查，共鑒定苔蘚植物36科67屬118種，其中優(yōu)勢科6科，依次為叢蘚科(Pottiaceae)、葉苔科(Jungermanniaceae)、灰蘚科(Hypnaceae)、牛毛蘚科(Ditrichaceae)、鳳尾蘚科(Fissidentaceae)和真蘚科(Bryaceae)，優(yōu)勢屬依次為真蘚屬(Bryum)、鳳尾蘚屬(Fissidens)和牛毛蘚屬(Ditrichum)[5]，可選擇作為礦山尾礦生態(tài)修復(fù)的物種。

物種的存活、繁殖和擴散能力主要有內(nèi)因、外因2個驅(qū)動因子[6]。內(nèi)因是指植物體通過調(diào)節(jié)自身的生理過程來適應(yīng)環(huán)境。外因有種間競爭等生物因子，水分、光照、溫度、養(yǎng)分等因素的非生物因子，其中，水分和光照是影響其生存能力的重要因子[7]。苔蘚植物通常高度依賴水，只有少數(shù)物種可以通過各種機制抵御一定程度的干旱[8]。作為小型、相對原始的陸地植物，苔蘚植物缺少維管植物所具有的根系和外層蠟質(zhì)表皮及氣孔等保護性結(jié)構(gòu)，雖然能夠直接吸收其生長基質(zhì)表面或空氣中的營養(yǎng)物質(zhì)和水分，但植物機體缺少水分保持能力，是典型的變水植物(poikilohydric plant)。所以它們比大多數(shù)高等植物對環(huán)境變化更敏感。一些研究探討了過高的光照強度和干旱可以誘導(dǎo)植物的氧化或滲透脅迫，并影響其初級和次級代謝[9]，但目前對亞熱帶稀土尾礦區(qū)苔蘚植物的形成和發(fā)育機理尚缺乏認識，對它們同時暴露于過量光照強度和干旱環(huán)境下的存活與擴繁能力也知之甚少；因此，需要進一步了解光照與水分對苔蘚植物凈生產(chǎn)力的交互效應(yīng)，從而對苔蘚植物在惡劣的稀土尾礦環(huán)境下開展人工培育進行強有力的評估。

筆者通過室內(nèi)稀土尾礦苔蘚植物培育，分析在稀土尾礦裸地上苔蘚植物培育過程中的主要影響因素，旨在了解稀土尾礦區(qū)苔蘚植物的形成和發(fā)育特征。

1 材料與方法

1.1 尾礦來源

尾礦于2018年9月采自江西省寧都縣黃陂稀土整合礦區(qū)尾礦堆(中心坐標E 115°49′25″、N 26°44′18″)。稀土礦開采工藝為硫銨堆浸法，尾礦堆形成時間為2007 年。尾礦堆土壤酸性大、貧瘠，水蝕嚴重，維管束植物生長稀疏，僅少量芒萁(Dicranopterisdichotoma)、芒(Miscanthussinensis)、濕地松(Pinuselliottii)等(圖1)。為消除地表散落繁殖體和種子及植物根系的影響，去除地表0～5 cm土層后，取5～15 cm土層。采集土壤運至實驗室自然晾干，放置陰涼處備用。為模擬自然條件下稀土尾礦的土壤特性以保證苔蘚培育效果，對試驗土壤不過篩不研磨。稀土尾礦機械組成為：砂粒(sand)65.05%，粉粒(silt)34.05%，黏粒(clay)0.90%，pH值4.23，土壤有機碳2.11 g/kg，土壤密度1.31 g/cm3。

1.2 接種材料制備

接種的苔蘚植物采自江西省九江市德安縣江西水土保持生態(tài)科技園(E 115°23′～115°53′，N 29°10′～29°35′)的自然坡面。采樣點苔蘚植物的蓋度為95%，平均厚度為(12.71±1.15) mm(n=12)。鏟取苔蘚結(jié)皮層，厚度為15 mm，裝入樣品袋帶回實驗室。經(jīng)鑒定供試苔蘚植物結(jié)皮主要由叢蘚科和真蘚科構(gòu)成，包括毛口蘚(Trichostomumbrachydontium)、卷葉毛口蘚(Trichostomuminvolutum)、扭葉叢本蘚(Anoectangiumstracheyanum)和纖枝短月蘚(Brachymeniumexile)等，以毛口蘚為優(yōu)勢種。采集的苔蘚結(jié)皮在室內(nèi)通風陰涼處曬干并去除異物后，用植物粉碎機(DA MAI- TQ- 500，電機轉(zhuǎn)速28 000 RPM)粉碎20 s，制備成接種所需的苔蘚植物種子土。

1.3 培育過程與方法

試驗中所用培育箱規(guī)格為380 mm×380 mm×150 mm(長×寬×高)，底板均勻分布640個直徑為2.76 mm的小孔。首先，在底部鋪1層紗布，其次，將晾干的稀土尾礦礦渣以1.31 g/cm3的密度填入培育箱中，填土深度為100 mm。最后，將備制的苔蘚植物種子土均勻鋪植于基質(zhì)上，鋪植厚度為5 mm。

苔蘚培育試驗于2019年11月—2020年7月在江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)的溫室大棚內(nèi)進行。采用光照強度、土壤含水量2個因素3水平全排列組合試驗設(shè)計，共9個處理(表1)，每個處理5個重復(fù)。光照強度通過不同覆蓋方式控制：無覆蓋,高光照強度10 100 lx；20 g/m2無紡布覆蓋,中光照強度5 900 lx；3緯線/25.4 mm遮陽網(wǎng)覆蓋，低光照強度1 900 lx。土壤含水量分別為高土壤含水量28%～30%、中土壤含水量13%～15%和低土壤含水量5%～8%進行對比試驗。

表1 處理的因素及水平Tab.1 Factors and levels of treatments

調(diào)控微噴設(shè)備(流量為3.5 L/h)實現(xiàn)不同處理表面土壤含水量。培育初期(0～20 d)每隔1 d測定1次土壤含水量，培育中期(21～60 d)及培育末期(61 d～試驗結(jié)束)每隔10 d測定1次，并根據(jù)每個處理測定的含水量，適當調(diào)整預(yù)定噴水量，以確保土壤含水量在設(shè)定的范圍內(nèi)。整個培育實驗過程中，苔蘚的覆蓋度和植株密度每10 d測定1次，當苔蘚植株密度趨于平穩(wěn)時試驗結(jié)束，試驗結(jié)束時測定苔蘚生物量。為防止溫濕度波動過大影響苔蘚植物生長，通過溫室溫控系統(tǒng)以及濕簾系統(tǒng)對溫室內(nèi)的溫度和空氣濕度進行調(diào)控，培育試驗期間，土壤地表溫度在18.2～23.5 ℃之間，空氣濕度控制在55%～65%之間。

1.4 觀測指標及方法

植株密度：每個培養(yǎng)框中隨機選取1個20 mm×20 mm的小框，數(shù)出小框內(nèi)的苔蘚植株數(shù)(株/cm2)，每10 d測定1次。

覆蓋度：采用Li等[10]的點針樣框法。

苔蘚生物量：用打孔器在培育箱中取面積0.9 cm2的苔蘚植物，放入0.1 mm土壤篩中清水沖洗，將收集的苔蘚植物放入量杯置于烘箱中80 ℃殺青30 min后，65 ℃烘至恒質(zhì)量，計算單位面積苔蘚植物生物量[11](mg/cm2)。

土壤水分和土壤溫度：采用便攜式土壤多參數(shù)速測儀測定(TDR150，美國，Spectrum)各培養(yǎng)框內(nèi)5 cm土層的土壤水分(%)和溫度(℃)。

光照強度：采用TES- 1332A(臺灣)測定(lx)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用一般線性模型單變量多因素方差分析方法，對培育的苔蘚植物覆蓋度、植株密度、生物量進行統(tǒng)計分析；運用Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理與繪圖，數(shù)據(jù)表達為平均值±標準誤(Mean ±SD)，利用SPSS22.0對不同處理指標進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工培育的苔蘚覆蓋度動態(tài)特征

圖2為處理T2在第0、20、60和100天苔蘚的表觀動態(tài)?？梢钥闯鲈诟髋嘤A段苔蘚發(fā)育明顯。圖3為處理T1、T2、T3、T4、T5和T6在第100天苔蘚的覆蓋度，各處理間的差異表觀。苔蘚覆蓋度隨時間變化(圖4)表明，不同處理間苔蘚覆蓋度差異較大。第70天處理T1、T2和T4的覆蓋度均高于94%，處理T3覆蓋度為54.07%，而處理T5和T6最高的僅16.15%，處理T7、T8和T9在極低水平(<0.02%)。處理T2的覆蓋度在第20～70天的培育期內(nèi)均高于其他處理，且在第70天率先達到100%。T1與T4的覆蓋度在第80天也達到100%。在第100天，所有處理的覆蓋度趨于平穩(wěn)。

圖2 處理T2在第0、20、60和100天苔蘚的表觀動態(tài)Fig.2 Apparent dynamics of bryophytes under treatment T2 at day 0, 20, 60 and 100

圖3 處理T1～T6在第100天苔蘚的覆蓋度Fig.3 Bryophytes coverage on day 100 under treatment T1-T6

多重比較和方差分析表明(圖5)，在培育初期和培育中期，處理T2苔蘚覆蓋度顯著高于其他處理，處理T1和T4顯著高于處理T5和T6，處理T7、T8和T9顯著低于其他處理(P<0.05)。在培育末期，處理T1、T2和T4覆蓋度顯著高于其他處理，處理T3覆蓋度顯著高于處理T5和T6，處理T7、T8和T9顯著低于其他處理(P<0.001)。處理T7、T8和T9的覆蓋度均<0.02%。

圖4 各處理苔蘚覆蓋度隨時間變化Fig.4 Bryophytes coverage of each treatment changed with time

a1～c1為第20天各處理間的差異；a～d為第60天各處理間的差異；A～C為第100天各處理間的差異；P<0.05。 a1-c1 was the difference between different treatments on day 20. a-d is the difference between each treatment on day 60; A-C is the difference between each treatment at day 100; P<0.05.圖5 苔蘚植物在第20、60和100天的覆蓋度Fig.5 Coverage of bryophytes at day 20, 60 and 100

2.2 人工培育的苔蘚植株密度動態(tài)特征

圖6反映稀土尾礦上苔蘚人工培育期植株密度隨著時間變化。隨著培養(yǎng)時間的延長，處理T1、T2、T3和T4苔蘚植物的密度逐漸增加，在0～40 d緩慢增加，41～100 d迅速增加，第120天后趨于平穩(wěn)。在整個培育過程中，處理T5和T6的苔蘚植物的密度都處于較低水平，至培育末期，植株密度均小于11.75株/cm2。處理T7、T8和T9的苔蘚植株密度在整個培育期保持在極低水平(<0.25株/cm2,圖中無體現(xiàn))。處理T2苔蘚植株密度在整個培育期都處在最高水平，在第140天達到59.45株/cm2，處理T1和T4植株密度也均大于54.8株/cm2，處理T3植株密度為31.9株/cm2。多重比較(圖7)顯示在培育末期，處理T1、T2和T4的苔蘚植株密度都顯著高于其他處理(P<0.05)，處理T3的苔蘚植株密度顯著高于T5和T6。處理T7、T8和T9極顯著低于其他處理(P<0.001)。

圖6 各處理苔蘚植株數(shù)隨時間變化Fig.6 Number of bryophytes varied with time

a1～c1為第20天處理間的差異；a～c為第60天處理間的差異；A～C為第140天處理間的差異；P<0.05。 a1-c1 is the difference between treatments of day 20; a-c is the difference between treatments of day 60; A-C was the difference between treatments of day 140; P<0.05.圖7 苔蘚植物在第20、60、140天的植株密度Fig.7 Plant densities of bryophytes at day 20, 60 and 140

2.3 人工培育的苔蘚植物生物量特征

從圖8可以看出，培育試驗?zāi)┢?第140天)，不同處理間苔蘚植物生物量差異顯著(P<0.01)，處理T2的生物量顯著高于其他處理，達到86.79 mg/cm2，處理T1次之(70.15 mg/cm2)，處理T4為36.18 mg/cm2，處理T3為24.46 mg/cm2；處理T5、T6處在極低水平(<3.23 mg/cm2)，顯著低于T1、T2、T3和T4；處理T7、T8和T9無生物量數(shù)據(jù)(圖中無體現(xiàn))。

2.4 苔蘚生長主要影響因素

水分含量、光照強度及其交互作用對各培育期苔蘚植物生長影響分析(表2)表明，土壤水分對稀土尾礦苔蘚植物培育初期、培育中期和培育末期的覆蓋度和植株密度都具有極顯著的作用(P<0.001)。光照強度對稀土尾礦苔蘚植物培育初期、培育中期和培育末期的覆蓋度都具有顯著的作用(P<0.05)；除培育初期外，光照強度對稀土尾礦苔蘚培育中期、培育末期的植株密度都具有顯著的作用(P<0.05)；土壤水分和光照強度的交互作用，除培育初期外，對培育中期和末期的苔蘚覆蓋度和植株密度均具有顯著影響(P<0.05)。土壤水分和光照強度及其交互作用，對培育末期苔蘚植物生物量具有極顯著影響(P<0.001)。

a～e為處理間的差異; P<0.05。 a-e are the differences between treatments; P<0.05.圖8 試驗?zāi)┢?第140天)各處理苔蘚生物量Fig.8 At the end of the experiment (day 140), bryophytes biomass of each treatment

表2 水分含量、光照強度及其交互作用對各培育期苔蘚植物覆蓋度、植株密度、生物量的顯著性分析Tab.2 Significance analysis of moisture content, light intensity and their interactions on the coverage, plant density and biomass of bryophytes in each cultivation period

3 討論

3.1 水分對稀土尾礦苔蘚植物培育的作用

苔蘚植物對水的反應(yīng)可分為內(nèi)水性類型和外水性類型，內(nèi)水性類型(如真蘚科)的莖中央具有良好的輸水組織中軸，莖中央多具小型后壁細胞束，經(jīng)假根吸取水分和養(yǎng)料后，向植物體上部輸送；外水性類型(如叢蘚科)的莖中央多無組織上的明顯分化，當生境中缺少雨水或者著生基質(zhì)中的水分喪失后，苔蘚植物會隨之迅速失去水分，進入處于生理干旱的狀態(tài)，當雨水或者其他外來水資源恢復(fù)時，苔蘚植物個體可進行全面水分吸收，恢復(fù)包括光合作用在內(nèi)的各項生理功能[12]。

尾礦區(qū)植被稀疏，降雨后快速形成地表徑流并發(fā)育大量溝壑，土壤入滲減少,最終永久喪失土地生產(chǎn)力。水分成為稀土尾礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)功能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子之一，對植物生長具有重要影響。本研究顯示，地表土壤含水量是影響稀土尾礦苔蘚植物發(fā)育的最主要因素，對苔蘚植物的覆蓋度、植株密度和生物量均有著顯著作用。在培育期內(nèi)，隨著地表土壤含水量的增加，苔蘚植物的覆蓋度、植株密度和生物量均呈增加趨勢；當?shù)乇硗寥篮吭?40 d內(nèi)一直處于低水平時，苔蘚植物的覆蓋度、植株密度和生物量均處于極低的水平，這與已有研究結(jié)論[13]相似?？山忉屓缦拢菏紫龋μ\植物的繁殖主要依靠配子體實現(xiàn)，接種材料中的苔蘚植物莖葉碎片在充分吸水后進入復(fù)活狀態(tài)，復(fù)活后的苔蘚植物體在莖的葉腋部分萌發(fā)新的配子體，之后產(chǎn)生新生小植株。這些小植株在充分水分條件下，細胞分裂產(chǎn)生原絲體，進一步擴大苔蘚植物植株密度和覆蓋度。其次，苔蘚植物缺乏輸導(dǎo)和蒸發(fā)系統(tǒng)，植株體內(nèi)水分難以通過自身結(jié)構(gòu)控制，極易失去水分[14]。同時，苔蘚植物在長期的進化過程中形成了許多特殊的生理特征和形態(tài)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)干旱脅迫，使其具有在干旱—復(fù)水交替環(huán)境下存活的能力。苔蘚植物體在干燥的環(huán)境中體內(nèi)含水量很低。一旦環(huán)境變濕，它們就能迅速吸收水分，恢復(fù)正常的新陳代謝[15]。這可能與苔蘚植物體內(nèi)保護酶活性、丙二醛、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等相關(guān)[16]。但當著生基質(zhì)得不到外來水源補充，苔蘚植物便無以存活、繁殖和擴散(如處理T7、T8和T9),原因在于水分是苔蘚植物光合、呼吸作用的決定性因素,只有當水分含量達到一定水平,才有光合及呼吸的可能[17-18]。通過灌溉促進苔蘚植物的營養(yǎng)繁殖，可使其成為植被恢復(fù)的理想成分。因此，進行苔蘚植物培育必須要提高地表土壤含水量。

3.2 光照強度對稀土尾礦苔蘚植物培育的作用

苔蘚植物的發(fā)育隨著光照強度由高到底呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，光照強度過高或過低，都抑制苔蘚植物的生長發(fā)育，與前人研究[19]類似，原因在于苔蘚植物細胞內(nèi)富含葉綠素，可進行光合作用來制造養(yǎng)分，提供植物體持續(xù)的生長直至產(chǎn)生新一代的個體[20]，但苔蘚植物的光合作用等代謝活動一般在中等光照強度范圍內(nèi)進行，適當?shù)脑黾庸庹諒姸瓤梢允固μ\植物的生長速率和生物量增加。隨著光照強度從低光照增至中光照,植物凈光合速率逐漸增大,當光照強度增大到光飽和點時,凈光合速率逐漸趨于穩(wěn)定，但光照強度繼續(xù)增大至高光照時,植物凈光合速率開始下降,此時植物出現(xiàn)了光抑制現(xiàn)象[21]。同時，強光照會增加苔蘚植物水分散失的速率進而間接抑制其光合作用[17]。在野外高等植被的冠層下、低洼地等中光照區(qū)，苔蘚植物得以良好發(fā)育，而高等植被冠層郁閉度高、地表凋落物蓋度高的弱光照區(qū)苔蘚植物生長受到極大的制約，均可在一定程度上證實這一點[17,22]。與本研究的結(jié)果不同，楊永勝[16]認為光照強度越低，苔蘚植物發(fā)育越快，這是由于不同的苔蘚植物種在生態(tài)特征和生物學上的差異以及周圍生活環(huán)境的長期影響，導(dǎo)致不同苔蘚植物種對光照強度的要求有很大的差異，在亞熱帶稀土尾礦區(qū)，矮叢集型和開放叢集型苔蘚植物是礦區(qū)優(yōu)勢類群，適合用于礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)。

3.3 稀土尾礦苔蘚植物快速培育的可行性

本研究的結(jié)果顯示，在稀土尾礦上開展苔蘚植物莖葉碎片接種培育，水分和光照是植物生長的重要資源，影響植物生長發(fā)育[23]。在低水分環(huán)境下(表層土壤含水量5%～8%)，覆蓋度、植株密度、生物量都極低，且各光照條件處理間差異不顯著；在中水分環(huán)境下(表層土壤含水量13%～15%)，中光照條件的覆蓋度、植株密度、生物量都顯著高于強光照和弱光照；在高水分環(huán)境下(表層土壤含水量28%～30%)，光照強度為5 900 lx時，苔蘚植物的覆蓋度在70 d內(nèi)可達100%，在實驗?zāi)┢谏锪恳沧罡?，說明在這一條件下，開展稀土尾礦快速培育苔蘚植物是可行的。值得注意的是，在自然條件下，可以通過試驗中的無紡布覆蓋方式進行光照條件的控制，然而持續(xù)的地表較高水平的表層土壤含水量相對難實現(xiàn)。

贛南稀土礦區(qū)年平均降雨量1 200 mm，每年4—6月的降雨量占到全年降雨量的56.4%，此時相對空氣濕度較高，土壤水分也能得到較好保障。因此，建議在4月進入雨季前，在稀土尾礦中開展苔蘚植物的人工培育，這樣能夠保證苔蘚快速繁育期內(nèi)有較好的表層土壤水分條件。Tian等[24]在騰格里沙漠固定沙丘開展的人工培養(yǎng)苔蘚結(jié)皮研究表明，人工培育的苔蘚植物在生長3—4個月后出現(xiàn)逐漸衰亡，因此，如何使人工苔蘚植物在惡劣的稀土尾礦上長期可持續(xù)的生長是一個復(fù)雜的科學問題，在未來的研究中，要改進苔蘚植物的培育方式，提高人工苔蘚植物對干旱及強光的抵抗能力，使其能夠在自然環(huán)境中持續(xù)健康發(fā)育。

4 結(jié)論

1)毛口蘚、卷葉毛口蘚、扭葉叢本蘚、纖枝短月蘚等苔蘚植物種在稀土尾礦植被恢復(fù)過程中具有良好的適應(yīng)性。

2)土壤含水量和光照強度是苔蘚植物生長發(fā)育的重要影響因素，對稀土尾礦苔蘚植物的覆蓋度、植株密度及生物量的變化有顯著影響。水分含量越高，苔蘚植物覆蓋度、植株密度和生物量越大。高水分(28%～30%)條件下，80 d內(nèi)苔蘚植物覆蓋度達到100%，第140天植株密度大于54.8株/cm2，不同光照強度間差異不顯著；高水分條件下，不同光照強度間苔蘚植物生物量差異顯著，生物量自高到低依次為86.79 mg/cm2(中光照強度5 900 lx)、70.15 mg/cm2(高光照強度10 100 lx)、36.18 mg/cm2(低光照強度1 900 lx)。中水分(13%～15%)中光照強度條件下覆蓋度為54.07%，中水分高光照強度、中水分低光照強度條件下，最高覆蓋度僅為16.15%，前者與后兩者間的差異顯著。低水分條件(5%～8%)下，各光照強度苔蘚植物均無法正常生長發(fā)育。

3)培育稀土尾礦苔蘚植物的最佳條件組合是地表土壤含水量28%～30%+光照強度5 900 lx(無紡布覆蓋)。

本試驗中的苔蘚物種鑒定由南昌大學生命科學學院蔡奇英幫助完成。