苔藓结皮层土壤矿质元素含量变化特征

　　提要:土壤中全量化学元素既是植物矿质营养的源泉，又是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素，其含量多少对分析土壤形成演化过程具有指导意义。文中采用电感耦合等离子体发射光谱仪(PEICP-OES)分析测定了沙地沙漠固沙林植被下苔藓结皮层全量化学元素含量变化。

　　结果表明，苔藓结皮层SiO2平均含量为60.77%，其它全量化学元素组成(SiO2除外)含量均高于流动沙土;随着固沙林时间的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质，苔藓结皮层SiO2含量呈现出明显降低的趋势，而其它全量化学元素含量均呈现增加趋势。

　　苔藓结皮层硅铁铝率低于对照流动沙土，且随着固沙林时间的增加，硅铁铝率均呈现降低趋势，同时大气降尘中的全量化学元素组成含量以及硅铁铝率均高于苔藓结皮层和流动沙土。风沙环境下苔藓结皮层的形成和长期保留，对改善风沙土矿物质元素含量具有积极作用。

　　关键词:苔藓生物结皮;土壤矿质全量;硅铁铝率;固沙林

　　土壤矿物质由成土母质继承和演变而来，同时又是植物矿质营养的源泉，是全面影响土壤肥力高低的一个重要因素。所以，测定土壤中矿物质元素(或全量化学元素)含量对进一步分析土壤形成演化过程具有指导意义。在长期的固沙生产实践中，人们发现流动沙丘固定后，地表最明显的变化是覆盖了生物结皮层(biologicalsoilcrusts，BSC)，它不仅对固定流沙具有重要作用，而且对改善区域生态环境状况、促进风沙土发育等也具有良好效果。

　　诸多研究表明[1]，生物结皮影响着土壤稳定、侵蚀、大气固氮、养分吸收、土壤-植物-水分关系、水分渗透、幼苗萌发和植物生长等。生物结皮通过养分富集、物质、能量循环作用，促进风沙土演变，而流动沙地生长的维管植物通过沉积足够的粘粒和粉粒，又为生物结皮层发育提供了良好物质条件，形成完整生物结皮层，对流动风沙土发育具有促进作用(Danin，1989)。目前，国内在沙漠生物结皮层理化性质变化方面开展了诸多研究[2]，表明生物结皮层具有显著的养分富集作用并明显改善风沙土物理特性[3-5]。

　　张元明[6]研究了生物结皮影响下土壤有机质分异特征，表明土壤有机质的积累均以表层0-5cm土层为主，并随土层深度增加呈递减趋势，生物结皮强烈影响着地表0-5cm土层有机质含量。

　　单飞彪[7]认为自然生物结皮对土壤养分含量的影响范围仅限于表层0-5cm，对更深层次土壤养分含量则无显著影响。崔燕等[8]研究表明，流动沙丘表面形成生物结皮后，结皮中颗粒组成发生明显变化，其中0.25mm-0.05mm粒径级(粗砂粒)含量明显减少。张军红等[9]研究表明生物结皮能显著增加表层土壤有机质、全氮及土壤细颗粒成分的含量。文中研究了沙地沙漠苔藓生物结皮层矿物质元素含量变化特征，对评价沙漠生物结皮及其和流动风沙土发育的关系具有指导作用。

　　1试验设计与研究方法

　　1.1研究地概况

　　按照气候干燥指数和地带性土壤分布规律，研究样地分别选择浑善达克沙地、库布齐沙漠和腾格里沙漠固沙林。浑善达克沙地选择在多伦县，属温带半干旱向半湿润过渡区气候区，干燥度1.4。年平均降雨386.2mm，年平均气温1.6℃，年平均蒸发量1761.0mm，无霜期95d。固沙林树种主要为杨柴(HedysarummongolicumTurcz.)、黄柳(SalixgordejeviiChangetSkV.)，植被平均盖度50%-70%，样地固沙植被建立时间分别为15年、17年和36年。库布齐沙漠选择在达拉特旗，属温带半干旱气候区，干燥度2.05。

　　年平均降雨317mm，年平均气温6℃，年平均蒸发量2160mm，无霜期130-140d。固沙林树种主要为杨树(Populus)、沙柳(Salixpsammophila)，植被平均盖度50%-70%，样地固沙植被建立时间分别为13年、20年和40年。腾格里沙漠选择在中国科学院沙坡头沙漠试验站，属温带干旱荒漠气候区，干燥度2.5。

　　年平均降雨186.4mm，年平均气温9.6℃，年平均蒸发量2880.5mm，无霜期150-180d。固沙林树种主要为小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等灌木，植被平均盖度45%-50%，样地固沙植被建立时间分别为26年、29年、36年、48年、50年和60年。

　　1.2样品采集

　　根据固沙林营造时间及植被恢复情况，2017年7月在库布齐沙漠选择13年、20年、40年固沙植被样地，在浑善达克沙地分别选择15年、17年和36年固沙植被样地，在腾格里沙漠选择26年、29年、36年、48年、50年和60年固沙植被样地。以沙土为对照，在上述样地采集苔藓结皮层样品，结皮层厚度1.0-1.5cm。每个样地采集3个重复样品，混合后的样品带回室内风干，过60目筛备用。同时，在浑善达克沙地利用50m沙尘通量塔降尘缸采集不同高度的大气降尘量，混合后作为大气降尘分析样品备用。

　　1.3测定方法

　　采集的分析样品送到内蒙古瑞普精准检验检测有限责任公司进行测定。具体方法是采用偏硼酸锂熔融，电感耦合等离子体发射光谱仪(PEICP-OES)测定样品中矿物质元素含量，并换算成氧化物含量。

　　此外，硅铁铝率是指用以表达土壤脱硅富铝化程度的比值，是将SiO2与AL2O3、Fe2O3的含量分别除以二者的相对分子质量，再求比值。计算参考如下公式:Sa=SiO2/R2O3其中，SiO2相对分子含量计算，SiO2含量÷60;R2O3(AL2O3、Fe2O3)相对分子含量计算，AL2O3含量÷102，Fe2O3含量÷160。

　　2结果与分析

　　2.1沙地苔藓生物结皮层全量化学组成特征

　　苔藓结皮层全量化学元素组成以SiO2为主，其平均含量为60.77%(沙土为69.6%)，其次是AL2O3和K2O，其平均含量分别为14.96%和5.17%，而MnO最低，平均含量为0.008%。说明沙地环境下苔藓结皮层全量化学元素组成含量仍然具有流动风沙土的特征。同时，随着固沙植被时间的增加、植被拦截细颗粒物数量的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层中TiO2、P2O5、CaO、MgO、K2O、Fe2O3、AL2O3含量也呈现增加的趋势。

　　此外，苔藓结皮层其它全量化学元素组成(SiO2除外)含量均高于对照的流动沙土，而低于大气降尘，表明大气降尘在改变生物结皮层全量化学元素组成含量方面具有积极作用。特别是大气降尘中Fe2O3、AL2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO等元素含量比36年固沙植被下苔藓结皮层中各元素含量分别增加151.18%、54.78%、71.31%、145.25%、43.39%、165.82%，反映出大气降尘在改善生物结皮层养分含量中的突出作用。

　　因为固沙植物通过拦截近地表风沙流和大气降尘，增加生物结皮层颗粒物质的同时，也通过颗粒物质输入营养元素。凌裕加676.8%、250%、77.06%和512.3%。可见，大气降尘中速效氮、速效磷、全氮、全磷和有机质含量对生物结皮层的养分增加具有积极作用。

　　2.2沙漠苔藓结皮层全量化学组成特征

　　沙漠干旱、少雨、大风等不利环境下，细颗粒物质相对更少。而固沙植被下形成生物结皮层后，细颗粒物质增加，明显改善其全量化学组成含量。

　　沙漠苔藓结皮层全量化学组成(SiO2除外)含量均高于对照风沙土，且在腾格里沙漠，同样随着固沙植被时间的增加、植被拦截细颗粒物数量的增加以及苔藓结皮的不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层SiO2含量呈现出明显降低的趋势，从固沙植被26年-60年时间段，SiO2含量由658.93g·kg-1下降到494.14g·kg-1，而对照风沙土SiO2含量为753.71g·kg-1。

　　在库布齐沙漠，苔藓结皮层SiO2含量也有类似特征，即从固沙植被13年-40年时间段，苔藓结皮层SiO2含量由628.93g·kg-1下降到341.79g·kg-1，而对照风沙土SiO2含量为712.50g·kg-1。随着苔藓结皮层SiO2含量的降低，其它全量化学元素含量均呈现不同程度的增加趋势。

　　特别是苔藓结皮层中Fe2O3、AL2O3、MnO、P2O5、CaO、MgO等元素含量显著增加对改善风沙土养分状况具有积极意义。陈隆亨等[12]认为，化学成分随着土壤发育而增加的趋势，既与植物着生后土壤矿物风化有关，也有细土物质不断沉积的影响。所以沙漠苔藓结皮层的形成和长期保留，对改良风沙土矿物质元素含量及促进风沙土形成演变意义重大。

　　2.3沙漠苔藓结皮层硅铁铝率变化特征

　　硅铁铝率是指用以表达土壤脱硅富铝化程度的比值。陈隆亨等[21]认为，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率由流动风沙土向半固定风沙土、固定风沙土而降低，表明土壤发育过程逐渐向好的方向发展。无论是在库布齐沙漠，还是在腾格里沙漠，随着固沙植被时间的增加、植被拦截细颗粒物数量的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层硅铁铝率均表现出降低的趋势。

　　例如，在库布齐沙漠，对照风沙土SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率分别为5.89、7.27和31.07;13年固沙植被下苔藓结皮层分别为5.15、6.30和28.22;40固沙植被年苔藓结皮层分别为2.45、3.14和11.11，说明沙漠苔藓生物结皮层的存在对风沙土形成演变具有促进作用。

　　2.4沙地苔藓结皮层硅铁铝率变化特征

　　综上所述，在沙地环境下，随着固沙植被时间增加，苔藓结皮层硅铁铝率均呈现降低趋势。对照风沙土SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率分别为8.53、9.56和79.10。15年固沙植被下苔藓结皮层分别为5.82、6.67和45.36;36年固沙植被下苔藓结皮层分别为5.32、6.61和27.16。

　　而值得关注的是在沙漠环境下，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率明显低于沙地环境，表明沙漠环境下，苔藓结皮层中细颗粒物成分沉积量更多一些，相应的Fe2O3、AL2O3含量也高。

　　陈隆亨等[12]，数据表明，在科尔沁沙地奈曼旗，0-10cm土层SiO2含量为862.6g·kg-1，Fe2O3含量为7.45g·kg-1，AL2O3含量为77.30g·kg-1;在浑善达克沙地，正兰旗0-16cm土层SiO2含量为813.8g·kg-1，Fe2O3含量为14.40g·kg-1，AL2O3含量为80.70g·kg-1;在腾格里沙漠，中卫县，0-1cm土层SiO2含量为720.1g·kg-1，Fe2O3含量为30.50g·kg-1，AL2O3含量为103.20g·kg-1。

　　大气降尘中Fe2O3、AL2O3含量显著高于苔藓结皮层和风沙土，且SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率更低，同样反映出大气降尘中细颗粒物质含量对硅铁铝率变化的重要影响，并进一步影响到风沙土全量化学元素组成含量的变化，有利于促进风沙土的演变过程。

　　3讨论

　　沙漠生物结皮层是在沙漠藻类拓殖作用下由活的微小生物及其代谢产物(胞外多糖)与沙粒组成，是土壤颗粒物与有机物紧密结合在土壤表层形成的一种壳状体，是沙漠地区最具特色的微自然景观，是风沙土物质和能力交换的最表层。杜晓晖[13]研究认为"沙漠结皮不仅是沙地固定后环境变化的直观反映，而且是由藓类植物组成的一层活地被物，实质也是植物群落的组成部分"。

　　也就是说，固定流沙是形成结皮的前提，而截留的表层细粒物质又为结皮发育提供了物质基础，加之雨滴及枯落物分解产生的粘性物质的共同作用，在流动风沙土表层逐渐形成了生物结皮层。因此，沙漠生物结皮层不仅对固定流沙具有重要的作用，而且对改善流动风沙土理化性质，促进风沙土发育等也具有积极作用。

　　齐雁冰等[14]研究认为，随植物固定流沙时间增加，结皮层颗粒组成细化趋势明显，有机碳、速效养分、全氮含量不断提高。宁远英研究[15]表明以藻类占优势的藻结皮向以苔藓植物占优势的藓结皮发展过程中，粗砂、细砂含量逐渐减少而粉砂逐渐增加，同时，随着沙丘进一步固定，藻结皮盖度不断增加，土壤生态系统不断改善，促进藓类植物定居，并形成藓结皮，藓结皮盖度不断增加，生物结皮逐渐演化达到顶级，有效增加了土壤养分含量，并进一步为土壤生态系统的健康发展创造了有力条件。

　　闫德仁等[11]研究表明随着生物结皮形成年份延长，不仅生物结皮层养分含量明显增加，土壤细颗粒成分也增加，对生物结皮层覆盖下风沙土养分、颗粒组成的影响深度也逐渐增加，而且苔藓结皮层对下层风沙土养分含量、土壤细颗粒组成的影响效果好于藻类结皮层，也就是说，沙漠生物结皮层通过物质和能力交换，能够促进风沙土发育演变过程，从而为构建相对稳定的沙漠生态系统提供土壤物质保证。

　　本研究进一步表明，在风沙环境下苔藓生物结皮层全量化学元素组成含量明显高于对照风沙土，特征是用以表达土壤脱硅富铝化程度的硅铁铝率显著降低，同时随着固沙林时间增加、植被拦截细颗粒物数量的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层全量化学元素组成含量增加趋势明显，硅铁铝率进一步减低，表明沙漠苔藓结皮层的形成和长期保留，对改良风沙土理化性质意义重大。

　　同时大气降尘中Fe2O3、AL2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO等元素含量比生物结皮层中各元素含量显著增加，而大气降尘全量化学元素参与物质循环，进一步影响到风沙土全量化学元素组成含量的变化，反映出大气降尘在改善生物结皮层养分含量以及促进风沙土演变中的突出作用。

　　4结论

　　(1)风沙环境下苔藓结皮层全量化学元素组成(SiO2除外)含量均高于对照流动沙土，但仍具有流动风沙土的特征，并且随着固沙植被时间的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层SiO2含量呈现出明显降低的趋势，其它全量化学元素含量均呈现增加趋势。

　　(2)苔藓生物结皮层硅铁铝率低于对照流动沙土，且随着固沙植被时间的增加以及苔藓结皮不断积累更多的细颗粒物质等因素的影响，苔藓结皮层硅铁铝率均呈现降低趋势，表明苔藓结皮层的存在对风沙土形成演变具有促进作用。

　　(3)大气降尘中的全量化学元素组成含量以及硅铁铝率均高于苔藓结皮层和对照流动沙土，有利于促进风沙土的演变过程。

　　参考文献

　　[1]闫德仁，薛英英，韩凤杰，等.国外沙漠生物结皮研究概况[J].内蒙古林业科技，2007，33(1):39-42.

　　[2]闫德仁，薛英英，赵春光.沙漠生物结皮国内研究现状[J].内蒙古林业科技，2007，33(3):28-32.

　　[3]贾宝全，张红旗，张志强，等.甘肃省民勤沙区土壤结皮理化性质研究[J].生态学报，2003，23(7):1442-1448.

　　[4]李卫红，任天瑞，周智彬，等.新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的土壤理化性质分析[J].冰川冻土，2005，27(4):619-626.

　　生态方向论文投稿期刊：《植物生态学报》(月刊)创刊于1955年，是由中国科学院主管、中国科学院植物研究所中国植物学会主办的我国生态学领域创刊最早的专业性学术刊物。主要刊登：植物生态学领域及与本学科有关的创新性原始论文或有新观点的国际植物生态学研究前沿和动态的综述。获奖情况：中国期刊方阵“双效”期刊.