接种复合藻液对河西走廊工程扰动面生物结皮及土壤性质的影响

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00047

摘要/Abstract

摘要：

为探究人工接种复合藻液对河西走廊工程迹地生物结皮（Biological soil crusts， BSC）生长及土壤性质的影响，在甘肃古浪模拟5种工程扰动面（Disturbed surfaces， S），人工喷施复合藻液（Treatments，T），观测不同扰动面和处理下BSC生长和土壤养分等的变化。结果显示：不同的扰动面BSC生长良好，无明显风蚀发生。S对BSC的生长、土壤养分和土壤酶活性影响极其显著（P<0.001）；T在短期内对BSC生长影响不明显，但随着时间的延长各扰动面BSC生物量、BSC厚度、土壤养分和土壤磷酸酶显著增加（P<0.05，2 a）。填方边坡阴坡的BSC生长最快（1.629 µg·g^-1 Chl a，2 a），比3个月时的BSC生物量增加了439.4%；BSC厚度、土壤酶活性、有效磷及速效钾含量均显著高于其他扰动面（P<0.05）。复合藻液可有效诱导BSC，其土壤硬度、BSC生物量、碱性磷酸酶和土壤养分显著增加（P<0.05）。藻液、微生物菌剂和沙蒿胶的联合固沙新方法可用于工程建设扰动后BSC快速重建。扰动面类型对人工BSC的发育影响显著，阴坡更利于BSC定植和生长。

关键词: 河西走廊, 工程扰动面, 人工生物结皮, 风蚀防治, 土壤养分

Abstract:

This study investigates the effects of artificially inoculated composite algal solutions on the growth of Biological Soil Crusts （BSC） and soil properties in engineering-disturbed areas of the Hexi Corridor. In Gulang， Gansu Province， five types of disturbed surfaces （S） were simulated， and composite algal solutions （Treatments， T） were applied to observe changes in BSC growth and soil nutrients under different disturbed surfaces and treatments. The results show that BSC grew well on all disturbed surfaces， with no significant wind erosion observed. The disturbed surface （S） had a highly significant impact on BSC growth， soil nutrients， and soil enzyme activity （P<0.001）. Although the treatment （T） did not show an immediate effect on BSC growth， over time， the biomass and thickness of BSC， as well as soil nutrients and soil phosphatase activity， significantly increased across all disturbed surfaces （P<0.05， 2 years）. The north-facing slope of the filled embankment exhibited the fastest BSC growth rate （1.629 µg Chl a·g⁻¹， 2 years）， with a 439.4% increase in BSC biomass compared to the initial three months. The BSC thickness， soil enzyme activity， available phosphorus， and potassium content were significantly higher on this slope than on other disturbed surfaces （P<0.05）. The composite algal solution effectively induced BSC formation， significantly increasing soil hardness， BSC biomass， alkaline phosphatase activity， and soil nutrients （P<0.05）. A new sand-fixing method combining algal solutions， microbial agents， and Artemisia sphaerocephala gum can be used for rapid BSC restoration after engineering disturbances. The type of disturbed surface significantly influences the development of artificial BSC， with north-facing slopes being more conducive to BSC colonization and growth.

Key words: Hexi Corridor, disturbed surface, artificial biological soil crusts, wind erosion prevention, soil nutrient

中图分类号:

S157.2

康红梅, 张军, 李鑫, 刘金鹏. 接种复合藻液对河西走廊工程扰动面生物结皮及土壤性质的影响[J]. 中国沙漠, 2025, 45(6): 37-46.

Hongmei Kang, Jun Zhang, Xin Li, Jinpeng Liu. Effects of artificially inoculated composite algal solutions on biological soil crusts and soil properties in engineering-disturbed areas of the Hexi Corridor[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(6): 37-46.

图/表 9

参考文献 40

[1]	田玉清，石道良，张淑倩，等.河西走廊水生植物多样性格局，群落特征及影响因素［J］.生态学报，2020，40（1）：202-212.
[2]	Rossi F， Li H， Liu Y D，et al.Cyanobacterial inoculation （cyanobacterisation）： perspective for the development of a standardized multifunctional technology for soil fertilization and desertification reversal［J］.Earth-Science Reviews，2017，171：28-43.
[3]	Zhou X J， Ke T， Li Sh X，et al.Induced biological soil crusts and soil properties varied between slope aspect，slope gradient and plant canopy in the Hobq Desert of China［J］.Catena，2020，190：104559.
[4]	周香君.人工生物土壤结皮的形成发育及其对微生境的响应机制［D］.武汉：武汉大学，2019.
[5]	West N E.Structure and function of microphytic soil crusts in wildland ecosystems of arid to semi-arid regions［J］.Advances in Ecological Research，1990，20：179-223.
[6]	Eldridge D J， Greene R S B.Microbiotic soil crusts： a review of their roles in soil and ecological processes in the rangelands of Australia［J］.Australian Journal of Soil Research，1994，32：389-415.
[7]	李新荣，谭会娟，回嵘，等.中国荒漠与沙地生物土壤结皮研究［J］.科学通报，2018，63：2320-2334.
[8]	Li X R， Xiao H L， Zhang J G，et al.Long-term ecosystem effects of sand-binding vegetation in the Tengger Desert，northern China［J］.Restoration Ecology，2004，12：376-390.
[9]	Guo Y R， Zhao H L， Zuo X A，et al.Biological soil crust development and its topsoil properties in the process of dune stabilization，Inner Mongolia，China［J］.Environmental Geology，2008，54：653-662.
[10]	Zhao H L， Guo Y R， Zhou R L，et al.The effects of plantation development on biological soil crust and topsoil properties in a desert in northern China［J］.Geoderma，2011，160：367-372.
[11]	Xiao B， Zhao Y G， Wang H F，et al.Natural recovery of moss-dominated biological soil crusts after surface soil removal and their long-term effects on soil water conditions in a semiarid environment［J］.Catena，2014，120：1-11.
[12]	赵洋，潘颜霞，苏洁琼，等.中国干旱区沙化土地绿色环保治理技术综述［J］.中国沙漠，2021，41（1）：195-202.
[13]	王楠，许文文，赵燕翘，等.荒漠蓝藻规模化培养试验［J］.中国沙漠，2022，42（4）：181-189.
[14]	郑娇莉，李双双，彭成荣，等.干燥对人工生物土壤结皮固氮酶活性恢复过程的影响［J］.中国科学：生命科学，2017，47（7）：759-769.
[15]	许文文，赵燕翘，王楠，等.人工生物土壤结皮对草本植物群落组成与多样性的影响［J］.中国沙漠，2022，42（5）：204-211.
[16]	谢作明.荒漠藻类对紫外辐射的响应及其结皮形成的研究［D］.武汉：中国科学院水生生物研究所，2006.
[17]	李玉领.沙蒿胶-微藻联合固沙效果的试验［D］.湖南衡阳：南华大学，2017.
[18]	张丙昌，王敬竹，张元明，等.水分对具鞘微鞘藻构建人工藻结皮的作用［J］.应用生态学报，2013，24（2）：535-540.
[19]	Wintermans J F， A De Mots.Spectrophotometric characteristics of chlorophylls a and b and their phenophytins in ethanol［J］.Biochimica et Biophysica Acta，1965，109（2）：448-453.
[20]	关松荫.土壤酶及其研究方法［M］.北京：农业出版社，1986：260-342.
[21]	鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000.
[22]	赵允格，许明祥， Jayne B.生物结皮光合作用对光温水的响应及其对结皮空间分布格局的解译：以黄土丘陵区为例［J］.生态学报，2010，30（17）：4668-4675.
[23]	Ai Z， He L R， Xin Q，et al.Slope aspect affects the nonstructural carbohydrates and C∶N∶P stoichiometry of Artemisia sacrorum on the Loess Plateau in China［J］.Catena，2017，152：9-17.
[24]	Zhang B C， Zhang Y M， Su Y G，et al.Responses of microalgal-microbial biomass and enzyme activities of biological soil crusts to moisture and inoculated Microcoleus vaginatus gradients［J］.Arid Land Research and Management，2013，27：216-230.
[25]	Wang W B， Liu Y D， Li D H，et al.Feasibility of cyanobacterial inoculation for biological soil crusts formation in desert area［J］.Soil Biology and Biochemistry，2008，41：926-929.
[26]	Park C H， Li X R， Zhao Y，et al.Rapid development of cyanobacterial crust in the field for combating desertification［J］.PLoS ONE，2017，12（6）：e0179903.
[27]	Xu Y H， Rossi F， Colica G，et al.Use of cyanobacterial polysaccharides to promote shrub performances in desert soils： a potential approach for the restoration of desertified areas［J］.Biology and Fertility of Soils，2012，49：143-152.
[28]	Zhao Y M， Zhu Q K， Li P，et al.Effects of artificially cultivated biological soil crusts on soil nutrients and biological activities in the Loess Plateau［J］.Journal of Arid Land，2014，6：742-752.
[29]	Xiao B， Wang Q H， Zhao Y G，et al.Artificial culture of biological soil crusts and its effects on overland flow and infiltration under simulated rainfall［J］.Applied Soil Ecology，2011，48：11-17.
[30]	Xiao B， Zhao Y G， Wang Q H，et al.Development of artificial moss-dominated biological soil crusts and their effects on runoff and soil water content in a semi-arid environment［J］.Journal of Arid Environment，2015，117：75-83
[31]	Lan S B， Zhang Q Y， Wu L，et al.Artificially accelerating the reversal of desertification： cyanobacterial inoculation facilitates the succession of vegetation communities［J］.Environmental Science & Technology，2014，48：307-315.
[32]	Guo Q B， Cui S W， Wang Q，et al.Extraction，fractionation and physicochemical characterization of water-soluble polysaccharides from Artemisia sphaerocephala Krasch seed［J］.Carbohydrate Polymers，2011，86（2）：831-836.
[33]	刘军，张宇清，秦树高，等.不同喷洒浓度沙蒿胶固沙效果试验［J］.农业工程学报，2016，32（5）：149-155.
[34]	杜宇佳，高广磊，陈丽华，等.土壤微生物膜对风沙土固沙保水特性的影响［J］.农业工程学报，2020，36（17）：98-105.
[35]	Castillo-Monroy A P， Bowker M A， Maestre F T，et al.Relationships between biological soil crusts，bacterial diversity and abundance，and ecosystem functioning：insights from a semi-arid Mediterranean environment［J］.Journal of Vegetation Science，2011，22（1）：165-174.
[36]	吴玮婷，刘振婷，高广磊，等.枯草芽孢杆菌对沙生植物种子萌发和幼苗生长生理特征的影响［J］.中国水土保持科学（中英文），2024，22（6）：70-76.
[37]	安富博，张德魁，赵锦梅，等.河西走廊不同类型戈壁土壤理化性质分析［J］.中国水土保持，2019，6：42-47.
[38]	谢作明，陈兰洲，李敦海，等.土壤丝状蓝藻在荒漠治理中的作用研究［J］.水生生物学报，2007，31（6）：886-890.
[39]	陈兰周，刘永定，李敦海，等.荒漠藻类及其结皮的研究［J］.中国科学基金，2003，2：90-93.
[40]	Barbero-Sierra C， Marques M J， Ruiz-Pérez M，et al.How is desertiﬁcation research addressed in Spain？ land versus soil approaches［J］.Land Degradation & Development，2015，26（5）：423-432.

参数	扰动面S（n=12）		处理T（n=15）		S×T
参数	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a
dF	4		3		12
SWC	97.176^***	1.293^ns	1.926^ns	0.773^ns	0.875^ns	0.616^ns
pH	7.667^***	17.244^***	0.658^ns	0.446^ns	3.328^**	2.313^*
土壤硬度	6.576^***	3.285^*	0.978^ns	5.171^**	2.713^**	1.736^ns
叶绿素a	10.429^***	9.103^***	2.224^ns	8.166^***	1.686^ns	2.902^**
BSC厚度	3.194^*	24.807^***	0.282^ns	2.934^*	1.362^ns	1.028^ns
碱性磷酸酶	13.909^***	18.557^***	2.563^ns	4.125^*	2.670^**	2.218^*
脲酶	20.290^***	36.330^***	0.708^ns	1.641^ns	2.948^**	1.565^ns
过氧化氢酶	16.405^***	24.832^***	1.684^ns	2.355^ns	2.942^**	2.371^*
有机质	—	26.315^***	—	1.942^ns	—	2.175^*
全氮	—	10.798^***	—	1.742^ns	—	3.282^**
有效磷	—	45.868^***	—	3.153^*	—	5.045^***
速效钾	—	15.389^***	—	3.403^*	—	1.108^ns

参数	扰动面S（n=12）		处理T（n=15）		S×T
参数	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a
dF	4		3		12
SWC	97.176^***	1.293^ns	1.926^ns	0.773^ns	0.875^ns	0.616^ns
pH	7.667^***	17.244^***	0.658^ns	0.446^ns	3.328^**	2.313^*
土壤硬度	6.576^***	3.285^*	0.978^ns	5.171^**	2.713^**	1.736^ns
叶绿素a	10.429^***	9.103^***	2.224^ns	8.166^***	1.686^ns	2.902^**
BSC厚度	3.194^*	24.807^***	0.282^ns	2.934^*	1.362^ns	1.028^ns
碱性磷酸酶	13.909^***	18.557^***	2.563^ns	4.125^*	2.670^**	2.218^*
脲酶	20.290^***	36.330^***	0.708^ns	1.641^ns	2.948^**	1.565^ns
过氧化氢酶	16.405^***	24.832^***	1.684^ns	2.355^ns	2.942^**	2.371^*
有机质	—	26.315^***	—	1.942^ns	—	2.175^*
全氮	—	10.798^***	—	1.742^ns	—	3.282^**
有效磷	—	45.868^***	—	3.153^*	—	5.045^***
速效钾	—	15.389^***	—	3.403^*	—	1.108^ns

扰动面	pH		土壤硬度/（kg·cm^-2）		Chl a/（μg·g^-1）		BSC厚度/mm
扰动面	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a
Ⅰ	8.24±0.02^b	8.67±0.01^a	1.94±0.23^c	3.82±0.31^b	0.56±0.06^ab	0.93±0.07^ab	0.67±0.03^bc	2.18±0.10^a
Ⅱ	8.23±0.01^b	8.72±0.15^a	1.58±0.14^b	3.97±0.42^b	0.33±0.05^a	0.68±0.12^a	0.68±0.04^c	2.68±0.12^b
Ⅲ	8.20±0.01^b	8.83±0.04^b	1.46±0.13^b	3.63±0.39^b	0.91±0.12^c	1.21±0.12^bc	0.60±0.03^ab	3.46±0.13^c
Ⅳ	8.15±0.02^a	9.04±0.07^c	0.73±0.07^a	2.59±0.12^a	0.30±0.05^a	1.63±0.31^c	0.62±0.02^ab	4.02±0.15^d
Ⅴ	8.23±0.01^b	8.85±0.02^b	1.50±0.08^b	2.50±0.14^a	0.71±0.12^bc	1.35±0.13^bc	0.54±0.01^a	3.71±0.17^cd

扰动面	pH		土壤硬度/（kg·cm^-2）		Chl a/（μg·g^-1）		BSC厚度/mm
扰动面	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a
Ⅰ	8.24±0.02^b	8.67±0.01^a	1.94±0.23^c	3.82±0.31^b	0.56±0.06^ab	0.93±0.07^ab	0.67±0.03^bc	2.18±0.10^a
Ⅱ	8.23±0.01^b	8.72±0.15^a	1.58±0.14^b	3.97±0.42^b	0.33±0.05^a	0.68±0.12^a	0.68±0.04^c	2.68±0.12^b
Ⅲ	8.20±0.01^b	8.83±0.04^b	1.46±0.13^b	3.63±0.39^b	0.91±0.12^c	1.21±0.12^bc	0.60±0.03^ab	3.46±0.13^c
Ⅳ	8.15±0.02^a	9.04±0.07^c	0.73±0.07^a	2.59±0.12^a	0.30±0.05^a	1.63±0.31^c	0.62±0.02^ab	4.02±0.15^d
Ⅴ	8.23±0.01^b	8.85±0.02^b	1.50±0.08^b	2.50±0.14^a	0.71±0.12^bc	1.35±0.13^bc	0.54±0.01^a	3.71±0.17^cd

扰动面	碱性磷酸酶/（μg·g^-1-24h）		脲酶(NH₃-N μg·g^-1-24h)		过氧化氢酶/（mL·g^-1）
扰动面	3个月	2 a	3个月	2 a	3个月	2 a
Ⅰ	20.71±2.04^a	38.78±3.84^a	0.56±0.05^a	1.19±0.05^a	0.61±0.01^a	0.66±0.01^a
Ⅱ	38.65±2.27^b	42.53±3.66^ab	0.86±0.07^b	2.00±0.06^b	0.69±0.01^c	0.69±0.02^b
Ⅲ	41.56±6.31^bc	53.6±9.05^b	1.05±0.07^c	2.13±0.15^bc	0.69±0.01^c	0.71±0.01^b
Ⅳ	51.93±4.07^c	80.5±4.01^c	1.02±0.09^c	2.85±0.17^d	0.63±0.01^ab	0.77±0.01^c
Ⅴ	48.63±3.37^bc	73.12±3.88^c	1.27±0.05^d	2.40±0.04^c	0.65±0.01^b	0.76±0.01^c