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人才强校 | 中国农大肖波教授课题组发文揭示生物结皮调节旱区土壤水分收支平衡的关键机制

2022年09月19日 浏览次数:

中国农大新闻网讯 近日,中国农业大学土地科学与技术学院肖波教授课题组在生态学著名刊物《全球变化生物学》(Global Change Biology)上,以“生物结皮重构旱区土壤水分收支平衡的全景框架与系统评价(Biocrust impacts on dryland soil water balance: A path toward the whole picture)”为题发表文章(图1),揭示了生物结皮调节旱区土壤水分收支平衡的关键机制。中国农业大学土地科学与技术学院2018级博士生李胜龙(获得校级优秀毕业生、北京市优秀毕业生、国家奖学金和校长奖学金)为论文第一作者,肖波教授为通讯作者。

图1. Global Change Biology发表文章截图

生物结皮是干旱和半干旱地区生态系统与地表景观的重要组成部分,其普遍发育且分布十分广泛,在旱区土壤生态、水文、生物和地球化学循环过程以及区域生态修复中发挥着重要作用。由于干旱和半干旱地区降雨不足且蒸发强烈,生物结皮对土壤水分入渗、径流、蒸发以及水汽凝结等水分收支平衡的影响一直是生态水文研究的重点和热点。然而,目前鲜有关于生物结皮影响表层土壤水分收支平衡的系统报道;尤其在量化生物结皮对水分输入(入渗与凝结水)与输出(蒸发)的综合影响上,缺乏长时间尺度(年)的观测结果和综合分析。

本研究在位于黄土高原北部的陕西神木侵蚀与环境国家野外科学观测研究站(图2)开展。研究针对生物结皮覆盖土壤和无结皮土壤两种处理,分别使用土壤水分传感器和自动称重式微型蒸渗仪,连续2年(2019年8月至2021年8月)观测了表层0~30 cm土壤的含水量以及0~5 cm土壤的蒸发量与凝结水量。其后通过土壤含水量数据计算了0~30 cm土壤的储水量,并结合土壤蒸发和凝结水数据,对比了生物结皮覆盖土壤与无结皮土壤的水分收支平衡差异,综合分析了生物结皮对干旱和半干旱地区土壤水分收支平衡的影响及其机制。

图2. 研究区位置(A-B)、研究对象(无结皮和生物结皮,C-D)以及微型蒸渗仪(E)

基于2年的连续观测结果发现,生物结皮覆盖土壤的累积蒸发量较无结皮高19%,但同时其凝结水量也较无结皮高19%(图3)。虽然生物结皮覆盖下0~10 cm土壤的含水量平均比无结皮高11%~76%,但其0~30 cm的土壤储水量平均较无结皮低20%(图4)。分析可知,一方面,生物结皮会加速表层土壤水分蒸发和散失;另一方面,生物结皮的凝结水量也高于无结皮,尽管这些增加的凝结水可以部分补偿由生物结皮促进蒸发而造成的水分损失,但其并不足以完全抵消加速蒸发造成的水分亏缺(图5)。总体上,生物结皮可能会进一步加剧干旱和半干旱地区表层土壤水分的亏缺状况,从而对土壤水分平衡和有效性产生负面影响。

图3. 生物结皮与无结皮的日蒸发量(a)、凝结水量(c)、储水量(e)及其年内差异(b, d, f)

图4. 气象因素(a)、无结皮与生物结皮的0~30 cm土壤含水量(b-c)以及储水量(d)

图5. 生物结皮影响表层土壤水分平衡的总体示意图:(a)无结皮与生物结皮的水分收支平衡;(b)生物结皮对0~5 cm土壤水分收支的影响;(c)无结皮与生物结皮0~30 cm土壤的储水量;(d)生物结皮对0~30 cm土壤储水量的总体影响

本研究得到国家自然科学基金(42077010)和宁夏大学西北地区土地退化与生态恢复国家重点实验室基金(LDER2022Z02)等项目资助。肖波教授课题组围绕生物结皮的水土保持功能与生态环境效应,近期在《国际土壤学报》(Geoderma)、《水文学报》(Journal of Hydrology)、《土地系统与景观过程》(Catena)、《应用土壤生态学报》(Applied Soil Ecology)等土壤学和水文学著名期刊上发表了一系列论文。本文是课题组的又一重要成果,也是近期对全球干旱和半干旱地区生物结皮影响生态水文过程的最为重要的报道,其对于进一步理解生物结皮的水土保持功能与生态环境效应具有重要意义。

论文信息:Li, S.L., Bowker, M. A., Xiao, B*. 2022. Biocrust impacts on dryland soil water balance: A path toward the whole picture. Global Change Biology, 00, 1–20. https://doi.org/10.1111/gcb.16416.

供稿:土地科学与技术学院

供图:土地科学与技术学院

编辑:马文哲

责编:于哲

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