高寒凍土區生物結皮對土壤理化屬性的影響

明 姣， 盛 煜， 金會軍， 張 澤， 杜玉霞

（中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

生物結皮是由生長在表層土壤的微生物、藻類、苔蘚和地衣等個體微小的生物成分與土壤相互作用形成的復合層［1］。其廣泛分布于干旱、半干旱區和極地、亞極地等脆弱生態區［2-3］。近年來，關于生物結皮生態功能的研究已詳細展開，研究表明生物結皮的形成可以改善土壤理化性質，提高土壤穩定性，改善土壤肥力等，對干旱半干旱地區植被恢復與重建具有重要的生態學意義［3-4］。目前關于生物結皮生態功能的研究已有很多，但這些研究主要集中在干旱半干旱的沙漠地區［5-14］，例如美國科羅拉多沙漠及其西南部的莫哈維沙漠［6-7］，以色列南部的內蓋夫沙漠［8］，阿根廷的蒙特沙漠［9］以及干旱半干旱的西班牙地中海地區［10］。國內關于生物結皮的研究也主要集中在沙漠及干旱半干旱地區，如黃土丘陵溝壑區［11-12］、騰格爾沙漠地區［13-14］、西北及新疆沙漠區［15-16］。我國青藏高原素有“世界屋脊”、“第三極”之稱，其海拔高，氣溫低，輻射強烈，日照多，黃河源區也源自于此［17］。黃河源區是我國青藏高原重要的水源涵養區，也是該區域最主要的畜牧業基地之一。源區內獨特的氣候條件及其豐富的自然生態資源為該區經濟發展及生態平衡發揮了生態安全屏障的作用［17-18］。然而，20 世紀70 年代以來，隨著氣候的逐漸干旱化和人口、牲畜數量的迅速增加，該區生態環境急劇惡化，大面積植被退化，20 世紀末，植被退化面積占源區草地總面積1/3［19］。2005 年以來，隨著三江源地區實施草地“生態保護和建設”過程的具體實施（圍欄封育、退牧還草、沙漠化治理、濕地保護等）［19-20］，生物結皮開始在該地區逐漸發育。筆者在野外實地考察過程中發現，生物結皮在黃河源區不同退化程度的草地斑塊中均有較大面積的分布。黃河源區平均氣溫-5.38～4.14 ℃，年降水量262.2～772.8 mm［20］，在如此相對濕潤且溫度極低的條件下，生物結皮的發育特征與干熱的沙漠地區是否一樣，目前還不得而知。生物結皮作為地表特殊的結構層，其屬于變水生物［21］，在濕潤時才能夠進行新陳代謝活動［22］。而青藏高原高黃河源區屬于高原亞寒帶半干旱區，僅有冷暖兩季，冷季漫長，從每年10 月初至次年4 月之間地表處于凍結狀態［23］，降水主要以固態降雪為主，生物結皮呈現休眠狀態。在半干旱低溫環境條件下，生物結皮的理化性狀如何，這一問題也尚不明晰。

為此，本文以青藏高原黃河源區瑪多縣附近的生物結皮為研究對象，借助野外調查采樣和室內試驗方法的結合，來進行定量研究，以探知高寒凍土區內存在的生物結皮對土壤理化屬性的影響，為深入研究高寒地區生物結皮生態功能提供理論基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

黃河源區瑪多縣隸屬果洛藏族自治州，地理位置為95°30′～103°30′E，32°30′～30°30′N，位于青海省南部，巴顏喀拉山北麓，土地面積12.2×104km2。該地屬于平原地區，平均海拔4 200 m。植被類型以草地為主，約占88%。區域氣候類型屬于青藏高原亞寒帶半干旱半濕潤型氣候［24-25］，晝夜溫差大，年平均氣溫-1.6 ℃；年內降水多集中在5—9 月，年內累積降水量407～582 mm；年累積蒸發量為484～584 mm［25］。該地區特有的地理位置和地形、地貌、水文、干寒的氣候條件決定了該區為季節凍土區，并鑲嵌著不連續多年凍土、零星高溫多年凍土和季節凍土［26-27］。我們的采樣觀測場地位于瑪多縣野馬灘，位于38°34′N，98°00′E，海拔4 320 m，屬于季節凍土區，研究場地景觀如圖1所示。

圖1 研究區地表生物結皮狀況（樣帶A為淺色藻結皮，B為深色藻結皮，C為裸地）Fig.1 Biocrusts in the study region：light cyanobacteria biocrust（A）；dark cyanobacteria biocrust（B）；bare soil（C）

1.2 研究方法

1.2.1 野外調查及采樣

在瑪多縣野馬灘禁牧場地內每隔2 km 分別選取分別選取人為干擾較少、地形地貌呈現較高一致性、生物結皮發育穩定的5～6 塊（每塊400 m2）的禁牧地作為調查樣地。每個樣地中隨機設定4 個5 m×5 m 的調查樣方（大樣方），每個大樣方中隨機選擇10 個25 cm×25 cm 的小樣方，調查生物結皮物種組成、蓋度及樣地植被等。然后在每個樣地中，分別選擇兩種（淺色藻結皮和深色藻結皮）不同類型生物結皮斑塊與裸土斑塊（5 m×5 m），隨機選取4個點，用鏟子剝離結皮層和下層的分層處土壤，作為結皮層土壤樣品。再依次采集下層分層土壤，即0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 的土壤樣品，4點同層混合作為1個分析樣品，即每個斑塊類型采集5～6 份土壤樣品。采集到的樣品經過風干后，剔除下層土壤中肉眼可見的植物殘渣，磨細過篩備用。樣點的具體情況見表1。

表1 土壤采樣點基本情況Table 1 Characters of sampling sites

1.2.2 測定項目及方法

（1）生物結皮覆蓋度

采用25 點樣點法（小樣方的長寬均為25 cm），在設置的每個5 m×5 m 的樣方內，以之字狀沿對角線設定10 個小樣方，調查生物結皮種類和蓋度，同時記錄樣方中苔蘚、地衣、藻、裸土、小石礫、高等植物等出現的頻率，以各物種與調查總點數的百分比表示其相應覆蓋度。同時，調查記錄下采樣點的海拔、經緯度及植被狀況等。

（2）土壤物理性質

土壤顆粒組成：由馬爾文MS2000 激光粒度分析儀測定。由于生物結皮層土壤有機質呈現出較大含量，為了達到分散土壤顆粒的目的，進行樣品先期處理，處理方式如下：用不同濃度（先用10%濃度，后用30%濃度）的過氧化氫（H2O2）溶液浸泡土壤，達到去除有機質的目的。然后剔除土壤中攜帶的碳酸鹽，剔除過程用到了0.20 mol·L-1的HCl 溶液進行土壤的浸泡，最后用0.05 mol·L-1的HCl 溶液浸泡，直到沒有氣泡出現才結束土壤的浸泡，再進行上機測試。

田間持水量：將原裝生物結皮放在具孔小篩上（孔徑為1 mm），然后把結皮連同小篩一起，放在盛薄層的托盤上，當結皮充分飽和時，將結皮和小篩取出來，放置在定性濾紙（5層），吸水5 min 后，進行結皮濕重的稱量，后再將生物結皮的烘干，并稱量得到其干重，計算質量含水量，以此作為相對田間持水量［28］。

容重：結皮層容重與生物結皮層下土壤容重的測定采取的方法分別是涂膜法［29］和環刀法。

（3）土壤化學性質

全氮（TN）用開氏法測定［30］，有機質（SOC）使用重鉻酸鉀氧化法測定［31］，pH值用電極法測定［32-33］。

1.2.3 數據處理

借助于Origin 9.0 和SPSS 17.0 完成數據處理和統計分析，針對各種類型的生物結皮及裸地土壤導熱系數及其理化屬性分別進行單因素方差分析，用LSD 法進行多重比較，處理間差異均達5%顯著水平。

2 結果與分析

2.1 高寒地區生物結皮發育特征

隨著三江源地區禁牧工程實施，生物結皮在黃河源區大面積發育，在黃河源區瑪多縣調查結果表明，該地主要以藻類結皮為主，生物結皮總覆蓋度可達37.3%～51.7%，厚度為6～22 mm，平均厚度為12.6 mm。生物結皮中各組分所在百分比如表1 所示。根據其鮮明的顏色特征，分為淺色藻類結皮和深色藻類結皮，分別如圖1（a）和1（b）所示。生物結皮物種分布與植被密切相關，在未退化的草地斑塊中，植被主要有藏嵩草（Kobresia tibetica）和團墊雪靈芝（Arenaria pulvinata），主要以深色藻結皮為主，其厚度較厚為6～22 mm（平均13.7 mm）；在半退化的草地斑塊中，主要植被為垂頭菊（Cremanthodium reniforme），該區域則生物結皮以淺色藻結皮為主，其厚度為6～19 mm（平均11.5 mm）。

2.2 生物結皮對土壤物理性質的影響

研究區內兩種類型生物結皮與對照組裸地及下層（0～30 cm）土壤粒級分布如圖2所示，按照美國制顆粒分級標準，將整個粒徑分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）和砂粒（0.050～1.000 mm）。由圖2 可見，兩種生物結皮及對照組裸地各層土壤的顆粒組成均以粉粒（0.002～0.050 mm）和砂粒（0.05～1.00 mm）為主，占到所有顆粒組分的70.0%～80.0%左右，而黏粒（＜0.002 mm）僅占25%左右。兩種類型生物結皮結皮層黏粒、粉粒及砂粒均沒有顯著差異。兩種類型結皮層下0～5 cm 土層土壤黏粒、粉粒和砂粒含量與裸地相比也沒有顯著性差異。5～10 cm、10～20 cm 土層中粉粒含量有所不同，表現為深色藻結皮＞淺色藻結皮＞裸地，但差異并不顯著。而深色藻結皮覆蓋下20～30 cm 土層中粉粒含量高于淺色藻結皮，同時均顯著高于裸地。生物結皮對土壤顆粒含量的影響作用顯著表現在20～30 cm 土層，這可能與青藏高原強烈的凍融作用及水熱遷移有關。

圖2 不同類型地表覆蓋下土壤顆粒組成Fig.2 Soil particle composition of two types of cyanobacteria biocrusts and bare soil

土壤容重是反映土壤結構、透水性能以及保水能力的一個指標，其與土壤密度、孔隙以及有機質含量等因素有關。因此生物結皮的形成可能影響了土壤孔隙度以及土壤有機質含量等，從而可能影響土壤容重的大小。不同土層土壤在生物覆蓋和無生物結皮覆蓋情況下各土層土壤容重變化情況如圖3所示。由圖3 可見，研究區域深色藻結皮和淺色藻結皮層容重分別為1.15 g·cm-3、1.08 g·cm-3，均顯著低于下層0～30 cm 土層土壤容重（1.65 g·cm-3）。深色藻結皮覆蓋下0～20 cm 土層土壤容重顯著低于淺色藻結皮和裸地，淺色藻結皮覆蓋下0～20 cm 土層土壤容重與裸地沒有顯著差異。20 cm 土層兩種類型生物結皮和裸地土壤容重均沒有顯著差異。

圖3 不同土層土壤容重隨地表覆蓋變化Fig.3 The soil bulk density of different soil layers with different land cover

土壤田間持水量可反映土壤保水能力。由于生物結皮的發育，其結皮層孔隙度、容重及其他指標較下層土壤有顯著變化。因此生物結皮層的保水能力顯著影響下層土壤水分傳輸。故測量結皮層這一特殊結構與裸地表土（2 cm）土壤田間持水量變化情況見圖4。由圖可知，深色藻結皮結皮層田間持水量為60.3%，顯著高于淺色藻結皮層（45.0%）和裸地表層（41.2%）土壤田間持水量，淺色藻結皮層土壤田間持水量略高于裸地，但兩者之間差異不顯著（P＜0.05）。

圖4 不同藻類生物結皮層及裸地表層土壤田間持水量Fig.4 The field water holding capacity of two kinds of cyanobacteria biocrusts and bare surface soil

2.3 生物結皮對土壤養分含量的影響

土壤有機質、全氮及酸堿度是評價土壤質量的重要化學指標。表2為不同類型生物結皮及裸地各層土壤有機質、全氮含量及pH 值。由表中可見，深色藻結皮結皮層土壤有機質和全氮含量與淺色藻結皮沒有顯著差異。兩種類型生物結皮結皮層土壤有機質和全氮含量均顯著高于0～20 cm 土壤層。0～20 cm 土層土壤有機質和全氮含量為深色藻結皮覆蓋下含量最高，淺色藻結皮次之，裸地最低，且三者之間含量差異顯著。生物結皮的形成顯著影響了土壤pH大小。兩種類型生物結皮結皮層土壤pH值均顯著低于0～20 cm 土層土壤pH 值，而在0～20 cm 土層中，兩種類型生物結皮之間土壤pH 沒有顯著性差異。結皮層pH 略低于裸地，但與裸地之間相比，差異性也不顯著。

表2 不同類型生物結皮各土層土壤養分含量Table 2 Soil total nitrogen content in different soil layers of different types of biocrusts

3 討論

生物結皮可以在各種氣候條件下廣泛發育［1］，國內外關于生物結皮的研究主要集中在荒漠地區及干旱半干旱的黃土高原等地區［4-16］，關于青藏高原高寒凍土區生物結皮的發育特點鮮有報道。本研究結果表明凍土區生物結皮主要是以藻為主的生物結皮，結皮層厚度大約為6～22 mm。其在厚度上大于干旱的荒漠地區藻類結皮厚度（1～5 mm）［16］。這與該地區特殊的生態環境條件密切相關，由于凍土區常年溫度低，生物結皮活性較弱，呼吸等生理活性緩慢［4，21］，其中積累的物質不易分解，因此，生物結皮層厚度較大。同時，生物結皮的厚度與生物結皮的發育年限密切相關［29］。因此，該區域植被退化區域生物結皮（淺色藻結皮）較未退化區生物結皮（深色藻結皮）發育年限短，故其深色藻結皮厚度大于淺色藻結生物結皮小。

生物結皮對土壤理化屬性具有顯著影響［1，3，14-15，28］。關于生物結皮對土壤顆粒組成的影響，在不同的研究區域所得的研究結論存在一定分歧。有些研究結果表明，生物結皮的存在，能夠細化土壤顆粒［28，34-35］。也有研究表明，生物結皮對土壤顆粒組成并沒有顯著影響［36］。本研究結果表明，由于生物結皮的發育可增加土壤中粉粒含量，5～20 cm 土層中粉粒表現為深色藻結皮＞淺色藻結皮＞裸地，但差異并不顯著。來自沙區的研究結果表明，生物結皮能夠黏化土壤，捕捉土壤中細顆粒，使得表層土壤中黏粒和粉粒含量呈顯著增加趨勢。在黃土區的研究結果也表明，隨著生物結皮的發育，結皮層土壤細顆相對增加［28］。這些研究結果均表明生物結皮對土壤顆粒組成的影響集中在結皮層及其下0～5 cm 左右，細顆粒呈現明顯的表聚現象［28］。而本研究結果發現由于結皮層的覆蓋土壤粉粒在20～30 cm 土層顯著增加，這可能與該區域強烈的凍融過程及水熱遷移有關。由于該區域早晚、四季之間溫差較大，呈現明顯的凍融循環作用［24-25］，因此生物結皮層細顆粒可能由于凍融作用及水分遷移隨之向下移動，聚集在其下20～30 cm 土層。這種遷移作用可能隨著水分含量以及發育年限的不同而發生相應的變化。與此同時，本研究結果表明，凍土區生物結皮層土壤容重也顯著低于下層土壤，同時深色藻結皮不僅顯著降低了自身容重，也影響到了其下0～20 cm 土層土壤容重。而淺色藻結皮則對下層土壤容重影響不明顯。本研究區海拔高于4 200 m，海拔高、風力大，與沙漠區域不同，生物結皮在形成過程中，并沒有顯著的捕捉細顆粒的作用，使結皮層土壤細化從而降低結皮層土壤容重。生物結皮在形成過程中，通過菌絲體、藻絲、假根或分泌的多糖來捆綁、黏結土壤顆粒，使得土壤形成許多團聚結構，土壤中孔隙增大，土壤容重降低［34］，而深色藻結皮發育年限較長，厚度較厚，其孔隙度高，因此，容重較淺色藻結皮小，田間持水量顯著高于淺色藻結皮及裸地。

生物結皮的形成，不僅可以改善土壤結構［28，37］，也可顯著影響表層土壤的養分累積［9，11，15，21］。生物結皮中的固氮藍藻的存在，可將大氣中的氮固定從而輸入到表層土壤中［38］。同時生物結皮中的微生物能夠進行固碳作用，可以增加表層土壤有機質含量［1，14，28］，增加土壤肥力。雖然生物結皮對土壤養分積累效應已經形成一致結論，但其作用程度在不同區域還有所不同［14，28，40］。本研究結果表明該區兩種類型生物結皮均顯著增加了結皮層及其下0～20 cm 土層土壤有機質含量。藻類是生物結皮發育初期的先鋒物種，它的形成能夠向體外分泌以多糖為主的物質，從而形成生物結皮［41］。同時，在給予充足的水分和光照條件下，生物結皮能夠進行固碳作用，其固碳潛力主要取決于生物結皮的生物組成，研究已表明蘚結皮的固碳能力高于藻結皮［42］。該區域兩種類型生物結皮，均以藻類結皮為主，因此其固碳能力可能沒有顯著差異。同時死亡的藻體又成為土壤有機物，為其他異氧微生物提供碳源［1］，因此兩種類型生物結皮均依靠顯著增加了結皮層及其下0～20 cm 土層土壤有機質含量。然而，兩種生物結皮對土壤全氮含量的影響則有所不同。深色藻結皮的形成同時也提高了結皮層及其下0～20 cm 土層土壤全氮含量，淺色藻結皮則僅提高了結皮層土層土壤全氮含量，對其下0～20 cm 土層土壤全氮含量沒有顯著影響。生物結皮有機體在濕潤狀態下才能夠進行生理代謝活動，進行相應的固氮作用，并且不同的物種固氮所需最佳水溫條件不同［6］。生物結皮在濕潤后，其固氮活性強烈受制于水分［43］。以上研究也表明，深色藻結皮的結皮層田間持水量顯著高于淺色藻結皮，因此其固氮持續時間可能較長，故其固氮作用較強，向土壤中輸入的氮素較多。氮素在水熱交換作用下，向下層輸入。而淺色藻結皮持水量較低，固氮作用較弱，因此其固定的氮素僅僅存留在結皮層。同時，生物結皮的存在降低了結皮層pH，但其對結皮層及下層土壤pH 并沒有顯著影響。由于生物結皮某些藻類和地衣能夠在濕潤狀態下進行生理活動，釋放有機酸，使土壤pH 降低［43］，青藏高原黃河源區這一高寒地區氣溫常年低下，并且降水多以固態或暴雨的形式［44］，并且在低溫條件下，生物結皮有機體產生的有機酸較少也不易揮發釋放出來，因此對土壤pH影響較小。高寒地區生物結皮對土壤養分影響過程及機理還需進一步研究。

4 結論

本文初步研究了青藏高原黃河源區生物結皮對土壤理化屬性的影響，主要結論如下：

（1）生物結皮是青藏高原黃河源區植被退化的一個關鍵環節，其蓋度在該區可達37.3%～51.7%，該區生物結皮主要以藻結皮為主，且厚度較干旱荒漠地區（1～5 mm）厚，其厚度平均可達12.6 mm。

（2）該區生物結皮的發育對土壤顆粒組成具有一定的影響，可增加其下覆土層土壤粉粒（0.002～0.050 mm）含量，但粉粒增加主要集中在5～20 cm土層；生物結皮的發育顯著降低了結皮層土壤容重，增加了該層土壤田間持水量。

（3）高寒地區藻類型生物結皮均顯著增加了結皮層及其下0～20 cm 土層土壤有機質含量；而深色藻結皮的形成同時也提高了結皮層及其下0～20 cm土層土壤全氮含量，淺色藻結皮則僅提高了結皮層土層土壤全氮含量，其下0～20 cm 土層土壤全氮含量有所增加，但差異不顯著。研究區生物結皮的形成降低了結皮層土壤pH，對其下0～20 cm 土壤pH沒有顯著性影響。