在植物的生活周期中, 种子阶段的耐受性最强, 幼苗阶段对环境最为敏感, 种子萌发和出苗则是植物由耐受性强的种子向脆弱的幼苗过渡的关键环节^[1—2]。种子能否顺利出苗和幼苗的生存动态由种子遗传特性(质量、大小等)和外部环境因子(土壤水分、温度、养分、空气、光照、沙埋深度等)共同决定^[3—5], 并直接影响物种分布和共存, 对维持物种多样性具有重要意义。

生物结皮是由光合自养生物(蓝藻、藻类、苔藓等)和异养生物(真菌、细菌、古生菌等)及其次生代谢物与土壤颗粒之间按不同比例相互黏结而形成的一种复合层状结构^[6], 其覆盖面积约占地球陆地面积的12%^[7], 具有提高土壤稳定性和土壤肥力、调节土壤水热特性和土壤pH等作用^[8], 深刻影响着维管束植物的生存环境, 在旱区植被恢复过程中发挥着重要作用。

作为影响旱地植被群落组成的关键媒介, 生物结皮可通过多种途径直接或间接地影响种子萌发、出苗、幼苗的存活和生长, 但其作用效果由于结皮类型、植物种类、植物生长期和研究区域等不同而尚有争议^[9—11]。例如, 在科罗拉多高原, Bromus tectorum种子在藻结皮上的出苗率显著高于地衣结皮^[12]；在准格尔盆地, 生物结皮使草本植物生物量增加, 而对灌木影响不显著^[10]；在古尔班通古特沙漠, 在植物生长前期, 生物结皮对草本植物生长为促进作用, 而在植物生长后期, 生物结皮减少了植物生物量累积^[13]。生物结皮影响植物生长的途径十分复杂, 一方面, 生物结皮提高了表层土壤含水量和土壤养分, 有利于种子萌发和幼苗生长^{[8, 14]}；另一方面, 生物结皮在地表发育在种子和土壤之间形成物理屏障, 阻碍种子出苗和幼苗根系生长^[15]。生物结皮中的藻类和苔藓还能释放胞外多糖等化感物质, 并通过浓度效应对植物种子的萌发和幼苗的生长过程产生不同的化感作用^[16—18]。但过去的研究多集中在年降水量为200 mm左右的极干旱沙漠或干旱荒漠区^{[10—11, 13]}, 在黄土高原等降水量大于400 mm的地区研究较少, 且已有的研究大多采用盆栽实验^{[10, 19]}, 往往难以反映自然条件下的真实生长情况。

基于此, 本研究在黄土高原开展野外实验, 探究在自然条件下生物结皮对种子出苗和幼苗生长的影响, 并测定了土壤理化性质, 结合结构方程模型分析其主要影响因素及作用途径。对优化人工植被恢复策略, 促进退化生态系统的植被恢复、维持物种多样性具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于黄土高原北部陕西省神木市六道沟小流域(38°46′—38°51′N, 110°21′—110°23′E)。海拔为1094.0—1273.9 m, 流域面积为6.89 km², 土壤类型主要包括黄绵土和风沙土。研究区属温带半干旱气候, 雨热同季, 年均气温8.4℃, 近5年6—9月平均气温为20.8℃；年均降水量454 mm, 其中70%—80%的降水集中在6—9月；年均蒸发量1337 mm, 约为降水量的3倍^[20]。研究区内植被主要有小叶杨(Populus simonii)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)、黑沙蒿(Artemisia ordosica)、狗尾草(Setaria viridis)、鬼针草(Bidens pilosa)等, 藻结皮和藓结皮在研究区内广泛发育, 覆盖度可达70%—80%^[21]。

1.2 实验设计

实验共设置结皮类型、结皮盖度和种子类型3个因素。其中生物结皮类型包括藻结皮和藓结皮2种, 以无结皮为对照；结皮盖度包括高盖度(80%)、中盖度(50%)、低盖度(30%)3个水平；种子类型包括柠条锦鸡儿、黑沙蒿和鬼针草(3种种子室内检测发芽率分别为98.3%、95.3%和98.9%)。共有高盖度藻结皮(HC)、中盖度藻结皮(MC)、低盖度藻结皮(LC)、高盖度藓结皮(HM)、中盖度藓结皮(MM)、低盖度藓结皮(LM)、无结皮(CK)7种处理, 每种处理3个重复。选择上述3种植物种子用于野外种子出苗和幼苗生长实验, 实验结束后采样测定土壤理化性质。

1.2.1 样地处理

于2022年8月在风沙土区域选择一处同时有藓结皮和藻结皮发育的样地及相邻的无结皮裸地, 建立1 m×1 m的藓结皮样方9个, 藻结皮样方9个, 无结皮样方3个, 清除样方内的所有植物。将藓结皮和藻结皮样方以3个为1组, 每种类型的结皮分为3组, 根据所需盖度铲除多余结皮, 使每组藓结皮和藻结皮样方剩余结皮覆盖度分别为80%、50%和30%, 并尽量使剩余的结皮在样方内均匀分布。每天向样方内充分浇水, 并盖上遮阳网(保水保墒, 隔绝外部种子), 去除样方内新产生的幼苗, 消耗土壤种子库。2023年4—5月再次进行上述消耗土壤种子库的步骤, 至连续2周不再有幼苗产生时即开始种子出苗实验。

1.2.2 种子出苗与幼苗生长实验

将3种种子各取50粒混合后均匀播撒在每个样方内土壤和结皮表面, 播种后第1月内每周向样方内浇一次水, 如遇降雨则视为浇水一次。从第2天开始使用便携式土壤三参数测定仪(WET-2 sensor, Delta-T公司, 英国)于每天上午8时测定样方内0—5 cm深度的土壤含水量和土壤温度, 每个样方测定3次求平均值。观察各样方内的种子出苗情况, 每2 d记录一次幼苗数量, 至连续15 d不再出现新的幼苗为止, 结束出苗实验, 计算种子出苗率。种子出苗率=累计出苗数/供试种子数×100%。之后连续1个月每周记录一次幼苗数量, 并测定每株幼苗的株高和地径, 计算幼苗存活率、株高和地径生长速率。幼苗存活率=实验结束时幼苗存活数/累计出苗数×100%, 株高生长速率=株高生长量/生长天数(mm/d), 地径生长速率=地径生长量/生长天数(mm/d)。

1.2.3 土壤理化性质测定

用环刀法测定土壤容重。用环刀采集原状土, 用半自动土壤贯入仪(UTM6102, 三思纵横, 中国)测定土壤穿透阻力, 记录其峰值。使用环刀采集0—5 cm土样, 每个样方沿对角线采集3个样品, 混合均匀, 风干后保存于自封袋内, 用于测定土壤理化性质(表 1)。其中土壤颗粒组成使用激光粒度分析仪(APA2000, Malvern公司, 英国)测定；pH值使用pH计(pH-100, 力辰科技, 中国)测定, 测定前使用标准缓冲液标定；土壤有机质采用外加热法测定；土壤全氮使用全自动凯氏定氮仪(2300, FOSS公司, 瑞典)测定；土壤铵态氮和硝态氮使用流动分析仪(AutoAnalyzer3-AA3, SEAL公司, 德国)测定；土壤全磷、速效磷使用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾使用原子吸收光谱仪测定(ZL-5100, GBC公司, 澳大利亚)。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2021整理实验数据, 用IBM SPSS Statistics 25.0软件进行统计分析, 用单因素方差分析法和LSD检验分析不同处理下种子出苗率、幼苗存活率和生长速率的差异, 用因子分析法将黏粒、粉粒、砂粒含量、土壤含水量、温度降维至土壤物理性质, 将土壤pH值、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷、速效磷、速效钾含量降维至土壤化学性质, 将株高生长速率和地径生长速率降维至生长速率, 将所有数据进行标准化处理后用IBM Amos 21软件构建结构方程模型, 用OriginPro 2021作图。文中图表所有数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析 2.1 生物结皮对种子出苗率的影响

在3种盖度下, 藓结皮和藻结皮均促进了柠条锦鸡儿和黑沙蒿种子出苗, 而对鬼针草种子出苗率的影响则与结皮类型有关(图 1)。柠条锦鸡儿和黑沙蒿种子在HM和HC处理下的出苗率均显著高于CK, 而鬼针草种子出苗率在HC处理下显著高于HM和CK。柠条锦鸡儿种子在HM和HC处理下的出苗率分别比CK提高了1.5和1.3倍；黑沙蒿种子的出苗率分别增加了17.5倍和14.0倍；鬼针草种子在HC处理下的出苗率与HM和CK相比分别增加了71.4%和67.4%。但3种种子在中、低盖度结皮上的出苗率与CK相比差异不显著。可知, 生物结皮促进了灌木(柠条和黑沙蒿)种子出苗, 其中在藓结皮上促进作用更强, 且对小种子植物(黑沙蒿)出苗的促进效果更好, 而生物结皮对鬼针草种子的影响与结皮盖度有关。此外, 黑沙蒿种子在HM处理下的出苗率比LM提高了1.6倍, 在HC上的出苗率分别比MC、LC提高了4.0倍和2.5倍；鬼针草种子在HC上的出苗率比LC提高了1.1倍。可见, 当生物结皮对种子出苗表现为促进作用时, 高盖度生物结皮对种子出苗的促进效果好于中、低盖度结皮。

2.2 生物结皮对幼苗存活率的影响

生物结皮对幼苗存活率的影响因物种和结皮盖度而异(表 2)。柠条锦鸡儿幼苗在HM处理下的存活率显著高于CK, 其幼苗存活率与CK相比提升了4.1倍。其余处理下幼苗存活率与CK相比差异不显著, 但在中、低盖度处理下总体表现为藓结皮增加, 藻结皮降低。鬼针草幼苗在3种盖度的藓结皮和藻结皮上存活率均高于CK, 说明生物结皮有利于鬼针草幼苗存活。而黑沙蒿种子在生物结皮上的存活率均为0, 即生物结皮不利于黑沙蒿幼苗存活。此外, 柠条锦鸡儿幼苗在HM处理下的存活率分别比MM、LM提高了1.3倍和2.0倍, 在HC和MC处理下比LC处理下提高了100%, 而鬼针草幼苗存活率在不同结皮盖度间差异不显著。可知, 生物结皮对柠条锦鸡儿幼苗存活的促进作用随结皮盖度增加而增强, 而对鬼针草幼苗存活影响不显著。

2.3 生物结皮对幼苗生长速率的影响

除鬼针草幼苗在LM上的株高生长速率略低于CK外, 柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗在藓结皮上的株高生长速率均高于CK, 而藻结皮对2种幼苗株高生长速率的影响均表现为高盖度促进, 中、低盖度抑制(图 2)。其中, 柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗在HM处理下的株高生长速率显著高于CK, 2种幼苗在HM上的株高生长速率分别比CK提高了1.4和0.8倍。其余处理下, 2种幼苗的株高生长速率与CK差异不显著。此外, 柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗在高盖度生物结皮上的株高生长速率显著高于中、低盖度。HM处理下柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗的株高生长速率分别比MM、LM提高了78.8%、66.8%和17.2%、117.1%；HC处理下2种幼苗的株高生长速率分别比MC、LC提高了2.3、1.8和1.5、1.2倍。

3种盖度下柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗在藓结皮上的地径生长速率均高于CK, 而藻结皮上则表现为高盖度增加, 中、低盖度降低(图 3)。其中, 鬼针草幼苗在HM处理下的地径生长速率比CK提高了71.1%；柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗在HC上的地径生长速率分别比CK提高了19.2%和62.8%；柠条锦鸡儿幼苗在MC和LC上的地径生长速率显著低于CK, 分别降低了22.3%和26.4%。此外, 2种幼苗在高盖度条件下的地径生长速率均高于中、低盖度。其中, 柠条锦鸡儿幼苗在HC下的地径生长速率与MC、LC相比分别提高了53.4%和61.9%；鬼针草幼苗在HM下的地径生长速率与MM、LM相比均提高了0.3倍, 在HC下的地径生长速率与MC、LC相比分别提高了1.0和0.8倍。

2.4 影响途径分析

结构方程模型(图 4)分析结果显示, 生物结皮类型和盖度对种子出苗和幼苗存活与生长的直接效应为负效应时, 其间接效应均为正效应, 且间接效应影响系数的绝对值均大于直接效应影响系数的绝对值, 从而使其总效应均为正效应(表 3)。说明生物结皮自身的生长可能会抑制植物早期出苗和生长, 但生物结皮可以通过改善土壤理化性质而对种子萌发和出苗产生促进作用, 且这种间接促进作用可能更强, 足以抵消其直接负效应。土壤穿透阻力对种子出苗产生负效应, 而对幼苗存活和生长的作用均为正效应, 且对幼苗存活率的影响达到极显著水平。可见, 土壤穿透阻力可能仅在种子出苗阶段表现为抑制作用, 种子顺利出苗之后, 穿透阻力将有利于幼苗存活和生长。此外, 土壤化学性质对幼苗生长速率的正效应达到了极显著水平(0.97), 表明生物结皮可能主要通过提高土壤养分含量提高幼苗生长速率。

3 讨论 3.1 生物结皮对种子出苗的影响及其途径

在干旱和半干旱地区, 水分是限制种子萌发和出苗的主要因素^[3], 当土壤含水量在一定范围内时, 种子出苗率随含水量增加而提高, 不同物种的响应程度不同^[22—23]。同时, 生物结皮在发育过程中通过改变土壤微地形为降水提供滞留位置和降低入渗速率, 增加了降水滞留时间^[24—25], 延长了种子吸水时间, 有利于种子萌发。3种盖度的生物结皮均提高了浅层土壤含水量(表 1), 为种子提供了湿润的微环境, 促进柠条锦鸡儿和黑沙蒿种子出苗。同理, HM和HC处理下的土壤含水量显著高于CK, 而中、低盖度条件下, 生物结皮与CK土壤含水量差异不显著。因此, 在高盖度条件下, 2种种子出苗率显著提高, 中、低盖度条件下, 生物结皮上种子出苗率与CK差异不显著。

研究发现鬼针草种子在HM上的出苗率显著低于HC, 这可能是因为生物结皮对种子出苗的影响与结皮和种子的形态有关^[26]。鬼针草种子呈细长针状, 在藓结皮上时, 苔藓植株呈垫状丛生, 虽然藓株具有一定的柔韧性^[27], 但鬼针草种子由于质量较轻而“浮”于苔藓植株顶部, 与藓株和土壤的接触面积较小, 与藻结皮和无结皮相比, 更不易接触土壤和发生埋藏, 土壤水分有效性降低^[15]。即使发生吸胀, 当苔藓失水时, 鬼针草种子也会更易暴露于极端干燥环境中, 由于无法连续吸收足够的水分而死亡, 使其出苗率降低^{[11, 28]}。此外, 生物结皮对黑沙蒿种子出苗的促进效果更强。这是因为与另外2种种子相比, 黑沙蒿种子体积更小, 更容易进入苔藓植株或土壤缝隙中^[15], 与苔藓、藻类或土壤的接触面积更大, 土壤水分有效性更高, 更易萌发出苗。

3.2 生物结皮对幼苗存活和生长的影响及其途径

在藻结皮和藓结皮表面, 柠条锦鸡儿幼苗存活率总体高于鬼针草, 而沙蒿幼苗存活率为0。可能是由于幼苗的存活率与种子质量和大小有关, 大粒种子比小粒种子储存的能源物质更多, 能持续为幼苗生长过程提供营养, 使幼苗具有更强的抗逆性^[5]。且生物结皮与植物之间不仅存在生存空间的竞争, 还存在水肥资源的竞争^[19]。初始大小较大的幼苗更易穿过枯枝落叶层和结皮层, 获取更多的生存资源, 有更高的存活率, 而幼苗的初始大小与种子质量正相关^[29], 与柠条锦鸡儿和鬼针草相比, 沙蒿种子质量小, 幼苗也很小, 因而更不易存活。

生物结皮能增加土壤表层持水能力和肥力, 提高幼苗存活率, 促进幼苗生长^[10]。藓结皮提高了土壤有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷和速效钾含量(表 1), 且结构方程模型显示生物结皮主要通过改善土壤化学性质, 促进幼苗生长(图 4), 同时, 藓结皮土壤含水量高于无结皮, 有利于幼苗根系吸收土壤养分, 提高幼苗生长速率^[13]。因此, 藓结皮上柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗的存活率和生长速率大于无结皮。而藻结皮仅在高盖度下促进幼苗存活和生长, 在中、低盖度条件下降低了柠条锦鸡儿幼苗存活率以及柠条锦鸡儿与鬼针草幼苗的生长速率。可能有以下三方面原因：(1)中、低盖度藻结皮上土壤水分和温度均高于无结皮, 但由于幼苗对环境很敏感, 且植物对水分变化的响应与温度有关^[30], 土壤温度升高, 可能使植物光合速率以及对水分和养分的利用率下降^[31], 导致存活率和生长速率降低。(2)中、低盖度藻结皮下土壤速效钾含量显著低于无结皮(表 1), 可能导致幼苗存活率和生长速率低于无结皮。(3)有研究发现生物结皮中多种藻类能释放化感物质对植物种子的萌发和幼苗的生长过程产生化感作用, 并且这种作用具有浓度效应^[16]。如龚健等^[17]研究发现具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)分泌的胞外多糖在浓度较低时抑制伪枝猪毛菜(Salsola subcrassa)种子萌发, 在高浓度时则有积极作用。通过化感作用的浓度效应, 藻结皮可能在高盖度条件下促进幼苗存活和生长, 在中、低盖度条件下抑制幼苗存活和生长。

3.3 生物结皮对植被恢复的重要性

种子萌发、出苗和幼苗生长阶段是植被恢复的早期阶段, 而这一过程中影响因素很多, 各种因素的单独作用和不同因素间的交互作用十分复杂。且不同植物间存在物种特异性, 即使是同一因子, 对不同植物或同一植物的不同生育期的影响也不同, 如本研究中土壤穿透阻力对种子出苗为负效应, 对幼苗存活和生长为正效应(图 4)。而生物结皮作为半干旱地区生态系统的重要组成部分, 不仅在植物生活史的各阶段产生直接影响, 还通过调节其他因素间接影响植物生长。然而有研究发现, 气温和降水格局变化(如暖季小降水事件的增加)提高了结皮中生物组分(如苔藓、地衣和微生物等)的死亡率^[32—33], 可能导致生物结皮的生存受到威胁, 覆盖度降低。如Rodriguez-Caballero等^[7]估计, 从2005—2070年，全球生物结皮覆盖度可能, 全球生物结皮覆盖度可能比现在降低25%—40%。而本研究发现, 生物结皮的发育和结皮盖度的增加总体促进种子出苗和幼苗存活与生长, 生物结皮覆盖度的降低或许会威胁部分旱区植被的生存, 不利于部分植被的恢复与繁殖。同时, 气温、降水、太阳辐射等因子共同驱动生物结皮的分布及物种组成^{[7, 34]}, 可能引导部分植物发生迁移, 改变植被分布特征, 影响植被群落组成。

4 结论

本研究通过分析生物结皮类型和结皮盖度对柠条锦鸡儿、黑沙蒿和鬼针草种子出苗和幼苗生长的影响, 并通过结构方程模型分析其影响途径, 得出以下结论：(1)藻结皮和藓结皮在3种盖度时均有利于柠条和黑沙蒿种子出苗, 而鬼针草种子萌发率仅在藻结皮高盖度条件下显著高于无结皮。(2)藓结皮促进柠条锦鸡儿和鬼针草幼苗存活和生长, 藻结皮仅高盖度条件下有利于幼苗存活和生长, 中、低盖度藻结皮不利于幼苗存活和生长, 藻结皮和藓结皮均不利于黑沙蒿幼苗存活。(3)结皮类型和结皮盖度对种子萌发率、幼苗存活率和幼苗生长速率的总效应均为正效应, 其中土壤穿透阻力对幼苗存活率影响效果显著, 土壤化学性质对幼苗生长速率影响效果显著。