研究揭示增溫條件下旱區生物結皮調節土壤凈碳交換的地理分布規律

　　生物結皮是干旱地區關鍵的生物組成部分，通過多種方式影響土壤CO2交換，在土壤碳循環中發揮重要作用。生物結皮可通過產生光合和呼吸作用直接影響土壤CO2交換，還可通過改變土壤微生物棲居環境間接影響土壤碳釋放。有研究表明上述影響均受到水熱條件調控，但生物結皮在全球干旱區溫度和濕度梯度下對土壤凈碳交換（NSE=呼吸-光合）的影響尚不清楚，同時生物結皮對氣候變化的響應仍存在高度不確定性。

　　中國科學院西北生態環境資源研究院寧夏沙坡頭沙漠生態系統國家野外科學觀測研究站，聯合國內外多個研究團隊，以干旱區生物土壤結皮為研究對象，對干旱區生物結皮調節土壤NSE的地理分布規律進行研究。科研人員采用貝葉斯層次化元分析，分別對47項和23項已發表的成果進行綜合評估，揭示了生物結皮對土壤NSE和實驗性增溫對生物結皮NSE的顯著影響。元回歸進一步探索了生物結皮NSE的溫度和濕度敏感性以及對氣候變化的潛在適應。

　　研究發現，與裸露的土壤相比，生物結皮的發育顯著提高了土壤的碳釋放，導致大氣中二氧化碳（CO2）的增加，即每年每平方米土壤可釋放約66.5克碳。以往研究提出生物結皮因光合自養能力通常被視為干旱區CO2固定的“碳匯”。該研究綜合考慮生物結皮對土壤微生物的影響，揭示了它們在土壤系統中作為“碳源”的作用。氣溫升高會進一步增加生物結皮導致的碳釋放，即每升高1攝氏度，碳釋放增加約 22.9 克每平方米每年。這意味著在氣候變化的背景下，生物結皮可能加劇大氣與土壤之間的碳循環，形成正反饋，從而進一步強化氣候變化的影響。

　　元回歸結果進一步表明，生物結皮促進的土壤凈碳釋放具有類型、季節和地理上的差異性。生物結皮NSE主要受水分的影響，即在濕潤環境中碳釋放更多，而溫度的升高可能通過加劇干旱來減弱這種增加作用。在全球范圍內，干旱地區的溫度升高對生物結皮的碳釋放影響較小，這表明干旱環境減弱了生物結皮對溫度的敏感性，且在高溫地區溫度升高對生物結皮的影響較小。該研究首次揭示了生物結皮在熱適應（Thermal adaptation）方面的能力。

　　該成果強調了在全球碳預算和模型中納入生物結皮的必要性，可全面探討在氣候變化的背景下生物結皮對碳循環的影響。上述成果突顯了生物結皮是旱區土壤碳交換的關鍵調節器（特別是在相對涼爽和濕潤的區域）。上述研究為剖析旱區生態系統對全球碳循環的貢獻，提供了新視角。

　　近日，相關研究成果以Biocrusts modulate carbon losses under warming across global drylands: A Bayesian meta-analysis為題，在線發表在《土壤生物學與生物化學》（Soil Biology and Biochemistry）上。研究工作得到國家自然科學基金國際（地區）合作與交流項目的支持。美國普林斯頓大學、蘭州大學、美國地質調查局的科研人員參與研究。