王鶴松，吳慧光，徐 蕓，羅亞勇，周立業(yè)

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)草業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.國能寶日希勒能源有限公司水電中心，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站，甘肅 蘭州 730000）

生物土壤結(jié)皮（Biological soil crust，簡稱“BSC”）是干旱區(qū)普遍存在的地被物，它是土壤表面微生物和土壤顆粒相互膠結(jié)而形成的致密土層，因其獨特生態(tài)功能被喻為全球旱地“活皮膚”［1］。蘚類結(jié)皮是生物結(jié)皮最高級演替階段［2］，相較于藻類、地衣結(jié)皮，光合作用與無性繁殖能力更強［3］，所以蘚類結(jié)皮是生物結(jié)皮的重點研究對象。已有研究表明［4］，蘚類結(jié)皮通過增強土壤顆粒間團聚力作用，不僅能強化沙面固定、改善土壤理化性質(zhì)，還會增加土壤有機質(zhì)含量和土壤中微生物活性。玉米秸稈被喻為“土壤工程師”，大量研究發(fā)現(xiàn)［5］，秸稈還田會優(yōu)化土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和改善土壤團粒結(jié)構(gòu)。粉碎秸稈是直接利用機械將秸稈破碎成屑狀（直徑6 mm左右），炭化秸稈是利用高溫缺氧分解法將秸稈熱裂解成黏粒狀［6］。目前，玉米作為我國主要經(jīng)濟作物，產(chǎn)量逐年上升，由此產(chǎn)生了大量廢棄玉米秸稈，不科學(xué)的處理方式造成玉米秸稈浪費嚴重［7］。蘚類結(jié)皮以其獨特抗逆性已成為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但我國干旱區(qū)土壤地力不足導(dǎo)致結(jié)皮生長緩慢［8］。探究玉米秸稈施用模式以促進蘚類結(jié)皮培育，為快速繁育蘚類結(jié)皮提供一定技術(shù)規(guī)范和理論支持，是干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。

目前，我國玉米秸稈主要施用形式是粉碎和炭化。關(guān)于施用秸稈對植物生長的影響，不同領(lǐng)域?qū)W者已進行多方面的研究。李金等［9］研究不同秸稈還田方式對玉米農(nóng)田土壤CO2排放量和碳平衡的影響結(jié)果表明，采用科學(xué)秸稈施用模式可以有效改良土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)；李世忠等［10］通過研究玉米秸稈還田對寧夏引黃灌區(qū)土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的影響發(fā)現(xiàn)，施用秸稈會有效提高土壤有機質(zhì)、全氮、有效氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量比；張慧琦等［11］為了解炭化秸稈用量對砂質(zhì)土孔隙度和持水性的影響，通過調(diào)查分析不同炭化秸稈和供試土壤質(zhì)量比組合發(fā)現(xiàn)，施用炭化秸稈能有效增強砂質(zhì)土含水量，提高砂質(zhì)土孔隙度。多年來，不同領(lǐng)域?qū)W者大多集中于施用秸稈對高等植物生長特性、土壤理化性質(zhì)等方面的研究，而對蘚類生長特性影響的相關(guān)研究相對較少。因此，秸稈施用模式對結(jié)皮生長特性影響機制有待進一步探究。

本試驗利用智能溫室大棚進行室內(nèi)盆栽培育，綜合分析施用秸稈形式及水平對蘚類結(jié)皮生長特性的影響，探索最佳玉米秸稈施用模式，為科爾沁沙地土壤生態(tài)恢復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗境內(nèi)的中國科學(xué)院奈曼沙漠化研究站智能溫室大棚（120°41′E，42°55′N；海拔358 m），智能溫室大棚室內(nèi)空氣溫度為23～36 ℃，空氣濕度為27～83 RH，土壤溫度為10～32 ℃，土壤濕度為7.5～11.0 RH，光照強度為0～28 532 Lx，CO2濃度為390～563 PPM，平均風(fēng)速為0.7 m/s 左右。結(jié)皮種子土在中科院奈曼沙漠化研究站附近封育區(qū)采集，封育區(qū)位于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫3～7 ℃；多年平均降雨量349～501 mm，其中，80%降水集中于夏季；年蒸發(fā)量1 540.6～2 540.4 mm；年日照時間為2 830～3 121 h，大風(fēng)日數(shù)20～60 d。封育區(qū)地貌特征以參差不平沙丘地和較平緩草甸交錯分布為主［11］，土壤養(yǎng)分含量低，土壤類型多為砂質(zhì)土、草甸土、栗鈣土等；天然植物群落以中旱生植物為主要植物，主要分布種類有白草（Pennisetum centrasiaticum）、狗尾草（Setaria viridis）、三芒草（Aristida adscensionis）等。人工植被多為小葉錦雞兒（Caraganam icrophylla）、小葉楊（Populus simonii carr）、樟子松（Pinus sylvestris）等［12］。

1.2 試驗材料

2022年5 月上旬，從封育區(qū)附近采集發(fā)育良好的蘚類結(jié)皮樣品（以蘚類結(jié)皮蓋度大于78%為目標采集區(qū)），平均厚度為（8.2±0.48）mm（n=9），蘚類型主要有叢蘚科和真蘚科，優(yōu)勢物種為土生對齒蘚（Didymodonvinealis（Brid.）Zand.）。采集結(jié)皮前用軟細毛刷輕掃附于結(jié)皮表面肉眼可見的浮沙及其他雜質(zhì)，將采集的結(jié)皮土遮陰自然風(fēng)干后粉碎成細土狀，經(jīng)充分攪拌均勻制成結(jié)皮種子土。砂質(zhì)土在奈曼旗青龍山鎮(zhèn)附近松樹林收集，經(jīng)80目孔徑土壤篩過濾后添加使用；粉碎秸稈取于奈曼旗大沁他拉鎮(zhèn)林場附近農(nóng)田玉米秸稈；炭化秸稈購于河南星諾環(huán)保材料有限公司（450 ℃厭氧熱解玉米秸稈制備）。

1.3 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)盆栽法，考慮粉碎秸稈和炭化秸稈2種材料養(yǎng)分含量不同，設(shè)置不同增量梯度。試驗設(shè)計為：施用粉碎秸稈量設(shè)置5個水平（5、10、15、20、30 g），施用炭化秸稈量設(shè)置5個水平（1、3、5、7、10 g），分為10組不同處理，每個處理10次重復(fù)，共計100個育苗盆，隨機區(qū)組放置。培育采用可分離式育苗盤，育苗盤由上層培育密盤和下層儲水托盤組成（長32.5 cm，寬24.5 cm，托盤高4.5 cm，密盤高2 cm）。試驗自2022年6月1日持續(xù)115 d，以15 d為間隔定期測定蘚類結(jié)皮蓋度變化，其他生長特性在試驗?zāi)┢跍y定，以裸沙和原狀結(jié)皮作為對照。

1.4 數(shù)據(jù)測定

蘚類結(jié)皮蓋度：蘚類結(jié)皮蓋度采用像素占比法測量（植物體像素數(shù)占全部像素數(shù)的百分比代表結(jié)皮蓋度），拍攝31.5 cm×23.5 cm樣方面積里的蘚類結(jié)皮（為減少邊緣效應(yīng)的影響，樣方長和寬均小于育苗盆1 cm），每張照片分辨率為2 048×1 536像素。拍照前用水霧潤濕結(jié)皮表面（增加蘚類綠色深度），剪除蘚類結(jié)皮表面其他微量綠色植物，同時用傘阻擋相機周圍，防止因太陽光而產(chǎn)生的局部陰影［13］，將所得圖片用Adobe Photoshop 7.0分析。

試驗?zāi)┢?，使用環(huán)刀（內(nèi)徑5 cm）以五點取樣法，在育苗盤中分別取5塊新鮮結(jié)皮層切塊，每次取樣前用水霧輕微潤濕環(huán)刀內(nèi)壁，以便取出完整切塊。使用電子游標卡尺測量各切塊厚度；分別在切塊邊緣均勻選取5 點，使用電子游標卡尺測量蘚類植株株高（分辨率0.1 mm）；選切塊中心位置使用小樣方框（2 cm×2 cm），數(shù)出框內(nèi)的蘚類植株數(shù)，換算蘚類密度；將切塊充分烘干后，使用電子天平稱稱切塊干質(zhì)量（精度0.01 g）。求平均值代表每盆指標大小，每組重復(fù)5次。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

使用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理，使用Origin 2018進行作圖，顯著性差異采用LSD法（α＝0.05），通過直觀分析方法比較施用玉米秸稈形式及水平對蘚類結(jié)皮生長特性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用粉碎秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性的作用

試驗期內(nèi)，施用粉碎秸稈5組處理下的蘚類結(jié)皮蓋度呈“低-高-低”變化趨勢，但處理1和處理3間無顯著差異。試驗?zāi)┢谔\類結(jié)皮蓋度比較結(jié)果顯示，水平2＞水平1＞水平3＞水平4＞水平5。施用粉碎秸稈5組處理下蘚類結(jié)皮層厚度、株高、密度、結(jié)皮層干重大小隨施用水平增加，均呈“低-高-低”的變化趨勢。各蘚類結(jié)皮生長特性最高值均為施用水平2（結(jié)皮層厚度5.54 mm，蘚類株高2.36 mm，蘚類密度78 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.25 g/cm2）；施用水平3次之（結(jié)皮層厚度5.02 mm，蘚類株高1.95 mm，蘚類密度54 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.21 g/cm2）；施用水平5最低（結(jié)皮層厚度3.53 mm，蘚類株高1.89 mm，蘚類密度42 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.15 g/cm2）。見圖1、圖2。

圖1 粉碎秸稈、炭化秸稈對結(jié)皮蓋度的影響Fig.1 Influence of pulverized straw and carbonized straw on crust coverage

圖2 不同處理對蘚類結(jié)皮生長特性的影響Fig.2 Effect of different treatments on growth characteristics of moss crust

2.2 施用炭化秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性的作用

由圖1可知，試驗期內(nèi)，施用炭化秸稈5組處理下的蘚類結(jié)皮蓋度呈上升趨勢。試驗?zāi)┢谔\類結(jié)皮蓋度比較結(jié)果顯示，水平5＞水平4＞水平3＞水平2＞水平1。由圖2可知，炭化秸稈施用5組處理下蘚類結(jié)皮層厚度、株高、密度、結(jié)皮層干質(zhì)量大小隨施用水平增加，均呈增長趨勢。對應(yīng)的蘚類結(jié)皮生長特性最大值均為施用水平5（結(jié)皮層厚度4.51 mm，蘚類株高2.13 mm，蘚類密度74 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.24 g/cm2）；施用水平4次之（結(jié)皮層厚度3.74 mm，蘚類株高1.90 mm，蘚類密度65 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.21 g/cm2）；施用水平1最低（結(jié)皮層厚度3.32 mm，蘚類株高1.59 mm，蘚類密度41 株/cm2，結(jié)皮層干質(zhì)量0.14 g/cm2）。

3 討論

3.1 施用粉碎秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性的影響

施用粉碎秸稈能夠顯著改善土壤理化性能［13］。本研究結(jié)果表明，施用水平2下的蘚類結(jié)皮生長特性好于其他4個水平?？赡苁翘\類結(jié)皮缺乏維管組織、沒有真正根系統(tǒng)等形態(tài)學(xué)特征，造成結(jié)皮氣體調(diào)節(jié)能力差；并且育苗盤下層儲水盤中，因水體上表面長期貼合密盤底部降低基質(zhì)透氣性，影響結(jié)皮有氧呼吸對物質(zhì)轉(zhuǎn)化與利用。施用粉碎秸稈會增大土壤孔隙度，增強結(jié)皮與外界氣體交換能力，進而為結(jié)皮提供更充足氧氣，促進結(jié)皮有氧呼吸。另外，粉碎秸稈因持水能力強會提高結(jié)皮層含水量，而水分是改善旱區(qū)結(jié)皮生長發(fā)育的重要環(huán)境因素［14］。由于蘚類植株擴繁主要依靠植物體碎片產(chǎn)生原絲體，原絲體分枝進而發(fā)育成植物體，處于發(fā)育階段的原絲體抗旱性極差，所以結(jié)皮對環(huán)境水分變化非常敏感。當基質(zhì)短期缺水時，蘚類結(jié)皮會因自我保護機制作用轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)。楊延哲等［15］也報道了類似的結(jié)果，較好水分條件下有利于增強土壤中養(yǎng)分含量，從而一定程度上有利于蘚類結(jié)皮繁育。此外，施用粉碎秸稈能顯著提高結(jié)皮層中的微生物含量和酶的活性［16］，進而促進其快速生長發(fā)育。

當粉碎秸稈施用量大于水平2（10 g/盆，126 g/m2）時，蘚類結(jié)皮蓋度、結(jié)皮層厚度、株高、密度、結(jié)皮層干重均出現(xiàn)下降趨勢。其原因可能是，隨著粉碎秸稈施用量大于水平2，基質(zhì)孔隙度增大的同時也會顯著降低單位體積中土壤粉粒質(zhì)量，進而影響蘚類結(jié)皮正常繁育。李金峰等［17］研究表明，生物結(jié)皮生長發(fā)育需要4%～5%的粉粒物質(zhì)。前人研究結(jié)果已經(jīng)證實，保持基質(zhì)表面適宜的土壤粉粒含量，會促進蘚類結(jié)皮形成，這也間接支持了本研究的結(jié)果。

3.2 施用炭化秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性的影響

結(jié)皮發(fā)育狀況與基質(zhì)中微量礦物質(zhì)元素含量有關(guān)。本研究結(jié)果表明，蘚類結(jié)皮生長發(fā)育情況與施用炭化秸稈水平呈正相關(guān)，這與前人研究結(jié)果基本相似。劉歡等［18］研究表明，炭化秸稈富含植物生長所需營養(yǎng)元素，施用炭化秸稈可顯著提高土壤有機質(zhì)含量（炭化秸稈有機碳含量為62.5%），提高土壤中氮元素礦化速率；瑪麗婭·奴爾蘭等［19］認為，生物炭作為砂質(zhì)土改良劑可顯著提高土壤養(yǎng)分有效利用率，結(jié)皮長勢隨施加量增加而增加；高德才等［20］也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，施加炭化秸稈會提高土壤電導(dǎo)率，這不僅會提高結(jié)皮對養(yǎng)分的吸收能力，還能促進結(jié)皮對于碳、氮的固定能力，促進結(jié)皮與土壤中營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化，進而增強結(jié)皮對土壤養(yǎng)分的利用。另外，本試驗中添加的土壤類型是養(yǎng)分含量較低的砂質(zhì)土。李昌見等［21］研究表明，在砂質(zhì)土中施用炭化秸稈，會顯著提高砂質(zhì)土中有效磷和有效鉀含量，使砂質(zhì)土具有更高的肥料利用率。此外，水分是旱區(qū)結(jié)皮生長發(fā)育的必要條件。在試驗期測定土壤含水量發(fā)現(xiàn)，隨著施用炭化秸稈水平提高，土壤含水量呈增長趨勢。武玉等［22］研究表明，施用炭化秸稈能降低土壤容重，有效提高土壤含水量；卜曉莉等［23］在試驗中發(fā)現(xiàn)，炭化秸稈具有多孔、比表面積大的特點，施用炭化秸稈能改良砂質(zhì)土壤環(huán)境及結(jié)構(gòu)，提高土壤的持水能力；王萌萌等［24］也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，旱區(qū)土壤中添加生物炭會增大土壤孔隙度和通透性，增強結(jié)皮對水分的利用率。此外，結(jié)皮在水分充足的環(huán)境下會在其表面形成一層水膜，在試驗區(qū)7、8月份氣候條件下，水膜對結(jié)皮起到一定保護作用，可減輕大棚內(nèi)因環(huán)境積溫帶來的熱損傷。

3.3 粉碎、炭化秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性的不同影響

本研究結(jié)果表明，隨施用粉碎秸稈水平增加，結(jié)皮生長各項指標均呈“低-高-低”的變化趨勢；隨施用炭化秸稈水平增加，結(jié)皮生長各項指標均呈增長趨勢。比較粉碎、炭化秸稈最優(yōu)水平下結(jié)皮生長各項指標發(fā)現(xiàn)，粉碎秸稈施用水平2優(yōu)于炭化秸稈施用水平5。產(chǎn)生這種結(jié)果原因可能有3種：（1）由于粉碎秸稈屑體積遠大于炭化秸稈顆粒，對沒有維管組織等形態(tài)學(xué)特征的蘚類結(jié)皮而言，施用粉碎秸稈更有利于提高基質(zhì)透氣性，增強結(jié)皮有氧呼吸能力；（2）測定結(jié)果表明，炭化秸稈中有機質(zhì)含量大于粉碎秸稈，但結(jié)皮種子土中附帶著一部分富含養(yǎng)分的土壤和蘚類等植物體碎片，恰能滿足結(jié)皮生長發(fā)育最低養(yǎng)分需要，因此，炭化秸稈在提高土壤養(yǎng)分水平方面對結(jié)皮生長的促進作用并不顯著；（3）試驗?zāi)┢冢瑢Σ煌幚硐碌慕Y(jié)皮抗壓強度情況進行比較發(fā)現(xiàn)，施用粉碎秸稈處理要顯著大于施用炭化秸稈；對不同處理下的結(jié)皮進行抗水蝕能力比較發(fā)現(xiàn)，施用粉碎秸稈較炭化秸稈的結(jié)皮表面徑流更少。這些都說明施用粉碎秸稈更能提高結(jié)皮層抗逆性，同時穩(wěn)定結(jié)皮層結(jié)構(gòu)，也會降低因經(jīng)常加水而對結(jié)皮的機械損傷。因此，在其他環(huán)境條件適宜情況下，在干旱區(qū)土壤施用粉碎秸稈來促進蘚類結(jié)皮生長發(fā)育是可行的，施用粉碎秸稈工藝較炭化秸稈簡單易生產(chǎn)，符合我國干旱區(qū)大范圍生態(tài)修復(fù)的需求，建議干旱區(qū)廣泛施用。

4 結(jié)論

本研究條件下，施用玉米秸稈對蘚類結(jié)皮生長特性有顯著促進作用，且施用粉碎秸稈效果優(yōu)于炭化秸稈，126 g/m2的施用量效果最佳。