温带荒漠生态系统生物结皮发育阶段调控土壤碳矿化及其水热敏感性的研究

本研究针对干旱区生态系统碳循环评估的关键瓶颈，通过系统分析流动沙丘(MSD)、裸地(BS)及蓝藻(CC)-地衣(LC)-苔藓(MC)生物结皮演替序列的土壤有机碳(SOC)矿化特征，揭示了生物结皮发育通过改变土壤理化性质、微生物群落和胞外酶活性形成"碳矿化能力增强但效率降低"的双重调控机制，其水热敏感性随演替显著提升，为气候变化背景下干旱区碳汇功能评估提供了理论依据。

　　

在占全球陆地面积41%的干旱区，生物结皮(Biocrusts)作为"生态系统工程师"，通过蓝藻、地衣和苔藓的演替序列重塑地表微环境。然而，这些肉眼难辨的生命网络如何调控土壤碳命运，始终是生态学界未解的谜题。中国科学院西北生态环境资源研究院的研究团队在《CATENA》发表的研究，首次系统揭示了生物结皮发育阶段与土壤碳矿化的非线性关系，为干旱区碳汇精准评估提供了关键参数。

研究团队采用"自然梯度替代法"，在腾格里沙漠选取流动沙丘、裸地及三类典型生物结皮样地，通过室内控制实验模拟不同水热条件，结合同位素标记、酶活性检测和结构方程模型(SEM)分析，构建了生物结皮-土壤-微生物多维互作网络。

【土壤理化性质】数据显示，从蓝藻结皮(CC)到苔藓结皮(MC)，结皮层厚度增加48%，粘粒含量提升2.3倍，pH降低0.8个单位，这为微生物创造了更有利的栖息环境。

【OC矿化效应】瞬时矿化速率(R_m)在结皮层达到流动沙丘的30.02(±1.86)倍，但矿化效率（单位SOC的CO₂释放量）随演替下降23%，形成"高排放-低效率"的悖论现象。

【水热敏感性】苔藓结皮对温度升高的响应强度是蓝藻结皮的1.6倍，其Q₁₀值(温度敏感性系数)达2.35，印证了成熟结皮对气候变暖的放大效应。

【微生物机制】磷脂脂肪酸(PLFA)分析显示，革兰氏阴性菌在苔藓结皮中占比提升41%，其分泌的β-葡萄糖苷酶活性增加2.8倍，直接驱动了碳周转加速。

这项研究创新性提出"双碳门控"理论：生物结皮演替通过物理封存(增加粘粒结合态碳)和生物活化(刺激微生物代谢)的拮抗作用，实现短期碳释放与长期碳固定的动态平衡。特别是在气候变化背景下，苔藓结皮覆盖区可能成为碳循环的"敏感开关"——其占样地面积不足15%却贡献45.18%的CO₂通量，这对全球干旱区碳预算模型修正具有重要启示。正如通讯作者Xiaojun Li强调的，未来需重点关注生物结皮演替阈值，以预测极端气候事件下的碳汇突变风险。