中国腾格里沙漠植被恢复驱动生物结皮及下层土壤有机碳的积累与稳定机制研究

针对全球干旱区生态系统恢复中生物结皮(Biocrusts)对土壤有机碳(SOC)积累与稳定机制认识不足的问题，研究人员通过68年植被恢复时序研究，揭示了颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)的时空演变规律，发现生物结皮贡献了45.10-70.02%的剖面总SOC储量，其MAOC饱和度仅达理论值的12.70-38.26%，为干旱区碳循环研究提供了重要理论依据。

　　

在全球干旱化加剧的背景下，沙漠生态系统恢复已成为应对土地退化和气候变化的重要策略。然而，长期以来，干旱区碳汇功能被严重低估，特别是生物结皮（由蓝藻、藻类、地衣和苔藓组成的特殊地表覆盖层）在碳固定中的作用机制尚不明确。传统观点认为，干旱区土壤碳库以不稳定的颗粒有机碳(POC)为主，但最新研究显示，矿物结合有机碳(MAOC)才是长期碳封存的关键形式。这种认知差距严重制约着对干旱区碳循环的准确评估。

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所（现为中国科学院西北生态环境资源研究院）的研究团队选择中国北方腾格里沙漠东南缘的沙坡头地区作为研究对象。该区域自1950年代起通过种植耐旱灌木实施植被恢复，形成了16公里长的防护带，为研究生物结皮发育与碳循环的长期演变提供了理想场所。研究人员采用空间代时间的方法，选取0年（流动沙丘）、13年、25年、37年、51年和68年五个恢复阶段的样地，系统分析了生物结皮及其下层土壤(0-2 cm和2-5 cm)的碳组分动态。

研究主要采用物理分组法分离POC(>53 μm)和MAOC(<53 μm)，结合磷脂脂肪酸(PLFA)分析微生物群落结构，测定β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)和β-D-纤维二糖苷酶(CBH)活性，并运用结构方程模型(SEM)解析驱动机制。通过粘土+粉砂(CS)含量计算MAOC饱和容量，评估碳封存潜力。

研究结果显示，随着恢复年限增加，生物结皮层SOC含量增长91.77倍，显著高于下层土壤(0-2 cm增长38.33倍，2-5 cm增长7.07倍)。MAOC浓度从初始的1.14 g kg^-1增至5.65 g kg^-1，但其占总SOC比例(37.36%)仍低于下层土壤(0-2 cm达41.99%)。生物结皮贡献了剖面48.11-71.52%的MAOC储量，但其饱和度仅为理论值的38.26%，表明仍有巨大封存潜力。

微生物分析揭示，恢复过程中细菌和真菌PLFA分别增加0.65倍和0.89倍，真菌/细菌比上升，促进有机质转化。胞外多糖(EPS)含量与MAOC呈显著正相关(r=0.874)，证实微生物分泌物在矿物结合中的关键作用。结构方程模型显示，土壤理化性质(路径系数0.56)和微生物群落(0.37)是MAOC形成的直接驱动力，而酶活性(0.70)主要调控POC转化。

讨论部分强调，生物结皮发育通过"三重机制"促进碳稳定：1) 增加细颗粒物含量，提供矿物吸附位点；2) 分泌EPS促进团聚体形成；3) 改变微生物群落提升碳利用效率。但研究也发现，干旱胁迫下MAOC形成速率较慢，68年恢复仍未达饱和状态，这解释了全球干旱区碳汇能力评估的偏差。

该研究发表于《Geoderma》的重要意义在于：首次量化了干旱区生物结皮系统的MAOC饱和缺陷，为准确评估全球干旱区碳汇潜力提供了基准数据；证实了植被恢复驱动的生物结皮发育是增强土壤碳持久性的有效途径，为联合国土地退化零增长(LDN)目标提供了科学依据；提出的"微生物-矿物-有机质"协同稳定机制，为发展干旱区特异性碳模型奠定了理论基础。未来研究需结合同位素示踪和宏基因组技术，进一步解析不同生物结皮组分(蓝藻/地衣/苔藓)对碳转化的差异化贡献。