苔藓主导的生物土壤结皮通过增加横截面的湿润周长来减少径流

《CATENA》：Moss dominated biological soil crust reduced runoff by increasing wetted perimeter of cross-section

生物结皮演替过程中功能性状（如生物量、株高、叶密度）对湿周及径流动力学的影响研究。湿周随生物量增加呈显著正相关（R2=0.9957），导致径流速度从0.2244 m/s降至0.0217 m/s，阻力系数达53.04。

　　生物结皮（Biocrusts）在干旱地区广泛分布，是生态系统中重要的地表覆盖层。它们在水文过程中扮演着关键角色，尤其是在径流形成和运动方面。尽管已有大量研究探讨了生物结皮对径流量的影响，但其对径流过程，尤其是小尺度（如斑块）的影响仍缺乏深入理解。为填补这一知识空白，本研究通过测量生物结皮在不同演替阶段的功能性特征，分析这些特征如何影响截面的湿润周长，而湿润周长是决定径流阻力的重要因素。此外，我们还进行了一项模拟径流实验，以研究这些特征在斑块尺度（30 cm × 20 cm）下对径流过程的具体影响。

实验结果显示，随着生物结皮演替阶段的推进，其功能性特征，如植物高度、叶片密度和生物量显著增加。这些特征的提升进一步导致截面湿润周长的显著增加。具体而言，当生物结皮中的苔藓覆盖度超过95%时，其湿润周长达到213.33 mm·cm?1，是苔藓覆盖度低于5%时的20.4倍。随着湿润周长的增加，径流速度呈对数下降趋势，从0.2244 m·s?1降至0.0217 m·s?1。相反，径流阻力则呈指数增长，从0.05增加到53.04。此外，径流系数随着湿润周长的增加而降低。研究还发现，生物结皮的生物量（B）是影响湿润周长（χ）最重要的因素，证据表明湿润周长与生物量之间存在显著的正相关关系（χ = 0.4083B + 0.5047，R2 = 0.9957）。生物量的增加扩大了生物结皮的湿润周长，从而减缓了径流速度，增强了径流阻力，并降低了径流系数。本研究为理解生物结皮斑块在塑造径流过程中的作用提供了新的视角，并突显了生物结皮功能性特征对干旱地区水文过程的贡献。

水是干旱地区植物生长和生态系统稳定的关键限制资源。降雨通常是这些地区的主要水源，其形成的径流对多种生态系统过程产生显著影响，包括水分再分配、养分运输与分布以及土壤侵蚀。这些影响导致了资源的异质性，进而推动了独特的水文和植被格局的形成，最终影响了干旱地区生态系统的稳定性。因此，理解径流过程及其关键影响因素对于揭示干旱地区生态系统运行机制和其恢复力至关重要。

生物结皮作为干旱地区常见的地表覆盖层，可以覆盖未受干扰区域的约70%。作为干旱地区植被群落的基本组成部分，生物结皮因其独特的结构特征和生态水文功能，在水文过程中发挥着重要作用。已有许多研究探讨了生物结皮对径流的影响。一些研究指出，生物结皮中蓝藻分泌的胞外多糖会堵塞土壤孔隙，降低土壤渗透性，从而促进径流的形成。相反，另一些研究发现，生物结皮通过增加土壤表面粗糙度，减缓径流速度，并减少径流体积。此外，相关研究还发现，与裸土相比，生物结皮覆盖的土壤在径流形成时间上更晚，径流体积也更低。这一现象可能与生物结皮增强土壤团聚体结构，增加土壤孔隙度有关。生物结皮对径流的影响还从多个角度进行了探讨，包括土壤质地、水力滞留性、径流长度、生物结皮覆盖度、类型和分布模式。总体而言，已有研究从不同角度探讨了生物结皮对径流的影响，为理解其在水文过程中的作用提供了坚实基础。然而，关于生物结皮对径流影响的结论仍存在矛盾。

在自然条件下，生物结皮通常以斑块形式分布。然而，大多数现有研究主要关注于小尺度（如样地）的径流量调查。这些研究中观察到的径流量通常是多种因素共同作用的结果，包括生物结皮、微地形和土壤性质。因此，进行斑块尺度的研究可能更有助于厘清生物结皮对径流的真实影响。更重要的是，生物结皮经历一个演替过程，从以蓝藻为主的结皮逐渐演替为以苔藓和/或地衣为主的结皮。这一演替过程显著改变了生物结皮的表面粗糙度。早期的蓝藻结皮通常具有较为光滑的表面，而后期的苔藓和地衣结皮则形成类似海绵的多孔结构，使得不同演替阶段的生物结皮表面粗糙度存在显著差异。这种表面粗糙度的显著变化表明，生物结皮可能对径流动态产生深远影响。然而，目前针对生物结皮中苔藓或地衣形成的表面粗糙度对径流过程影响的研究仍较为有限，这可能是我们对生物结皮径流效应理解仍不清晰的重要原因。

准确量化生物结皮的表面粗糙度，特别是苔藓/地衣主导的结皮的多孔结构，是理解其对径流过程影响的关键第一步。大多数现有研究依赖于链式方法来测量生物结皮的表面粗糙度，而一些研究则采用更精确的微地形测量仪。这些方法在表征光滑蓝藻结皮的表面起伏方面较为有效。然而，由于苔藓/地衣等生物在空间上的复杂排列，现有方法难以准确捕捉其多孔结构的内部复杂性。我们认为，生物结皮表面粗糙度对径流过程的影响主要来源于生物结皮内部生物（如苔藓）形成的交织植物体和叶片所形成的类似海绵的多孔结构所产生的形态阻力。这种阻力改变了径流的水动力学特性，最终影响了径流过程。生物结皮中这种类似海绵的多孔结构的特征由其功能性特征决定，包括苔藓植物的植物高度、菌落密度和叶片密度。因此，量化生物结皮中生物（苔藓）的功能性特征，并研究这些特征在不同演替阶段的变化，特别是其与影响径流过程的关键水力特性之间的关系，将有助于深入理解生物结皮斑块对径流的影响。

明确生物结皮功能性特征对水力要素的影响，有助于我们理解其如何改变径流的水动力学特性。湿润周长作为关键水力要素，代表了在某一截面中流体与固体表面的接触边界。它对于确定径流阻力至关重要，随着湿润周长的扩大，径流阻力也随之增加。理解生物结皮覆盖下的截面湿润周长，可以揭示其功能性特征如何影响近地表水力特性，并有助于量化其与径流阻力之间的关系。然而，不同演替阶段下生物结皮的湿润周长变化，以及生物结皮功能性特征如何影响湿润周长和径流过程，仍然不清楚。这种不确定性在我们理解生物结皮功能性特征如何影响径流过程的机制方面形成了知识空白。

中国黄土高原是全球干旱和半干旱环境的典型区域。在“退耕还林”生态工程实施后，生物结皮得到了广泛发展，覆盖度在林地和草地中达到了47.3%。该地区的生物结皮演替从以蓝藻为主的结皮逐渐演替为以苔藓为主的结皮，为研究不同演替阶段下生物结皮的功能性特征及其对径流过程的影响提供了机会。因此，我们根据苔藓覆盖度对生物结皮的不同演替阶段进行了分类，并研究了这些阶段下的功能性特征、湿润周长和径流动态。我们的目标是：（1）分析生物结皮群落功能性特征随演替的变化；（2）确定生物结皮在不同演替阶段下截面湿润周长的变化情况，并识别影响湿润周长的关键功能性特征；（3）阐明生物结皮功能性特征如何通过水动力学机制影响径流过程。本研究通过在斑块尺度下分析生物结皮功能性特征对径流过程的影响，为理解干旱地区水分再分配的机制提供了新的见解。