黄土和风沙土藓结皮土壤呼吸对模拟降雨的响应

生物结皮土壤呼吸是干旱和半干旱生态系统碳循环的重要组成部分,但目前其对降雨的响应规律尚不明确。针对黄土高原黄土和风沙土上发育的藓结皮,分别进行2、4、6、10、20、30、40 mm的模拟降雨,并使用便携式土壤碳通量分析仪测定雨前和雨后藓结皮的呼吸速率,对比分析降雨量对藓结皮呼吸速率的影响;同时,在40 mm降雨后的0—24 h连续测定藓结皮的呼吸速率变化,分析藓结皮呼吸速率随雨后历时的变化规律。结果显示,7种降雨量后两种土壤上藓结皮的呼吸速率均显著升高,黄土上藓结皮呼吸速度的增幅为2.89—6.38倍,风沙土上藓结皮呼吸速率的增幅为0.73—4.38倍。0—6 mm降雨中,两种土壤上藓结皮的呼吸速率均随降雨量增加而迅速升高,二者成显著线性正相关关系;6—40 mm降雨中,黄土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而缓慢升高,但风沙土上藓结皮的呼吸速率随降雨量增加而快速降低。两种土壤上藓结皮的呼吸速率随雨后历时表现出相似的变化规律,即雨后迅速升高、之后逐渐降低,并在24 h左右回归到雨前水平;但黄土上藓结皮的呼吸速率在雨后即刻达到峰值,而风沙土上藓结皮的呼吸速率在雨后30 min左右方达到峰值。黄土上藓结皮的呼吸速率一致高于风沙土上的藓结皮,前者在不同降雨量和雨后历时中平均比后者高150.0%和59.6%。此外,藓结皮呼吸速率与表层土壤含水量存有显著相关关系,在含水量较低(小于约4%)时二者显著正相关,在含水量较高(大于约4%)时二者对于黄土上藓结皮为正相关、对于风沙土上藓结皮为负相关。研究表明,黄土高原藓结皮土壤呼吸对降雨响应快速而直接,但其响应规律对于黄土和风沙土上的藓结皮是不同的,总体而言黄土上藓结皮对降雨的响应更为持久有效。     

黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应

全球气候变化加剧背景下，干旱和半干旱地区的降雨模式将进一步改变，其造成的土壤水分波动是引起土壤呼吸动态变化的重要因素，但生物结皮土壤呼吸响应降雨模式变化继而影响陆地生态系统碳源/汇功能的机制尚不明确。针对黄土高原风沙土发育的藓结皮，以自然降雨量为对照，分别进行幅度为10%、30%、50%的模拟增雨和减雨处理，并利用便携式土壤碳通量分析仪(LI-8100A)测定了模拟增减雨后的藓结皮土壤呼吸速率，对比分析了其对降雨量变化的响应及机制。结果表明：(1)整个实验周期(2018和2019)增雨和减雨分别显著提高(增幅分别为17.9%—48.2%和27.1%—54.2%)和降低了(降幅分别为1.8%—26.8%和5.2%—20.8%)土壤含水量，但对土壤温度的影响不显著；(2)增雨抑制了藓结皮土壤呼吸速率(降幅分别为7.8%—31.7%和14.7%—39.4%),且随梯度增大抑制作用越明显；减雨则取决于减雨梯度，减雨10%和30%会促进土壤呼吸速率(增幅分别为27.5%、9.6%和23.6%、9.7%)而减雨50%具有抑制作用(降幅分别为15.6%和18.5%)。不同实验周期和不同降雨处理间藓结...     

藓结皮对陕北黄土高原两种质地土壤呼吸的影响

使用LI-840便携式土壤碳通量分析仪,测定了黄土高原典型小流域砂土(风沙土)和砂质壤土(黄土)上典型藓结皮与无结皮的呼吸速率,分析两种质地土壤上藓结皮对土壤呼吸的影响。结果显示,在小时尺度上,砂土和砂质壤土上有无藓结皮的呼吸速率均呈单峰型曲线,峰值出现在14:00时,大小分别为2.49和2.66μmol·m-2·s-1;相较于无结皮,有藓结皮的两种质地土壤的呼吸速率峰值分别降低了8.6%和5.8%。在日尺度上,有藓结皮的砂土和砂质壤土的日均呼吸速率分别较无结皮降低了9.1%和5.3%,且有藓结皮的砂土日均呼吸速率比有藓结皮的砂质壤土低7.1%。此外,两种质地土壤的呼吸速率与表层2 cm土壤温度均呈显著线性相关,表明表层土壤温度是影响生物结皮土壤呼吸的主要因素;同时,藓结皮使表层土壤温度降低0.3~0.5℃,因此推测藓结皮可能会通过降低土壤温度进而影响土壤呼吸速率。研究表明,黄土高原两种质地土壤上广泛发育的藓结皮均能显著降低土壤呼吸速率,其中砂土上的藓结皮更为突出,因此在区域碳通量估算和碳循环研究中应予以充分重视。     

黄土高原水蚀风蚀交错区藓结皮对土壤酶活性的影响

以黄土高原水蚀风蚀交错区黄绵土和风沙土上发育30年的典型藓结皮为对象,分6层采集0～12 cm土层土样,研究了藓结皮对不同土层4种水解酶活性的影响及其与土壤养分的关系.结果表明: 与无结皮相比,黄绵土藓结皮的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性分别提升了2.4、7.6、20.7、2.4倍,而风沙土藓结皮的这4种水解酶活性分别提升了3.5、22.2、22.3、2.0倍;黄绵土和风沙土藓结皮的体积含水量分别降低了6.5%和0.8%,温度分别降低了0.8和2.5 ℃;黄绵土藓结皮的有机质、碱解氮和速效磷含量分别提升了2.5、2.9和3.6倍,风沙土分别提升了3.6、3.0和6.6倍.4种水解酶的活性与土壤养分含量呈显著正相关,与土壤含水量呈显著负相关;而土壤温度与脲酶活性呈显著正相关,与蛋白酶活性呈显著负相关.黄土高原水蚀风蚀交错区2种土壤藓结皮均能显著提升水解酶活性,这是藓结皮加速土壤养分周转的重要因素;通过改变土壤含水量和温度等酶促反应条件间接影响酶活性,是藓结皮促进土壤酶活性的重要途径.     

黄土高原丘陵区生物结皮土壤的斥水性

采用滴水穿透时间法和酒精溶液入渗法,研究了黄土高原丘陵区浅色藻结皮、深色藻结皮、藻+少量藓结皮、藓+少量藻结皮、藓结皮5种不同发育阶段的原状生物结皮土壤的斥水性及其与土壤含水量的关系.结果表明: 生物结皮增加了土壤的斥水性,其斥水强度和持久性均显著增加.生物结皮土壤的斥水性随生物结皮的演替逐渐降低,当生物结皮中藓类植物盖度在20%以上时,斥水持久性显著低于藻结皮.生物结皮土壤的斥水性与土壤含水量及优势种密切相关,藓类生物结皮土壤的斥水性随着含水量的降低逐渐增加,藻类生物结皮土壤的斥水性随含水量的变化呈双峰曲线.     

踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响

采用人工模拟降雨试验,研究了踩踏干扰对生物结皮土壤渗透性的影响.结果表明:踩踏干扰显著增加了土壤表面粗糙度,增加幅度与干扰强度有关,50%干扰度下表面粗糙度指数较不干扰增加91%.踩踏干扰延长了坡面产流时间,20%～50%干扰度范围内,随着干扰强度的增加,初始产流时间呈线性增加趋势,50%干扰度的初始产流时间较不干扰增加了169.7%.踩踏干扰增加了土壤渗透性,降低径流系数.50%干扰度的土壤累积入渗量较不干扰增加12.6%;去除生物结皮,土壤渗透性降低,累积入渗量较不干扰降低30.2%.50%以下的干扰度未显著增加土壤侵蚀模数.去除生物结皮,土壤侵蚀模数较不干扰增加10倍.生物结皮破碎度低于50%的干扰在不明显增加土壤流失量的前提下,可增加降水入渗,减小径流风险,改善土壤水分状况.     

黄土丘陵区藓结皮人工培养方法试验研究

以陕北黄土丘陵区自然发育的藓结皮为繁殖材料,通过室内人工培养研究了藓类植物孢子繁殖法(孢子法)、植物碎片营养繁殖(断茎法)以及生物结皮团块粉碎(碎皮法)接种等不同方法对藓结皮形成发育的影响,并对不同培养温度和土壤含水量条件下的藓结皮生长发育进行比较分析.结果表明,(1)相同培养条件下,碎皮法接种有利于藓结皮盖度的形成,在20℃、光照5 230 lx、光周期12 h/d条件下,经80 d培养,藓结皮盖度、密度分别达到76%和59株/cm2,且显著高于其他方法.(2)不同的接种量对藓结皮形成发育影响显著,采用碎皮法,接种量在500～750 g/m2水平下藓结皮的盖度和藓类植物的密度生长较高.(3)温度显著影响藓结皮的形成和发育,在试验条件下,17℃有利于藓结皮盖度、藓类植株密度和株高的生长.(4)土壤含水量只有>60%田间持水量时才有藓结皮形成,当土壤含水量达到超饱和含水量,并在近地面处有水汽存在时则更有利于藓结皮的形成和发育.     

青藏高原高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响

生物结皮在高寒地区广泛发育,是影响冻土环境的重要因素之一。为了解高寒冻土区生物结皮对浅层土壤水热过程的影响,以黄河源区玛多县季节冻土区生物结皮为研究对象,采用定位监测的方法,分析了统一地貌单元内两种不同类型的生物结皮对浅层（0–50cm）土壤水温变化的影响。研究结果表明（1）生物结皮对冻土浅层土壤水热过程有显著的影响,其影响效果不仅与土壤的冻结融化状态有关,还与生物结皮的类型密切相关：1）在冻结状态下,生物结皮对土壤水分和温度均没有显著影响;而在融化期,两种类型生物结皮与裸地相比,增加了不同土层土壤未冻水含量,同时降低了浅层土体温度。其中深色藻结皮增加了5–15cm土层土壤含水量（1~5.4 %）,而浅色藻结皮增加了30cm土层土壤含水量（5~12 %）,且深色藻结皮的降温效应（1.1~2.1 ℃）显著高于浅色藻结皮（0.8℃~1.3 ℃）。（2）生物结皮覆盖下冻土浅层土壤中未冻水含量与土壤温度呈复杂的耦合作用。根据土壤温度变化,土壤中未冻水含量与温度的变化关系可分为三个阶段：T< -4℃时,土壤处于完全冻结状态,深色藻结皮覆盖下,土壤未冻水含量保持在4.3%左右;土壤温度T< 4℃,土壤未冻水含量与土壤温度呈正相关关系;土壤温度T > 4℃,土壤未冻水含水量与土壤温度呈负相关关系。即-4 < T < 4℃时,土壤温度影响土壤含水量,随着土壤温度升高土壤未冻水含量增加;土壤温度T > 4℃,水热相互耦合,随着土壤温度升高,土壤中未冻水含量的降低。同时土壤含水量影响土壤温度, 随着土壤含水量的增加,土壤温度降低。研究结果揭示了高寒草甸退化过程中生物结皮对冻土浅层土壤水热过程的重要影响,这一研究结果将为后期冻土区生态修复提供理论依据。     

黄土丘陵区踩踏干扰对生物土壤结皮有机碳组分及碳矿化潜力的影响

以黄土丘陵区近20年的封禁地为研究对象,采用野外调查结合室内分析,研究了不同强度的踩踏干扰对半干旱生态系统下生物结皮盖度、有机碳、易氧化碳和有机碳矿化量、矿化速率的影响,并应用一级动力学方程模拟了踩踏干扰下各层次生物土壤结皮有机碳矿化潜力的变化特征.结果表明:干扰后藻结皮和藓结皮盖度呈现逐渐降低的趋势,干扰度间差异显著;与不干扰处理相比,藻结皮盖度降幅在264%~339%,藓结皮盖度降幅在46%~127%.与不干扰处理相比,干扰显著降低了生物结皮层有机碳含量,降幅在211%~300%,干扰度间差异不显著;干扰增加了生物结皮层易氧化碳含量,增加量在1.5~3.4 g·kg-1,30%、40%和50%干扰度处理与不干扰处理间差异显著.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳累积矿化量,但未改变其日均矿化速率;40%干扰度下的累积矿化量较不干扰处理显著增加77%.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳矿化潜力,对0~2和2~5 cm土层无显著影响;40%干扰度下有机碳矿化潜力较不干扰处理显著增加4.7 g·kg^-1;主成分分析结果显示,有机碳、易氧化碳、累积矿化量、矿化速率可以解释生物结皮层土壤有机碳矿化潜力变化的76.7%.干扰可能是诱发研究区生物结皮层有机碳矿化潜力增加的因素之一.     

模拟放牧干扰对黄土丘陵区生物结皮坡面土壤水分入渗的影响

水分是黄土高原地区植被恢复的关键影响因子,该区广泛分布的生物结皮显著影响土壤水分入渗。干扰影响生物结皮土壤水分入渗,但目前不同强度的干扰对生物结皮土壤水分入渗的影响仍不明确。本研究以黄土丘陵区吴起县合沟小流域的生物结皮坡面为对象,模拟羊蹄踩踏干扰,研究10%、20%、30%和40%干扰强度(以生物结皮破损度表征)对生物结皮坡面地表覆被的影响,采用线源入流入渗法观测了不同强度干扰后土壤水分入渗特征,通过结构方程模型和相关性分析,探索了干扰对生物结皮坡面土壤水分入渗的影响机制。结果表明:与对照(不干扰)相比,10%干扰强度下藻结皮盖度显著增加33.6%,20%干扰强度对藻结皮盖度无显著影响,30%和40%干扰强度下藻结皮盖度分别显著降低了36.1%和75.0%;40%干扰强度显著增加了枯落物盖度(34.3%),其他处理无显著影响;10%、20%和30%干扰强度下地表粗糙度分别显著降低了22.3%、11.1%和5.6%,40%干扰强度下增加了8.2%;40%干扰强度下初始入渗率显著增加了77.1%,其他干扰强度无显著影响;不同干扰对土壤稳定入渗率和平均入渗率无显著影响。可见,干扰主要通过降低藻结皮盖度,增加枯落物盖度和改变地表粗糙度,进而促进了土壤水分初始入渗。本研究可为黄土高原退耕地生物结皮管理提供科学依据。     

黄土丘陵区生物结皮群落组成与水分入渗的关系

黄土丘陵区坡面尺度生物结皮多是由藻、藓和地衣等以不同比例、不同方式组合的一个复杂群落结构,显著影响水分入渗,但目前混合生物结皮水分入渗与其群落结构之间的关系仍不清楚,妨碍了对坡面尺度生物结皮土壤渗透性的评估。本研究测定了藻结皮、藓结皮及藓结皮盖度分别为<15%、15%～30%、30%～45%、45%～60%、＞60% 5个不同藻藓比例的混合生物结皮的稳定入渗速率,采用主成分分析和通径分析揭示混合生物结皮水分稳定入渗速率的影响因素,明确混合生物结皮水分稳定入渗速率与群落结构之间的关系。结果表明: 藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率分别为0.66和2.40 mm·min^-1。藓结皮盖度从<15%到>60%的混合生物结皮的稳定入渗速率为0.80～2.30 mm·min^-1。混合生物结皮水分稳定入渗速率主要与藓结皮盖度和藓结皮改善的土壤孔隙结构密切相关,相关系数分别为0.636(P=0.011)和0.835(P=0.000)。通过藻结皮和藓结皮土壤饱和导水率与盖度加权预测的混合生物结皮水分入渗量(y)与混合生物结皮实测水分入渗量(x)具有极显著相关关系(r=0.945),二者拟合的线性函数为y=0.85x(R²=0.98,P<0.05)。本研究明确了混合生物结皮水分入渗与单一组成生物结皮水分入渗之间的关系,为准确评估该区生物结皮水文过程提供了科学依据。     

生物结皮光合作用对光温水的响应及其对结皮空间分布格局的解译——以黄土丘陵区为例

生物结皮是具有生命活性的地表覆被物,在黄土丘陵半干旱区广泛发育。迄今有关该区不同类型生物结皮的光合、呼吸作用潜力及其影响因素还不清楚。通过野外调查采样,利用室内半开放光合测定系统,测定了黄土丘陵区典型的藻类(3年生)、藓类(土生扭口藓)生物结皮(13年生)光合及呼吸作用过程对水分、温度及光照等环境因子的响应,在此基础上,解释了不同类型生物结皮空间分布格局的内在原因。结果表明:(1)在适合的光温水条件下,生物结皮的光合及呼吸作用强度取决于生物组成,研究区藓结皮的光合及呼吸作用速率显著高于藻结皮;(2)水分是生物结皮光合、呼吸作用的关键影响因子,只有当水分含量达到一定水平,才有光合及呼吸的可能。黄土丘陵区藓类及藻类生物结皮光合作用最适水分条件分别为80%-100%和40%-80%田间持水量。(3)藓类及藻类生物结皮光合作用光补偿点PAR均低于10μmol.m-2.s-1,光饱和点PAR分别为1000和800μmol.m-2.s-1,研究中2类生物结皮均未出现光抑制现象。(4)温度显著影响生物结皮的光合及呼吸作用,研究区藓类及藻类生物结皮的最适光合温度分别为20-25℃和25-30℃。(5)生物结皮光合作用对含水量及温度的响应可以解释结皮的空间分布特征。藻类植物光合作用的最适含水量较低而最适温度较高,因此在失水较快的阳坡及开阔地面上依然可以大面积发育;而藓类植物光合作用对水分条件要求较高,因此在水分条件较好的阴坡、低洼地才易演替至藓结皮阶段。     

黄土丘陵区不同演替阶段生物结皮对土壤CO2通量的影响

生物结皮是土壤表面具有光合活性的致密复合层,是土 气界面CO₂通量的影响因子之一.本文采用改进的Li-8100土壤碳通量测量系统,研究了黄土丘陵区退耕地上不同演替阶段生物结皮对土壤CO₂通量的影响.结果表明: 光照条件下,生物结皮土壤CO₂通量较除去生物结皮显著下降,其中藻结皮和藓结皮分别下降了92%和305%;生物结皮对土壤CO₂通量的降低程度与其生物组成和生物量有关,深色藻结皮和藓结皮土壤CO₂通量较裸地分别降低了141%和484%.生物结皮土壤CO₂通量的日变化呈降低-升高-降低的趋势,而裸地CO₂通量日变化趋势为单峰曲线,藻结皮、藓结皮的碳吸收峰值分别出现在8:00和9:00前后,其CO₂通量分别为0.13和-1.02 μmol CO₂·m^-2·s^-1;藻结皮24 h CO₂通量排放总量较裸地增加7.7%,而藓结皮减少了29.6%.生物结皮对土壤CO₂通量的影响显著,在评价退耕地土壤碳循环时,应考虑生物结皮的影响.     

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明: 植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R²=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。     

Strategies for restoring the structure and function of lichen‐moss biocrust communities

Biological soil crusts (biocrusts) are crucial components of dryland ecosystems, but they are slow to recover following disturbance. Herein, we evaluated several methods for restoring lichen‐moss biocrusts that included factorial applications of moss fragments in a water‐slurry (1) with and without lichen fragments (to restore biocrust taxonomic structure), (2) with and without clay (to facilitate establishment), and (3) with and without jute ground cloth (to facilitate establishment). Three and four years after inoculation, moss and lichen cover was up to five and eight times higher on jute ground cloth than on bare ground, respectively. Lichen cover was six times higher in plots where lichen fragments were added. Clay amendments did not increase moss or lichen establishment. To understand the effects of biocrust recovery on soil properties, we measured soil inorganic nitrogen, microbial biomass carbon, and soil water availability in restoration and control plots. Restored biocrusts decreased inorganic NH₄‐N availability by 67% when compared to controls 3 years after inoculation, but did not influence the availability of inorganic NO₃‐N, soil water, or microbial biomass carbon. Our results demonstrate that adding a biocrust inoculant to jute ground cloth can expedite recovery of lichen‐moss biocrust and reestablish its influence on soil properties within a few years.