黄土高原水蚀风蚀交错区生物土壤结皮覆盖度对两种质地土壤蒸发特征的影响

《Journal of Arid Environments》：Impacts of biological soil crust coverage on evaporation characteristics of two textural soils in the water–wind erosion crisscross region of the Loess Plateau

　　

# 摘要

生物土壤结皮广泛分布于黄土高原水风蚀交错区，在该区域地表水分收支调节中起着关键作用。为阐明生物结皮在不同土壤质地条件下对土壤蒸发的影响，本研究选取黄土土和风成沙土上发育的苔藓主导型生物结皮作为研究对象，进行对比定量分析。通过野外采样与模拟蒸发实验相结合的方法，我们定量分析了三种实验处理下的土壤蒸发特征：裸土、未受干扰的苔藓结皮覆盖土和模拟放牧踩踏后的结皮覆盖土。此外，我们识别了苔藓结皮覆盖下两种土壤质地中表层厚度和结皮覆盖率对土壤蒸发的差异效应。结果表明，无论是否有苔藓结皮覆盖，风成沙土的平均蒸发速率均显著高于黄土土。裸黄土土的平均蒸发速率为2.38 g h?1；苔藓结皮通过改变地表微结构抑制蒸发，使平均蒸发速率降低了0.20 g h?1。相反，在模拟放牧踩踏后，平均蒸发速率呈现相反的趋势。在整个模拟蒸发实验期间，在三种情景下黄土土的累计蒸发量均显著高于风成沙土。在苔藓结皮覆盖下，两种土壤质地的累计蒸发量均随表层厚度增加而增加。在没有表层覆盖土的情况下，蒸发强度和累计蒸发量最高。对于有表层覆盖土的结皮，蒸发强度随表层厚度增加而降低，而累计蒸发量则相应增加。这些发现推进了我们对生物结皮驱动地表土壤水分动态调控机制的理解，并为干旱半干旱地区的土壤水保持和荒漠化防治提供了科学依据。

# 引言

土壤侵蚀是全球最严重的环境挑战之一，其中干旱半干旱地区承受着不成比例的土地退化负担。这些干旱地区土壤侵蚀的加剧引发了一系列连锁的生态破坏，包括土壤质量恶化、土地生产力下降、荒漠化和生态系统状态转变等，这些都从根本上破坏了维持人类社会运行的物质基础（Chen等，2025a）。作为中国干旱半干旱区域受侵蚀最严重的地区之一，黄土高原受到自然与人为压力的双重挤压：干旱气候、暴雨事件集中、地形梯度陡峭、植被覆盖稀疏以及广泛的人为干扰（Shi等，2025）。这些因素共同加剧了高原地区的土壤侵蚀、水分流失和土壤整体退化（Li等，2024；Zeng等，2025）。为缓解此类严重的生态退化，退耕还林还草工程在近几十年间在黄土高原得到了持续实施。得益于大规模生态修复工程，生物土壤结皮在该区域大量增殖，并成为该区域的主要地面覆盖类型（Qiu等，2024），部分地区覆盖率可超过70%（Xiao等，2007）。作为干旱半干旱区域特有的微景观，生物结皮是指由藻类、地衣、苔藓、真菌和细菌聚合粘合到下层薄表层土而形成的致密层状复合体（Bu等，2015）。凭借对高温和长期干旱等极端环境的强耐受性，生物结皮在维持脆弱生态系统中发挥着不可替代的调控作用（Guida等，2023）。

作为一种特殊的表层覆盖介质，生物结皮具有显著的水土保持能力。其形成和演替发育可以快速修复破碎退化的土地斑块（Jing等，2025），从而对表层土壤特性产生深远多维的影响。除了显著改变土壤物理化学特性——包括容重、土壤含水量和有机质含量（Bullard等，2022；Cheng等，2022），生物结皮还调控着关键的水文生态过程，如防风固沙、土壤侵蚀防治、土壤热调节和地表水分再分配（Li等，2018）。鉴于这些多方面的生态功能，生物结皮自20世纪90年代以来就吸引了广泛的学术关注，并逐渐发展为干旱地区生态环境研究的前沿领域。土壤蒸发——定义为土壤水分以水汽形式扩散进入大气层的进程——是地表能量分配和水分平衡的重要组成部分，也是干旱半干旱生态系统水文循环中的关键环节。该过程受多种因素共同调控，包括气温、降水格局、光照强度、土壤固有属性和地表覆盖状况等（Chen等，2023；Zhou等，2025）。尽管厚度很浅（从几毫米到几厘米不等），生物结皮对土壤蒸发产生了深远的调控效应——这一主题长期以来一直是结皮水文研究的核心焦点（Kidron等，2022）。

作为陆地生态系统的组成部分，生物结皮是决定土壤抗蚀性和稳定性的关键因素（Phillips等，2022），也是防治土壤侵蚀和荒漠化的有前景的自然解决方案（Wang等，2022）。认识到其在生态恢复和荒漠化防治中的巨大价值，自21世纪以来全球研究人员对生物结皮进行了广泛的系统性研究。现有研究主要关注生物结皮的群落组成和空间分布、对土壤理化性质的调控效应、对土壤温度的影响以及植被演替的干预机制。具体研究课题涵盖以下方面：生物结皮理化指标的测定方法（Guida等，2023）；生物结皮的固有理化特性（Lichner等，2013）；生物结皮对土壤养分状态的影响（Hui等，2023）；土壤呼吸对结皮覆盖的响应（Guan等，2019, 2021）；生物结皮对土壤水分运移和蒸发过程的影响（Chen等，2025b）；生物结皮对土壤结构的调控效应（Li等，2018）；生物结皮对土壤温度的调节影响（Li等，2022a）；生物结皮对土壤种子库和种子萌发的影响（Zhang等，2026）；以及生物结皮对放牧和踩踏干扰的响应（Pereyra等，2017）。

然而，近年来，以放牧和踩踏为主的外部干扰加剧了结皮斑块的破碎化。这种破碎化导致土壤容重和硬度显著增加，以及土壤物理性质的持续恶化，从而深刻影响了结皮覆盖下的土壤蒸发特征（Ayuso等，2020）。然而，大多数以往的研究主要关注生物结皮的一般水文效应，而 largely ignored 土壤质地差异、表层厚度梯度和放牧踩踏干扰对土壤蒸发过程的交互影响（Chen等，2018；Yang等，2025）。在多种结皮覆盖和干扰情景下对黄土土和风成沙土的蒸发特征进行系统性定量比较的研究仍然缺乏。这些研究空白限制了对水风蚀交错区情境依赖型生物结皮水文机制的深入理解。更为关键的是，生物结皮覆盖下的表层土壤水分收支是影响干旱地区植被恢复的关键因素（Li等，2016），其动态变化直接与该区域生态系统的恢复和重建过程相关联。因此，对生物结皮覆盖下土壤蒸发过程进行系统研究，不仅对推进黄土高原区域表层水分收支平衡的理解具有重要的理论价值，也为区域土壤水保持和荒漠化防治提供了坚实的实践支撑。

Xiao等（2010）基于六道沟流域单一土壤基质研究了生物结皮的蒸发特征，并通过数值模拟量化了蒸发动态。然而，他们的研究并未考虑土壤质地、土壤厚度、结皮覆盖度和牲畜踩踏干扰的交互影响。基于对生物结皮覆盖下土壤蒸发特征研究的重要性认识，并针对当前研究中影响因子的明显空白，本研究聚焦于黄土高原水风蚀交错区的典型黄土土和风成沙土，特别关注生物结皮覆盖下的土壤蒸发特征。通过测量结皮覆盖土、裸土和踩踏后结皮覆盖土三种情景下的土壤蒸发速率、蒸发强度、土壤蒸发与大气蒸发需求之比以及累计蒸发量，我们对比分析了结皮覆盖土与裸土之间土壤蒸发特征的差异，并阐明了结皮覆盖对土壤蒸发速率和不同时段累计蒸发特征的调控规律。同时，通过控制变量实验，我们识别了结皮覆盖下土壤蒸发特征的主要影响因子及其动态响应机制。

据此，本研究的主要目标为：（1）探讨黄土高原三种处理条件下黄土土和风成沙土的蒸发速率和累计蒸发特征；（2）识别结皮上方不同表层厚度如何改变土壤蒸发过程；（3）量化不同结皮覆盖程度对土壤蒸发动态的效应强度。这些发现将推进我们对生物结皮如何调控表层水文过程的机制性理解，为生物结皮资源的保护利用以及干旱半干旱地区的土壤水保持和荒漠化防治提供科学依据。

# 节选片段

## 研究地点

本研究在中国科学院神木侵蚀与环境实验站开展。研究区位于陕西省神木市六道沟小流域（图1），流域总面积6.89 km2，地理坐标为东经110°21′–110°23′、北纬38°46′–38°51′，海拔在1094.0 m至1273.9 m之间。该流域位于山西、陕西和内蒙古三省（区）交界处，具有独特的……

## 模拟蒸发条件下不同时期结皮覆盖土壤的蒸发速率

在模拟蒸发条件下，生物结皮覆盖土壤的蒸发特征可明显分为三个阶段，黄土土和风成沙土的土壤蒸发速率均呈快速逆S形衰减趋势（图2）。在大气蒸发能力主导阶段（0–19 h），土壤蒸发强度较高，蒸发速率急剧下降。与裸黄土土相比，苔藓结皮覆盖降低了……

## 生物结皮和放牧踩踏对不同质地土壤蒸发的调控效应

不同质地的土壤对生物结皮覆盖和放牧踩踏的蒸发响应存在显著差异。黄土土以细颗粒和较强的毛细作用为特征，其固有蒸发潜能较低。在无结皮覆盖的情况下，其平均蒸发速率为2.38 g h?1（图2a），累计蒸发量为122.59 mm（图3d）。苔藓结皮形成了一个致密的密封表层，阻碍了毛细水向上的运移，并……

# 结论

本研究定量评估了苔藓结皮覆盖对黄土高原水风蚀交错区两种不同质地土壤蒸发特征的影响。无论有无生物结皮，风成沙土的平均蒸发速率均显著高于黄土土。裸黄土土的平均蒸发速率为2.38 g h?1，苔藓结皮通过改变地表微结构抑制蒸发，……

# CRediT作者贡献声明

陈磊：写作—审稿与编辑，写作—原稿撰写，可视化，监督，软件，资源，方法论，基金获取，形式分析，概念化。王果鹏：调查研究，数据整理。冯志宇：软件，形式分析。焦亮：验证，项目管理。

# 利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：42371038）和甘肃省教育厅高校教师创新基金（项目编号：2026A-005）的支持。我们也感谢匿名审稿人的有益建议，他们改进了本文手稿。

陈磊|王果鹏|冯志宇|焦亮

西北师范大学地理与环境科学学院/绿洲资源环境可持续利用教育部重点实验室，兰州，甘肃，730070，中国