黄土丘陵不同植被恢复区生物土壤结皮对土壤碳通量影响的机制研究

The Loess Plateau, especially in the hilly region, is one of the regions with the most severe soil erosion and the most fragile ecological environment in the world. Biological soil crusts, as an important cover of the hilly Loess Plateau region, play critical roles on the carbon cycling. However, previous studies on soil carbon cycling neglected the impact of biological soil crust on soil carbon flux. This project intends to carry out in different vegetation (Caragana Korshinskii, Platycladus orientalis, Pinus tabuliformis) restoration areas in the hilly Loess Plateau using an automated soil carbon flux measurement system combining with field investigation and laboratory analysis. We will investigate the characteristics of biological soil crust and measure the environmental factors (soil temperature and moisture), soil physical and chemical properties (organic carbon, total nitrogen and texture), and soil carbon flux (soil respiration, net carbon exchange and photosynthesis of biological soil crust). The direct impacts of biological soil crust on soil carbon flux be will explore. Additionally, the impacts of biological soil crust on environmental factors and soil physical and chemical properties will be compared, which potentially influence soil carbon flux. Furthermore, the influencing mechanism of soil carbon flux to biological soil crust in different vegetation restoration areas in the hilly Loess Plateau will be revealed. This study will improve the understanding of soil carbon storage and soil carbon cycling dynamics in different vegetation restoration areas in the hilly Loess Plateau. This study is also expected to provide scientific data for vegetation restoration and reconstruction in the Loess Plateau.

黄土高原，尤其丘陵区，是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一。生物土壤结皮作为黄土丘陵区地表的重要覆盖体，是该区域土壤碳循环的重要参与者，但现有的研究忽略了生物土壤结皮对土壤碳通量的影响。本项目拟在黄土丘陵不同植被（柠条、侧柏、油松）恢复区开展研究，采用多通道土壤碳通量自动测量系统，结合野外调查和室内分析试验，调查生物土壤结皮的特征，测定生物土壤结皮覆盖土壤环境因子（土壤温度和湿度）、理化性质（有机碳、全氮和质地）和碳通量（土壤呼吸、净碳交换和生物土壤结皮的光合），分析生物土壤结皮对土壤碳通量的直接影响，并通过比较生物土壤结皮对环境因子和土壤理化性质影响的差异，探讨生物土壤结皮对土壤碳通量的间接影响，揭示黄土丘陵不同植被恢复区生物土壤结皮对土壤碳通量影响的机制。本项目研究成果将有助于理解黄土丘陵不同植被恢复区土壤碳储量及土壤碳循环动态，为黄土高原的植被恢复与重建提供理论指导。

生物土壤结皮是旱区生态系统的重要组成部分，在调节生物地球化学循环中发挥着重要作用。植被强烈影响生物土壤结皮的形成、发展和分布。然而，黄土高原实施退耕还林还草工程以来，生物土壤结皮对植被恢复的响应特征以及其对土壤碳通量的影响机制尚不明确。因此，本研究以黄土高原不同植被恢复区（柠条、侧柏、山杏、河北杨、油松、柽柳和典型草原）为研究对象，结合野外调查监测和室内分析实验，分析黄土高原不同植被恢复区生物土壤结皮特征差异，及其对环境因子、土壤理化性质和土壤碳通量的影响，揭示了黄土高原不同植被恢复区生物土壤结皮对土壤碳通量的直接和间接影响机制。主要研究结果如下：（1）典型草原生物土壤结皮的盖度、厚度和生物量均高于人工造林，说明典型草原比人工造林更适合生物土壤结皮的形成、发育和分布。油松植被恢复区适度遮阴，为藓类结皮提供适宜的土壤湿度，使其生物土壤结皮以藓类为主；而大部分植被恢复地区的生物土壤结皮以蓝藻/藻类为主。（2）生物土壤结皮的存在总体上显著增加了土壤呼吸，生物土壤结皮对土壤呼吸的直接影响或负或正，但其通过土壤温度或湿度的间接影响不显著。当生物土壤结皮降低土壤呼吸时，土壤温度是生物土壤结皮层呼吸作用的驱动因子；当生物土壤结皮促进土壤呼吸时，土壤温度、土壤湿度、光合有效辐射和季节性是生物土壤结皮层呼吸作用的驱动因子。（3）土壤温度日变化曲线出现峰值的时间通常滞后于土壤呼吸日变化曲线出现峰值的时间，且在裸地和生物土壤结皮微生境二者的关系均呈现出相似的顺时针滞后环状关系。可见，生物土壤结皮对土壤呼吸与土壤温度间滞后模式的影响很小。然而，由于土壤呼吸与光合有效辐射之间的滞后效应很小甚至没有，因此，光合作用可能是土壤呼吸与土壤温度之间滞后效应的关键驱动因素。综上，本研究为全面评估黄土高原不同植被恢复区土壤碳储量、理解碳循环动态具有重要意义，为黄土高原的植被恢复与重建提供理论依据和实践指导。