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团队在水文、水资源、土壤学领域著名期刊《水资源研究》（Water Resources Research）、《水文学杂志》（Journal of Hydrology）、《国际土壤学报》（Geoderma）以及《土壤系统和景观过程》（Catena）上发表了关于生物结皮影响土壤水汽运动的一系列研究论文，揭示了生物结皮调控干旱区土壤水汽运动的机理与驱动机制。土地科学与技术学院2019级博士研究生孙福海（获得北京市优秀毕业生、校级优秀毕业生、国家奖学金、校长奖学金等）为论文第一作者，肖波教授为通讯作者。

生物结皮是干旱生态系统中地表土壤的关键层次，其可对土壤水分循环、养分循环、碳氮固存、水蚀风蚀、能量平衡、风化成土、生物多样性以及植被恢复等几乎所有地表生态过程产生重要影响。由于干旱和半干旱地区土壤水分的重要性，生物结皮对水分过程的影响是长期以来研究的焦点。尽管水汽运动是干旱与半干旱地区土壤水分运动过程的重要形式（该区降雨稀少、蒸发强烈、土壤含水量低，土壤水汽运动盛行），但目前鲜有关于生物结皮影响表层土壤水汽输移的系统报道。该系列研究以黄土高原典型生物结皮为对象，通过定位观测实验和取样分析测定，探究了生物结皮对水汽输移、空气传输以及孔隙结构的影响，揭示了生物结皮调节干旱和半干旱地区水汽运动的关键机制，研究结果对于明确黄土高原以生物结皮为主导的土壤物质与能量平衡过程、评价生物结皮的生态系统多功能性等具有重要意义。

生物结皮促进了土壤与大气间的水汽交换。生物结皮覆盖地表后可通过结皮层的复合结构、特殊性状以及生物成分影响表层土壤水汽输移，然而，生物结皮影响土壤水汽运动的途径和机理目前仍不清楚。通过研究生物结皮与无结皮的水汽扩散、水汽吸附和后期蒸发过程，发现在相同湿度和温度条件下，生物结皮的水汽扩散率和水汽扩散通量高出无结皮5%~39%，初始水汽吸附速率和累积水汽吸附量较无结皮分别高10%~70%和11%~85%。当环境湿度一定时，水汽扩散特性随温度增加呈指数增加；当环境温度一定时，水汽扩散特性随湿度增加呈线性降低。在土壤蒸发过程的后期，由于生物结皮层对水汽运动的影响，生物结皮覆盖土壤的蒸发速率高于无结皮。水汽扩散和吸附受土壤质地、孔隙率、孔隙连通性、土壤比表面积等因子制约，而生物结皮能极大改善土壤孔隙结构，并通过较高的细颗粒和有机质含量提高土壤比表面积和水汽吸附位点，因此促进了水汽扩散和吸附。研究证实，生物结皮在干旱生态系统水分循环和土壤水量平衡中发挥着至关重要的作用，其促进了土壤水汽的输移和液气相态转换，这能在一定程度上促进地表微生物活性和生物矿化作用，进而有利于土壤养分的转化和积累。上述研究结果以“生物结皮调控旱地土壤水汽运动（扩散、吸附和后期蒸发）（Biocrusts critical regulation of soil water vapor transport (diffusion, sorption, and late‐stage evaporation) in drylands）”为题发表于著名期刊《水资源研究》（Water Resources Research）。《水资源研究》是美国地球物理联合会AGU旗下的旗舰刊物，是国际水文水资源领域公认的顶级刊物，其发表的文章以理论深度和机理解释见长，在本领域享有极高的声誉和盛名。

图1.生物结皮影响水汽扩散的主要结果

图2.生物结皮影响水汽吸附和后期蒸发的主要结果

图3. Water Resources Research发表文章截图

生物结皮改变土壤蒸发过程、促进氢氧同位素富集。蒸发是地表水分平衡和能量交换的重要组分，也是干旱和半干旱地区水文循环的关键环节。生物结皮发育后可通过改变地表能量平衡及水热运移过程，调节土壤温度，最终改变土壤蒸发过程，但目前的研究结论尚未统一。通过室内模拟蒸发实验和土壤氢氧同位素分析测定，发现与无结皮相比，在大气蒸发力控制阶段，生物结皮抑制土壤蒸发，其机制为生物结皮层持水性强，因而热容量高，致使表层土壤升温缓慢、温度较低、蒸发速率较低；在土壤导水率控制阶段和水汽扩散控制阶段，生物结皮加速土壤蒸发，其机制为生物结皮阻碍地表干层形成，同时生物结皮提高了水汽扩散特性。由表层至深层，生物结皮的δ2H和δ18O呈逐渐降低并趋于稳定的变化趋势，在相同土层中，生物结皮的氢氧同位素富集程度高于无结皮，且整体上生物结皮水线斜率低于无结皮，即生物结皮经历的蒸发作用更强烈。可见，生物结皮通过改变土壤属性进而影响土壤含水量和温度，最终调节土壤蒸发，尤其是结皮层高持水能力所保持的水分在雨后快速蒸发，这是生物结皮影响蒸发和氢氧同位素分布的重要路径。该研究结果以“通过模拟蒸发与水汽扩散实验以及氢氧同位素分析，证实了生物结皮促进土壤蒸发（Increasing effect of biocrusts on evaporation is evidenced by simulating evaporation and diffusion experiments and water stable isotope analysis）”为题发表于水文学著名期刊《水文学杂志》（Journal of Hydrology）。

图4.生物结皮蒸发过程与氢氧同位素分析的主要结果

图5.Journal of Hydrology发表文章截图

此外，团队还围绕生物结皮改善土壤孔隙结构、提升空气传输特性开展了大量研究工作，相关结果分别以“生物结皮改善土壤结构的直接证据与机理及其水文效应（Direct evidence and mechanism for biocrusts-induced improvements in pore structure of dryland soil and the hydrological implications）”为题发表于《水文学杂志》（Journal of Hydrology），以“生物结皮对气体传输的影响：透气性与扩散率及其与水力传导率的联系（Insights about biocrust effects on soil gas transport and aeration in drylands: Permeability, diffusivity, and their connection to hydraulic conductivity）”为题发表于《国际土壤学报》（Geoderma），以“苔藓生物结皮对土壤通气性的影响：导气率分析与模拟（Towards the effects of moss-dominated biocrusts on surface soil aeration in drylands: Air permeability analysis and modeling）”为题发表于《土壤系统和景观过程》（Catena）。

该系列研究得到了国家自然科学基金（42077010）、中国科学院“西部之光”西部引进人才计划（2019）以及中央高校基本科研业务费专项基金（2023TC174）等项目资助。肖波教授团队围绕中国旱区生物结皮的属性、过程与功能开展了20余年研究，近年来在《科学进展》（Science Advances）、《全球变化生物学》（Global Change Biology）、《土壤生物与生物化学》（Soil Biology and Biochemistry）、《水文学报》（Journal of Hydrology）等土壤学、生态学以及水文学著名期刊上发表了一系列论文，提升了对生物结皮水土过程与效应机理的研究水平，为生态脆弱区以生物结皮为主导的土壤侵蚀防治、水土资源保育、退化土地与植被恢复以及环境治理与生态修复提供了科学决策依据，为保持并进一步提升我国在全球水土保持与荒漠化防治领域的国际领先优势和话语权提供了重要科技支撑，同时以生物结皮作为典型案例，推动了土壤物理学理论在复杂非均质层状土壤上的应用和发展。