施用粉碎、炭化玉米秸秆对藓类结皮生长特性影响研究

2024-04-11王鹤松吴慧光罗亚勇周立业

内蒙古民族大学学报(自然科学版) 2024年2期

王鹤松，吴慧光，徐芸，罗亚勇，周立业

（1.内蒙古民族大学草业学院，内蒙古通辽 028043；2.国能宝日希勒能源有限公司水电中心，内蒙古呼伦贝尔 021025；3.中国科学院西北生态环境资源研究院奈曼沙漠化研究站，甘肃兰州 730000）

生物土壤结皮（Biological soil crust，简称“BSC”）是干旱区普遍存在的地被物，它是土壤表面微生物和土壤颗粒相互胶结而形成的致密土层，因其独特生态功能被喻为全球旱地“活皮肤”［1］。藓类结皮是生物结皮最高级演替阶段［2］，相较于藻类、地衣结皮，光合作用与无性繁殖能力更强［3］，所以藓类结皮是生物结皮的重点研究对象。已有研究表明［4］，藓类结皮通过增强土壤颗粒间团聚力作用，不仅能强化沙面固定、改善土壤理化性质，还会增加土壤有机质含量和土壤中微生物活性。玉米秸秆被喻为“土壤工程师”，大量研究发现［5］，秸秆还田会优化土壤养分结构和改善土壤团粒结构。粉碎秸秆是直接利用机械将秸秆破碎成屑状（直径6 mm左右），炭化秸秆是利用高温缺氧分解法将秸秆热裂解成黏粒状［6］。目前，玉米作为我国主要经济作物，产量逐年上升，由此产生了大量废弃玉米秸秆，不科学的处理方式造成玉米秸秆浪费严重［7］。藓类结皮以其独特抗逆性已成为干旱区生态系统演变关键环节，但我国干旱区土壤地力不足导致结皮生长缓慢［8］。探究玉米秸秆施用模式以促进藓类结皮培育，为快速繁育藓类结皮提供一定技术规范和理论支持，是干旱区生态环境可持续发展的必然趋势。

目前，我国玉米秸秆主要施用形式是粉碎和炭化。关于施用秸秆对植物生长的影响，不同领域学者已进行多方面的研究。李金等［9］研究不同秸秆还田方式对玉米农田土壤CO2排放量和碳平衡的影响结果表明，采用科学秸秆施用模式可以有效改良土壤营养结构；李世忠等［10］通过研究玉米秸秆还田对宁夏引黄灌区土壤养分和土壤酶活性的影响发现，施用秸秆会有效提高土壤有机质、全氮、有效氮、速效磷、速效钾质量比；张慧琦等［11］为了解炭化秸秆用量对砂质土孔隙度和持水性的影响，通过调查分析不同炭化秸秆和供试土壤质量比组合发现，施用炭化秸秆能有效增强砂质土含水量，提高砂质土孔隙度。多年来，不同领域学者大多集中于施用秸秆对高等植物生长特性、土壤理化性质等方面的研究，而对藓类生长特性影响的相关研究相对较少。因此，秸秆施用模式对结皮生长特性影响机制有待进一步探究。

本试验利用智能温室大棚进行室内盆栽培育，综合分析施用秸秆形式及水平对藓类结皮生长特性的影响，探索最佳玉米秸秆施用模式，为科尔沁沙地土壤生态恢复提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于内蒙古自治区通辽市奈曼旗境内的中国科学院奈曼沙漠化研究站智能温室大棚（120°41′E，42°55′N；海拔358 m），智能温室大棚室内空气温度为23～36 ℃，空气湿度为27～83 RH，土壤温度为10～32 ℃，土壤湿度为7.5～11.0 RH，光照强度为0～28 532 Lx，CO2浓度为390～563 PPM，平均风速为0.7 m/s 左右。结皮种子土在中科院奈曼沙漠化研究站附近封育区采集，封育区位于温带半干旱大陆性季风气候区，年均气温3～7 ℃；多年平均降雨量349～501 mm，其中，80%降水集中于夏季；年蒸发量1 540.6～2 540.4 mm；年日照时间为2 830～3 121 h，大风日数20～60 d。封育区地貌特征以参差不平沙丘地和较平缓草甸交错分布为主［11］，土壤养分含量低，土壤类型多为砂质土、草甸土、栗钙土等；天然植物群落以中旱生植物为主要植物，主要分布种类有白草（Pennisetum centrasiaticum）、狗尾草（Setaria viridis）、三芒草（Aristida adscensionis）等。人工植被多为小叶锦鸡儿（Caraganam icrophylla）、小叶杨（Populus simonii carr）、樟子松（Pinus sylvestris）等［12］。

1.2 试验材料

2022年5 月上旬，从封育区附近采集发育良好的藓类结皮样品（以藓类结皮盖度大于78%为目标采集区），平均厚度为（8.2±0.48）mm（n=9），藓类型主要有丛藓科和真藓科，优势物种为土生对齿藓（Didymodonvinealis（Brid.）Zand.）。采集结皮前用软细毛刷轻扫附于结皮表面肉眼可见的浮沙及其他杂质，将采集的结皮土遮阴自然风干后粉碎成细土状，经充分搅拌均匀制成结皮种子土。砂质土在奈曼旗青龙山镇附近松树林收集，经80目孔径土壤筛过滤后添加使用；粉碎秸秆取于奈曼旗大沁他拉镇林场附近农田玉米秸秆；炭化秸秆购于河南星诺环保材料有限公司（450 ℃厌氧热解玉米秸秆制备）。

1.3 试验设计

采用室内盆栽法，考虑粉碎秸秆和炭化秸秆2种材料养分含量不同，设置不同增量梯度。试验设计为：施用粉碎秸秆量设置5个水平（5、10、15、20、30 g），施用炭化秸秆量设置5个水平（1、3、5、7、10 g），分为10组不同处理，每个处理10次重复，共计100个育苗盆，随机区组放置。培育采用可分离式育苗盘，育苗盘由上层培育密盘和下层储水托盘组成（长32.5 cm，宽24.5 cm，托盘高4.5 cm，密盘高2 cm）。试验自2022年6月1日持续115 d，以15 d为间隔定期测定藓类结皮盖度变化，其他生长特性在试验末期测定，以裸沙和原状结皮作为对照。

1.4 数据测定

藓类结皮盖度：藓类结皮盖度采用像素占比法测量（植物体像素数占全部像素数的百分比代表结皮盖度），拍摄31.5 cm×23.5 cm样方面积里的藓类结皮（为减少边缘效应的影响，样方长和宽均小于育苗盆1 cm），每张照片分辨率为2 048×1 536像素。拍照前用水雾润湿结皮表面（增加藓类绿色深度），剪除藓类结皮表面其他微量绿色植物，同时用伞阻挡相机周围，防止因太阳光而产生的局部阴影［13］，将所得图片用Adobe Photoshop 7.0分析。

试验末期，使用环刀（内径5 cm）以五点取样法，在育苗盘中分别取5块新鲜结皮层切块，每次取样前用水雾轻微润湿环刀内壁，以便取出完整切块。使用电子游标卡尺测量各切块厚度；分别在切块边缘均匀选取5 点，使用电子游标卡尺测量藓类植株株高（分辨率0.1 mm）；选切块中心位置使用小样方框（2 cm×2 cm），数出框内的藓类植株数，换算藓类密度；将切块充分烘干后，使用电子天平称称切块干质量（精度0.01 g）。求平均值代表每盆指标大小，每组重复5次。

1.5 数据分析与处理

使用Microsoft Excel 2013进行数据整理，使用Origin 2018进行作图，显著性差异采用LSD法（α＝0.05），通过直观分析方法比较施用玉米秸秆形式及水平对藓类结皮生长特性的影响。

2 结果与分析

2.1 施用粉碎秸秆对藓类结皮生长特性的作用

试验期内，施用粉碎秸秆5组处理下的藓类结皮盖度呈“低-高-低”变化趋势，但处理1和处理3间无显著差异。试验末期藓类结皮盖度比较结果显示，水平2＞水平1＞水平3＞水平4＞水平5。施用粉碎秸秆5组处理下藓类结皮层厚度、株高、密度、结皮层干重大小随施用水平增加，均呈“低-高-低”的变化趋势。各藓类结皮生长特性最高值均为施用水平2（结皮层厚度5.54 mm，藓类株高2.36 mm，藓类密度78 株/cm2，结皮层干质量0.25 g/cm2）；施用水平3次之（结皮层厚度5.02 mm，藓类株高1.95 mm，藓类密度54 株/cm2，结皮层干质量0.21 g/cm2）；施用水平5最低（结皮层厚度3.53 mm，藓类株高1.89 mm，藓类密度42 株/cm2，结皮层干质量0.15 g/cm2）。见图1、图2。

图1 粉碎秸秆、炭化秸秆对结皮盖度的影响Fig.1 Influence of pulverized straw and carbonized straw on crust coverage

图2 不同处理对藓类结皮生长特性的影响Fig.2 Effect of different treatments on growth characteristics of moss crust

2.2 施用炭化秸秆对藓类结皮生长特性的作用

由图1可知，试验期内，施用炭化秸秆5组处理下的藓类结皮盖度呈上升趋势。试验末期藓类结皮盖度比较结果显示，水平5＞水平4＞水平3＞水平2＞水平1。由图2可知，炭化秸秆施用5组处理下藓类结皮层厚度、株高、密度、结皮层干质量大小随施用水平增加，均呈增长趋势。对应的藓类结皮生长特性最大值均为施用水平5（结皮层厚度4.51 mm，藓类株高2.13 mm，藓类密度74 株/cm2，结皮层干质量0.24 g/cm2）；施用水平4次之（结皮层厚度3.74 mm，藓类株高1.90 mm，藓类密度65 株/cm2，结皮层干质量0.21 g/cm2）；施用水平1最低（结皮层厚度3.32 mm，藓类株高1.59 mm，藓类密度41 株/cm2，结皮层干质量0.14 g/cm2）。

3 讨论

3.1 施用粉碎秸秆对藓类结皮生长特性的影响

施用粉碎秸秆能够显著改善土壤理化性能［13］。本研究结果表明，施用水平2下的藓类结皮生长特性好于其他4个水平。可能是藓类结皮缺乏维管组织、没有真正根系统等形态学特征，造成结皮气体调节能力差；并且育苗盘下层储水盘中，因水体上表面长期贴合密盘底部降低基质透气性，影响结皮有氧呼吸对物质转化与利用。施用粉碎秸秆会增大土壤孔隙度，增强结皮与外界气体交换能力，进而为结皮提供更充足氧气，促进结皮有氧呼吸。另外，粉碎秸秆因持水能力强会提高结皮层含水量，而水分是改善旱区结皮生长发育的重要环境因素［14］。由于藓类植株扩繁主要依靠植物体碎片产生原丝体，原丝体分枝进而发育成植物体，处于发育阶段的原丝体抗旱性极差，所以结皮对环境水分变化非常敏感。当基质短期缺水时，藓类结皮会因自我保护机制作用转为休眠状态。杨延哲等［15］也报道了类似的结果，较好水分条件下有利于增强土壤中养分含量，从而一定程度上有利于藓类结皮繁育。此外，施用粉碎秸秆能显著提高结皮层中的微生物含量和酶的活性［16］，进而促进其快速生长发育。

当粉碎秸秆施用量大于水平2（10 g/盆，126 g/m2）时，藓类结皮盖度、结皮层厚度、株高、密度、结皮层干重均出现下降趋势。其原因可能是，随着粉碎秸秆施用量大于水平2，基质孔隙度增大的同时也会显著降低单位体积中土壤粉粒质量，进而影响藓类结皮正常繁育。李金峰等［17］研究表明，生物结皮生长发育需要4%～5%的粉粒物质。前人研究结果已经证实，保持基质表面适宜的土壤粉粒含量，会促进藓类结皮形成，这也间接支持了本研究的结果。

3.2 施用炭化秸秆对藓类结皮生长特性的影响

结皮发育状况与基质中微量矿物质元素含量有关。本研究结果表明，藓类结皮生长发育情况与施用炭化秸秆水平呈正相关，这与前人研究结果基本相似。刘欢等［18］研究表明，炭化秸秆富含植物生长所需营养元素，施用炭化秸秆可显著提高土壤有机质含量（炭化秸秆有机碳含量为62.5%），提高土壤中氮元素矿化速率；玛丽娅·奴尔兰等［19］认为，生物炭作为砂质土改良剂可显著提高土壤养分有效利用率，结皮长势随施加量增加而增加；高德才等［20］也发现了类似的结果，施加炭化秸秆会提高土壤电导率，这不仅会提高结皮对养分的吸收能力，还能促进结皮对于碳、氮的固定能力，促进结皮与土壤中营养元素的转化，进而增强结皮对土壤养分的利用。另外，本试验中添加的土壤类型是养分含量较低的砂质土。李昌见等［21］研究表明，在砂质土中施用炭化秸秆，会显著提高砂质土中有效磷和有效钾含量，使砂质土具有更高的肥料利用率。此外，水分是旱区结皮生长发育的必要条件。在试验期测定土壤含水量发现，随着施用炭化秸秆水平提高，土壤含水量呈增长趋势。武玉等［22］研究表明，施用炭化秸秆能降低土壤容重，有效提高土壤含水量；卜晓莉等［23］在试验中发现，炭化秸秆具有多孔、比表面积大的特点，施用炭化秸秆能改良砂质土壤环境及结构，提高土壤的持水能力；王萌萌等［24］也发现了类似的结果，旱区土壤中添加生物炭会增大土壤孔隙度和通透性，增强结皮对水分的利用率。此外，结皮在水分充足的环境下会在其表面形成一层水膜，在试验区7、8月份气候条件下，水膜对结皮起到一定保护作用，可减轻大棚内因环境积温带来的热损伤。

3.3 粉碎、炭化秸秆对藓类结皮生长特性的不同影响

本研究结果表明，随施用粉碎秸秆水平增加，结皮生长各项指标均呈“低-高-低”的变化趋势；随施用炭化秸秆水平增加，结皮生长各项指标均呈增长趋势。比较粉碎、炭化秸秆最优水平下结皮生长各项指标发现，粉碎秸秆施用水平2优于炭化秸秆施用水平5。产生这种结果原因可能有3种：（1）由于粉碎秸秆屑体积远大于炭化秸秆颗粒，对没有维管组织等形态学特征的藓类结皮而言，施用粉碎秸秆更有利于提高基质透气性，增强结皮有氧呼吸能力；（2）测定结果表明，炭化秸秆中有机质含量大于粉碎秸秆，但结皮种子土中附带着一部分富含养分的土壤和藓类等植物体碎片，恰能满足结皮生长发育最低养分需要，因此，炭化秸秆在提高土壤养分水平方面对结皮生长的促进作用并不显著；（3）试验末期，对不同处理下的结皮抗压强度情况进行比较发现，施用粉碎秸秆处理要显著大于施用炭化秸秆；对不同处理下的结皮进行抗水蚀能力比较发现，施用粉碎秸秆较炭化秸秆的结皮表面径流更少。这些都说明施用粉碎秸秆更能提高结皮层抗逆性，同时稳定结皮层结构，也会降低因经常加水而对结皮的机械损伤。因此，在其他环境条件适宜情况下，在干旱区土壤施用粉碎秸秆来促进藓类结皮生长发育是可行的，施用粉碎秸秆工艺较炭化秸秆简单易生产，符合我国干旱区大范围生态修复的需求，建议干旱区广泛施用。