葡萄糖和含氮、磷、鉀、鎂對(duì)蘚結(jié)皮形成發(fā)育的影響

生物土壤是指由土壤表面以下的綠綠藻、小型真菌、土壤和其他低維管束植物組成的復(fù)合土層。在干旱、半干旱地區(qū),其平均蓋度可以達(dá)到60%~70%甚至更高,是干旱、半干旱地區(qū)普遍存在的地被物,具有重要的生態(tài)功能,對(duì)土壤水分的運(yùn)動(dòng)與循環(huán)、土壤理化性狀、肥力和抗侵蝕性等均有重要影響。組成生物結(jié)皮的藻類、苔蘚和地衣是常見(jiàn)的先鋒拓殖物種,能夠在干旱缺水、營(yíng)養(yǎng)貧瘠、生境惡劣的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖,并且能通過(guò)其代謝方式改變環(huán)境,在防風(fēng)固沙、防止土壤侵蝕和區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化等方面都具有重要作用。已有的研究表明,雖然所處環(huán)境不同,生物結(jié)皮的發(fā)育過(guò)程不盡相同,但大致都是按照從藻結(jié)皮到地衣結(jié)皮或蘚結(jié)皮這樣一個(gè)順序進(jìn)行的。在我國(guó)黃土丘陵區(qū),蘚結(jié)皮的形成是生物土壤結(jié)皮演替發(fā)育的最終階段。蘚類植物在惡劣的環(huán)境條件下,能夠利用無(wú)性繁殖,以芽孢或植物體碎片方式形成新的植物體。趙建成等對(duì)叢蘚科的小扭口蘚芽孢進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)由芽孢發(fā)育長(zhǎng)成具有幼葉的配子體需40d。通過(guò)蘚類植物的人工培養(yǎng)試驗(yàn),研究了植物生長(zhǎng)物質(zhì)、光照和溫度等因素對(duì)蘚類植物萌發(fā)、生長(zhǎng)的影響,但蘚種不同,這些因素的影響結(jié)果差異很大,而有關(guān)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)蘚類植物萌發(fā)、生長(zhǎng)影響的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道。此外,由于每種蘚的繁殖生物學(xué)特性各不相同,及其長(zhǎng)期對(duì)不同生境的適應(yīng),具體到某一個(gè)氣候區(qū)的蘚類植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的反應(yīng)也存在一定的差異,因此需要針對(duì)不同氣候區(qū)的不同蘚類植物進(jìn)行具體研究。陜北黃土丘陵區(qū)是世界上土壤侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū)之一,生物結(jié)皮作為土壤表面的一個(gè)特殊復(fù)合層,可以顯著提高土壤的抗蝕性。因此,本研究以黃土丘陵區(qū)自然發(fā)育的生物土壤結(jié)皮——蘚結(jié)皮為種源,通過(guò)室內(nèi)人工培養(yǎng)試驗(yàn),探索了葡萄糖、硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂等幾種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)其形成發(fā)育的影響,以期為黃土丘陵區(qū)生物土壤結(jié)皮的人工修復(fù)提供技術(shù)指導(dǎo)。1材料和方法1.1材料表面1.1.1地上生物土壤結(jié)皮的采集培養(yǎng)試驗(yàn)所用土壤采自中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持研究試驗(yàn)站的山地試驗(yàn)場(chǎng)12年自然撂荒地,為黃土母質(zhì)上發(fā)育而來(lái)的黃綿土(鈣質(zhì)干潤(rùn)雛形土),為消除結(jié)皮層中散落的繁殖體的影響,采集時(shí)首先除去地上生物土壤結(jié)皮及0~5cm厚的土層,然后掘取5~20cm土層。土壤采集后運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,研磨過(guò)篩(孔徑2mm)作為培養(yǎng)基土壤備用。風(fēng)干土含水率為0.89%(烘干法),其他基本養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。退耕地植被類型為由白羊草(Bothriochloaischemum)、鐵桿蒿(ArtemisiasacrorumL.)、長(zhǎng)芒草(StipabungeanaTrin)等組成的草本植物群落。1.1.2苔蘚結(jié)皮的清理供試蘚結(jié)皮樣于2008-04-05從中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持研究試驗(yàn)站的山地試驗(yàn)場(chǎng)10年以上撂荒地上采集。采集時(shí),選擇發(fā)育良好、具有成熟孢蒴的蘚結(jié)皮,用小鏟鏟取蘚結(jié)皮連同1cm的土層,裝入潔凈塑料袋中,及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。在此過(guò)程中剔除肉眼可辨的植物殘?jiān)⑼翂K、石子等。供試蘚結(jié)皮主要由較耐旱的叢蘚科和真蘚科植物構(gòu)成,包括短葉扭口蘚(Babulartectorm)、細(xì)葉扭口蘚(Barbulaperobtusa)、綠色流蘇蘚(Crossidiumsquamigerum)及刺葉真蘚(Bryumclathratum)等,本研究以短葉扭口蘚為主。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.2.1接種材料的準(zhǔn)備試驗(yàn)采用混合結(jié)皮接種,將風(fēng)干的原狀蘚結(jié)皮用植物試樣粉碎機(jī)粉碎備用。用塑料杯(高8cm,內(nèi)徑6cm)作為培養(yǎng)器皿,每杯裝土100g作為培養(yǎng)基質(zhì),裝土后每杯澆20mL蒸餾水,將準(zhǔn)備好的接種材料撒在培養(yǎng)基質(zhì)上,然后覆一薄層土,覆土以剛好覆蓋接種材料為宜。用保鮮膜封口后放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30d。培養(yǎng)箱條件設(shè)定為,光照5230lx,光周期12h/d,溫度20℃。1.2.2不添加營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)供試營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有硝酸銨(N)、磷酸二氫鉀(P)、硫酸鎂(Mg)和葡萄糖(D)。設(shè)置硝酸銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂和葡萄糖4個(gè)因素,以不添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為空白對(duì)照(CK)。各因素用量設(shè)5個(gè)水平:硝酸銨為0.5,1.0,2.0,4.0,8.0g/L;磷酸二氫鉀為0.5,1.0,2.0,4.0,8.0g/L;硫酸鎂為0.25,0.5,1.0,2.0,4.0g/L;葡萄糖為10,20,30,40,50g/L,每個(gè)水平重復(fù)6次。營(yíng)養(yǎng)元素按設(shè)計(jì)水平配制成相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)原液,于接種前將營(yíng)養(yǎng)原液用醫(yī)用注射器均勻地一次性施入培養(yǎng)基土壤中。1.3苔蘚密度的測(cè)定觀察記錄配子體的出土?xí)r間和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài),統(tǒng)計(jì)蘚結(jié)皮蓋度、蘚株密度和蘚株高。采用固定小樣方隨機(jī)取樣法,在每一個(gè)培養(yǎng)杯中隨機(jī)取3個(gè)面積為1cm2的樣方,用小樣方投影目測(cè)法觀測(cè)其蓋度,計(jì)量每個(gè)樣方上的實(shí)際蘚株數(shù)目作為密度值,隨機(jī)抽取樣方內(nèi)的6株蘚株測(cè)量其高度取平均值。1.4單因素方差分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件處理,對(duì)不同添加物質(zhì)組間及同一添加物質(zhì)組內(nèi)蘚結(jié)皮生長(zhǎng)蓋度、密度與株高的平均值進(jìn)行方差分析及多重比較(LSD)。2結(jié)果與分析2.1不同營(yíng)養(yǎng)處理對(duì)蘚結(jié)皮寬皮蓋度和苔蘚株密度的影響苔蘚植物所需的礦質(zhì)養(yǎng)分元素與維管束植物相似。本試驗(yàn)將維管束植物中常用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一次性施入土壤培養(yǎng)基,觀察比較其對(duì)蘚結(jié)皮形成發(fā)育的影響,結(jié)果如表2所示。由表2可知,在相同的培養(yǎng)條件下,蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度由高到低依次為D>Mg>N>P>CK。與空白對(duì)照(CK)相比,添加葡萄糖和硫酸鎂可以顯著增加蘚結(jié)皮的蓋度和蘚株密度,其中以添加葡萄糖時(shí)蘚結(jié)皮的蓋度和蘚株密度最大,分別達(dá)到了17.2%和14.6株/cm2;添加硝酸銨、磷酸二氫鉀的處理與CK間差異不顯著。在所有處理中,以添加葡萄糖處理的蘚株高最大,達(dá)1.9mm,并顯著高于CK和其他3種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)處理。苔蘚植物屬高等植物中的低等類群,本身就有很強(qiáng)的耐瘠薄能力,只需要少量養(yǎng)分就能正常生長(zhǎng)。有研究表明,土壤浸出液中富含蘚類植物孢子萌發(fā)與原絲體發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)成分。本研究所用的土壤培養(yǎng)基本身就含有一定的營(yíng)養(yǎng)成分(表1),其所含有的N、P2種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)可以滿足蘚結(jié)皮形成發(fā)育的需求,所以與空白對(duì)照(CK)相比,添加這2種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)蘚結(jié)皮的形成發(fā)育沒(méi)有顯著影響。但是植物生長(zhǎng)所需的微量元素鎂,以及土壤營(yíng)養(yǎng)中所沒(méi)有的葡萄糖,則對(duì)蘚結(jié)皮的形成發(fā)育有顯著影響。2.2糖對(duì)苔蘚生長(zhǎng)的影響研究表明,補(bǔ)充外源糖可以促進(jìn)青椒植株的生長(zhǎng),且其對(duì)葡萄糖的吸收率高于蔗糖。已有的植物組織培養(yǎng)試驗(yàn)證明,有機(jī)碳素可以使培養(yǎng)物的生長(zhǎng)速率得到明顯改善,其效果依次為葡萄糖、蔗糖、甘露醇、果糖、纖維二糖和麥芽糖等。不同質(zhì)量濃度的葡萄糖對(duì)蘚結(jié)皮蓋度、蘚株密度和蘚株高的影響如表3所示。從表3可以看出,隨著葡萄糖質(zhì)量濃度的增高,蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度基本呈增加趨勢(shì),在50g/L時(shí)均達(dá)到最高,分別為21.2%和18.9株/cm2。與空白對(duì)照(CK)相比,30~50g/L葡萄糖顯著增加了蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度,10~20g/L葡萄糖處理的蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度與CK之間差異不顯著。10~50g/L葡萄糖處理的蘚株高度與CK之間差異均不顯著。由此可以推斷,葡萄糖能夠促進(jìn)蘚結(jié)皮中蘚類植物的原絲體萌發(fā)和配子體形成,但對(duì)蘚株高生長(zhǎng)的影響不顯著。碳源是細(xì)胞生長(zhǎng)的能量來(lái)源和構(gòu)成細(xì)胞骨架的重要成分。研究表明,牛角蘚懸浮細(xì)胞的增長(zhǎng)速率隨著培養(yǎng)基中蔗糖的增加而增加,在含30g/L蔗糖的培養(yǎng)基中細(xì)胞增長(zhǎng)最快。Takami等用MSF培養(yǎng)基培養(yǎng)角苔時(shí)發(fā)現(xiàn),如果培養(yǎng)基中的葡萄糖或者蔗糖耗盡時(shí),即使在光照條件下細(xì)胞也不會(huì)生長(zhǎng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明,在土壤培養(yǎng)基中添加葡萄糖能夠提高蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度,促進(jìn)蘚結(jié)皮中蘚類植物的原絲體萌發(fā)和配子體形成,從而提高蘚結(jié)皮的形成與發(fā)育,隨著葡萄糖質(zhì)量濃度的增加,這種促進(jìn)作用越發(fā)明顯。2.3硝酸銨質(zhì)量濃度對(duì)蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度的影響植物組織培養(yǎng)試驗(yàn)證明,在培養(yǎng)基中施用無(wú)機(jī)氮素以硝酸銨的促生長(zhǎng)效果最好,而對(duì)于土壤培養(yǎng)基中施用硝酸銨對(duì)培養(yǎng)物生長(zhǎng)的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究在土壤培養(yǎng)基中施入不同質(zhì)量濃度的硝酸銨,觀察其對(duì)蘚結(jié)皮形成發(fā)育的影響,結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,隨著硝酸銨質(zhì)量濃度的增加,蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度先增后減,當(dāng)硝酸銨質(zhì)量濃度為1.0g/L時(shí)均達(dá)到最大,分別為18.1%和16.3株/cm2,顯著高于CK和4.0,8.0g/L硝酸銨處理,與0.5和2.0g/L硝酸銨處理之間差異不顯著。在所有處理中,以8.0g/L硝酸銨處理的蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度最低,分別為4.5%和4.4株/cm2,顯著低于其他4個(gè)質(zhì)量濃度處理,與CK之間差異不顯著;蘚株高也以8.0g/L硝酸銨處理最低,并顯著低于其他處理。由此可見(jiàn),硝酸銨質(zhì)量濃度達(dá)到8.0g/L時(shí),蘚結(jié)皮的形成發(fā)育受到了抑制。2.4磷酸二氫鉀處理過(guò)多從苔蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度的變化情況磷酸二氫鉀可以為植物提供K素和P素,而磷和鉀都是植物生活必需的營(yíng)養(yǎng)元素。本研究在土壤培養(yǎng)基中施入不同質(zhì)量濃度的磷酸二氫鉀,觀察其對(duì)蘚結(jié)皮形成發(fā)育的影響,結(jié)果如表5所示。由表5可以看出,隨著磷酸二氫鉀質(zhì)量濃度的增加,蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),用2.0g/L磷酸二氫鉀處理時(shí)蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度達(dá)到最大,顯著高于8.0g/L磷酸二氫鉀處理。可見(jiàn),過(guò)高質(zhì)量濃度的磷酸二氫鉀并不利于蘚結(jié)皮的形成和發(fā)育。各處理的蘚結(jié)皮蓋度、蘚株密度和蘚株高與CK相比差異均不顯著。磷酸二氫鉀目前一般多用于根外追肥,與從土壤基質(zhì)中獲得鈣和鎂元素的方式不同,蘚類植物對(duì)鉀和磷元素的吸收要靠土壤以外的來(lái)源給予補(bǔ)充。而本研究是將其配制成一定質(zhì)量濃度的營(yíng)養(yǎng)液后一次施入土壤,這可能是添加磷酸二氫鉀對(duì)蘚結(jié)皮的生長(zhǎng)無(wú)明顯影響的原因之一。如果將同等用量的磷酸二氫鉀在結(jié)皮發(fā)育的不同階段分次以不同方式加入,結(jié)果也許會(huì)不同,但這有待于進(jìn)一步研究。2.5硫酸鎂對(duì)苔蘚生長(zhǎng)的影響鎂是植物生長(zhǎng)的必需元素,植物對(duì)鎂的吸收不僅取決于土壤中有效鎂的含量,而且陽(yáng)離子如K+、Ca2+等的拮抗作用也會(huì)引起植物缺Mg2+。蘚類植物所需的鎂可以從土壤基質(zhì)中獲得,而黃土丘陵區(qū)的黃綿土呈強(qiáng)石灰性反應(yīng),氧化鈣含量高達(dá)6%~8%,磷、鉀含量較豐富,分別為0.12%~0.2%和1.5%~2.5%,由于K+、Ca2+等陽(yáng)離子對(duì)Mg2+有拮抗作用,可能會(huì)導(dǎo)致土壤中的鎂元素相對(duì)缺乏。因此,本研究在土壤培養(yǎng)基中施入硫酸鎂,觀察其對(duì)蘚結(jié)皮形成發(fā)育的影響,結(jié)果如表6所示。從表6可以看出,硫酸鎂對(duì)蘚結(jié)皮的形成發(fā)育有一定影響,但影響結(jié)果因質(zhì)量濃度不同而存在較大差異。在0.25g/L硫酸鎂處理下,蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度最大,分別達(dá)到了17.2%和14.8株/cm2。與空白對(duì)照(CK)相比,添加0.25和0.5g/L硫酸鎂可以顯著提高蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度,其余3個(gè)處理與CK相比差異不顯著,各處理之間差異也不顯著。5個(gè)質(zhì)量濃度處理對(duì)蘚株高的影響與CK相比差異均不顯著。苔蘚生長(zhǎng)所需的Mg2+主要來(lái)源于降水,由此可見(jiàn),蘚類植物對(duì)鎂的需求量不大。研究表明,當(dāng)土壤溶液Mg2+含量較高時(shí),植物對(duì)Mg2+的吸收屬被動(dòng)吸收,主要受蒸騰速率的影響;而當(dāng)Mg2+含量較低時(shí),植物對(duì)Mg2+的吸收屬主動(dòng)吸收,不受蒸騰速率的影響。在蘚結(jié)皮形成發(fā)育初期,蒸騰作用不明顯,土壤溶液中Mg2+的含量較低,有利于主動(dòng)吸收,這可能是低質(zhì)量濃度(0.25g/L)硫酸鎂處理能促進(jìn)蘚結(jié)皮形成發(fā)育,而高質(zhì)量濃度處理作用不顯著的主要原因。3不同施入量法添加糖對(duì)蘚結(jié)皮黃髓黃的影響1)土壤培養(yǎng)基中添加葡萄糖和硫酸鎂可以顯著提高蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度。其中添加葡萄糖的蘚結(jié)皮蓋度、蘚株密度和蘚株高均最大。添加葡萄糖能夠提高單位面積蘚類植物的數(shù)量及生長(zhǎng)態(tài)勢(shì),但對(duì)蘚株高的影響不顯著。葡萄糖對(duì)蘚結(jié)皮蓋度和蘚株密度有促進(jìn)作用,隨著葡萄糖質(zhì)量濃度的增加,這種促進(jìn)作用越發(fā)明顯,蘚結(jié)皮的形成發(fā)育與葡萄糖添加量明顯呈正相關(guān)。30g/L葡萄糖是黃土丘陵區(qū)蘚結(jié)皮人工土培中較適宜的添加量。2)氮素對(duì)蘚結(jié)皮生長(zhǎng)有一定影響,低質(zhì)量濃度的硝酸銨可以提高單位面積蘚類植物的數(shù)量及生長(zhǎng)態(tài)勢(shì),