提要:土壤中全量化學元素既是植物礦質營養的源泉，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意義。文中采用電感耦合等離子體發射光譜儀(PEICP-OES)分析測定了沙地沙漠固沙林植被下苔蘚結皮層全量化學元素含量變化。

　　結果表明，苔蘚結皮層SiO2平均含量為60.77%，其它全量化學元素組成(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皮不斷積累更多的細顆粒物質，苔蘚結皮層SiO2含量呈現出明顯降低的趨勢，而其它全量化學元素含量均呈現增加趨勢。

　　苔蘚結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，硅鐵鋁率均呈現降低趨勢，同時大氣降塵中的全量化學元素組成含量以及硅鐵鋁率均高于苔蘚結皮層和流動沙土。風沙環境下苔蘚結皮層的形成和長期保留，對改善風沙土礦物質元素含量具有積極作用。

　　關鍵詞:苔蘚生物結皮;土壤礦質全量;硅鐵鋁率;固沙林

　　土壤礦物質由成土母質繼承和演變而來，同時又是植物礦質營養的源泉，是全面影響土壤肥力高低的一個重要因素。所以，測定土壤中礦物質元素(或全量化學元素)含量對進一步分析土壤形成演化過程具有指導意義。在長期的固沙生產實踐中，人們發現流動沙丘固定后，地表最明顯的變化是覆蓋了生物結皮層(biologicalsoilcrusts，BSC)，它不僅對固定流沙具有重要作用，而且對改善區域生態環境狀況、促進風沙土發育等也具有良好效果。

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

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

　　單飛彪[7]認為自然生物結皮對土壤養分含量的影響范圍僅限于表層0-5cm，對更深層次土壤養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皮后，結皮中顆粒組成發生明顯變化，其中0.25mm-0.05mm粒徑級(粗砂粒)含量明顯減少。張軍紅等[9]研究表明生物結皮能顯著增加表層土壤有機質、全氮及土壤細顆粒成分的含量。文中研究了沙地沙漠苔蘚生物結皮層礦物質元素含量變化特征，對評價沙漠生物結皮及其和流動風沙土發育的關系具有指導作用。

　　1試驗設計與研究方法

　　1.1研究地概況

　　按照氣候干燥指數和地帶性土壤分布規律，研究樣地分別選擇渾善達克沙地、庫布齊沙漠和騰格里沙漠固沙林。渾善達克沙地選擇在多倫縣，屬溫帶半干旱向半濕潤過渡區氣候區，干燥度1.4。年平均降雨386.2mm，年平均氣溫1.6℃，年平均蒸發量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拉特旗，屬溫帶半干旱氣候區，干燥度2.05。

　　年平均降雨317mm，年平均氣溫6℃，年平均蒸發量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院沙坡頭沙漠試驗站，屬溫帶干旱荒漠氣候區，干燥度2.5。

　　年平均降雨186.4mm，年平均氣溫9.6℃，年平均蒸發量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

　　根據固沙林營造時間及植被恢復情況，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皮層樣品，結皮層厚度1.0-1.5cm。每個樣地采集3個重復樣品，混合后的樣品帶回室內風干，過60目篩備用。同時，在渾善達克沙地利用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蒙古瑞普精準檢驗檢測有限責任公司進行測定。具體方法是采用偏硼酸鋰熔融，電感耦合等離子體發射光譜儀(PEICP-OES)測定樣品中礦物質元素含量，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，Fe2O3含量÷160。

　　2結果與分析

　　2.1沙地苔蘚生物結皮層全量化學組成特征

　　苔蘚結皮層全量化學元素組成以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%。說明沙地環境下苔蘚結皮層全量化學元素組成含量仍然具有流動風沙土的特征。同時，隨著固沙植被時間的增加、植被攔截細顆粒物數量的增加以及苔蘚結皮不斷積累更多的細顆粒物質等因素的影響，苔蘚結皮層中TiO2、P2O5、CaO、MgO、K2O、Fe2O3、AL2O3含量也呈現增加的趨勢。

　　此外，苔蘚結皮層其它全量化學元素組成(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皮層全量化學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皮層養分含量中的突出作用。

　　因為固沙植物通過攔截近地表風沙流和大氣降塵，增加生物結皮層顆粒物質的同時，也通過顆粒物質輸入營養元素。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、全磷和有機質含量對生物結皮層的養分增加具有積極作用。

　　2.2沙漠苔蘚結皮層全量化學組成特征

　　沙漠干旱、少雨、大風等不利環境下，細顆粒物質相對更少。而固沙植被下形成生物結皮層后，細顆粒物質增加，明顯改善其全量化學組成含量。

　　沙漠苔蘚結皮層全量化學組成(SiO2除外)含量均高于對照風沙土，且在騰格里沙漠，同樣隨著固沙植被時間的增加、植被攔截細顆粒物數量的增加以及苔蘚結皮的不斷積累更多的細顆粒物質等因素的影響，苔蘚結皮層SiO2含量呈現出明顯降低的趨勢，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，而對照風沙土SiO2含量為753.71g·kg-1。

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

　　特別是苔蘚結皮層中Fe2O3、AL2O3、MnO、P2O5、CaO、MgO等元素含量顯著增加對改善風沙土養分狀況具有積極意義。陳隆亨等[12]認為，化學成分隨著土壤發育而增加的趨勢，既與植物著生后土壤礦物風化有關，也有細土物質不斷沉積的影響。所以沙漠苔蘚結皮層的形成和長期保留，對改良風沙土礦物質元素含量及促進風沙土形成演變意義重大。

　　2.3沙漠苔蘚結皮層硅鐵鋁率變化特征

　　硅鐵鋁率是指用以表達土壤脫硅富鋁化程度的比值。陳隆亨等[21]認為，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率由流動風沙土向半固定風沙土、固定風沙土而降低，表明土壤發育過程逐漸向好的方向發展。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、植被攔截細顆粒物數量的增加以及苔蘚結皮不斷積累更多的細顆粒物質等因素的影響，苔蘚結皮層硅鐵鋁率均表現出降低的趨勢。

　　例如，在庫布齊沙漠，對照風沙土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皮層分別為5.15、6.30和28.22;40固沙植被年苔蘚結皮層分別為2.45、3.14和11.11，說明沙漠苔蘚生物結皮層的存在對風沙土形成演變具有促進作用。

　　2.4沙地苔蘚結皮層硅鐵鋁率變化特征

　　綜上所述，在沙地環境下，隨著固沙植被時間增加，苔蘚結皮層硅鐵鋁率均呈現降低趨勢。對照風沙土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皮層分別為5.82、6.67和45.36;36年固沙植被下苔蘚結皮層分別為5.32、6.61和27.16。

　　而值得關注的是在沙漠環境下，SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率明顯低于沙地環境，表明沙漠環境下，苔蘚結皮層中細顆粒物成分沉積量更多一些，相應的Fe2O3、AL2O3含量也高。

　　陳隆亨等[12]，數據表明，在科爾沁沙地奈曼旗，0-10cm土層SiO2含量為862.6g·kg-1，Fe2O3含量為7.45g·kg-1，AL2O3含量為77.30g·kg-1;在渾善達克沙地，正蘭旗0-16cm土層SiO2含量為813.8g·kg-1，Fe2O3含量為14.40g·kg-1，AL2O3含量為80.70g·kg-1;在騰格里沙漠，中衛縣，0-1cm土層SiO2含量為720.1g·kg-1，Fe2O3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皮層和風沙土，且SiO2/R2O3、SiO2/AL2O3、SiO2/Fe2O3比率更低，同樣反映出大氣降塵中細顆粒物質含量對硅鐵鋁率變化的重要影響，并進一步影響到風沙土全量化學元素組成含量的變化，有利于促進風沙土的演變過程。

　　3討論

　　沙漠生物結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物(胞外多糖)與沙粒組成，是土壤顆粒物與有機物緊密結合在土壤表層形成的一種殼狀體，是沙漠地區最具特色的微自然景觀，是風沙土物質和能力交換的最表層。杜曉暉[13]研究認為"沙漠結皮不僅是沙地固定后環境變化的直觀反映，而且是由蘚類植物組成的一層活地被物，實質也是植物群落的組成部分"。

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

　　齊雁冰等[14]研究認為，隨植物固定流沙時間增加，結皮層顆粒組成細化趨勢明顯，有機碳、速效養分、全氮含量不斷提高。寧遠英研究[15]表明以藻類占優勢的藻結皮向以苔蘚植物占優勢的蘚結皮發展過程中，粗砂、細砂含量逐漸減少而粉砂逐漸增加，同時，隨著沙丘進一步固定，藻結皮蓋度不斷增加，土壤生態系統不斷改善，促進蘚類植物定居，并形成蘚結皮，蘚結皮蓋度不斷增加，生物結皮逐漸演化達到頂級，有效增加了土壤養分含量，并進一步為土壤生態系統的健康發展創造了有力條件。

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

　　本研究進一步表明，在風沙環境下苔蘚生物結皮層全量化學元素組成含量明顯高于對照風沙土，特征是用以表達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、植被攔截細顆粒物數量的增加以及苔蘚結皮不斷積累更多的細顆粒物質等因素的影響，苔蘚結皮層全量化學元素組成含量增加趨勢明顯，硅鐵鋁率進一步減低，表明沙漠苔蘚結皮層的形成和長期保留，對改良風沙土理化性質意義重大。

　　同時大氣降塵中Fe2O3、AL2O3、TiO2、P2O5、CaO、MgO等元素含量比生物結皮層中各元素含量顯著增加，而大氣降塵全量化學元素參與物質循環，進一步影響到風沙土全量化學元素組成含量的變化，反映出大氣降塵在改善生物結皮層養分含量以及促進風沙土演變中的突出作用。

　　4結論

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

　　(2)苔蘚生物結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皮不斷積累更多的細顆粒物質等因素的影響，苔蘚結皮層硅鐵鋁率均呈現降低趨勢，表明苔蘚結皮層的存在對風沙土形成演變具有促進作用。

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

　　參考文獻

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　　[2]閆德仁，薛英英，趙春光.沙漠生物結皮國內研究現狀[J].內蒙古林業科技，2007，33(3):28-32.

　　[3]賈寶全，張紅旗，張志強，等.甘肅省民勤沙區土壤結皮理化性質研究[J].生態學報，2003，23(7):1442-1448.

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　　生態方向論文投稿期刊：《植物生態學報》(月刊)創刊于1955年，是由中國科學院主管、中國科學院植物研究所中國植物學會主辦的我國生態學領域創刊最早的專業性學術刊物。主要刊登：植物生態學領域及與本學科有關的創新性原始論文或有新觀點的國際植物生態學研究前沿和動態的綜述。獲獎情況：中國期刊方陣“雙效”期刊.