油蒿与沙柳灌木地藓结皮发育差异研究

莫秋霞， 宋 炜， 卜崇峰， 王 春， 王鹤鸣， 李亚红

（1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司景观与工程分院，四川 成都 610041；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；4.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；5.西北农林科技大学水利与建筑学院，陕西 杨凌 712100；6.眉县县委办公室，陕西 宝鸡 722399）

生物结皮是由藻类、地衣、苔藓以及微生物与土壤颗粒胶结形成的复合体，广泛分布于干旱半干旱区［1］，覆盖了地球陆地表面积的12%［2］。由于生物结皮在促进养分循环［3-4］，稳定地表［5］，抵抗风蚀、水蚀［6-7］，调节地表径流和降雨入渗［8-9］等方面发挥着重要作用，其发育状况常被作为生态系统稳定性和退化生态系统恢复状况评价的重要指标之一［10］。近年来，国内外学者针对生物结皮发育及分布影响因素开展了大量研究工作。在全球尺度上，气候是影响生物结皮发育分布的关键因子［11-12］。例如，在以色列内盖夫沙漠，结皮群落沿降雨梯度变化，从干燥(年降雨量＜100 mm)地区的蓝藻结皮为主，到湿润(年降雨量达200 mm)地区的蓝藻、地衣和苔藓混合地［13］。在区域尺度上，则与地形、土壤性质、植被和干扰等因素密切相关［14-16］。目前，有关植被对结皮的影响探讨，主要集中在植被盖度、冠层、凋落物对生物结皮发育影响等方面［14,17-18］。例如，Zhou 等［14］研究发现，相比于冠层间，藓结皮在阴凉潮湿的冠层下发育更好。但生物结皮与植被之间的关系极为复杂，且不同类型植被对生物结皮生长发育的影响研究较少。揭示植被-结皮系统中影响藓结皮发育的因素，对深入理解毛乌素沙地藓结皮层的形成、维持沙漠生态系统功能及荒漠化防治具有重要意义。

毛乌素沙地作为中国四大沙地之一，地处森林-草原-荒漠的“生态应力带”上，是中国北方的重要生态屏障［19］。生物结皮是毛乌素沙地重要的生物组分，与油蒿、沙柳等高等植物共同覆盖于地表，影响着毛乌素沙地的生态过程［20］。笔者调查发现，油蒿灌木地的藓结皮发育好、盖度高，常以油蒿植株为中心呈片状或斑块状分布在其冠层下及冠层间，而与之相邻且生境相似的沙柳灌木地，往往没有或者少有藓结皮。为探寻影响藓结皮发育差异的原因，本研究测定了两类灌木地的土壤性状、藓结皮发育指标，开展了两类灌木不同器官浸提液对藓结皮的化感试验，试图从土壤性状及植物化感作用两个方面阐明不同类型灌木影响下生物结皮的发育机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市横山区(37°21′～38°14′N，108°56′～110°01′E)(图1a)，毛乌素沙地南缘，鄂尔多斯草原向黄土高原过渡地带。属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，春季气温日差较大，寒潮霜冻时有发生，并多有大风，间有沙尘暴；夏季炎热，雨量相对增多，多有暴雨出现；秋季多雨，降温快，早霜冻频繁；冬季严寒而少雪。多年平均气温8.9 ℃，无霜期年平均175 d，年平均降水量352.2 mm，降雨集中在每年6—9 月；研究区植被以油蒿(Artemisia ordosica)、沙柳(Salix psammophila)等为主，藓结皮主要优势种为银叶真藓(Bryum argenteumHedw.)，伴生有橙色真藓(Bryum rutilansBrid.)、净口藓(Gymnostomum calcareumNees&Hornsch.)等。

图1 样地地理位置及实景图Fig.1 Geographical location and real scene map of sample plot

1.2 样地布设与样品采集

选择无放牧干扰、地势起伏较小的油蒿、沙柳灌木地作为试验样地。每类灌木样地随机布设3个大小为5 m×5 m 的调查样方，在每个样方内的灌木冠层下方及冠层间不同角度分别随机布设3个大小为20 cm×20 cm 的藓结皮调查样点。于2020 年6月、8 月、10 月分别测定两类灌木冠层下、冠层间的藓结皮厚度、盖度及藓结皮下伏0～5 cm 土壤养分(全氮、全磷、有机质)、含水率、pH、粒径组成等指标，土壤样品采样时间为9：00—10:00 间，采样保证在采样前至少2 d没有发生降雨事件后进行。样地实景如图1b和图1c所示，样地基本信息状况及土壤性状背景值如表1、表2所示。

表1 样地基本状况Tab.1 Basic conditions of sample plots

表2 样地土壤性状背景值Tab.2 Background values of soil properties in sample plots

1.3 化感作用试验

1.3.1 浸提液的制备 将从试验样地采集的油蒿、沙柳低温避光运回实验室后，用蒸馏水洗净并用滤纸擦干。分别称取油蒿、沙柳的根、茎、叶各200 g，剪碎后放入广口瓶中，加入1000 mL蒸馏水，在室温20～24 ℃条件下浸提48 h(每隔12 h摇动5 min)，2层纱布和2 层滤纸过滤，制得0.20 g·mL-1的母液。将部分母液用蒸馏水稀释到0.02 g·mL-1，与0.20 g·mL-1的浸提母液一同保存于4 ℃低温环境备用。浸提液出现絮状沉淀，则停止使用，并重新配置。

1.3.2 藓结皮化感试验 化感试验在西北农林科技大学水土保持研究所人工气候室(RGL-P1000-C4)恒环境条件下进行(光照：6000 lx，光周期12 h/12 h，温度：15 ℃，空气湿度：75%)。试验所用土壤基质及藓结皮均采自试验样地，土壤基质为藓结皮下伏0～5 cm的沙土土壤，藓结皮选择发育良好、较为完整、盖度在90%以上且长势基本一致的藓结皮采集，藓结皮带回实验室晾干后粉碎备用。按照700 g·m-2的接种量将粉碎的藓结皮撒播到经高温灭菌的土壤基质上（培养盒规格：9 cm×9 cm×4 cm），用平整的小木板轻压使其与基质充分接触［21］。培育期间每隔2 d用移液枪向培育盒中施加20 mL不同器官、不同浓度的水浸提液，以等量蒸馏水为对照，共13 个处理，每个处理设3个重复，具体因素及处理水平如表3所示。自藓结皮变绿后开始测定苔藓植株的株密度、株高度及盖度等指标，指标连续6 d无明显变化时则视为培育结束，不同处理间培育时间相同，培育时长为24 d。

表3 化感试验因素及水平Tab.3 Allelopathic test factors and level

采用化感指数(RI)衡量化感作用类型及强度［22］。公式如下：

式中：CK为对照处理值；T为试验处理值。当RI＞0时表示促进作用，当RI＜0 时表示抑制作用。化感综合效应指数(SE)是指供体对同一种受体植物各项测试指标化感指数(RI)的算数平均数［23］。

1.4 试验指标测定

苔藓指标：采用点样框法测量藓结皮盖度，网格焦点下有苔藓则记为1，无则记为0；游标卡尺测量藓结皮厚度、高度。

土壤指标：土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消解-钼锑抗比色法(UV-2450)测定；土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤含水率用烘干法测定；土壤pH值采用DELTA320 pH 计进行测定；土壤颗粒组成采用Mastersizer 2000 激光粒度仪进行测定［24］，其中颗粒分为黏粒(＜0.002 mm)、粉粒(0.002～0.02 mm)、细砂(0.02～0.2 mm)、粗砂(0.2～2 mm)4种。

1.5 试验数据处理

数据采用R 4.1.2 和IBM SPSS Statistics 23 软件分析。采用独立样本T检验方法分别分析两类灌木地植被盖度、植被株高、土壤性状及藓结皮盖度、厚度的差异，采用Pearson法分析土壤性状与藓结皮厚度、盖度之间的关系。采用单因素方差分析法(oneway ANOVA)和LSD 法对不同器官浸提液的抑制作用进行方差分析和多重比较(α=0.05)。使用ArcGIS 10.8、Origin 2023 和R 4.1.2 软件中的“ggplot2”包进行图形的绘制。所有数据均使用平均值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 两类灌木地藓结皮的发育差异

如表4、表5 所示，研究期内两类灌木地藓结皮盖度存在显著差异(P＜0.05)，藓结皮厚度差异不显著(P＞0.05)。灌木地藓结皮总盖度、冠层下及冠层间藓结皮盖度均表现为：油蒿＞沙柳，且油蒿灌木地藓结皮总盖度、油蒿冠层下及冠层间藓结皮盖度分别为沙柳灌木地相应值的1.6倍、2.9倍和1.1倍。表明两类灌木冠层下的藓结皮盖度差异最大，冠层间差异最小。油蒿灌木地藓结皮总厚度(11.33 mm)、冠层下藓结皮厚度(12.22 mm)均大于沙柳灌木地藓结皮总厚度(10.84 mm)和沙柳冠层下藓结皮厚度(11.11 mm)，油蒿冠层间藓结皮厚度(10.44 mm)则小于沙柳冠层间(10.56 mm)。

表4 两类灌木地藓结皮整体发育状况Tab.4 Overall development of moss crusts of two kinds of shrubs

表5 两类灌木地冠层下、冠层间藓结皮发育状况Tab.5 Development of moss crusts sub-canopy and intercanopy of two kinds of shrubs

2.2 两类灌木地的藓结皮差异的土壤因子分析

2.2.1 两类灌木地的土壤理化性状差异 如表6所示，试验期内沙柳灌木地藓结皮下伏土壤养分全氮、全磷、有机质含量均大于油蒿灌木地，但差异不显著(P＞0.05)。与沙柳相比，油蒿灌木地藓结皮下伏土壤含水率、黏粒、粉粒含量更高。其中，油蒿冠层间藓结皮下伏土壤含水率分别为3.80%和4.70%，显著高于沙柳冠层下的2.70%和冠层间的3.10%(P＜0.05)，油蒿冠层间藓结皮下伏土壤黏粒、粉粒含量约为沙柳冠层间下伏土壤黏粒、粉粒含量的2.1 倍和1.6倍，两类灌木地冠层下、冠层间藓结皮下伏土壤粗砂含量、pH值差异不显著(P＞0.05)。沙柳冠层间藓结皮下伏土壤细砂含量为66.10%，显著高于油蒿冠层间的54.60%(P＜0.05)。

表6 两类灌木地冠层下、冠层间土壤理化性状Tab.6 Physical and chemical properties of soil in the sub-canopy and inter-canopy of two kinds of shrubs

2.2.2 土壤理化因子与藓结皮发育的关系 由Pearson 相关性热图可知，土壤因子与藓结皮盖度、厚度的相关性因所处的位置而异。冠层下藓结皮厚度与土壤粉粒含量显著正相关，盖度与土壤含水率显著正相关(P＜0.05)(图2a)。冠层间藓结皮盖度与土壤含水率、黏粒含量显著正相关(P＜0.05)，厚度与土壤各因子的相关性不显著(P＞0.05)(图2b)。

图2 土壤理化性状与藓结皮发育特征的相关性热图Fig.2 Heat map of correlation between soil physical and chemical properties and developmental characteristics of moss crusts

2.3 两类灌木不同器官浸提液对藓结皮的化感作用

由图3a 可知，当浸提液浓度为0.02 g·mL-1时，油蒿根浸提液对株密度的抑制作用最显著(P＜0.05)，其次为油蒿叶，抑制作用最小的为沙柳叶。随着浸提液浓度(0.20 g·mL-1)的提高，除沙柳根外，其余处理对株密度的抑制作用均增加，其中，沙柳叶抑制作用显著大于其他处理(P＜0.05)。与株高度相似，油蒿、沙柳各器官浸提液对藓结皮的株高度均产生了抑制作用，且化感抑制作用随浸提液浓度的提高而增加，当浸提液浓度为0.2 g·mL-1时，对沙柳叶和株高度产生的化感指数(RI)达到最大值，RI 值为-0.86(图3b)。与株密度、株高度不同，0.02 g·mL-1的油蒿茎对藓结皮盖度有微弱的促进作用，但促进作用随浸提液浓度(0.20 g·mL-1)的提高转变为抑制，即出现低浓度促进高浓度抑制的现象，沙柳根则与之相反(图3c)。

图3 两类灌木不同器官浸提液对藓结皮的化感指数(RI)和化感综合效应(SE)Fig.3 Allelopathic index(RI)and allelopathic comprehensive effect(SE)of extracts from different organs of two kinds of shrubs on moss crusts

从化感综合效应指数(SE)来看(图3d)，油蒿、沙柳不同器官浸提液总体上对藓结皮的发育均起到了抑制作用(SE 均为负值)，抑制效果因灌木及器官种类、浸提液浓度而异。当浸提液浓度为0.02 g·mL-1时，油蒿、沙柳不同器官水浸提液对藓结皮的抑制作用由大到小为：油蒿根＞沙柳叶＞沙柳茎＞油蒿叶＞油蒿茎＞沙柳根。当浸提液浓度为0.2 g·mL-1时，抑制作用由大到小为：沙柳叶＞油蒿叶＞油蒿根＞油蒿茎＞沙柳茎＞沙柳根，其中，0.2 g·mL-1浓度沙柳叶浸提液对藓结皮发育的抑制作用最大，SE 值为-0.95。

3 讨论

3.1 油蒿通过改善土壤水分及粒径组成进而促进藓结皮发育

多项研究表明，土壤含水率、黏粒及粉粒含量较高的土壤更有利于生物结皮的定植与发育［25-26］。本研究中，灌木冠层下、冠层间藓结皮盖度均与土壤含水率显著正相关(P＜0.05)；冠层下藓结皮厚度与粉粒显著正相关，冠层间藓结皮盖度与黏粒显著正相关(图2)(P＜0.05)，这说明藓结皮在土壤含水率、黏粒、粉粒较高的土壤基质中发育较好，这与前人的研究结果一致［25-26］。已有研究表明，不同灌木覆盖下藓结皮下伏土壤含水率存在很大差异［27］。本研究中，油蒿冠层下、冠层间藓结皮下层土壤含水率均高于沙柳(表6)。表明油蒿对藓结皮下伏土壤含水率的提高效果优于沙柳。这是因为相较于植株外形高大的沙柳，油蒿枝叶密集、植株低矮，可减少风对浅层土壤水分的蒸散，从而有利于地表土壤水分的保持［28-29］。因此，在土壤含水率高的油蒿灌木地藓结皮盖度最高。党晓宏等［20］认为，沙柳对藓结皮下方土壤的细化作用优于油蒿。本研究则发现，油蒿灌木冠层下、冠层间藓结皮下伏土壤黏粒与粉粒含量均高于沙柳，这与其结果相悖。这可能是由于本研究中沙柳灌木地凋落物多于油蒿，凋落物的存在将灌木捕获的细小颗粒拦截在凋落物上方，阻碍了黏粒、粉粒向下运动。油蒿灌木地较高的黏粒、粉粒含量有助于提高土壤表面稳定性和持水能力(图2)，促进藓结皮在油蒿地的定植与发育［30］。此外，凋落物在分解的过程中会释放化感物质和养分［31］，造成沙柳冠层下、冠层间藓结皮下伏土壤养分含量均高于油蒿(表6)。以往的研究表明，土壤全氮、全磷、有机质与生物结皮的盖度由显著的正相关关系［32］。但由于本研究中沙柳灌木地土壤含水率较低，干燥的土壤环境并不利于苔藓的定植，缺水产生的消极作用可能完全掩盖了土壤养分对藓结皮发育的积极作用。因此，本研究中藓结皮盖度、厚度与全氮、全磷、有机质含量无显著相关性(P＞0.05)。

3.2 油蒿、沙柳不同器官水浸提液对藓结皮发育的化感抑制作用

植物化感作用又称植物他感作用，是指植物通过释放化学物质到环境中而产生的对其他植物（含微生物）直接或间接的有害作用［33］。研究发现，油蒿、沙柳不同器官浸提液均对藓结皮发育产生了抑制作用（图3），即使浸提液浓度相同时，不同器官之间的化感综合效应指数(SE)仍然存在差异(图3d)，这可能与植物器官中所含化感物质的种类与含量有关［34］。当浸提液浓度为低浓度(0.02 g·mL-1)时，各灌木器官对藓结皮发育的化感抑制作用由大到小为：油蒿根＞沙柳叶＞沙柳茎＞油蒿叶＞油蒿茎＞沙柳根(图3d)，说明低浓度(0.02 g·mL-1)时藓结皮的发育受油蒿根的化感抑制作用最大。但自然条件下，灌木茎、叶的化感物质在雨雾淋溶的作用下直接对周围植物的生长发育产生影响，而根系分泌则通过影响地下种子库以及根系活动来影响植物生长，因此地表藓结皮受灌木根系分泌的化感物质影响较小［35］。随着浸提液浓度(0.2 g·mL-1)的增加，油蒿、沙柳叶对藓结皮的抑制作用显著增强，SE值分别为-0.95和 -0.65(图3d)。由于油蒿灌木地凋落物积累少，化感抑制作用较轻。沙柳枝条细长密集，凋落物产量高［27］，沙柳灌木地藓结皮受到的化感抑制作用强，从而导致沙柳灌木地鲜有藓结皮生长。可见，化感作用也是造成两类灌木地藓结皮发育差异的关键原因。

4 结论

油蒿灌木地的藓结皮总盖度以及冠层下、冠层间的盖度均显著高于沙柳灌木地，前者分别为后者的1.6倍、2.9倍和1.1倍。土壤含水率、黏粒、粉粒含量是造成两类灌木地藓结皮发育差异的关键土壤因子，油蒿通过改善土壤水分及黏粒、粉粒的含量促进了藓结皮的发育。同时，高浓度(0.2 g·mL-1)沙柳叶水浸提液对藓结皮发育的抑制作用最显著。可以推测，油蒿灌木地较高的土壤含水率、黏粒、粉粒含量，以及沙柳叶对沙柳灌木地藓结皮显著的化感抑制作用，共同导致了油蒿灌木地藓结皮发育状况优于沙柳灌木地。可见，开展旱区荒漠的生态建设时，需充分考虑植被类型对生物发育的影响。油蒿-藓结皮立体防护配置模式，在毛乌素工程化防沙固沙荒漠治理方面具有广阔前景，有望受到科学界的更多关注。