干旱区成熟生物结皮覆盖土壤碳通量因类型而异：苔藓覆盖土壤仍为碳汇而蓝藻覆盖土壤成为碳源

为明确生物结皮类型对干旱区土壤碳通量的影响，研究人员在黄土高原半干旱区对成熟蓝藻、苔藓结皮及裸土的碳通量（Pn、Rs、NCF）开展两年监测。发现苔藓结皮为碳汇（NCF -0.32 μmol m-2 s-1），蓝藻结皮为碳源，土壤含水量是主驱动因素。该研究为评估干旱区碳通量提供依据。

　　在广袤的干旱与半干旱地区，地表广泛分布着由蓝藻、苔藓等隐花植物与土壤微生物共同组成的生物结皮，它们如同干旱区土地的 “皮肤”，默默影响着土壤与大气间的碳交换。作为陆地生态系统的重要组成部分，干旱区占据全球约 41% 的陆地面积，储存着超过 30% 的土壤有机碳（SOC），其微小的碳通量变化都可能对全球碳平衡产生显著影响。然而，长期以来，不同类型生物结皮，尤其是成熟阶段的生物结皮，对土壤碳通量（包括碳吸收与排放过程）的贡献差异尚不明确。已有研究表明，蓝藻结皮在成熟后可能因碳饱和转为碳源，而苔藓结皮或许因持续碳需求保持碳汇功能，但受研究区域、方法和气候条件限制，这些结论缺乏充分的实地验证。因此，准确量化不同成熟生物结皮类型的碳通量差异，对于预测干旱区碳平衡、完善全球碳循环模型至关重要。

为解决这一科学问题，来自中国的研究人员在我国黄土高原北部半干旱区（年均降水量 454 mm，潜在蒸散量 1337 mm）开展了一项为期两年（2022-2023 年生长季）的实地研究。该团队以两种典型的成熟生物结皮（约 40 年生的蓝藻结皮和苔藓结皮）及裸土为研究对象，持续监测土壤碳通量，包括生物结皮光合作用（P_n，即碳吸收能力）、土壤呼吸（R_s，即碳释放能力）和净碳通量（NCF=R_s-P_n，正值为碳源，负值为碳汇）。研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》，为干旱区碳管理提供了关键科学依据。

研究主要采用了以下技术方法：一是通过自动化设备对三种样地的 P_n、R_s进行连续原位测量，获取高频碳通量数据；二是采集土壤样品测定理化性质（如土壤含水量、细颗粒比例、SOC、氮磷养分等）和微生物参数（微生物丰度 ACE、多样性 Shannon 指数）；三是运用线性回归、结构方程模型（SEM）分析碳通量驱动因素；四是利用随机森林模型模拟估算年碳通量。研究涉及的样地均位于黄土高原特定区域，未提及样本队列的其他来源。

成熟生物结皮性状与土壤性质差异

研究发现，两种成熟结皮覆盖度均达 95.5%-96.5%，厚度 8.0-13.5 mm。与蓝藻结皮相比，苔藓结皮具有更高的生物量（0.25 g cm^-2）、叶绿素含量、SOC、养分（NH₄⁺-N、NO₃^--N、AP）、土壤微生物丰度（ACE-B、ACE-F）和多样性（Shannon-B、Shannon-F），而土壤容重更低。这些差异表明苔藓结皮在改善土壤质量和碳储存潜力上更具优势。

两种结皮对土壤碳通量的对比影响

实测数据显示，苔藓结皮的 P_n和 R_s均显著高于蓝藻结皮。关键的是，蓝藻结皮的 NCF 为正值（碳源），而苔藓结皮 NCF 为负值（-0.32 μmol m^-2 s^-1，碳汇）。进一步分析表明，土壤含水量（SWC）是驱动碳通量季节变化的首要因素，其通过影响结皮生理活性调节 P_n和 R_s。随机森林模型估算显示，苔藓结皮覆盖土壤年净碳吸收量为 - 66 g C m^-2 yr^-1，而蓝藻结皮土壤年净碳排放量达 551 g C m^-2 yr^-1，二者碳汇 / 源功能差异显著。

研究结论与意义

本研究证实，成熟生物结皮类型是干旱区土壤碳通量的关键调控因子。蓝藻结皮因生物量较低、叶绿素含量有限，其光合作用碳吸收不足以抵消土壤呼吸碳释放，导致成熟后转为碳源；而苔藓结皮凭借更高的光合能力和持续的碳需求，可在数十年甚至更长时间内维持碳汇功能。这一发现修正了以往对干旱区生物结皮碳汇功能的普遍认知，强调了结皮类型差异在碳循环中的重要性。

研究意义重大：其一，为干旱区生态恢复中生物结皮种类的选择提供了科学依据，优先保护或培育苔藓结皮可增强区域碳汇能力；其二，提示在全球碳模型中需区分生物结皮类型，避免因笼统估算导致的碳通量误差；其三，揭示了干旱区碳循环对气候变化的复杂响应机制，尤其是土壤水分变化可能通过影响结皮功能改变碳汇 / 源状态。未来研究需进一步拓展至更多结皮类型和气候区，以完善干旱区碳管理策略，助力全球碳中和目标的实现。