一种黄土高原苔藓结皮的快速培育方法

摘要

本发明公开了一种黄土高原苔藓结皮的快速培育方法，在野外自然条件下，选择发育良好的苔藓结皮，以土生对齿藓为优势种，铲取表层结皮，厚度为10mm，备用；将采集的苔藓结皮阴干去除杂物后，用植物粉碎机粉碎，充分搅拌混匀制成苔藓结皮种源；将制备的苔藓结皮种源，以接种量为700g/m2，均匀撒于裸露黄土土表；在人工气候室条件下，培育40天。本发明通过人工接种，设置光照强度、表层土壤含水量以及接种量的方法可在40天内形成高盖度的苔藓结皮，此发明是在室内条件下快速形成苔藓结皮的一种有效方法，也可为黄土高原野外苔藓结皮快速恢复实践提供借鉴。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，具体为一种黄土高原苔藓结皮的快速培育方法。

背景技术

生物土壤结皮(Biological Soil Crusts，BSCs，简称“生物结皮”)是由土壤微生物、藻类、地衣、苔藓等植物类群与土壤形成的有机复合体，广泛存在于干旱、半干旱地区。按主要生物构成，生物结皮可分为藻类结皮、地衣结皮和苔藓结皮。其中，苔藓结皮是黄土高原生物结皮发育演替的高级阶段，由于其生物组分可通过生理代谢活动改变土壤理化性质，促进土壤形成及植物营养转化，使苔藓结皮在提高土壤稳定性、改善土壤养分、增强土壤抗侵蚀能力以及促进种子库的建立和维管植物的定居等方面起着至关重要的作用。

自然条件下，由于生物结皮的发育受到各种环境条件(如土壤结构、类型，辐射强度，地形等)、资源条件(水分、营养)以及植被等多方面的限制，其发育演替十分缓慢，在裸露黄土上需要15年以上才能形成稳定的苔藓结皮。同时，苔藓结皮对各种干扰(火烧、踩踏、机械碾压等)十分敏感，其受到干扰破坏后，又需要很漫长的时间才能恢复。因此，研究影响苔藓结皮生长发育的关键因子，实现苔藓结皮的快速培育及恢复，对于发挥其积极生态功能具有重要的实践意义。

苔藓植物是苔藓结皮的优势生物组分，对结皮层的形成和维持具有极其重要的作用。相关研究表明，尽管苔藓植物具有强大的无性繁殖及抗旱能力，但其生长发育仍然受到水分、光照以及温度等各方面因素的影响。部分学者也对这方面进行了研究，并取得了一些认识。然而，以往的研究主要集中在腾格里沙漠、库布齐沙漠以及古尔班通古特沙漠等荒漠地区的苔藓植物和一些经济价值、药用价值较高的苔藓植物，而对黄土丘陵沟壑区具有明显水土保持效应的苔藓植物的研究还鲜有报道。

目前现有的关于生物结皮快速培育的专利为中国专利(申请)号为200810035554.X的专利提供了一种荒漠苔藓及其生物结皮的快速培育方法。

现有技术缺点：上述发明中使用的苔藓种源来自干旱荒漠地区，由于苔藓结皮的生长发育具有很大的空间分异性，其研究结果不能在水分条件相对较好，且土壤、气候、植被覆盖条件完全不同于荒漠地区的黄土高原地区直接推广应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种黄土高原苔藓结皮的快速培育方法，通过控制培育过程中的表层(0-1cm)土壤含水量、光照强度、接种量(单位面积苔藓茎叶碎片质量)三个因子，利用人工气候室进行苔藓结皮的培育试验，可用于苔藓结皮大面积培养及治理受损结皮层，为黄土高原地区提供一种低成本、高效益的防治水土流失新途径。其技术方案为：

一种黄土高原苔藓结皮的快速培育方法，包括以下步骤：

1)在野外自然条件下，选择发育良好的苔藓结皮，铲取表层结皮，厚度为10mm，备用；

2)将采集的苔藓结皮阴干去除杂物后，用植物粉碎机，粉碎40秒，充分搅拌混匀制成苔藓结皮种源；

3)将制备的苔藓结皮种源，以接种量：单位面积苔藓茎叶质量为700g/m²，均匀撒播于裸露黄土土表；

4)放入人工气候室内连续培育40天，形成苔藓结皮。

优选地，步骤1)中所述苔藓结皮是以土生对齿藓(Didymodon vinealis(Brid.)Zand.)为优势种。

优选地，步骤2)中所述植物粉碎机的型号FLB100，转速28000转/分。

优选地，步骤3)中所述撒播厚度为5mm。

优选地，步骤4)中所述人工气候室内培养条件为：温度：昼/夜20℃/10℃，空气湿度：60％，二氧化碳浓度：400ppm，光周期：12h，光照强度：1000lx，表层土壤含水量：25％-30％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

在降水量稀少的干旱地区，许多维管束植物无法长期生存。苔藓植物具有很强的生理耐旱性，其对结皮层的形成和维持具有极其重要的作用。相关的野外研究已经表明，以苔藓植物为优势种的苔藓结皮具有显著的水土保持、防风固沙、积累土壤养分以及促进土壤形成的作用。然而，在野外自然状态下，苔藓结皮发育缓慢，现有研究及技术也主要集中在培育荒漠苔藓结皮方面。因此，本发明能够填补黄土高原苔藓结皮快速培育技术方面的空白，也可为黄土高原苔藓结皮快速恢复实践提供借鉴。

附图说明

图1是本发明黄土高原苔藓结皮的快速培育方法流程图；

图2是各处理盖度随时间的变化；

图3是各处理苔藓密度随时间的变化；

图4是各处理实验末期(第60天)叶绿素a含量。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明进行对比试验确定黄土高原苔藓结皮的最适生长环境因素组合，设计三种因素，每个因素四个水平(详见表1)，利用五因素四水平正交实验表(详见表2)行正交实验。通过定期测定苔藓结皮的盖度、密度和叶绿素a含量，优选出培育苔藓结皮的最佳因子组合。盖度和密度能够直观反映苔藓结皮的生长状况，叶绿素a能够反映苔藓结皮的生物量。

表1因素及水平

表2L₁₆(4⁵)正交表

1.材料与方法

1.1供试材料

1.1.1苔藓结皮样

苔藓结皮样品采自陕西省安塞县马家沟一处坡面(北纬36°47′58″，东经109°15′32″)。采样点主要植被为柠条和杨树，苔藓结皮盖度为80％。经游标卡尺测定，苔藓结皮平均厚度为11.45±0.51mm(Mean±SE，n＝9)。利用小铲铲取苔藓结皮层，装入洁净塑料袋中，运回实验室自然阴干。挑出肉眼可辩的植物残渣、土块、石子等。经鉴定供试藓结皮主要由较丛藓科和真藓科植物构成，包括土生对齿藓(Didymodon vinealis(Brid.)Zand.)、小扭口藓(Barbula indica(Hook.)Spreng.)皱叶毛口藓(Trichostomum crispulum Bruch.)、长尖对齿藓Didymodonditrichoides(Broth.)X.J.Li、丛生真藓Bryum ceaspiticium Hedw.等，以土生对齿藓(Didymodon vinealis(Brid.)Zand.)为优势种。

1.1.2培养基土壤

培养基土壤采集地点与苔藓结皮采集地点相同。为消除结皮层中散落的繁殖体的影响，首先除去地上苔藓结皮及0-5cm厚的土层，然后掘取5-20cm土层。采集土壤后运到实验室自然晒干，过2mm筛后，放置在阴凉处备用。

1.2接种材料的制备

首先，将阴干的原状苔藓结皮用植物粉碎机粉碎，制成种子土。准确称取10g种子土，将其浸入水中，用0.1mm土壤筛过滤(苔藓茎叶直径均大于0.1mm，过滤中不会丢失)，收集苔藓茎叶碎片，阴干。经测定，单位质量种子土中苔藓植株茎叶碎片质量为120g/Kg。其次，将种子土与培养基黄土按照质量比分别为4∶0、3∶1、2∶2、1∶3比例均匀混合，得到单位质量种子土中茎叶碎片质量分别为120、100、80、60g/Kg的接种材料，以黄土高原苔藓结皮层容重1.15g/cm³平铺5mm后，经前述方法测定，接种量(单位面积苔藓结皮茎叶碎片质量)分别为：700、550、400、250g/m²。

1.3培养材料的制备

首先在培育盒(长、宽、高：242mm、168mm、50mm。底部均匀分布9个直径为6mm的小孔)底部铺上一层纱网。其次，将晾干并过2mm筛后的基质土装入培育盒，厚度为40mm。最后，将不同接种量的接种材料按照试验设计平铺至基质土壤上，厚度为5mm。

1.4苔藓结皮培养过程

试验在中国科学院水利部水土保持研究所人工气候室内完成。根据已有文献报道，将人工气候室内温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光周期分别固定为20/10℃(昼/夜)、60％、400ppm、12h。将培养材料放置在人工气候室培养台上。通过控制试验样品正上方遮阳网的层数来实现不同光照强度。每个处理用4个重复样品中的1个样品专门测定表层土壤含水量，为了快速测定，土壤含水量用酒精燃烧法测定。试验初期，每隔1天测定表层土壤含水量，试验后期，每隔4天测定一次。依据每个处理所测定的含水量，适当调整喷水时间，使表层土壤含水量维持在设定范围。整个试验过程中，苔藓结皮生长指标(盖度和密度)每10天测定一次，试验结束时测定叶绿素a，当结皮盖度趋于稳定时试验结束。

1.5观测指标及方法

株密度：每个培养盒中均匀选取9个2cm×2cm小框，数出小框内的苔藓株数，求平均值；

盖度：采用李新荣的点针样框法，网格规格为0.8cm×0.8cm；

叶绿素a：在BSCs研究中，大多数学者用叶绿素a代表生物量。具体测定方法：利用直径为1.6cm的圆形内空管采样器采集苔藓结皮，每个培育盒采4个面积为2.01cm²、厚度为5mm的样品。将样品放入0.1mm筛，用自来水冲洗，使苔藓结皮植株与土壤分离，将苔藓植株晾干后放入研钵，加入少量石英砂、碳酸钙及3ml95％乙醇，研磨成匀浆，再加95％乙醇5mL，继续研磨至组织变白。静置5min，过滤到25mL棕色容量瓶中，并用少量95％乙醇冲洗数次，直至滤纸和残渣中无绿色为止，最后用95％乙醇定容，比色测定色素，以95％乙醇为空白。在665nm和649nm下测定吸光度。用如下公式计算其浓度：

ρ＝13.95×A665nm-6.88×A649nm；

W＝ρ×V×N/S

式中：ρ-叶绿素a浓度(mg·L^-1)；W-叶绿素a含量(μg·cm^-2)；

V-提取液体积(mL)；N-稀释倍数；S-样品的取样面积(cm²)。

2结果与分析

(1)苔藓结皮盖度的变化

盖度是能够直观反映苔藓结皮生长发育的一个指标。通过在不同时间段测定苔藓结皮盖度得出：处理16(表层0-1cm土壤含水量、光照强度、接种量分别为25-30％、1000Lx、700g/m²)是培育黄土高原苔藓结皮的最佳因子组合，其盖度在培育第40天已达到99％，已完全覆盖地表。图2为各处理盖度随时间的变化。

(2)苔藓结皮密度的变化

整个培育期间苔藓密度随时间的变化如图3所示：处理1、2、3、4苔藓密度在整个实验过程中均处于极低水平(0.40-0.56株/cm²)。处理5-16苔藓密度均随时间逐步增加，至实验第40天时，处理16苔藓密度最高，达到57.5株/cm²。处理16(表层土壤含水量、光照强度、接种量分别为25-30％、1000Lx、700g/m²)是培育黄土高原苔藓结皮的最佳因子组合。

(3)苔藓结皮生物量的变化

分析不同处理实验末期(第60天)叶绿素a含量(图4)可知：实验末期处理16叶绿素a含量显著高于其他处理(p＜0.01)，处理16(表层土壤含水量、光照强度、接种量分别为25-30％、1000Lx、700g/m²)是培育黄土高原苔藓结皮的最佳因子组合。

野外自然条件下土壤含水量、光照强度不易控制，可选择在降水较多、气温较低的季节(建议在夏末秋初)，植被覆盖较好的地区(或采取遮阳网覆盖的方法)，进行黄土高原苔藓结皮的培育。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变换或等效替换均落入本发明的保护范围内。