生物结皮快速培育及其在茶果园水土保持中的应用研究

　　福建省水土保持试验站 福建省原道生态环境研究院
　　摘 要 本研究从福建多地采集的土壤原自然发育的生物结皮样品中分离到1株能长期耐受干旱胁迫而复水后能快速恢复生长的土生对齿藓（Didymodon vinealis (Brid.) Zand.），通过研究其生物学特性以及在不同营养液中的生长情况，选定Hoagland营养液为最佳营养液，喷施调环酸钙（Pro-Ca）试验表明，75mg/L调环酸钙能促进土生对齿藓的覆盖度、株密度，而125mg/L 却抑制了其生长，由此建立该生物结皮室内快速培育的基本方法。进一步在室内模拟梯壁喷播，培养生长3个月后，能显著地改善土壤的团粒结构，提高蓄水保土能力。该生物结皮有望作为一种治理茶果园裸露梯壁水土流失的新方法。
　　关键词 生物结皮；培育；梯壁；水土保持
　　根据福建省2021年土壤侵蚀遥感监测调查结果，全省茶果园面积8 202.86km2，水土流失面积达2 042.56km2，占茶果园面积的38.92%，占福建省水土流失面积的22.56%。福建省茶果园水土流失面积仅次于林地，已成为制约我省开展水土流失治理的难点之一。一般而言，茶果园园面和梯壁土壤裸露较为严重，是人为扰动的典型生态敏感区和水土流失严重区域，探索一种与茶果园园面、梯壁立地条件契合度高、与茶果园生产融合度高的新型水土保持技术措施具有现实的重要意义。
　　生物结皮是由土壤微生物、隐花植物如蓝藻、真核藻类、地衣、苔藓等与土壤表层颗粒胶结而成的复杂有机体，是土壤地表生物覆被层最初、最重要的构建基础。福建省生物结皮的基质类型多样，分布广泛，据叶文[1]统计，福建生物结皮植物共 613 种(含种下单位)，分属于206属，46科，种数最多的科中排名第一的为丛藓科 Pottiaceae ，占总种数的10.60%。本研究在调查福建省生物结皮的生境条件基础上，选择茶果园梯壁裸露土壤原自然发育的生物结皮为种源，通过研究生物结皮的生物学特性，筛选耐旱的生物结皮种，优选培育营养液和调控技术，建立生物结皮室内快速培育的方法；并进一步通过室内模拟分析生物结皮对土壤抗降雨侵蚀、理化性质的影响，探讨生物结皮在福建省茶果园水土保持中的应用价值，以期为福建省茶果园水土流失治理提供新的方法。
　　1 材料与方法
　　1.1 采样地点及方法
　　本试验在2020年2~6月间，从福建省永安市、安溪县、闽清县、寿宁县4个县市的荒地梯壁及周边地域，采集了91个生物结皮样品，并进行分类统计和比较选择。
　　采集生物结皮时，选取生长情况良好的区域，铲取表层0～10mm厚的生物结皮层，一部分于用藓种鉴定和种类筛选，一部分阴凉风干并去除杂物后进行粉碎，过2mm土壤筛，制成生物结皮培育种源备用。
　　1.2 耐旱生物结皮的筛选
　　将采集的生物结皮样品各取适量置于9cm培养皿中，室温下7d不浇水，进行干旱胁迫处理，以能否长期忍受干燥环境且在复水后迅速恢复生长为标准，筛选出耐旱的生物结皮。
　　1.3 营养液筛选试验
　　为了提高培育生物结皮的效率，已有学者开展了相关营养液优化的研究，目前较常用5种营养液，即改良Knop、MS、Benecke、Part及 Hoagland营养液[2－4]，本研究参考相关研究结果，选用这5种营养液，对筛选出的耐旱生物结皮，进行适宜营养液筛选试验。
　　将生物结皮样品用植物粉碎机粉碎，制成生物结皮种子土，称取20g，将其浸入500mL水中。用 0.1mm筛收集苔藓茎叶碎片，晾干备用。
　　在垫有8层纱布的9cm培养皿中，铺上苔藓茎叶碎片，直径1cm，每皿添加10mL不同营养液后，每种营养液30个皿，置于人工气候室中培养，设定为昼/夜25℃/10℃、16h光照、8h黑暗的昼夜循环，光照强度为1000lx和相对湿度60%进行生物结皮培养。每种营养液各取3个培养皿，以70d为试验周期，每隔10d各取3个皿用于测定覆盖度株密度，取样采用点针样框法[5]，网格规格为0.64cm2（0.8cm×0.8cm），取平均值。
　　1.4 生物结皮生长调控试验
　　选用的调环酸钙(prohexadione-calcium, Pro-Ca)原液(5% Pro-Ca)由中国农业大学作物化学控制研究中心提供, 用蒸馏水配制成25mg/L、50mg/L、75mg/L、100mg/L、125mg/L和150mg/L系列溶液，设置蒸馏水为对照，进行调环酸钙对生物结皮生长的调控试验。以70d为试验周期，每隔10d补充1次Hoagland营养液，并各取5个样测定覆盖度和株密度。覆盖度采用点针样框法[5]，网格规格为0.64cm2（0.8cm×0.8cm），取平均值。株密度选取4cm2(2cm×2cm)框，取框内的苔藓株数进行平均，取平均值。
　　1.5 抗降雨侵蚀试验
　　6个40L收纳箱(57cm×38cm×24cm)中装15cm厚红壤土，并压实至10cm厚，其中3个接种生物结皮，另外3个作为对照，每3天喷施1次筛选出的营养液，在室外自然条件下培养90d后，将6个收纳箱倾角设置为60°，模拟茶园梯壁，用智能浇花器模拟降雨侵蚀试验，降雨强度设置小雨（30mm/h）、中雨（60mm/h）、大雨（90mm/h），降雨历时10min，做3次重复试验。用500mL量筒从试验槽的集水口收集含有泥沙的水样300mL并记录，离心烘干，测定泥沙重量。
　　人工降雨试验7d后，用100cm3的环刀采集收纳箱中土壤，用于测定土壤团聚体、地表粗糙度、结皮层土壤容重、孔隙度等团粒结构相关指标[7]，另外在每个收纳箱各采集500g以上土壤用于测定土壤养分，土壤自然风干后，参照《NY/T1121-2006土壤检测》系列标准测定有机质。
　　1.6 数据分析
　　试验数据运用WPS表格处理软件和SPSS统计软件进行分析处理，数据表达为平均值±标准误（Means±SE）。2 结果与分析
　　2.1 生物结皮采集与分类
　　通过对4个县市采集的91个生物结皮样品进行调查分类，结果详见表1和图1。结果表明，4个县市采集的生物结皮优势种类代表以丛藓科、灰藓科、真藓科、青藓科等为主。
　　表1 采集于4个县市野外生物结皮调查分类结果
　　采集地点
　　丛藓科
　　灰藓科
　　真藓科
　　青藓科
　　提灯藓科
　　葫芦藓科
　　小曲尾藓科
　　凤尾藓科
　　齿萼苔藓科
　　曲尾藓科
　　永安市
　　5
　　5
　　6
　　2
　　2
　　0
　　2
　　2
　　0
　　0
　　安溪县
　　4
　　4
　　4
　　4
　　1
　　2
　　2
　　0
　　2
　　2
　　闽清县
　　5
　　3
　　4
　　2
　　3
　　2
　　1
　　0
　　1
　　2
　　寿宁县
　　5
　　4
　　5
　　4
　　1
　　0
　　0
　　0
　　0
　　0
　　合计
　　19
　　16
　　19
　　12
　　7
　　4
　　5
　　2
　　3
　　4
　　图1 采集于4个县市野外生物结皮种类的频数分布
　　2.2 耐旱生物结皮的筛选
　　生物结皮忍耐干旱的能力与其原生境类型有关，来源于较干旱微生境的种类在长期失水中能较好地维持和恢复光合作用和糖类含量[8]，因此选取干旱地带的生物结皮为实验品种。
　　在采集的91个生物结皮样品中，最终从采集于福建省永安市天宝岩（东经117.565311,北纬25.922869）样品中筛选出1株耐干旱逆境的生物结皮。经分析鉴定，该生物结皮主要由丛藓科、真藓科构成，其中的优势种为土生对齿藓（Didymodon vinealis (Brid.) Zand.），确定其作为本次研究的生物结皮优势种，进行生物结皮室内快速培育技术的研究。
　　2.3 生物结皮生长的调控
　　福建省全年平均温度是18～26℃，雨量充沛，红壤土质呈酸性，这是适合生物结皮生长的环境条件。为了让研究成果更好地应用于实际，考虑到茶果园中光照、雨量、气温、土壤这些不易为人工所控制的野外环境因素，设定室内培养温度为昼/夜25℃/10℃，将喷施营养液和生物生长调节剂作为调控培育生物结皮的主要控制因素进行室内研究，以期能快速获得成果。
　　2.3.1不同营养液对生物结皮生长的影响
　　盖度和株密度是评价生物结皮整体生长状况的两个重要指标，为此，本试验试验过程主要测定这两个指标。改良Knop、MS、Benecke、Part及Hoagland营养液等5种营养液培育的生物结皮，在30d内，各试验组之间的覆盖度没有明显差异，但Hoagland营养液培育的试验组的株密度已明显高于其他组；40d起，覆盖度也开始表现出差异；从50d起，在Hoagland营养液中生长的生物结皮覆盖度和株密度明显高于其他营养液，在70d内生物结皮的覆盖度达到了80%。
　　本次试验结果得出Hoagland营养液为生物结皮生长的最佳营养液，这与前人的研究是相似的[10]。该营养液中含有K、P、Ca等元素，它们在生物结皮生理代谢活动中起着积极作用。
　　2.3.2 调环酸钙对调节生物结皮生长的影响
　　在野外自然状态下，生物结皮生长缓慢。因而，研究快速形成生物结皮的方法并应用于茶果园梯壁土壤表面覆盖，具有很高的科研和实践价值。调环酸钙(prohexadione-calcium, Pro-Ca)是一种环己烷羧酸类的新型植物生长延缓剂,Pro-Ca可缓解多种生物与非生物胁迫对植株造成的伤害，已有研究表明, 外源添加Pro-Ca促进盐胁迫下水稻幼苗的地上部生长, 提高根系活力，增加茎基宽及生物量积累, 提高抗倒伏能力[10]。因此，本研究选用调环酸钙（Pro-Ca）植物生长调节剂对生物结皮生长进行调控试验，试验过程进行间歇干旱胁迫，每10d补喷1次营养液，使结皮表面湿润，以期探索出一种快速培育耐旱生物结皮的方法。
　　在干旱胁迫下，生物结皮喷施不同浓度的调环酸钙（Pro-Ca）对其生长具有不同的影响。30d内，不同浓度的调环酸钙（Pro-Ca）对生物结皮的盖度、株密度没有明显差异；而40d起，75mg/L调环酸钙开始表现与对照组之间的差异；从50d起，75mg/L和100mg/L调环酸钙明显提高土生对齿藓的覆盖度和株密度，这与郑先福（2014）[10]利用调环酸钙增加水稻茎基宽及生物量积累的研究结果相近，且75mg/L对生物结皮生长的促进作用比100mg/L更大，而更高浓度（125mg/L和125mg/L）的调环酸钙却抑制了其生长，可见调环酸钙最佳的施用浓度是75mg/L。
　　2.4 生物结皮对土壤抗降雨侵蚀能力的影响
　　表2 生物结皮在不同雨强冲刷梯壁时的产沙量比较（g/m2•h）
　　试验组
　　小雨（30mm/h）
　　中雨（60mm/h）
　　大雨（90mm/h）
　　CK
　　13.19±0.59
　　20.53±0.87
　　44.13±1.21
　　生物结皮
　　4.13±0.18
　　6.23±0.27
　　9.21±0.44
　　为了考察生物结皮对防治茶果园坡壁水土流失的效果，本试验对在收纳箱中培养3个月后生物结皮进行模拟人工降雨从表2可知，在小雨（30mm/h）、中雨（60mm/h）、大雨（90mm/h）状态下，生物结皮覆盖度80%时，梯壁的产沙量分别比对照下降了68.69%、69.65%和79.13%；表明生物结皮能有效缓冲雨滴并削减雨滴动能，增加地表糙度和延缓雨水流速，从而减少土壤侵蚀，有效提高梯壁的抗冲刷、抗侵蚀能力。
　　2.5 生物结皮对土壤理化性质的影响
　　表3生物结皮的土壤物理性质与不结皮的对照比较
　　试验组结皮层厚度
　　(mm)
　　团聚体含量(%)
　　地表粗糙度结皮层土壤容重
　　(g/cm3)
　　孔隙度(%)
　　有机质（g/kg）
　　CK
　　-
　　39.3±1.7
　　1.15±0.08
　　1.41±0.06
　　41.2±1.1
　　13.90±1.09
　　生物结皮
　　5.77±0.15
　　44.7±1.3
　　1.47±0.12
　　1.27±0.07
　　49.5±1.2
　　17.26±0.88
　　试验数据表明，生物结皮会提高地表粗糙度，提高团聚体含量，减小结皮层土壤容重，增加孔隙度，显著改善土壤的团粒结构。
　　3 结论
　　本试验从分离到1株能长期耐受干旱胁迫而复水后能快速恢复生长的土生对齿藓（Didymodon vinealis (Brid.) Zand.），在前人研究基础上，选择喷施营养液和生物生长调节剂，研究其对生物结皮生长的调控作用，结果表明Hoagland营养液为其最佳营养液，75mg/L调环酸钙能促进土生对齿藓的生长，而125mg/L 却抑制了其生长，由此建立了该生物结皮室内快速培育的基本方法。
　　通过室内模拟人工降雨试验，表明生物结皮对提高土壤抗降雨侵蚀能力，改善土壤理化性状效果显著，能起到很好的蓄水保土效果。因此，有望作为一种减轻茶果园水土流失的新治理方法。
　　长期以来，福建省茶果园因建设标准不高、水土保持措施不到位，再加上习惯采用清园除草耕作的管理方法，造成茶果园土壤地表裸露严重，蓄水保土能力降低,单纯的耕作措施仍不能杜绝水土流失[12]。生物结皮的存在不仅可直接减弱降雨对地表的侵蚀，还由于结皮植物的胞间连丝，在细胞壁上通过传导组织，使原生质体之间相互作用，呈现出一个不断延续的系统[13]，这个系统使结皮能够直接将水分保持着，从而有助于提高土壤的抗侵蚀和蓄水保土能力。
　　*福建省水利科技项目：生物结皮培育及其在茶果园水土流失治理中的应用研究（MSK202010）
　　作者：谢建华、徐智勇、罗立津、陈宏