土壤颗粒组成对生物结皮稳定性的影响及机制

Biological soil crusts (Biocrusts) are an important surface cover of healthy ecosystems in arid and semi-arid regions, and their stability (soil erosion resistance) plays a critical role on ecosystem stability. At present, most studies on biocrust stability are based on same region and soil texture, and mainly focused on the effects of biocrust themselves on soil stability. However, we do not know whether the stabilities of biocrusts on different soil textures are the same. Therefore, this problem has made it impossible to conduct a unified comparative evaluation of biocrust stability on different soil textures, which hinders the quantitative evaluation of the soil erosion resistance function of biocrusts. Accordingly, species composition of biocrusts and soil physical and chemical properties on soils with different particle size distribution in the main distribution areas of biocrusts in northwest China were studied. On this basis, we study the effects of soil particle size distribution on biocrust stability using improved wet sieve analysis. Furthermore, the effect mechanism of soil particle size distribution on biocrust stability will be revealed from the three aspects of physical structure, chemical bonding and biological composition through structural equation modeling (SEM) and other mathematical statistics methods. Then, the contribution of soil particle size distribution and biocrusts to the soil stability will be clearly defined. The results of the study will provide scientific basis for the quantitative study of soil erosion resistance function of biocrusts and the ecosystem sustainable management.

生物结皮是干旱半干旱地区健康生态系统重要的地表覆被，其稳定性（抗侵蚀性）对生态系统稳定有着不可忽视的作用。目前有关生物结皮稳定性的研究多关注单一区域单质地土壤上生物结皮自身对土壤稳定性的影响，而不同质地土壤上生物结皮的作用程度差异如何，不能进行统一的对比评价，妨碍了生物结皮抗侵蚀作用的量化评估。为此，项目拟以中国西北部生物结皮主要分布区为研究区，通过室内外调查分析结合改进湿筛法，从土壤颗粒组成对生物结皮物种组成特征的影响入手，研究土壤颗粒组成对生物结皮稳定性的影响，进一步借助结构方程模型（SEM）、判别分析等数理统计方法，从物理结构、化学粘结及生物组成三个方面，解析土壤颗粒组成对生物结皮稳定性的影响方式及程度，揭示其影响机理，厘定土壤颗粒组成与生物结皮对土壤稳定性的贡献，深化认识生物结皮生态功能，为干旱半干旱地区生物结皮抗侵蚀作用的量化研究及生态系统的可持续管理提供科学依据。

生物结皮是干旱半干旱区广泛发育的地被物，其稳定性及抗侵蚀作用对干旱半干旱生态系统稳定和健康具有不可忽视的作用。土壤质地（土壤颗粒组成）是土壤稳定性的重要影响因素，可能会通过影响生物结皮发育及物种组成等影响其稳定性。本项目以不同颗粒组成土壤上发育的生物结皮为研究对象，通过室内外调查分析结合改进湿筛法，从不同质地土壤上生物结皮物种组成特征及土壤理化属性差异入手，研究了土壤颗粒组成对生物结皮稳定性的影响及其机理。结果表明：1）不同质地土壤上生物结皮物种组成、发育及分布存在显著差异。砂土上生物结皮分布最多，藓结皮厚度最大，壤土上藻、藓物种丰富度、多样性最高，生物结皮在砂壤土和砂土上具有更大的生态优势。2）不同质地土壤上生物结皮对土壤理化属性的影响程度不同。砂土上藓结皮对土壤颗粒的细化程度较大，砂粒降低了13%。生物结皮可降低各质地土壤容重，砂土上藓结皮降低程度最大，为19%。粉壤土、壤土、砂壤土及砂土生物结皮粘结力分别较裸土增加了1.7、3.5、2.8和2.8倍。生物结皮可增加各质地土壤生物结皮下层土壤团聚体含量及稳定性，粉壤土上主要增加了＞5mm的大团聚含量，可增加10.1倍，稳定性增加了5.9倍，砂土上主要增加了0.25-1mm的小团聚体含量，但稳定性无显著增加。砂土藓结皮有机质含量较裸土增加了17.2倍，程度最大。砂土生物结皮多糖含量最低，但增加程度最大，可达7.9倍。3）土壤颗粒组成显著影响生物结皮稳定性。各质地土壤上生物结皮稳定性均表现为藻结皮＜混合结皮＜藓结皮。砂土藻结皮稳定性最差，较其它质地土壤低66%，混合结皮和藓结皮稳定性在各质地土壤上无显著差异。砂土上生物结皮厚度虽大，稳定性最差，但对土壤稳定性的增加程度最大，可达3.3倍。4）土壤砂粒、粘粒含量、容重及藓生物量是影响生物结皮稳定性的重要因子。砂粒含量较高的地区生物结皮对土壤稳定性的影响较大。项目研究结果深化了生物结皮生态功能，为干旱半干旱区生态系统的可持续管理奠定了科学基础。