藻類與微生物添加對高陡邊坡生物結(jié)皮人工恢復(fù)的影響

鞠孟辰, 卜崇峰,, 王清玄, 白雪強, 李亞紅, 郭 琦, 韋應(yīng)欣

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

作為旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中重要的活性地被物，生物結(jié)皮(biocrusts， BSCs)能夠顯著提高土壤中碳、氮積累，提高地表的粘結(jié)力，調(diào)節(jié)土壤水文過程，提高啟動風(fēng)速，減輕風(fēng)蝕，發(fā)揮著重要的水土保持作用[1-4]。另外，苔蘚結(jié)皮作為生物結(jié)皮的高級演替階段，具有極強的抗逆性[5-7]，且能夠生長在陡峭的土質(zhì)坡面上，并可通過撒播莖葉碎片實現(xiàn)人工培育，作為一種生物防護(hù)新手段，近年來受到越來越多的關(guān)注[8-11]。陸生藻類是生物結(jié)皮的重要組成部分，其分泌的胞外聚合物與絲狀結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定地表，促進(jìn)生物結(jié)皮形成[12-13]，陸生藻類對于干旱等極端條件有較強適應(yīng)性，其能夠忍受較大溫度變化范圍及強光環(huán)境[14-15]。土壤中的微生物群落同樣是生物結(jié)皮的重要組分，調(diào)節(jié)著旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)與能量流動[16-17]。自然環(huán)境中生物結(jié)皮的發(fā)育改善了土壤顆粒組成與水分再分配過程，影響土壤養(yǎng)分含量及土壤pH值[18]，生物結(jié)皮的發(fā)育往往伴隨著微生物群落的發(fā)展，二者相互作用，共同發(fā)揮生態(tài)效益[19-21]?，F(xiàn)有野外培育研究多以苔蘚或藻類為培育對象，在平緩?fù)临|(zhì)或砂質(zhì)坡面，直接撒播苔蘚碎片或藻液，控制光照、溫度、水分等環(huán)境條件，或施用營養(yǎng)液、生長調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)，促進(jìn)生物結(jié)皮恢復(fù)[22-25]。如何在廣泛存在的、工程開挖形成的高陡邊坡上接種恢復(fù)生物結(jié)皮，目前關(guān)注有限。本研究將苔蘚莖葉碎片與藻液及功能性微生物接種在布設(shè)于45°黃土坡面的自制培育基質(zhì)上，了解藻類與微生物對生物結(jié)皮恢復(fù)效果的影響，以期更為有效的在高陡邊坡上開展生物結(jié)皮接種恢復(fù)，為生態(tài)修復(fù)提供新思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

培育試驗在位于陜西省楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)嶺后水土保持試驗站(34°—34°20′N，108°—108°07′E)的45°黃土坡面(方位角224°)進(jìn)行。區(qū)內(nèi)北高南低，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型半濕潤氣候，四季分明。年日照時數(shù)2 163.8 h；主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)和西風(fēng)，最大風(fēng)速21.7 m/s；年平均氣溫12.9 ℃，最熱月在7月，平均26.1 ℃，最冷月在1月，平均-1.2 ℃，極端最高氣溫42 ℃，極端最低氣溫-19.4 ℃；年平均降水量635.1 mm，為全年農(nóng)作物需水量的63.9%，降水量年際變化較大；潛在蒸發(fā)量1 505.3 mm，濕潤指數(shù)0.64，無霜期211 d。區(qū)內(nèi)主要植被為國槐(Sophorajaponica)、柏樹(Cupressusfunebris)、榆樹(UlmuspumilaL.)、鬼針草(Bidenspilosa)、蒺藜(Tribulusterrestris)、阿爾泰紫菀(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 苔蘚種源采集與預(yù)處理 苔蘚結(jié)皮采自陜西省延安市磚窯灣鎮(zhèn)賈居溝(東經(jīng)109°08′46″—109°14′30″，北緯36°42′21″—36°48′44″)，海拔1 003.1～1 203.4 m，主要植被包括：小葉楊(Populussimonii)、檸條(Caraganakorshinskii)和長芒草(Stipabungeana)等，采樣時選擇發(fā)育良好，株高度大于5 mm，較為完整的苔蘚結(jié)皮，利用小鏟鏟取苔蘚結(jié)皮層(1 cm)。將采集好的結(jié)皮層，放在溫度小于30 ℃，相對濕度不大于60%背陰處晾干備用。經(jīng)鑒定，優(yōu)勢種為土生對齒蘚(Didymodonvinealis)，伴生有長尖對齒蘚(Didymodonditrichoides)及叢生真蘚(Bryumcaespitium)等。待晾曬干燥后，人工挑出結(jié)皮樣品中雜質(zhì)，使用高速植物粉碎機(艾澤拉-2 500 C)將結(jié)皮層粉碎為長度均勻分布在0.01～2 mm間的莖葉碎片，混勻后獲得苔蘚結(jié)皮種源。

1.2.2 坡面整備與接種 經(jīng)預(yù)試驗測試不同坡面承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，基質(zhì)對于苔蘚莖葉碎片的接種適宜性，選擇在45°黃土坡面布設(shè)三維土工網(wǎng)(國標(biāo)EM3)并上覆10～20 mm厚，按照不同處理混合了功能性微生物(巨大芽孢桿菌、膠質(zhì)芽孢桿菌)的基質(zhì)(過4 mm孔徑篩黃土、育苗基質(zhì)、水、有機肥，它們的體積比為1∶1∶1∶0.2)后，立即于坡面上手工撒播苔蘚莖葉碎片(500 g/m2)，并適量灑水促進(jìn)附著。

1.2.3 培育養(yǎng)護(hù) 試驗于2018年7月至10月進(jìn)行，考慮小球藻+硅藻復(fù)合藻液與功能性微生物兩個因素，每因素各3個水平，采用完全試驗設(shè)計，共9個處理(表1)，每個處理3個重復(fù)，于坡面27個2 m×1 m小區(qū)中隨機排布各處理。微生物按照重量比(10 g/kg)直接拌和于基質(zhì)中，藻液于接種苔蘚莖葉碎片后15 d根據(jù)處理要求均勻撒于坡面上。培育初期(0～30 d)使用遮陽網(wǎng)控制光強<20 000 lux，土壤水分>10%，并每隔5 d按照2.1 L/m2施用Hoagland營養(yǎng)液，培育中期(31～60 d)僅控制土壤水分與光照，培育末期(61～90 d)撤下遮陽網(wǎng)，不再人為補充水分。

表1 試驗因子及其水平

1.3 觀測指標(biāo)與方法

1.3.1 生物結(jié)皮覆蓋度 在處理小區(qū)兩對角線上均勻選取5個點，放置由4線交叉等分為9個方格的10 cm×10 cm塑料樣框，從中隨機選取三個方格測量其中生物結(jié)皮覆蓋度。

1.3.2 生物結(jié)皮厚度 在處理小區(qū)的兩條對角線上均勻選取5個點，使用直徑1.43 cm環(huán)形取樣器取>10 mm厚度樣品，使用電子游標(biāo)卡尺隨機選點測量生物結(jié)皮厚度3次。

1.3.3 苔蘚株高度 在處理小區(qū)的兩條對角線上均勻選取5個點，每個點使用電子游標(biāo)卡尺隨機選點測量苔蘚植株體高度3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用R語言首先進(jìn)行巴特利特方差齊性檢驗(Bartlett’s test)，隨后進(jìn)行方差分析，并檢查雙因素間交互作用，分析不同因素對處理間差異的貢獻(xiàn)程度與顯著性(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物結(jié)皮生長狀況

生物結(jié)皮在小區(qū)內(nèi)呈斑塊狀分布(圖1)，在小區(qū)間格擋處往往蓋度較高，而在各小區(qū)上部蓋度明顯較小。添加1 g藻類并施用巨大芽孢桿菌處理下，生物結(jié)皮蓋度有最大中位數(shù),各處理中蓋度均值為61.41%,最小值為32.72%,變異系數(shù)Cv=24.48,各處理間存在一定差異。添加3 g藻，不施用功能性微生物處理下，苔蘚株高度有最大中位數(shù)，各處理株高度均值為2.67 mm，最小值為1.31 mm，變異系數(shù)Cv=33.34。不添加藻，施用膠質(zhì)芽孢桿菌處理下，生物結(jié)皮厚度有最大中位數(shù)，各處理生物結(jié)皮厚度均值為2.58 mm，最小值為1.25 mm，變異系數(shù)Cv=32.63。

圖1 培育90 d后生物結(jié)皮發(fā)育情況

2.2 藻類的影響

為了有效分析處理對生物結(jié)皮各指標(biāo)的影響，首先使用巴特萊特方差齊性檢驗檢查處理方差齊性(表2)，結(jié)果顯示在藻類與功能性微生物兩因子作用下的生物結(jié)皮3個指標(biāo)的方差齊性表現(xiàn)良好(average-p=0.45/0.88/0.45)，可以進(jìn)一步進(jìn)行方差分析。

在生物結(jié)皮蓋度方面，藻類添加物解釋了95.81%的處理間方差,影響顯著(p=8.01×10-12)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.000 83/0.008 00/0.001 20)。在不施用藻類時，生物結(jié)皮蓋度預(yù)測均值為59.32%，施用量為1 g/m2時,預(yù)測均值為66.8%，施用量增加至2 g/m2時,預(yù)測均值下降至62.2%。

在生物結(jié)皮厚度方面，藻類添加物解釋了92.44%的處理間方差，影響顯著(p=4.33×10-9)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.005 6/0.003 0/0.001 6)，當(dāng)不施用藻類時，生物結(jié)皮厚度預(yù)測均值為2.54 mm，當(dāng)施用量為1 g/m2時,預(yù)測均值下降為2.26 mm，當(dāng)施用量提升至2 g/m2時,預(yù)測均值上升為3.10 mm，說明在添加劑量為2 g時,藻類能夠最大限度的提高生物結(jié)皮厚度。

表2 不同梯度藻添加對各生長指標(biāo)影響顯著性

在苔蘚株高度方面，藻類添加物解釋了90.53%的處理間方差，影響顯著(p=1.40×10-8)，而3種不同施用劑量的影響同樣具有顯著性(p=0.002 00/0.007 00/0.000 76).，當(dāng)不施用藻類時，苔蘚株高度預(yù)測均值為2.81 mm，當(dāng)施用量為1 g/m2時,預(yù)測均值開始下降,為2.61 mm，當(dāng)施用量提升至2 g/m2時,預(yù)測均值下降為2.52 mm，說明隨添加劑量的上升,藻類對苔蘚株高度有明顯負(fù)作用，當(dāng)施用量為1 g/m2時,促進(jìn)作用達(dá)到最大(coe-f=66.82)。

2.3 功能性微生物的影響

功能性微生物對表征試驗樣地生物結(jié)皮生長狀況的3個指標(biāo)影響微弱,分別解釋了生物結(jié)皮蓋度與厚度、苔蘚株高度樣地間方差的0.036%，0.66%和0.071%，p值分別為0.91，0.93和0.49，均不具有顯著性(表3)。

表3 雙因素方差分析結(jié)果

2.4 藻類與微生物的交互作用

交互作用對表征試驗樣地生物結(jié)皮生長狀況的3個指標(biāo)影響微弱,分別解釋了生物結(jié)皮蓋度與厚度、苔蘚株高度樣地間方差的0.011%，0.005 0%和0.009 7%，p值分別為0.43，0.89和0.78，均不具有顯著性(表4)。

表4 交互作用方差分析結(jié)果

3 討 論

以往利用藻類進(jìn)行生物結(jié)皮人工恢復(fù)的研究多開展于干旱或半干旱荒漠的，流動或半流動沙丘表面。通過接種具鞘微鞘藻等陸生藻類，構(gòu)建具有一定厚度的藻結(jié)皮[26-28]，將水生藻類應(yīng)用于人工生物結(jié)皮構(gòu)建尚未見相關(guān)報道。水生藻類與陸生藻類在形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面具有相似性，其藻絲能夠纏繞土粒，并通過分泌胞外聚合物增強土表穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤團聚體形成，增加土壤水穩(wěn)性，提高土壤肥力[13,29-30]。另外，藻類還能夠通過提高土壤表層孔隙度，增加土表持水量，降低擊濺侵蝕的同時，降低土表蒸發(fā)作用，提高水分在土壤中的留存時間，改善近地表水分條件[31-32]，為生物結(jié)皮中其他組分的發(fā)育營造了適宜的土壤與水分條件。在生理活性方面，藻類能夠與苔蘚植株的葉片和假根緊密纏繞在一起,以低濃度胞外多糖促進(jìn)蘚類原絲體與配子體產(chǎn)生新的莖葉體,而苔蘚植物提取液對藻類生長同樣具有促進(jìn)作用[33]。藻類與苔蘚結(jié)皮的混生同樣有利于細(xì)菌與真菌等微生物組份多樣性的上升，從總體上提高群落多樣性[34]，從而促進(jìn)了本試驗中生物結(jié)皮的發(fā)育。

雖然本次使用的兩種芽孢桿菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用[35]，但未見將之應(yīng)用于生物結(jié)皮人工培育恢復(fù)的研究報道。通過改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)與能量流動，芽孢桿菌能夠提高作物抗病能力，提升果蔬含糖量，改善口感、提高產(chǎn)量的同時降低化肥與農(nóng)藥的使用[17,35-36]。就試驗結(jié)果的分析來看，兩種芽孢桿菌的作用并不顯著，這可能是由于而培養(yǎng)初期環(huán)境溫度較高(地表溫度錄得47 ℃)[37]，且菌種拌合于混合基質(zhì)中，隨水分散失基質(zhì)內(nèi)部有硬化現(xiàn)象，礦化作用弱，速效氮不足，不適宜功能性微生物的增殖并發(fā)揮作用[38]。

于培育結(jié)束時(90 d)觀察坡面生物結(jié)皮，相較于緩坡(坡度<10°)，多為斑塊離散分布，藻結(jié)皮為主要覆蓋，而苔蘚組分較少且株高度較低。雖然在苔蘚種源處理、接種方式、養(yǎng)護(hù)措施等方面，與李茹雪于2016年9月在同一地區(qū)5°黃土緩坡上開展的生物結(jié)皮人工培育恢復(fù)研究基本相同，但培育期末，苔蘚株密度、蓋度明顯偏低[39]。這可能是坡度與坡向以及季節(jié)導(dǎo)致的立地條件差異造成的。方位角為224°的45°西南坡在7月時，使用90%遮光率遮陽網(wǎng)遮陰，坡面溫度依然可達(dá)50 ℃，且坡面陡峭，即使配方基質(zhì)也難以有效的蓄存水分，雖然接種于晚間進(jìn)行，但因次日白天溫度較高，導(dǎo)致種源著生前失水并最終失活。同時，7—8月主導(dǎo)風(fēng)向為東、東南，與坡面水平走向重合，可能將莖段碎片吹起，使種源附著失敗，降低接種成功率。

4 結(jié) 論

通過完全試驗設(shè)計和系統(tǒng)觀測分析，本研究表明水生藻類能夠顯著提高野外坡面人工恢復(fù)生物結(jié)皮的蓋度與厚度及苔蘚株高度，而功能性微生物的作用則并不明顯。同時發(fā)現(xiàn)，復(fù)合藻種的最適施用量應(yīng)該在2～3 g/m2，而環(huán)境條件的坡面分布差異可能影響生物結(jié)皮的人工恢復(fù)狀況。綜合認(rèn)為，生物結(jié)皮坡面人工接種恢復(fù)具有可行性，添加藻類能夠促進(jìn)生物結(jié)皮形成覆蓋，提升恢復(fù)效率，但需要充分考慮坡面立地條件及季節(jié)的適宜性。