丹江口库区典型小流域生物结皮驱动土壤性质变化及分离响应

为探究生物结皮发育驱动下土壤水蚀特征及机理,选取苔藓发育为优势种的退耕样地,设计5个盖度等级(1%~20%,20%~40%,40%~60%,60%~80%,80%~100%),以裸地为对照,在不同水流剪切力(6.12~19.64 Pa)下进行冲刷试验。结果表明:结皮发育显著影响土壤养分含量,且高盖度结皮覆盖下养分表聚效应更加明显。生物结皮发育显著影响土壤分离能力,裸地土壤分离能力[1.4656 kg/(m^(2)·s)]为生物结皮[0.0042~0.4682 kg/(m^(2)·s)]的3.58~348.95倍,裸地细沟可蚀性(0.2935 s/m)为生物结皮(0.0010~0.0822 s/m)的3.57~293.50倍。相对土壤分离能力及细沟可蚀性均随结皮盖度增加呈指数函数衰减,结皮冲破时间随结皮盖度增加呈指数函数增长;非线性回归分析表明,土壤分离能力可用水流剪切力、生物结皮盖度和土壤黏结力进行模拟(NSE=0.749)。综上,生物结皮发育显著提升土壤抗侵蚀性能,研究结果可为半湿润区水土流失防治及生物结皮管理利用提供理论参考。

干旱荒漠区不同藓结皮斑块碳通量对降雨量变化的响应

藓结皮作为干旱区重要的地表覆盖物,主要呈斑块状分布,其大小能够明显改变土壤和藓类植物的含水量、蒸散量以及养分含量,对荒漠地表的稳定和碳循环具有重要作用。降雨是干旱荒漠区土壤水分的主要来源,能够直接影响藓结皮的生理活性,决定了藓结皮土壤的碳源-碳汇效应。然而不同大小藓结皮斑块碳通量对降雨的响应是否不同并不清楚。以古尔班通古特沙漠齿肋赤藓(Syntrichia caninervis Mitt.)斑块为研究对象,施加不同降雨量(0 mm、2 mm、5 mm、15 mm降雨),连续54 h测定不同大小藓结皮斑块(直径为:4.6 cm、5.6 cm、10 cm)碳通量。结果显示:(1)在2 mm和5 mm降雨量下,不同斑块大小藓结皮静碳交换速率连续54 h内的变化趋势相似,直径为4.6 cm和5.6 cm斑块累积碳通量呈负值,表现为碳固定,10 cm斑块则相反表现为碳释放,在15 mm降雨量下,不同斑块大小藓结皮碳通量均表现为碳释放,直径为10 cm的藓结皮斑块净碳交换速率随时间的变化趋势与直径5.6 cm和4.6 cm藓结皮斑块不同;(2)斑块大小和降雨量变化均显著影响藓结皮斑块碳通量,土壤含水量与静碳交换速率呈显著的正效应,且土壤含水量与静碳交换速率间斜率随斑块面积增加呈增加趋势,土壤温度低于25℃时,藓结皮斑块碳通量随土壤温度增加呈降低趋势,高于25℃时,土壤温度对藓结皮斑块碳通量无显著影响。因此,未来荒漠藓结皮碳通量研究中应考虑降雨量和斑块大小对藓结皮碳通量的影响;且从碳收支平衡解释小型藓结皮斑块对荒漠小降雨脉冲有较强的适应性,同时为评估未来荒漠降水格局变化下荒漠藓结皮斑块组成、分布以及荒漠生态系统碳循环研究提供科学理论基础。

外源添加物对沙地苔藓结皮扩繁发育的促进作用

人工苔藓结皮作为一种新型的防风固沙潜在途径而备受关注,为进一步优化现有的培育扩繁技术,采用4因素2水平正交试验设计,探讨了菌类(放线菌和巨大芽孢杆菌)、藻类(小球藻和具鞘微鞘藻)、沙蒿胶(有和无)和基质类型(沙土基质和配方基质)对沙地苔藓结皮室内发育扩繁的影响。结果表明:(1)4因素中仅基质类型显著影响了苔藓结皮的盖度和株密度(P<0.05),沙土基质处理的苔藓结皮盖度和株密度均值比配方基质处理分别提高61.04%和17.48株/cm^2;(2)藻类、菌类和基质类型显著影响了苔藓的生理特性(P<0.05),而沙蒿胶影响不显著。沙土基质、放线菌和小球藻的添加显著提高了苔藓的过氧化物酶(POD)活性和可溶性蛋白含量,降低了丙二醛(MDA)含量;(3)最适扩繁组合为“沙土基质+放线菌(1 g/kg基质)+小球藻(2 g/m^2)”,在30天内,上述组合在培养箱条件下(光照设定为6000 lx,光周期12 h/d,温度20℃,空气湿度75%),可将1 m^2野外苔藓种源培育为4 m^2盖度达97.14%的苔藓结皮,实现4倍扩繁。研究结果将为今后大规模工厂化高效扩繁苔藓种源提供技术支撑。

黄土高原生物结皮斥水性及其沿降水梯度变化特征研究

为探明黄土高原生物结皮土壤斥水性的影响因素及其沿降水梯度的变化特征,在黄土高原沿降水梯度布设了8个采样区,每个采样区选择恢复年限相近的草地或林地,采用滴水穿透时间法和微型盘式入渗仪法测定了生物结皮与无结皮土壤的斥水时间和斥水系数,分析了生物结皮对斥水性的影响及其与结皮特性、土壤属性和年均降水量的相关性。结果表明,与无结皮土壤相比,黄土高原生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数分别增加了54.85倍和5.80倍,但两者沿降水梯度的变化规律相似,均呈自南向北先减小、后稳定的变化趋势,且生物结皮土壤斥水性的空间变异性高于无结皮土壤;生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数与结皮厚度、粉粒含量、黏粒含量、有机质含量、年均降水量呈显著的正相关关系(P≤0.032),与苔藓生物量和砂粒含量呈显著的负相关关系(P≤0.030);非线性回归表明,生物结皮土壤的斥水时间和斥水系数均可用结皮厚度和苔藓生物量进行模拟(R2=0.97,NSE不小于0.99)。研究表明,黄土高原生物结皮的发育显著增加了土壤斥水性,且斥水性沿降水梯度从南到北呈先减小、后逐渐稳定的空间变化趋势,年均降水量主要通过改变生物结皮厚度、苔藓生物量和有机质含量等理化性质而间接影响土壤斥水性。

秦岭石生苔藓结皮的微生物群落组成和多样性特征

苔藓结皮是地表重要的活性覆盖物,具有改善土壤性状、固土持水、固碳固氮等多种生态功能,微生物群落是苔藓结皮发挥生态功能的主要成分。为了探究湿润区石生苔藓结皮的微生物群落组成及其多样性特征,揭示其发育形成机制以及功能机理,该研究以秦岭北麓的泥峪、车峪、骆峪5个样地的石生苔藓结皮为研究对象,利用高通量测序技术,分析了石生苔藓结皮层的微生物群落组成、丰度、多样性,并测定分析养分与微生物群落的关系,为裸露岩石创面的生态修复提供理论依据。结果表明:(1)秦岭石生苔藓结皮层的全氮和有机质含量在4.16~8.26 g/kg、89.44~131.05 g/kg之间,且样点间均差异显著;全磷和全钾含量较低,分别为0.88~1.21 g/kg和13.50~18.10 g/kg。(2)秦岭石生苔藓结皮层中细菌占微生物群落组成的80%以上,且细菌的多样性也远高于真菌;其中细菌优势菌群为变形菌门(Proteobateria)、拟杆菌门(Bateroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria),真菌优势菌群为子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉菌门(Mortierellomycota)。(3)冗余分析(RDA)显示,全钾和有机质对优势细菌群落结构影响显著,变形菌和拟杆菌适宜生活在湿度大、营养状况良好的基质中;全磷和有机质对优势真菌群落结构影响显著,被孢霉菌门在低磷基质中更具生长优势。研究发现,细菌是秦岭石生苔藓结皮层的优势菌群,与旱区土生状况相比,秦岭石生苔藓结皮层的放线菌和酸杆菌的含量有所下降,而拟杆菌含量显著增加;对于真菌而言,子囊菌门和担子菌门的相对丰度明显减少,被孢菌门丰度显著增加;有机质是影响结皮层微生物群落组成最主要的养分因子,丰富的养分使湿润区石生苔藓结皮层的微生物群落结构更加复杂多样、物种组成更加丰富。

芽孢杆菌与植物生长调节剂在苔藓结皮种源扩繁中的作用

[目的]研究芽孢杆菌与植物生长调节剂对苔藓结皮生长发育的影响,为提高苔藓结皮种源扩繁效率提供科学依据。[方法]选择芽孢杆菌(胶质芽孢杆菌/巨大芽孢杆菌)与生长调节剂(噻苯隆)2种因素,设计双因素完全试验,观测温室条件下苔藓结皮的覆盖度、株高度和株密度。[结果]①只添加胶质芽孢杆菌处理的苔藓生长状况最优,相比对照组(未添加芽孢杆菌及生长调节剂)分别提高了苔藓覆盖度(+18.9%)、株高度(+0.85 mm)和株密度(+15.44株/cm^2);②添加巨大芽孢杆菌能提高苔藓株密度(+5.76株/cm^2),但会减小其株高度(-0.78 mm),对盖度则无显著影响;③生长调节剂TDZ减小了苔藓植物覆盖度(-11.78%)、株高度(-3.33 mm),对株密度影响不显著;④芽孢杆菌与生长调节剂存在交互作用,巨大芽孢杆菌+TDZ处理增大了苔藓株密度(+9.79株/cm^2),且高于只添加巨大芽孢杆菌处理(+3.67株/cm^2),胶质芽孢杆菌+TDZ处理增加苔藓株密度(+4.3株/cm^2)但弱化了胶质芽孢杆菌的促进作用(-11.14株/cm^2)。[结论]功能性微生物与生长调节剂对苔藓结皮生长发育具有显著影响,在今后苔藓结皮种源扩繁实践中应加以考虑和借鉴。

黄土丘陵区生物结皮对坡面流水动力特征的影响

[目的]探究生物结皮对坡面流水动力特征的影响,为黄土高原丘陵区生物结皮防蚀机理研究提供理论指导。[方法]设置生物结皮覆盖及破坏处理,进行人工模拟降雨试验。[结果]①生物结皮覆盖及破坏处理下坡面流均属于层流急流。②生物结皮可显著降低坡面流流速,增加水流剪切力,阻力系数和水流功率(p<0.05)。其中,藻结皮处理和苔藓结皮处理较裸地流速分别减少了48.74%和62.24%,水流剪切力、阻力系数、水流功率较裸地分别增加了130.01%和308.07%;703.35%和2532.01%;21.16%和57.43%。③生物结皮破坏后其阻力系数与裸地无显著变化,流速、水流剪切力、水流功率均显著高于裸地(p<0.05)。其中,藻结皮破坏和苔藓结皮破坏处理较裸地流速、水流剪切力、水流功率分别增加了10.84%和16.46%;36.83%和42.44%;60.90%和62.14%。[结论]生物结皮覆盖会增大坡面流阻力系数,降低流速。生物结皮破坏后坡面流阻力系数与裸地无差异,流速增加。此外,生物结皮覆盖及破坏处理均会增大坡面流水流剪切力及水流功率,进而增加径流侵蚀能量。

苔藓结皮层土壤矿质元素含量变化特征

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(PE ICP-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。