提要:土壤中全量化學(xué)元素既是植物礦質(zhì)營養(yǎng)的源泉，又是全面影響土壤肥力高低的一個重要因素，其含量多少對分析土壤形成演化過程具有指導(dǎo)意義。文中采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PEICP-OES)分析測定了沙地沙漠固沙林植被下苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素含量變化。

　　結(jié)果表明，苔蘚結(jié)皮層SiO2平均含量為60.77%，其它全量化學(xué)元素組成(SiO2除外)含量均高于流動沙土;隨著固沙林時間的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)，苔蘚結(jié)皮層SiO2含量呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢，而其它全量化學(xué)元素含量均呈現(xiàn)增加趨勢。

　　苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率低于對照流動沙土，且隨著固沙林時間的增加，硅鐵鋁率均呈現(xiàn)降低趨勢，同時大氣降塵中的全量化學(xué)元素組成含量以及硅鐵鋁率均高于苔蘚結(jié)皮層和流動沙土。風(fēng)沙環(huán)境下苔蘚結(jié)皮層的形成和長期保留，對改善風(fēng)沙土礦物質(zhì)元素含量具有積極作用。

　　關(guān)鍵詞:苔蘚生物結(jié)皮;土壤礦質(zhì)全量;硅鐵鋁率;固沙林

　　土壤礦物質(zhì)由成土母質(zhì)繼承和演變而來，同時又是植物礦質(zhì)營養(yǎng)的源泉，是全面影響土壤肥力高低的一個重要因素。所以，測定土壤中礦物質(zhì)元素(或全量化學(xué)元素)含量對進(jìn)一步分析土壤形成演化過程具有指導(dǎo)意義。在長期的固沙生產(chǎn)實踐中，人們發(fā)現(xiàn)流動沙丘固定后，地表最明顯的變化是覆蓋了生物結(jié)皮層(biologicalsoilcrusts，BSC)，它不僅對固定流沙具有重要作用，而且對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況、促進(jìn)風(fēng)沙土發(fā)育等也具有良好效果。

　　諸多研究表明[1]，生物結(jié)皮影響著土壤穩(wěn)定、侵蝕、大氣固氮、養(yǎng)分吸收、土壤-植物-水分關(guān)系、水分滲透、幼苗萌發(fā)和植物生長等。生物結(jié)皮通過養(yǎng)分富集、物質(zhì)、能量循環(huán)作用，促進(jìn)風(fēng)沙土演變，而流動沙地生長的維管植物通過沉積足夠的粘粒和粉粒，又為生物結(jié)皮層發(fā)育提供了良好物質(zhì)條件，形成完整生物結(jié)皮層，對流動風(fēng)沙土發(fā)育具有促進(jìn)作用(Danin，1989)。目前，國內(nèi)在沙漠生物結(jié)皮層理化性質(zhì)變化方面開展了諸多研究[2]，表明生物結(jié)皮層具有顯著的養(yǎng)分富集作用并明顯改善風(fēng)沙土物理特性[3-5]。

　　張元明[6]研究了生物結(jié)皮影響下土壤有機(jī)質(zhì)分異特征，表明土壤有機(jī)質(zhì)的積累均以表層0-5cm土層為主，并隨土層深度增加呈遞減趨勢，生物結(jié)皮強(qiáng)烈影響著地表0-5cm土層有機(jī)質(zhì)含量。

　　單飛彪[7]認(rèn)為自然生物結(jié)皮對土壤養(yǎng)分含量的影響范圍僅限于表層0-5cm，對更深層次土壤養(yǎng)分含量則無顯著影響。崔燕等[8]研究表明，流動沙丘表面形成生物結(jié)皮后，結(jié)皮中顆粒組成發(fā)生明顯變化，其中0.25mm-0.05mm粒徑級(粗砂粒)含量明顯減少。張軍紅等[9]研究表明生物結(jié)皮能顯著增加表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及土壤細(xì)顆粒成分的含量。文中研究了沙地沙漠苔蘚生物結(jié)皮層礦物質(zhì)元素含量變化特征，對評價沙漠生物結(jié)皮及其和流動風(fēng)沙土發(fā)育的關(guān)系具有指導(dǎo)作用。

　　1試驗設(shè)計與研究方法

　　1.1研究地概況

　　按照氣候干燥指數(shù)和地帶性土壤分布規(guī)律，研究樣地分別選擇渾善達(dá)克沙地、庫布齊沙漠和騰格里沙漠固沙林。渾善達(dá)克沙地選擇在多倫縣，屬溫帶半干旱向半濕潤過渡區(qū)氣候區(qū)，干燥度1.4。年平均降雨386.2mm，年平均氣溫1.6℃，年平均蒸發(fā)量1761.0mm，無霜期95d。固沙林樹種主要為楊柴(HedysarummongolicumTurcz.)、黃柳(SalixgordejeviiChangetSkV.)，植被平均蓋度50%-70%，樣地固沙植被建立時間分別為15年、17年和36年。庫布齊沙漠選擇在達(dá)拉特旗，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，干燥度2.05。

　　年平均降雨317mm，年平均氣溫6℃，年平均蒸發(fā)量2160mm，無霜期130-140d。固沙林樹種主要為楊樹(Populus)、沙柳(Salixpsammophila)，植被平均蓋度50%-70%，樣地固沙植被建立時間分別為13年、20年和40年。騰格里沙漠選擇在中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗站，屬溫帶干旱荒漠氣候區(qū)，干燥度2.5。

　　年平均降雨186.4mm，年平均氣溫9.6℃，年平均蒸發(fā)量2880.5mm，無霜期150-180d。固沙林樹種主要為小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等灌木，植被平均蓋度45%-50%，樣地固沙植被建立時間分別為26年、29年、36年、48年、50年和60年。

　　1.2樣品采集

　　根據(jù)固沙林營造時間及植被恢復(fù)情況，2017年7月在庫布齊沙漠選擇13年、20年、40年固沙植被樣地，在渾善達(dá)克沙地分別選擇15年、17年和36年固沙植被樣地，在騰格里沙漠選擇26年、29年、36年、48年、50年和60年固沙植被樣地。以沙土為對照，在上述樣地采集苔蘚結(jié)皮層樣品，結(jié)皮層厚度1.0-1.5cm。每個樣地采集3個重復(fù)樣品，混合后的樣品帶回室內(nèi)風(fēng)干，過60目篩備用。同時，在渾善達(dá)克沙地利用50m沙塵通量塔降塵缸采集不同高度的大氣降塵量，混合后作為大氣降塵分析樣品備用。

　　1.3測定方法

　　采集的分析樣品送到內(nèi)蒙古瑞普精準(zhǔn)檢驗檢測有限責(zé)任公司進(jìn)行測定。具體方法是采用偏硼酸鋰熔融，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(PEICP-OES)測定樣品中礦物質(zhì)元素含量，并換算成氧化物含量。

　　此外，硅鐵鋁率是指用以表達(dá)土壤脫硅富鋁化程度的比值，是將SiO2與AL2O3、Fe2O3的含量分別除以二者的相對分子質(zhì)量，再求比值。計算參考如下公式:Sa=SiO2/R2O3其中，SiO2相對分子含量計算，SiO2含量÷60;R2O3(AL2O3、Fe2O3)相對分子含量計算，AL2O3含量÷102，F(xiàn)e2O3含量÷160。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1沙地苔蘚生物結(jié)皮層全量化學(xué)組成特征

　　苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成以SiO2為主，其平均含量為60.77%(沙土為69.6%)，其次是AL2O3和K2O，其平均含量分別為14.96%和5.17%，而MnO最低，平均含量為0.008%。說明沙地環(huán)境下苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成含量仍然具有流動風(fēng)沙土的特征。同時，隨著固沙植被時間的增加、植被攔截細(xì)顆粒物數(shù)量的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層中TiO2、P2O5、CaO、MgO、K2O、Fe2O3、AL2O3含量也呈現(xiàn)增加的趨勢。

　　此外，苔蘚結(jié)皮層其它全量化學(xué)元素組成(SiO2除外)含量均高于對照的流動沙土，而低于大氣降塵，表明大氣降塵在改變生物結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成含量方面具有積極作用。特別是大氣降塵中Fe2O3、AL2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO等元素含量比36年固沙植被下苔蘚結(jié)皮層中各元素含量分別增加151.18%、54.78%、71.31%、145.25%、43.39%、165.82%，反映出大氣降塵在改善生物結(jié)皮層養(yǎng)分含量中的突出作用。

　　因為固沙植物通過攔截近地表風(fēng)沙流和大氣降塵，增加生物結(jié)皮層顆粒物質(zhì)的同時，也通過顆粒物質(zhì)輸入營養(yǎng)元素。凌裕加676.8%、250%、77.06%和512.3%。可見，大氣降塵中速效氮、速效磷、全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量對生物結(jié)皮層的養(yǎng)分增加具有積極作用。

　　2.2沙漠苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)組成特征

　　沙漠干旱、少雨、大風(fēng)等不利環(huán)境下，細(xì)顆粒物質(zhì)相對更少。而固沙植被下形成生物結(jié)皮層后，細(xì)顆粒物質(zhì)增加，明顯改善其全量化學(xué)組成含量。

　　沙漠苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)組成(SiO2除外)含量均高于對照風(fēng)沙土，且在騰格里沙漠，同樣隨著固沙植被時間的增加、植被攔截細(xì)顆粒物數(shù)量的增加以及苔蘚結(jié)皮的不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層SiO2含量呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢，從固沙植被26年-60年時間段，SiO2含量由658.93g·kg-1下降到494.14g·kg-1，而對照風(fēng)沙土SiO2含量為753.71g·kg-1。

　　在庫布齊沙漠，苔蘚結(jié)皮層SiO2含量也有類似特征，即從固沙植被13年-40年時間段，苔蘚結(jié)皮層SiO2含量由628.93g·kg-1下降到341.79g·kg-1，而對照風(fēng)沙土SiO2含量為712.50g·kg-1。隨著苔蘚結(jié)皮層SiO2含量的降低，其它全量化學(xué)元素含量均呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢。

　　特別是苔蘚結(jié)皮層中Fe2O3、AL2O3、MnO、P2O5、CaO、MgO等元素含量顯著增加對改善風(fēng)沙土養(yǎng)分狀況具有積極意義。陳隆亨等[12]認(rèn)為，化學(xué)成分隨著土壤發(fā)育而增加的趨勢，既與植物著生后土壤礦物風(fēng)化有關(guān)，也有細(xì)土物質(zhì)不斷沉積的影響。所以沙漠苔蘚結(jié)皮層的形成和長期保留，對改良風(fēng)沙土礦物質(zhì)元素含量及促進(jìn)風(fēng)沙土形成演變意義重大。

　　2.3沙漠苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率變化特征

　　硅鐵鋁率是指用以表達(dá)土壤脫硅富鋁化程度的比值。陳隆亨等[21]認(rèn)為，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率由流動風(fēng)沙土向半固定風(fēng)沙土、固定風(fēng)沙土而降低，表明土壤發(fā)育過程逐漸向好的方向發(fā)展。無論是在庫布齊沙漠，還是在騰格里沙漠，隨著固沙植被時間的增加、植被攔截細(xì)顆粒物數(shù)量的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率均表現(xiàn)出降低的趨勢。

　　例如，在庫布齊沙漠，對照風(fēng)沙土SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率分別為5.89、7.27和31.07;13年固沙植被下苔蘚結(jié)皮層分別為5.15、6.30和28.22;40固沙植被年苔蘚結(jié)皮層分別為2.45、3.14和11.11，說明沙漠苔蘚生物結(jié)皮層的存在對風(fēng)沙土形成演變具有促進(jìn)作用。

　　2.4沙地苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率變化特征

　　綜上所述，在沙地環(huán)境下，隨著固沙植被時間增加，苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率均呈現(xiàn)降低趨勢。對照風(fēng)沙土SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率分別為8.53、9.56和79.10。15年固沙植被下苔蘚結(jié)皮層分別為5.82、6.67和45.36;36年固沙植被下苔蘚結(jié)皮層分別為5.32、6.61和27.16。

　　而值得關(guān)注的是在沙漠環(huán)境下，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率明顯低于沙地環(huán)境，表明沙漠環(huán)境下，苔蘚結(jié)皮層中細(xì)顆粒物成分沉積量更多一些，相應(yīng)的Fe2O3、AL2O3含量也高。

　　陳隆亨等[12]，數(shù)據(jù)表明，在科爾沁沙地奈曼旗，0-10cm土層SiO2含量為862.6g·kg-1，F(xiàn)e2O3含量為7.45g·kg-1，AL2O3含量為77.30g·kg-1;在渾善達(dá)克沙地，正蘭旗0-16cm土層SiO2含量為813.8g·kg-1，F(xiàn)e2O3含量為14.40g·kg-1，AL2O3含量為80.70g·kg-1;在騰格里沙漠，中衛(wèi)縣，0-1cm土層SiO2含量為720.1g·kg-1，F(xiàn)e2O3含量為30.50g·kg-1，AL2O3含量為103.20g·kg-1。

　　大氣降塵中Fe2O3、AL2O3含量顯著高于苔蘚結(jié)皮層和風(fēng)沙土，且SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率更低，同樣反映出大氣降塵中細(xì)顆粒物質(zhì)含量對硅鐵鋁率變化的重要影響，并進(jìn)一步影響到風(fēng)沙土全量化學(xué)元素組成含量的變化，有利于促進(jìn)風(fēng)沙土的演變過程。

　　3討論

　　沙漠生物結(jié)皮層是在沙漠藻類拓殖作用下由活的微小生物及其代謝產(chǎn)物(胞外多糖)與沙粒組成，是土壤顆粒物與有機(jī)物緊密結(jié)合在土壤表層形成的一種殼狀體，是沙漠地區(qū)最具特色的微自然景觀，是風(fēng)沙土物質(zhì)和能力交換的最表層。杜曉暉[13]研究認(rèn)為"沙漠結(jié)皮不僅是沙地固定后環(huán)境變化的直觀反映，而且是由蘚類植物組成的一層活地被物，實質(zhì)也是植物群落的組成部分"。

　　也就是說，固定流沙是形成結(jié)皮的前提，而截留的表層細(xì)粒物質(zhì)又為結(jié)皮發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，加之雨滴及枯落物分解產(chǎn)生的粘性物質(zhì)的共同作用，在流動風(fēng)沙土表層逐漸形成了生物結(jié)皮層。因此，沙漠生物結(jié)皮層不僅對固定流沙具有重要的作用，而且對改善流動風(fēng)沙土理化性質(zhì)，促進(jìn)風(fēng)沙土發(fā)育等也具有積極作用。

　　齊雁冰等[14]研究認(rèn)為，隨植物固定流沙時間增加，結(jié)皮層顆粒組成細(xì)化趨勢明顯，有機(jī)碳、速效養(yǎng)分、全氮含量不斷提高。寧遠(yuǎn)英研究[15]表明以藻類占優(yōu)勢的藻結(jié)皮向以苔蘚植物占優(yōu)勢的蘚結(jié)皮發(fā)展過程中，粗砂、細(xì)砂含量逐漸減少而粉砂逐漸增加，同時，隨著沙丘進(jìn)一步固定，藻結(jié)皮蓋度不斷增加，土壤生態(tài)系統(tǒng)不斷改善，促進(jìn)蘚類植物定居，并形成蘚結(jié)皮，蘚結(jié)皮蓋度不斷增加，生物結(jié)皮逐漸演化達(dá)到頂級，有效增加了土壤養(yǎng)分含量，并進(jìn)一步為土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展創(chuàng)造了有力條件。

　　閆德仁等[11]研究表明隨著生物結(jié)皮形成年份延長，不僅生物結(jié)皮層養(yǎng)分含量明顯增加，土壤細(xì)顆粒成分也增加，對生物結(jié)皮層覆蓋下風(fēng)沙土養(yǎng)分、顆粒組成的影響深度也逐漸增加，而且苔蘚結(jié)皮層對下層風(fēng)沙土養(yǎng)分含量、土壤細(xì)顆粒組成的影響效果好于藻類結(jié)皮層，也就是說，沙漠生物結(jié)皮層通過物質(zhì)和能力交換，能夠促進(jìn)風(fēng)沙土發(fā)育演變過程，從而為構(gòu)建相對穩(wěn)定的沙漠生態(tài)系統(tǒng)提供土壤物質(zhì)保證。

　　本研究進(jìn)一步表明，在風(fēng)沙環(huán)境下苔蘚生物結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成含量明顯高于對照風(fēng)沙土，特征是用以表達(dá)土壤脫硅富鋁化程度的硅鐵鋁率顯著降低，同時隨著固沙林時間增加、植被攔截細(xì)顆粒物數(shù)量的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成含量增加趨勢明顯，硅鐵鋁率進(jìn)一步減低，表明沙漠苔蘚結(jié)皮層的形成和長期保留，對改良風(fēng)沙土理化性質(zhì)意義重大。

　　同時大氣降塵中Fe2O3、AL2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO等元素含量比生物結(jié)皮層中各元素含量顯著增加，而大氣降塵全量化學(xué)元素參與物質(zhì)循環(huán)，進(jìn)一步影響到風(fēng)沙土全量化學(xué)元素組成含量的變化，反映出大氣降塵在改善生物結(jié)皮層養(yǎng)分含量以及促進(jìn)風(fēng)沙土演變中的突出作用。

　　4結(jié)論

　　(1)風(fēng)沙環(huán)境下苔蘚結(jié)皮層全量化學(xué)元素組成(SiO2除外)含量均高于對照流動沙土，但仍具有流動風(fēng)沙土的特征，并且隨著固沙植被時間的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層SiO2含量呈現(xiàn)出明顯降低的趨勢，其它全量化學(xué)元素含量均呈現(xiàn)增加趨勢。

　　(2)苔蘚生物結(jié)皮層硅鐵鋁率低于對照流動沙土，且隨著固沙植被時間的增加以及苔蘚結(jié)皮不斷積累更多的細(xì)顆粒物質(zhì)等因素的影響，苔蘚結(jié)皮層硅鐵鋁率均呈現(xiàn)降低趨勢，表明苔蘚結(jié)皮層的存在對風(fēng)沙土形成演變具有促進(jìn)作用。

　　(3)大氣降塵中的全量化學(xué)元素組成含量以及硅鐵鋁率均高于苔蘚結(jié)皮層和對照流動沙土，有利于促進(jìn)風(fēng)沙土的演變過程。

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