呼伦湖蓝藻对典型退化草原区不同类型土壤性质的影响

马欢欣，童 仪，焦琰雯，徐梓瑄，王 琪，陈星瑶，王文林，韩睿明，曹秉帅，刘宝贵

1. 南京师范大学环境学院，江苏 南京 210023

2. 生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042

3. 南通大学地理科学学院，江苏 南通 226000

4. 呼伦贝尔市北方寒冷干旱地区内陆湖泊研究院，内蒙古 呼伦贝尔 021000

5. 国家环境保护呼伦湖湿地生态环境科学观测研究站，江苏 南京 210042

自20 世纪80 年代以来，在富营养化和全球变暖的推动下，全球蓝藻水华在发生频率、强度和持续时间上都有迅速增加的趋势[1]，带来臭气释放[2]、水体溶解氧降低[3]、危害水生生物生长发育[4]等不良影响.呼伦湖作为我国北方生态安全屏障，对于维系区域生态系统稳定具有重要作用. 然而，近年来呼伦湖蓝藻水华频发[5]，为不破坏水生态系统平衡，当地采取的应急手段多以机械打捞为主，而对打捞上岸的蓝藻藻液如何进行资源化利用成为一个难题.

目前国内外蓝藻资源化技术中较为成熟的有好氧堆肥和厌氧发酵，已在我国南方湖泊(如太湖[6-7]、巢湖[8-9]、滇池[10])的蓝藻资源化利用中得到应用. 还有一些研究集中于提取生物活性物质[11-12]、制备生物燃料[13]等具有高附加值利用的方向. 但是，这些技术在实际应用中存在堆肥周期长、需持续维持高温环境(如好氧堆肥[14])，对生产条件及装置要求较高(如厌氧发酵[12,15])，能耗较高(如生物燃料制备[13,16])，以及技术复杂(如生物活性物质提取[17])等诸多限制条件.考虑到呼伦湖地处我国北疆偏远地区，经济发展与南方地区存在较大差距，建设成本和运营成本较高的资源化利用技术无法长久维持；此外，由于其位于中高纬度温带半干旱区，夏季温凉短促、降水较多[18]，缺少自然升温的堆肥发酵环境. 因此，上述技术难以在呼伦湖地区推广应用，亟需探索一条本土适用的蓝藻资源化利用新途径.

接种蓝藻被证实对土壤具有一定的修复功能[19-21]，这为呼伦湖蓝藻资源利用提供了新思路. 蓝藻体内富集大量的氮磷及有机物[22]，经微生物分解后可释放大量碳、氮、磷等营养物质[23-25]，能够调节和改善土壤养分状况[26]，进而提升作物产量，已在小白菜[27]、黄瓜[28]等农作物种植中得到应用. 此外，有研究表明施加蓝藻有利于土壤水分保持[29-30]. 蓝藻分泌物(如胞外多糖)具有黏性和吸水性，能够提高土壤稳定性[31-32].Sadeghi 等[33]研究发现，接种蓝藻后，土壤裂缝指标、粗糙度和团聚体稳定性分别提高了5.1%~27%、14%~20%和13%~22%，能够有效抑制径流和土壤流失，特别是退化旱地. 呼伦湖以东分布着大量沙地和退化草地[34-35]，且随着气候暖干化加剧，存在进一步退化的潜在风险. 将蓝藻用于沙地治理、退化草地修复可能是呼伦湖蓝藻资源化的主要应用方向之一.

呼伦湖的蓝藻主要为卷曲鱼腥藻等淡水藻，而目前用于沙地土壤改良的蓝藻多为人工培养的陆生荒漠藻，鲜有针对淡水藻对土壤性质的影响研究. 该研究基于呼伦湖气候、生态环境、社会经济发展等实际情况，就近选取退化草地和沙地中的两种典型土壤，探究呼伦湖蓝藻藻液对两种不同类型土壤性质的影响，以期为蓝藻藻液在呼伦湖沙地治理和退化草地修复领域的应用提供依据和关键技术参数.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土样为呼伦湖周边两种典型代表性土壤——栗钙土和砂性土，分别采自乌尔逊管护站退化草场(48.518 484°N、 117.699 313°E)和 乌 都 鲁 管 护 站(48.740 355°N、117.338 771°E)的0~20 cm 土层，其理化性质见表1. 蓝藻藻液于2022 年7 月取自内蒙古呼伦湖西岸拴马桩处(48.932 236°N、117.128 447°E)，蓝藻藻液pH 为9.00，全盐量为854 mg/L，总有机碳浓度为23.40 mg/L，总氮浓度为2.76 mg/L，总磷浓度为0.76 mg/L，浮游植物生物量为33.28 mg/L，其中蓝藻门占比约为98.8%.

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of test soils

1.2 试验方法

土样取回后过2 mm 筛，将蓝藻藻液以土壤质量的1%、3%、5%和10%分别与土壤进行均匀混合，分别记作LZ-1、LZ-3、LZ-5 和LZ-10，没有添加蓝藻藻液的土壤作为对照处理，记作CK，每个处理设置3 个平行，共30 个处理. 2022 年7 月16 日，将各处理均匀混合的土壤装入规格为29.5 cm×23.5 cm×26.5 cm 的花盆，每盆6 kg 土壤，试验于温度控制在25 ℃的室内实验室进行，每天通风2 h. 每24 h 根据盆栽前后质量差补充水分，保持土壤含水量为60%. 2022年11 月3 日，取各处理土壤，用于土壤容重、pH、全盐量、有机质、全氮、有效磷含量的测定.

2022 年7 月23 日，在内径10 cm、高度15 cm、底部用保鲜膜密封的圆柱形微型蒸发器中开展蒸发实验，探究不同处理的土壤水分蒸发情况. 土样均匀填入蒸发器后，加水使土壤处于水饱和状态，静置24 h使水土均衡，此后开始对各蒸发器进行称量. 每日08:00 用天平称量，次日重复该过程，直至25 d 后蒸发器质量趋于稳定时结束.

1.3 测定指标和方法

土壤容重使用环刀法(NY/T 1121.4——2006《土壤检测 第4 部分：土壤容重的测定》)测定. pH 采用电位法[36]测定. 全盐量采用烘干残渣重量法[37]测定：吸取土水质量比为1∶5 的土壤浸出液30 mL 至已知烘干质量的瓷蒸发皿中，在水浴上蒸干. 待液体快蒸干时，用滴管从周围向蒸发皿中滴加少量15% H2O2，使残渣湿润，加热蒸干，如此反复少量加H2O2直至干残渣全变成白色，蒸干后将残渣和蒸发皿放在105~110 ℃烘箱中烘干1~2 h，取出冷却，用分析天平称量，记录质量. 将蒸发皿和残渣再次烘干0.5 h 后冷却称量，如此反复直至两次质量之差小于1 mg；有机质含量由有机碳换算而来，换算方法见式(1)[37]，有机碳和全氮含量使用元素分析仪(EA300，Euro Vector，意大利)测定，土壤前处理方法参照文献[38]；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法[39]测定. 另外，土壤日蒸发量、累积蒸发量计算公式[40]如下：

式中：[OM]为有机质含量，g/kg；[OC]为有机碳含量，g/kg；1.724 为由有机碳换算成有机质的系数.

式中：EDi为第i天土壤日蒸发量，mm；Mi为第i天蒸发器质量变化，g；ρw为水的密度，1 g/cm3；A为土壤表面积，cm2；ECi为第i天土壤累积蒸发量，mm.

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2021 软件对数据进行录入和初步整理，使用SPSS 25.0 软件中的单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)对数据进行差异显著性分析，使用SigmaPlot 14.0 软件绘图.

2 结果与分析

2.1 土壤基本理化因子

2.1.1 土壤容重

不同藻液量处理的两种土壤容重如图1 所示，总体看来，施加蓝藻藻液对土壤容重的影响不大. 栗钙土中，各处理土壤容重范围为1.30~1.35 g/cm3，组间差值不超过0.05 g/cm3，具体表现为LZ-10>CK>LZ-1>LZ-5>LZ-3. 其中，CK 处理土壤容重为1.32 g/cm3，LZ-1、LZ-3、LZ-5 处理土壤容重较CK 分别降低了0.92%、2.69%、1.94%，LZ-10 处理较CK 升高了2.57%.

图1 不同藻液量对土壤容重的影响Fig.1 Effect of different amounts of algal on bulk density of the soils

砂性土中，各处理土壤容重处于1.56~1.61 g/cm3之间，组间差值不超过0.05 g/cm3，具体表现为LZ-5>LZ-10>CK>LZ-3>LZ-1. 其 中，CK 处 理 土 壤 容 重 为1.59 g/cm3，LZ-1、LZ-3 处理土壤容重较CK 处理分别降低了1.19%、0.75%，而LZ-5、LZ-10 处理土壤容重较CK 处理分别升高了1.04%、1.01%.

2.1.2 土壤pH

不同藻液量对两种土壤pH 的影响如图2 所示.由图2 可见，施加蓝藻藻液后，土壤pH 总体表现为降低的趋势. 栗钙土中，随着施藻量的增加，土壤pH呈现明显的下降趋势，且后期下降趋势逐渐变缓. 与CK 处理(7.56)相比，LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的pH分别降低了7.54%、11.24%、12.43%，均达到显著水平(P<0.05)；LZ-1 处理的pH 降低了2.34%，变化不显著.

图2 不同藻液量对土壤pH 的影响Fig.2 Effect of different amounts of algal on pH of the soils

砂性土中，除个别处理外，pH 随施藻量的增加总体呈下降趋势，且较栗钙土pH 的变化趋势更为平缓.与CK 处理(8.39)相比，LZ-3、LZ-10 处理的pH 分别降低了6.32%、8.51%，达到显著水平(P<0.05)；LZ-1、LZ-5 处理的pH 变化不显著，较CK 处理分别降低了2.62%、2.66%.

2.1.3 土壤全盐量

施加蓝藻藻液后各处理土壤全盐量的情况如图3 所示. 由图3 可见，两种土壤的全盐量都随着施藻量的增加而增加，其中栗钙土的增幅较大，砂性土的增幅较小. 栗钙土中，与CK 处理(1.47 g/kg)相比，LZ-5、LZ-10 处理的土壤全盐量分别显著(P<0.05)升高了40.52%、57.51%；LZ-1、LZ-3 的土壤全盐量变化不显著，分别升高了5.91%、14.41%；各处理土壤全盐量表现为CK

图3 不同藻液量对土壤全盐量的影响Fig.3 Effect of different amounts of algal on total saltcontent of the soils

砂性土中，与CK 处理(1.21 g/kg)相比，LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的全盐量分别显著(P<0.05)升高了18.33%、20.73%、21.23%；LZ-1 处理全盐量变化不显著，较CK 处理升高了2.74%；各处理土壤全盐量表现为CK

2.2 土壤养分特征

2.2.1 土壤有机质

施加蓝藻藻液后各处理土壤的有机质含量变化情况如图4 所示. 栗钙土中，CK 处理的有机质含量为18.70 g/kg，LZ-5、LZ-10 处理的有机质含量分别为21.87、22.39 g/kg，较CK 处理分别显著(P<0.05)提高了16.95%、19.73%；LZ-1、LZ-3 处理的有机质含量分别为19.73、20.40 g/kg，较CK 处理分别提高了5.50%、9.05%；各处理土壤有机质含量表现为CK

图4 不同藻液量对土壤有机质含量的影响Fig.4 Effect of different amounts of algal on organic matter of the soils

对于砂性土，CK 处理的有机质含量为5.24 g/kg，LZ-1、LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的土壤有机质含量分别为6.36、7.91、9.00、10.48 g/kg，较CK 处理分别显著(P<0.05)提高了21.52%、50.94%、71.92%、103.93%.砂性土的有机质含量同样随施藻量的增加而增加，施藻量在3%以上时，有机质含量的增幅随施藻量的增加而变小. 整体而言，施加蓝藻藻液后砂性土有机质含量的升高趋势较栗钙土更为显著.

2.2.2 土壤全氮

土壤全氮随施藻量的变化如图5 所示. 栗钙土中，CK 处理的全氮含量为0.84 g/kg，LZ-3、LZ-5、LZ-10处理的全氮含量分别为0.97、1.02、1.07 g/kg，较CK处理分别显著(P<0.05)提高了16.23%、21.70%、28.35%；LZ-1 处理的全氮含量为0.92 g/kg，较CK 处理提高了10.27%；各处理土壤全氮含量表现为CK

图5 不同藻液量对土壤全氮含量的影响Fig.5 Effect of different amounts of algal on total nitrogen content of the soils

砂性土中，CK 处理的全氮含量为0.17 g/kg，LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的全氮含量分别为0.32、0.34、0.45 g/kg，较CK 处理分别显著(P<0.05)提高了90.31%、103.18%、166.46%；LZ-1 处理的全氮含量为0.19 g/kg，较CK 处理增加了10.88%；各处理土壤全氮含量表现为CK

2.2.3 土壤有效磷

施加蓝藻藻液后各处理土壤有效磷含量的变化情况如图6 所示. 对于栗钙土，CK 处理的土壤有效磷含量为15.41 mg/kg，LZ-5、LZ-10 的有效磷含量分别为23.89、31.64 mg/kg，较CK 处理分别显著(P<0.05)提高了55.01%、105.29%；LZ-1、LZ-3 有效磷含量分别为17.39、20.18 mg/kg，较CK 处理分别提高了12.84%、30.95%；各处理土壤有效磷含量表现为CK

图6 不同藻液量对土壤有效磷含量的影响Fig.6 Effect of different amounts of algal on available phosphorus content of the soils

对于砂性土，CK 处理的土壤有效磷含量为5.01 mg/kg，LZ-3、LZ-5 和LZ-10 处理的土壤有效磷含量分别为13.48、16.50、33.74 mg/kg，显著(P<0.05)高于CK 处理，分别提高了168.93%、229.23%、573.16%；LZ-1 处理的有效磷含量为7.88 mg/kg，较CK 处理升高了57.31%；各处理土壤有效磷含量表现为CK

在施藻量为0%~10%范围内，两种土壤的有效磷含量均随施藻量的增加而增加，而当施藻量大于5%时，有效磷含量的增幅随施藻量的增加未出现明显减小. 可见，施加蓝藻藻液对栗钙土和砂性土有效磷含量的提升均具有积极作用，其中对砂性土有效磷含量的提升作用更强.

2.3 土壤水分蒸发

2.3.1 土壤水分日蒸发量

试验期间各处理土壤水分日蒸发量随时间的变化情况如图7 所示. 可以看出，栗钙土第1~17 天各处理日蒸发量表现为CK>LZ-1>LZ-3>LZ-5>LZ-10，其中CK 处理的日蒸发量最大，第18 天起LZ-1 处理日蒸发量最大，第20 天起LZ-3 处理日蒸发量最大，第22 天起LZ-5 处理日蒸发量最大.

图7 不同藻液量对栗钙土和砂性土日蒸发量的影响Fig.7 Effect of different amounts of algal on daily evaporation of chestnut soil and sandy soil

砂性土各处理也表现出相似的规律，但整体蒸发进程快于栗钙土各组. 第1~11 天，各处理日蒸发量以CK 处理为最大，表现为CK>LZ-1>LZ-3>LZ-5>LZ-10，从第12 天起LZ-1 代替CK 成为日蒸发量最高的处理，第15 天起LZ-3 处理日蒸发量最大，第18天起LZ-5 处理日蒸发量最大，第23 天起LZ-10 处理日蒸发量最大.

在各处理土壤水分充足期间，分别选取栗钙土和砂性土各处理日蒸发量差异最大的一天，比较各处理日蒸发量差异情况，结果如表2 所示. 可以看出，栗钙土中，蒸发第15 天时LZ-1、LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的日蒸发量相较于CK 处理分别降低了17.10%、37.97%、52.49%、59.44%；砂性土中，蒸发第11 天时LZ-1、LZ-3、LZ-5、LZ-10 处理的日蒸发量分别比CK 处理降低了22.25%、37.84%、48.17%、57.34%.这说明在两种土壤中施加蓝藻藻液均可降低土壤水分蒸发，并且施藻量相同的情况下，蓝藻降低水分蒸发的作用效果相近，施藻量越高，蒸发量越少.

2.3.2 土壤水分累积蒸发量

试验期间各处理土壤水分累积蒸发量随时间的变化如图8 所示. 可以看出，两种土壤的累积蒸发量总体上都呈现出先稳步增加后趋于平缓的趋势. 栗钙土各处理自第17 天起，各处理土壤累积蒸发量陆续趋于稳定. 此外，随着施藻量的增加，土壤中水分的累积蒸发量逐渐降低，土壤水分蒸发逐渐减少. 第25 天时，各处理的累积蒸发量表现为CK>LZ-1>LZ-3>LZ-5>LZ-10.

图8 不同藻液量对栗钙土和砂性土累积蒸发量的影响Fig.8 Effect of different amounts of algal on cumulative evaporation of chestnut soil and sandy soil

砂性土中，各处理自第11 天起土壤累积蒸发量趋于稳定，砂性土累积蒸发量趋于稳定的拐点明显早于栗钙土. 与栗钙土不同的是，25 d 内，砂性土中CK处理的累积蒸发量低于LZ-1 和LZ-3 处理，各处理的累积蒸发量表现为LZ-1>LZ-3>CK>LZ-5>LZ-10.

3 讨论

3.1 施加蓝藻藻液对土壤基本理化因子的影响

该研究结果表明，随施藻量增加，两种典型土壤pH 下降，全盐量升高，且栗钙土变化更明显. 蓝藻降解会释放大量酸性物质(如碳酸和有机酸)，从而降低环境pH[41]. 此外蓝藻自身具有调节土壤pH 的能力[42]，这可能与蓝藻释放的多糖、肽、脂类等胞外化合物有关[43]. 施加蓝藻会使土壤全盐量升高，这与已有研究中发现的蓝藻可用于盐渍土修复[44]的结论相悖，可能是因为，蓝藻是通过产生胞外多糖(EPS)改善土壤结构并在土壤中产生更多的通道，使土壤表层中的盐通过这些通道移动到更深的层[44]，并非直接去除土壤中的盐. 而试验测定土壤全盐量所用的土是已将盆栽中的土壤混匀后的土，由于所用藻液自身全盐量较高，故施藻量高的处理土壤全盐量高.

3.2 施加蓝藻藻液对土壤养分特征的影响

与CK 处理相比，随施藻量增加，栗钙土和砂性土有机质、全氮、有效磷含量均有所提升，且砂性土提升更为显著，其中有效磷含量的提升最为显著，而全氮含量虽有所增加但总量偏低，这与已有研究结果[26-28]一致. 蓝藻释放的胞外聚合物可增加土壤碳库[45]，其所含的胞外多糖有利于固定空气中的CO2[46]，提供土壤益生菌生长所需的有机碳源，提高土壤有机质含量. 蓝藻细胞中含有大量可降解物质，分解过程中释放大量营养盐(如硝酸盐、正磷酸盐、总溶解态碳等)[47]，且蓝藻具有解磷作用，可增加无机磷酸盐(PO43+)的溶解[41]，这使得土壤中碳氮磷含量增加.土壤养分转化是一个复杂的过程，与土壤中微生物的活动密切相关[48]. 各处理全氮含量均较低，可能是由于退化土壤中固氮微生物的活性较低，土壤固氮基因丰度低[49]，加之随着施藻量增加，土壤盐分也相应增加，在一定程度上限制了土壤中微生物的数量和活性等，从而阻碍蓝藻中养分的释放[50]，导致栗钙土、砂性土的氮素含量都偏低，而砂性土退化程度更为严重，固氮微生物活性更低，因此土壤中氮素含量更低.

3.3 施加蓝藻藻液对土壤水分蒸发的影响

土壤蒸发是土壤与近地表进行水热交换的重要组成部分，是提高水分利用效率的关键环节[51]. 土壤水分蒸发随施藻量的增加呈降低趋势，土壤保水性和吸水能力均有所提高. 究其原因：①蓝藻细胞分泌的EPS 具有黏滞性和吸湿性，可作为蓝藻和土壤颗粒之间的黏合基质，在土壤表面形成结皮覆盖层，加大土壤的抗侵蚀性[52]，并从周围环境中吸引和吸收水分[53]，从而减少土壤水分蒸发，提高土壤保水性. ②可能与土壤盐分有关，实验前期(栗钙土蒸发时间<17 d，砂性土蒸发时间<11 d)土壤含水量较高，土壤蒸发主要受盐分控制，全盐量越高，土壤水分蒸发速率越低[43]；而实验后期土壤含水量降低、全盐量升高，土壤含水量成为土壤蒸发的主要限制因子，含水量越高，土壤水分蒸发速率越低[54]. 此外，25 d 内，施加1%和3%蓝藻藻液的LZ-1 和LZ-3 处理比未施加蓝藻的CK处理的累积蒸发量还高，这与栗钙土表现出的随施藻量增加累积蒸发量减少的趋势不同. 这可能是由于砂性土相较于栗钙土，其体积含水率更低，饱和导水率更高[30]，砂性土中CK 处理的土壤水饱和时体积含水率最低且水分蒸发速率相对加藻的处理更快，故后期土壤中可供蒸发的水分已趋近于无，因此最后砂性土CK 处理的累积蒸发量少于LZ-1 和LZ-3 处理.

蓝藻藻液能改善土壤养分和水分条件，有助于草地植被恢复，但大量施加也会带来更多的盐分，土壤含盐量高则不利于植被生长. 有研究表明，羊草生长适宜土壤含盐量为0.088%~1.63%，且生物量随含盐量的升高呈降低趋势[55]. 该研究在室内进行试验，重点探究了蓝藻对不同类型土壤养分含量及土壤蒸发的影响，蓝藻对土壤呼吸、土壤碳组分、土壤微生物、不同牧草不同发育期生长的影响及野外实地应用效果需进一步研究. 此外，鉴于该研究未来应用方向以退化草地修复、沙地治理等生态恢复为主，短期内不具备畜牧功能，因此未检测土壤藻毒素含量，蓝藻施加是否会造成藻毒素富集还需进一步探索.

4 结论

a) 施加蓝藻藻液能够改善呼伦湖两种典型土壤——栗钙土和砂性土的理化性质，提高土壤有机质、全氮和有效磷含量，降低土壤pH，且对砂性土养分含量的提升更显著.

b) 施加蓝藻藻液对两种典型土壤的水分蒸发均有较好的抑制作用，可提高土壤吸水能力和保水性.

c) 施用10%蓝藻藻液对两种典型土壤性质的改善效果最好，能够显著提高土壤养分含量，增强吸水能力和保水性，虽然土壤全盐量有所升高，但总量偏低. 综合而言，在呼伦湖退化草地和沙地施用蓝藻藻液是一种提高土壤质量的新选择，对于本地蓝藻资源化利用模式探索具有重要意义.