中国农业大学土地学院肖波教授团队在“Nature Geoscience”发文揭示生物结皮支撑地表雪被和土壤功能的机制

近日，中国农业大学土地科学与技术学院肖波教授团队在地球科学著名期刊《自然–地球科学》（Nature Geoscience）上发表研究论文《苔藓生物结皮支撑寒旱区地表雪被和土壤功能》（Moss biocrusts sustain snowpack and soil function in cold deserts），首次明确生物结皮对寒旱区地表积雪存留的维持效应，揭示了冬季生物结皮调控荒漠土壤功能的过程与机制。2022级博士研究生曹尤淞为论文第一作者，肖波教授为通讯作者。

积雪是全球寒旱区的关键地表组分和主要水分来源，对维持冬季生态系统功能至关重要，包括土壤微生物活性、生物地球化学循环以及植物物候等。然而，受全球变暖影响，积雪正在普遍消融，尤其表现为积雪深度减少、季节性积雪期缩短。气候变化导致的积雪消融可能给寒旱区生态系统带来深远影响，但潜在后果仍鲜有研究。生物结皮是全球干旱和半干旱地区普遍存在的活性地被物，它能通过自然发育覆盖裸露地表、调控土壤性质与过程、重塑生态系统结构与功能。与无结皮裸土相比，生物结皮覆盖显著改变了地表粗糙度、近地表风速、土壤热导率及热通量，而这些变化可能进一步影响寒旱荒漠的积雪与融雪过程；然而，全球变暖背景下生物结皮对积雪的调节作用及其生态效应仍不明确。

图1 研究区位置和野外长期定位监测样地

鉴于此，该研究以寒旱荒漠发育的典型苔藓结皮为对象，利用净辐射传感器、雪深传感器、土壤水分温度传感器、三针热脉冲传感器、CO₂传感器和户外追踪相机等高精度仪器，结合扩增子测序、生物信息学分析、实景三维建模、CT扫描等技术，开展了长达9年（2017–2026）的野外连续定位监测（图1），解析了生物结皮对地表积雪与融雪过程的影响机制，阐明了积雪期内由生物结皮覆盖引起的土壤含水量、微生物丰度和碳排放变化，揭示了全球变暖条件下生物结皮支撑地表雪被和土壤功能的关键效应及其机制。

图2 生物结皮对积雪期、积雪深度和土壤含水量的影响

图3 生物结皮对土壤微生物丰度的影响及其季节性差异

图4 生物结皮对冬季土壤碳排放的影响

图5 生物结皮支撑地表雪被和土壤功能的总体示意图

研究结果表明：与无结皮相比，生物结皮覆盖使冬季积雪期显著延长20.1%（约65小时），使平均积雪深度增加27.1%（约7 mm）（图2）。这一作用主要源于生物结皮对下垫面特性的影响；一方面，生物结皮覆盖使地表粗糙度增加了12.6%，这不仅有助于捕获风雪颗粒，还为积雪的局部滞留提供了更多避风微域；另一方面，生物结皮通过增加孔隙度和有机质含量使表层土壤的热导率降低了56.4%，这产生了隔热效应，从而阻碍下垫面热量向积雪层传导，减缓了积雪消融。通过维持地表雪被，生物结皮覆盖土壤能获得更多融水补给，从而表现出更高的冬季含水量。作为寒冷区荒漠生态系统的关键限制性因子，土壤水分的增加极大改善了微生物的生存环境；因此，生物结皮覆盖使冬季土壤细菌和真菌的丰度增加了46.1%（图3），继而引发更高的冬季土壤碳排放（图4）。综上，该研究揭示了全球变暖背景下生物结皮减缓积雪消融的潜力，深化了对生物结皮与积雪互馈机制的认识；在此基础上，该研究强调了生物结皮对积雪存留的维持效应可进一步影响土壤微生物活动、冬季生物地球化学循环、植物物候以及生态系统生产力（图5）。

该研究得到国家自然科学基金面上项目（42477359）、中国科学院“西部之光”西部引进人才计划（2019）、北京市自然科学基金面上项目（8262024）、中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站开放研究基金（YSS202405）、宁夏回族自治区重点研发计划项目（2024BEG03002）资助。团队围绕全球旱区生物结皮的属性、过程与功能开展了20余年研究，该论文是团队基于“建立野外定位观测实验以获取真实数据、连续收集多年数据集以提升时间尺度、多视角和全链条观测以覆盖研究维度、整合分析多维全链条数据以创新科学思维”这一传统经典研究范式取得的代表性成果，是国内外生物结皮研究领域“正面战场”取得的标志性成果。