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干旱和半干旱生态系统的土壤呼吸研究有限，生物结皮对其影响机制不明。研究人员监测黄土高原柠条（Caragana korshinskii）灌丛地，发现不同生物结皮影响各异，土壤温度和湿度在不同季节主导土壤呼吸。该研究为理解生态系统碳平衡提供依据。
在广袤的地球陆地上，干旱和半干旱生态系统占据了约 41% 的土地面积，它们就像隐藏在大地中的神秘宝库，蕴含着超过 30% 的全球土壤有机碳储量，在陆地碳循环中发挥着关键作用。土壤呼吸（Soil respiration），这个由土壤微生物和植物根系呼吸产生的土壤向大气排放 CO
2的过程，是陆地碳流失的主要途径。全球通过土壤呼吸排放的碳量巨大，远超人类因砍伐森林和燃烧化石燃料所产生的排放量。因此，哪怕土壤呼吸发生微小变化，都可能对生态系统的碳平衡产生深远影响。
然而，目前人们对温带和热带生态系统中的土壤呼吸了解较多，对干旱和半干旱生态系统中的这一过程却知之甚少。生物结皮（Biocrusts）作为干旱和半干旱生态系统中独特的存在，它们由苔藓、地衣、藻类、蓝细菌、细菌、真菌、古菌和土壤颗粒等复杂组合而成，覆盖在土壤表层几毫米的地方，是生态系统的 “工程师”。生物结皮对土壤呼吸有着重要的调控作用，但人们难以准确量化其贡献，它既可能增强土壤呼吸，也可能抑制土壤呼吸，这种矛盾现象背后的机制尚不明确。而且，不同类型的生物结皮（如蓝细菌主导、地衣主导和苔藓主导的生物结皮）对土壤呼吸的影响差异，以及季节变化如何影响这种关系，都还是未解之谜。
为了揭开这些谜团，来自中国甘肃省榆中山生态系统观测研究站的研究人员，在当地的柠条（Caragana korshinskii）灌丛地开展了一项为期三年的连续野外监测研究。该研究成果发表在《Applied Soil Ecology》上。
研究人员运用了连续野外监测技术，在 2020 年 11 月至 2023 年 10 月期间，对研究区域的环境因素和土壤呼吸动态进行了长期、高频次的观测，详细记录了不同季节、不同生物结皮覆盖下的土壤温度、土壤湿度以及土壤呼吸速率等数据。
环境因素和土壤呼吸动态变化
在三年的实验期间，年降水量波动较大，分别为 234mm、296mm 和 266mm，且大部分降水集中在生长季。不同类型生物结皮覆盖下的土壤温度有所差异，裸土、蓝细菌主导的生物结皮、地衣主导的生物结皮和苔藓主导的生物结皮的平均土壤温度分别为 9.07°C、9.78°C、8.48°C 和 9.05°C。土壤湿度也呈现出不同的变化趋势。
生物结皮对非生长季和生长季土壤呼吸的影响
研究发现，苔藓和地衣主导的生物结皮在非生长季和生长季的总土壤呼吸均显著高于裸土，这部分验证了研究假设。而蓝细菌主导的生物结皮在非生长季的总土壤呼吸速率显著高于裸土，但在生长季与裸土的差异不明显。不同类型生物结皮对土壤呼吸季节波动的影响不同，生物结皮层呼吸增加幅度大致为：蓝细菌 < 地衣 < 苔藓 。这表明生物结皮类型与土壤呼吸季节变化之间存在紧密联系，且这种影响的程度不仅取决于生物结皮类型，还与非生长季和生长季有关。
土壤呼吸的驱动因素
在非生长季，土壤温度是总土壤呼吸的主要驱动因素；而在生长季，土壤湿度则占据主导地位。此外，年降水量的动态变化可能改变了生物结皮的作用以及土壤呼吸的关键决定因素。
研究结果表明，苔藓和地衣主导的生物结皮对总土壤呼吸的影响不受非生长季和生长季的影响，而蓝细菌主导的生物结皮受季节变化影响显著。生物结皮对土壤呼吸季节变化的影响与生物结皮类型密切相关，其影响程度与生物结皮类型和季节均有关。土壤温度和土壤湿度在不同季节分别主导着土壤呼吸。该研究强调了在评估干旱和半干旱生态系统中土壤呼吸响应时，独立考虑非生长季和生长季以及生物结皮类型的重要性，为深入理解干旱和半干旱生态系统的碳循环过程提供了关键依据，有助于更准确地模拟和预测该生态系统的碳动态变化，对维护生态系统的碳平衡和可持续发展具有重要意义。
