黄土高原生物结皮对土壤养分的表层聚集与吸附固持效应

2021-10-24王芳芳李胜龙孙福海

植物营养与肥料学报 2021年9期

王芳芳，肖波，李胜龙，孙福海

（1 中国农业大学土地科学与技术学院/农业农村部华北耕地保育重点实验室，北京 100193；2 中国科学院水利部水土保持研究所/黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100）

由水土流失和土地退化导致的干旱和半干旱地区养分贫瘠问题，已经成为制约该地区生态环境实现可持续发展的关键因素[1]。自我国实行退耕还林还草工程等政策后，贫瘠土壤的养分在逐渐恢复，而林间草地中生物土壤结皮 (简称生物结皮) 的形成无疑对养分的积累发挥着重要作用。生物结皮作为广泛存在于干旱和半干旱地区土壤表层的特殊复合层，它是由细菌、真菌、藻类、地衣和苔藓植物等有机体和土壤中的矿物质黏结而形成[2-4]。由于生物结皮能够在极地和荒漠等极端环境中生长，且在土地荒漠化治理中的应用较为广泛，目前越来越受到重视[5]。研究表明，生物结皮具有重要的生态功能，能通过自身代谢影响微环境，在防风固沙、改良土壤结构、防止水土流失、改变水文及土壤养分积累方面发挥着重要作用[6-8]。作为地表特殊的覆盖物，生物结皮通过富集表层土壤养分、参与物质和能量循环、改善土壤的形成和发育，从而加速土壤演化过程、调节干旱和半干旱区生态环境[8-9]。

研究表明，生物结皮中的地衣和蓝藻能实现生物固氮和光合固碳，加速干旱和半干旱地区生态系统碳、氮循环[10]，降低土壤pH值，增强土壤微生物和酶活性，从而影响土壤养分状况，促进土壤养分积累和循环。受生物结皮覆盖的影响，土壤中的养分含量显著提高[11-12]，并且在生物结皮层表现出明显的养分富集作用[8]。这一机制主要归结于生物结皮与外界强烈的物质、能量交换以及生物结皮对土壤的物理和生物学性质的改善。

由于生物结皮各方面性质完全不同于裸地土壤，在显著增加土壤表层养分含量的同时，对养分也存在更强的吸附和固持能力[13]。通过淋溶实验来探究养分在淋溶作用下的动态变化，能够从侧面反映出土壤对养分的固持效应。而通过土壤吸附实验研究土壤对养分的固定，将土壤对养分的吸附能力作为土壤养分综合状况评价指标，是比较科学和准确的土壤养分状况分析方法[14]。目前该方法主要集中应用于不同类型的农田土壤和部分森林、矿区土壤的研究，并且取得了比较深入的研究成果，而对生物结皮方面的研究还较少采用此类方法。

作为干旱和半干旱地区水土流失最为严重的地区之一，黄土高原自实施“退耕还林还草”政策以来，生物结皮广泛分布，这对该地区土壤养分改善和生态环境发挥着显著效能。目前多数研究集中于生物结皮对荒漠地区风沙土养分的影响和调控，而生物结皮对不同质地土壤养分的影响及其对不同养分元素的吸附和固持效应还有待更深一步探究。基于此，以黄土高原地区发育的典型黄绵土和风沙土为对象，研究生物结皮对土壤有机质、全碳、全磷和全钾的表层聚集效应，并深入分析生物结皮对养分的吸附作用，以及淋溶作用下生物结皮所表现出的养分固持效应，探讨生物结皮对养分的吸附和固持机制，评价生物结皮在土壤肥力改善方面发挥的作用和生态效应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区(图1)位于陕西省神木市以西14 km的六道沟小流域 (110°21´～110°23´E，38°46´～38°51´N)。研究区属于半干旱气候，冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润，年平均气温8.4℃，冬季月平均气温为－9.7℃，夏季月平均气温23.7℃[15]。降水年际变化较大，70%以上的降水集中在6—9月份，年降水量在409 mm左右，年平均潜在蒸发量1337 mm[15-16]。暴雨、洪涝、干旱等自然灾害频发[16]，该地区为严重的水蚀风蚀交错地区，生态环境十分脆弱。整个流域分为东西两半，西部以风沙土为主，东部大部分为黄绵土[17]。

图1 黄土高原六道沟流域位置图Fig. 1 Location of the Liudaogou watershed in the Loess Plateau

1.2 试验设计

1.2.1 供试样品试验于2020年8—10月进行野外采样与室内分析测定。在进行充分野外调查的基础上，挑选风沙土和黄绵土上发育良好、有代表性的藓结皮样方作为采样点，常见的藓种为土生对齿藓 (Didymodon vinealis Bird.)、双色真藓 (Bryum dichotomum Hedw.)、银叶真藓 (Bryum argenteum Hedw.)、丛生真藓 (Bryum caespiticium Hedw.) 等类型，同时以无结皮的裸地作为对照。生物结皮覆盖土壤和无结皮土壤基本性质见表1，生物结皮层基本性质见表2。

表1 生物结皮覆盖土壤与无结皮土壤的理化性质 (平均值 ± 标准差)Table 1 Physicochemical properties of biocrusts covered soil and uncrusted soil (mean ± SD)

具体采样分为两部分。第一部分：对于风沙土和黄绵土生物结皮覆盖土壤，采集生物结皮层 (藓结皮，地表2 cm左右)、结皮下0—2、2—5和5—10 cm土壤；对于无结皮土壤，采集0—2、2—5和5—10 cm土壤，共采集14个样本，每个样本重复5次。此样品用于土壤养分的测定和土壤养分吸附实验测定 (土壤养分吸附实验测定只用风沙土和黄绵土生物结皮层和无结皮0—2 cm土壤)。第二部分：采用200 cm3的环刀 (内径7.14 cm、高5 cm) 取样，共设置4个样本，分别为风沙土无结皮、风沙土生物结皮、黄绵土无结皮、黄绵土生物结皮，每个样本重复5次。此样品用于土壤淋溶实验测定。

表2 生物结皮层基本性质 (平均值 ± 标准差)Table 2 Fundamental properties of biocrusts (mean ± SD)

1.2.2 试验方法土壤养分测定：将野外采集的土壤样品带回实验站，置于室内通风阴干。风干后，剔除动植物残体、石块等。将风干后的土样过2 mm孔径筛，充分混匀后用四分法分成两份。其中一份备用或用于土壤其他性质的测定，另一份研细过1 mm孔径筛，混匀后取部分样品磨细过0.149 mm孔径筛，注意生物结皮样品必须将藓类生物体全部剔除。过0.149 mm孔径筛样品用于土壤有机质、全碳、全氮和全磷含量的测定。其中，土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化法；土壤全碳和全氮含量使用碳氮分析仪进行测定；土壤全磷含量测定采用钼锑抗比色法。实验步骤参照国家标准进行，每个样本均测定5个重复值。

土壤淋溶实验：为使试验结果更具代表性和更直观反映生物结皮对不同类型养分离子的固持效应，本试验选用二价阳离子Ca2+、一价阳离子K+和无机阴离子Cl-3种离子作为示踪离子来进行土壤连续淋溶实验，实验装置如图2所示。Ca2+作为示踪离子的淋溶实验选用CaCl2，K+、Cl-的淋溶实验选用KCl。具体操作步骤为：以乳胶软管连接马氏瓶底端，密封。将马氏瓶装满去离子水，顶部以塞子塞住，检查气密性。装置铁架台，调整铁架台铁圈略低于马氏瓶内玻璃管起泡点。放置漏斗于铁架台上，取出原状土壤样品，并在孔盖位置放置提前剪好的定性滤纸，以空环刀上盖倒置于土样上盖上，以防水胶带套住两环刀结合部，防止漏水。将土壤样品用去离子水充分淋溶，水头高度为1 cm，直到测定出浸出液中的Cl-、K+、Ca2+含量低至1.0×10-6mol/L。然后停止向环刀供水，加入0.1 mol/L的KCl或CaCl21 mL，放置12 h使得养分与土壤充分接触。再用装有去离子水的马氏瓶进行淋溶，每20 mL承接一次出流液，共承接20次，总计所需去离子水量为400 mL。淋溶液中的Cl-、K+、Ca2+含量使用上海雷磁公司生产的离子计PXSJ-216F进行测定。测定结束之后，取生物结皮和无结皮0—2和2—5 cm的土壤进行Cl-、K+、Ca2+含量的测定，此测定是为了进一步表明在相同的淋溶条件下，与无结皮土壤相比，生物结皮对土壤养分所表现出的固持效应。

图2 淋溶实验装置图Fig. 2 Installation of leaching experiment

土壤吸附实验：分别取风沙土和黄绵土生物结皮层和无结皮的过0.149 mm孔径筛的风干土10 g，加入50 mL 0.1 mol/L的KCl和CaCl2，充分震荡或搅拌8 h以上，使土壤与KCl或CaCl2充分反应和接触。然后将浸提液用0.4 μm的滤膜进行过滤，用离子计测定滤液中Cl-、K+、Ca2+的浓度，初始溶液中的离子浓度与滤液中的离子浓度差即为土壤吸附的离子量q。

式中： c0、 c分别为吸附前后溶液中的离子浓度 (mol/L)；M为该离子的相对原子质量 (g/mol)；q为土样中的离子吸附量 (mg/g)。

1.3 统计分析

采用Microsoft Office 2019对数据进行预处理，用OriginPro 2019作图，并使用IBM SPSS Statistics 22.0对数据进行双因素方差分析，用LSD法进行多重比较；对生物结皮和无结皮土壤离子吸附量进行单因素方差分析和统计检验。

2 结果与分析

2.1 生物结皮对土壤养分含量和剖面分布的影响

图3所示，生物结皮覆盖土壤有机质、全碳、全氮、全磷含量均高于无结皮覆盖土壤。其中，风沙土和黄绵土生物结皮层比无结皮0—10 cm各土层有机质含量提高了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。风沙土生物结皮覆盖下0～10 cm土层土壤养分含量相较于无结皮各土层提升幅度为4.4%～184.9%，黄绵土结皮下层 (即0—10 cm土壤) 养分提升幅度为1.4%～27.1%。生物结皮对黄绵土养分含量的影响主要在0—5 cm土层，对风沙土的全氮、全磷、全钾含量影响可至10 cm深度。相较而言，生物结皮对风沙土养分的影响程度大于黄绵土。

图3 生物结皮对不同深度土层土壤有机质和养分含量的影响Fig. 3 Effects of biocrusts on organic matter and nutrient contents at different soil depths

随土壤深度的增加，生物结皮覆盖和无结皮覆盖土壤养分含量呈现明显下降趋势。生物结皮层有机质、全碳、全氮、全磷含量较其下0—10 cm土壤提升幅度分别为82.7%～557.1%、91.3%～349.0%、42.0%～193.5%、38.2%～119.8%。而对于无结皮土壤，除0—2 cm土壤全碳比下层土壤提高78.5%～213.9%以外，其余养分仅提高13.4%～92.0%。因此，生物结皮覆盖土壤养分表层聚集效应更加明显，生物结皮在很大程度上促使土壤养分的表层富集。

2.2 生物结皮对土壤养分淋溶的影响

淋溶作用下，浸出液中的Cl-、K+和Ca2+浓度大致均呈现先增加后逐渐降低的趋势，累积Cl-、K+和Ca2+含量呈现逐渐增加并趋于稳定的趋势 (图4)。风沙土和黄绵土无结皮覆盖土壤的浸出液离子浓度最高值高于对应的生物结皮覆盖土壤，生物结皮覆盖土壤Cl-、K+和Ca2+浸出液离子浓度变化趋势总体相对平缓。

图4 生物结皮与无结皮土壤淋出液中离子浓度和单位累积量Fig. 4 Concentration and cumulative quantity of leached ions in soils covered with and without biocrusts

在养分含量和淋溶用去离子水量相同的条件下，4个土壤处理中添加的Cl-均全部淋出，但生物结皮覆盖土壤Cl-全部淋出所对应的淋出液承接次数更多 (即需要的去离子水总量比无结皮土壤更多)，并且饱和导水率显著低于无结皮土壤 (表1)，表明生物结皮覆盖土壤中Cl-不易被淋出。

风沙土和黄绵土无结皮土壤中的K+均全部淋出，而生物结皮覆盖土壤中的K+未全部淋出，分别比其无结皮土壤K+总淋出量减少了21.9%和47.4%，且生物结皮覆盖黄绵土淋出的K+总含量比风沙土降低38.6%。

对于Ca2+，风沙土无结皮覆盖土壤中的Ca2+均全部淋出，其余处理未全部淋出。风沙土和黄绵土生物结皮覆盖土壤累积淋出Ca2+总量比无结皮分别降低32.5%和25.1%，且黄绵土、黄绵土生物结皮覆盖土壤分别比风沙土、风沙土生物结皮覆盖土壤淋出Ca2+总量降低29.9%和22.3%。

淋溶实验后，整体上看，风沙土和黄绵土生物结皮层 (即 0—2 cm) 土壤的 Cl-、K+和 Ca2+含量均显著高于无结皮土壤和生物结皮下层 (2—5 cm) 土壤(P＜0.05)，但2—5 cm土壤有无结皮对Cl-和K+含量影响不大。其中，Cl-和K+在淋溶实验后的土壤中残留量很低，但生物结皮层 (0—2 cm) 土壤Cl-含量是其他处理的1.17～2.41倍，K+则高出62.7%～340.4%；土壤中残留的Ca2+含量相对较高，以生物结皮层最高。风沙土和黄绵土生物结皮层 (0—2 cm) Ca2+含量分别比无结皮0—5 cm土壤高8.8%和46.4%，分别比生物结皮下层 (2—5 cm) 土壤高26.8%和14.5%(图5)。

图5 淋溶实验结束后生物结皮与无结皮土壤不同土层的离子含量 (平均值 ± 标准差)Fig. 5 Ion contents in different layers of soils covered with and without biocrusts (mean ± SD)

2.3 生物结皮对土壤养分的吸附作用

土壤吸附实验 (图6) 表明，生物结皮能够显著(P＜0.05) 提高土壤对 Cl-、K+和 Ca2+的吸附。风沙土和黄绵土生物结皮对Cl-的吸附量分别为1.45和1.80 mg/g，比相应无结皮土壤提高118.1%和28.5%；对K+吸附量分别为风沙土和黄绵土无结皮土壤的1.51、1.52倍，而对钙离子的吸附量分别提高了45.7%和27.8%。综合而言，生物结皮对阳离子的吸附作用大于阴离子，且对价数较高的离子吸附作用更强，整体的吸附能力强弱表现为Ca2+＞K+＞Cl-。

图6 生物结皮层对土壤离子吸附量的影响Fig. 6 Effects of biocrust covering on ion adsorption ability of soil

3 讨论

3.1 生物结皮对表层土壤养分的聚集效应

生物结皮覆盖对土壤养分状况产生显著影响。生物结皮在从无到有的发育和形成过程中，依靠其自身特性、内在调节机制及其与外界环境之间物质和能量交换过程，在土壤中不断的积累和聚集养分。生物结皮的形成使得土壤理化性质得到明显改善，显著提高了土壤养分含量，但不同发育年限和阶段以及不同质地土壤发育的生物结皮对养分的积累程度存在一定差异[11]。本研究结果表明，相较于无结皮土壤，生物结皮层及其下层土壤中有机质、全碳、全氮、全磷含量均有所提高，以生物结皮层提高养分含量最显著。生物结皮对土壤养分的影响以表层5 cm土壤为主，但发育年限较久的生物结皮对土壤养分影响可至地表10 cm甚至20 cm以下土层。

随着土壤深度增加，养分含量逐渐下降。生物结皮层存在明显的养分聚集效应。闫德仁[8]将这一聚集效应称为“肥岛效应”。但生物结皮的养分表聚现象与土壤发生学规律的土壤肥力分布趋势有明显区别。生物结皮能够提高其下层土壤的养分含量，但生物结皮层肥力与下层土壤的肥力差异较大，不存在明显的过渡特征。并且生物结皮层与下层土壤的物理学、生物学特性均存在显著差异。因此，理解生物结皮对土壤养分含量的影响及生物结皮层养分富集作用需要从养分的输入途经和养分间的联系机制展开。

生物结皮地上部的苔藓能在干旱和半干旱环境中捕捉大气中有限的水分 (降雨、露、雾气等) ，提高光合能力，通过增强光合固碳作用增加土壤碳素累积量[18-19]。研究证实，生物结皮蕴含丰富的碳储量，苔藓结皮和藻类结皮的碳储量均显著高于裸地碳储量[20-22]。土壤中的全量碳素主要包含有机碳和无机碳两部分。而土壤有机质为土壤中的有机物质，其中很大一部分是由碳物质组成，土壤有机质与有机碳之间呈正比关系。虽然土壤有机质还包含许多尚未分解的有机物质，土壤中的全碳含量并不能表征土壤中有机质含量的多少，但在一定程度上，土壤全碳含量越高，土壤中的有机质含量也相应越高。另一方面，结皮生物的分解矿化、微生物残体、藻类结皮的次生代谢物 (多糖等) 以及结皮生物体不断衰亡生长过程中的腐败分解均是土壤碳素和有机质的重要来源[20]。此外，生物结皮中的蓝藻和地衣将大气中N2转化为可吸收利用的化合态氮，依靠生物固氮作用及其死亡残体等为土壤提供丰富的氮源[23]。植物的富集作用也使得苔藓结皮吸收土壤中的氮素，并将其聚集在根系 (假根系) 周围，供其吸收利用，加之结皮层丰富的微生物及其分泌物可能也是结皮层全氮含量相对较高的重要原因[24]。由于碳、氮和磷循环存在紧密联系，因此生物结皮对磷素也存在重要影响[25]。生物结皮的发育可显著提高土壤全磷和有效磷含量，通过提高碱性磷酸酶活性促进土壤磷元素的转化，并通过提高表层土壤有机质含量和降低土壤pH值进一步提高土壤磷素有效性[26]，将稳定的磷转化为不稳定的、易被作物吸收利用的磷，在地球化学磷循环中发挥重要作用[25]。另外，近地表风沙流、大气沉降以及枯枝落叶物的分解作用均是生物结皮层养分输入的重要途经。

不同土壤类型的生物结皮对表层土壤养分的积累作用存在差异。一般来说，由于黄绵土土壤质地较细、有机质含量较高且对养分离子的吸附作用较强，黄绵土及其生物结皮覆盖各土层养分的含量均高于风沙土，风沙土和黄绵土生物结皮对土壤养分表层聚集效应的影响程度也有差异。风沙土生物结皮层的养分聚集效应是下层土壤的1.4～5.5倍，黄绵土生物结皮层的养分聚集效应是下层土壤的1.4～3.9倍。由于风沙土本身的养分含量低于黄绵土，风沙土生物结皮对表层养分的提升幅度高于黄绵土生物结皮，说明相较于黄绵土而言，在养分贫瘠的风沙土土壤上，生物结皮更能加剧养分的表层聚集效应。

研究表明，生物结皮的发育和不断地变化演替，不仅显著增加土壤碳、氮和磷等元素含量，而且其对交换性元素钾、钠、钙、镁以及重金属元素铬、铅、铜、镉均具有不同程度的富集作用，但生物结皮对营养元素的富集能力远高于重金属元素[9]。生物结皮的这一作用对于改善养分贫瘠的干旱与半干旱地区土壤养分状况、增强土壤肥力具有重要意义。

3.2 生物结皮对土壤养分的吸附和固持效应

本研究显示，当土壤中所添加养分含量一致时，在淋溶作用下，生物结皮覆盖土壤能够更好地固持土壤中的养分，减少养分向下迁移流失。同时，生物结皮能够显著增加土壤对养分的吸附能力。肖波等[11]研究表明，生物结皮能够增加土壤有机质含量，并且通过土壤质地的黏化增加土壤养分的吸附。另外，生物结皮增强肥料元素的吸附和保持，减少随降雨流失。此类研究结果均证明了生物结皮能够增强对土壤养分的固持能力。

生物结皮的发育能够改善干旱和半干旱地区土壤物理性质[11]，具体表现为土壤质地、结构和孔隙状况等的改善。生物结皮的发育显著增加土壤黏粒和粉粒含量[27]，相较于砂粒，这些细颗粒物本身养分含量高，且土壤颗粒越细，比表面积越大，表面能越高，而土壤固相颗粒表面能的增加能够增强土壤对养分的吸附力[28]。生物结皮影响也使得土壤中的团粒结构和水稳性团聚体增多，良好的土壤结构有利于养分的固持。同时，生物结皮覆盖土壤的孔隙度提高[11]，孔隙结构趋于复杂[13]，土壤的导水率显著下降[29]，使得淋溶作用下养分在土壤中的迁移路径趋于复杂，均一定程度上增加了土壤对养分的固持效应。

生物结皮影响下土壤细颗粒物增多以及有机质含量的显著提升均增加了土壤胶体数量，离子能够被土壤胶体吸附从而使离子在土壤固相表面产生富集[28]，因此相较于砂粒含量较高和有机质含量较低的无结皮土壤，生物结皮覆盖土壤对养分的吸附能力更强。一般情况下，土壤胶体带负电荷较多，土壤对阳离子的吸附作用更为普遍，并且价数越高的阳离子，受胶体的静电吸附能力越大[28]。因此相同条件下，生物结皮覆盖土壤对K+、Ca2+的吸附量高于Cl-，并且对Ca2+的吸附和固持能力更强。而黄绵土由于在土壤质地和结构上均优于风沙土，因此对土壤养分表现出较强的吸附和固持能力。

除此之外，生物结皮自身的特殊属性也是增强养分固持和吸附的关键要素。生物结皮蓝藻鞘能够分泌黏性和带负电的多糖，这些多糖与带正电的元素结合，以防止这些营养元素的流失[30]，增加对养分的固持效应。这些多糖也有助于增加土壤有机质，在淋滤中减少养分流失[31]。生物结皮蓝藻还可以分泌环状化合物，如螯合物，以维持高pH值土壤中的有效铁、铜、钼、锌等元素[32]。另外，生物结皮的特点是通过真菌菌丝、蓝藻丝、有机凝胶、多糖、地衣和苔藓根状体进行物理结合，有助于提高土壤团聚体的稳定性，进而导致土壤顶部元素富集和固持[33]。

生物结皮增强土壤对养分的吸附和固持效应，能够在很大程度上增加土壤养分的积累，提高干旱和半干旱地区表层土壤肥力，为草本植物的生长发育提供充足的养分支撑，也对维持该地区生态系统稳定和改善生态环境发挥着不可替代的作用。