GCB| 中国农业大学团队揭示全球变化显著增加了生物结皮的退化风险

近日，中国农业大学土地科学与技术学院肖波教授团队在生态学国际权威期刊《全球变化生物学》（Global Change Biology）发表题研究论文《生物结皮对多维全球变化的高度敏感性》（Biocrusts are highly vulnerable to multidimensional global change），揭示了生物结皮对增温、降水变化、氮添加等多重全球变化因子的高敏感性及其潜在生态风险。中国农业大学土地科学与技术学院2022级博士研究生邱德勋为论文第一作者，肖波教授为通讯作者。

生物结皮是由蓝藻、地衣、苔藓以及微生物与土壤颗粒胶结形成的地表复合体，在维持土壤稳定、防治风蚀与水蚀、调节地表水分过程以及促进碳氮循环等方面发挥着关键作用，对于维持干旱和半干旱生态系统的结构与功能具有不可替代的重要意义。然而，在全球变暖、降水格局改变以及氮沉降持续加剧等背景下，生物结皮对多重全球变化因子的综合响应仍不明确，从而限制了对其未来稳定性及生态功能变化的风险评估和提前应对。

图1 研究样地的全球分布及其气候背景

针对这一科学问题，团队收集整合了全球范围内发表的实验研究结果，开展了目前尺度最大、覆盖最广的生物结皮全球变化响应荟萃分析。研究共汇集了38个研究地点的657组观测数据，涵盖了从极端干旱区到湿润区的不同气候带，囊括了沙漠、草地、灌丛、森林、苔原等多种生态系统类型（图1），重点分析了增温、降水变化、氮添加以及多因子交互对生物结皮结构性状（覆盖度、物种丰富度、苔藓生物量）和功能性状（叶绿素含量）的影响。

图2 生物结皮性状对全球变化因子的响应（a）覆盖度；（b）叶绿素含量；（c）物种丰富度；（d）苔藓生物量。W表示增温，N+表示氮添加，PRE−表示降水减少，PRE+表示降水增加，W × PRE−表示增温与降水减少的交互作用，W × PRE+表示增温与降水增加的交互作用

结果表明，整体上生物结皮对全球变化高度敏感，而且多因子的叠加效应显著放大了生物结皮的负响应（图2）。其中，氮添加对生物结皮覆盖度的抑制作用最强，平均降低幅度为52%；增温显著降低了生物结皮覆盖度（21%），而增温与减雨叠加导致了更为严重的结皮退化（覆盖度下降44%）。生物结皮的物种丰富度在增温与减雨共同作用下会显著下降，而叶绿素含量在干旱和氮添加情景下会显著降低，但在降水增加情景下会明显提高。

图3 全球变化操控实验中处理强度和持续时间与生物结皮覆盖度响应之间的关系（a–b）增温幅度和持续时间；（c–d）降水减少幅度和持续时间；（e–f）氮添加水平和持续时间

进一步分析发现，不同演替阶段的生物结皮对全球变化的响应存在显著差异。处于演替晚期的苔藓和地衣结皮对增温、干旱、氮添加最为敏感，而演替早期的蓝藻结皮则表现出更强的耐受性，在某些胁迫条件下仍能维持甚至拓展其覆盖面积。此外，生物结皮对全球变化的响应还受到生态系统类型和气候背景的显著调节：半干旱草地中的生物结皮对气候胁迫最为脆弱，而湿润森林和苔原生态系统中的生物结皮则对氮沉降更为敏感。研究还分析了控制实验中全球变化强度和持续时间对生物结皮响应的调节作用，发现相较于增温和减雨的幅度，二者的持续时间对生物结皮退化更为关键，但氮添加的添加量比持续时间更具决定性（图3）。

图4 主要全球变化因子对生物结皮结构与功能性状的影响及其级联生态效应

研究强调，生物结皮退化将削弱土壤的稳定性、水分调节能力以及碳氮固存等关键生态功能，从而对生态系统的稳定性与多功能性产生负面影响（图4）。因此，在多重全球变化因子的压力下，决策部门亟需加强对生物结皮的保护与恢复，以充分发挥其生态功能，进而维持干旱脆弱生态系统的稳定性。

研究得到国家自然科学基金（42477359）、北京市自然科学基金（8262024）、中国水利水电科学研究院内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站开放研究基金（YSS202405）和宁夏回族自治区重点研发计划项目（2024BEG03002）资助。肖波教授团队一直从事生物结皮的水土过程与生态环境效应研究，在生态学、水文学、土壤学等国际期刊上发表了一系列研究成果，为生态脆弱区土壤侵蚀防治、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。本文是研究团队近年来主动“上高度、升尺度、谋全局”策略下，在全球层面围绕生物结皮全球变化响应取得的重要进展，为揭示全球变化背景下生物结皮脆弱性的共性规律提供了有力证据。