温带荒漠生物土壤结皮的氮固定及其对水热条件变化的响应

Nitrogen is often the mainly limiting nutrient for net primary productivity and plant growth in semi-arid and arid ecosystems, such as deserts. Biological soil crusts (BSCs), including cyanobacteria, algae, lichens, and mosses, which cover plant interspaces and account for more than 40% of the ground cover. BSCs play a key role in semi-arid and arid ecosystems around the world; it can be viewed as the main N source in desert ecosystems, while the potential capacity of N fixation in BSCs and its effect factors, especially the long-term response of climate changes are still unknown in temperate desert regions. The different types of BSCs which distributed in Shapotou region as the research object in this project, 1) acetylene reduction technique will be used for quantifying potential N fixation in BSCs; 2) simulation experiment carry out inside and outside (warming and rainfall) for describing the dynamics of N fixation in long term; 3) exploring the characteristics and mechanism of BSCs N fixation in response to environment factors. Finally revealing the impacts of biological soil crusts on regional nitrogen cycle and its feedback mechanism to the future climate change.

生物土壤结皮是荒漠生态系统的重要组成部分和重要的氮源，其覆盖占全球干旱区地表面积的40%以上；作为荒漠生态系统氮素来源的主要贡献者，其在局地氮循环中的作用被长期忽视，尤其缺乏在年际尺度上对其固氮能力的定量研究。典型生物土壤结皮的固氮潜力有多大，水热因子是如何影响其氮固定的，影响程度如何？解释并量化生物土壤结皮的固氮潜力及其对水热因子变化的响应特征和机理，对于深入认识和准确评价全球变化背景下生物土壤结皮对区域生态系统的氮贡献至关重要。本项目以温带荒漠沙坡头地区广泛分布的生物土壤结皮为研究对象，采用乙炔还原法，结合室内模拟实验、野外模拟增温、降水试验和长期连续的野外观测，定量评估温带荒漠生物土壤结皮的固氮潜力与动态，系统探讨生物土壤结皮氮固定对环境因子变化的响应特征和机理，明确水热因子对其固氮作用的影响阈值，揭示温带荒漠生物土壤结皮在区域系统氮循环中的作用及对未来水热因子变化响应的反馈机制。

生物土壤结皮是荒漠生态系统的重要组成部分和重要的氮源，其覆盖占全球干旱区地表面积的40%以上；作为荒漠生态系统氮素来源的主要贡献者，其在局地氮循环中的作用被长期忽视，尤其缺乏在年际尺度上对其固氮能力的定量研究。解释并量化生物土壤结皮的固氮潜力及其对水热因子变化的响应特征和机理，对于深入认识和准确评价全球变化背景下生物土壤结皮对区域生态系统的氮贡献至关重要。本项目以温带荒漠地区广泛分布的生物土壤结皮为研究对象，采用乙炔还原法，结合室内模拟实验、野外模拟增温、降水试验和长期连续的野外观测，定量评估了温带荒漠生物土壤结皮的固氮潜力与动态，系统探讨了生物土壤结皮氮固定对环境因子变化的响应特征和机理。结果表明：1)生物土壤结皮在模拟3 mm降水条件下即可达到最大固氮速率，藻类结皮最高，地衣结皮次之，藓类结皮最低，降水前结皮所经历的环境条件则决定了降水发生后其到达最大固氮速率的时间。2)低温湿润冷冻环境下，结皮生物体胞内冰晶形成而导致的固氮酶体系受损是造成冬季结皮固氮活性降低的主要原因，冬季升温能促进结皮固氮活性的提高。3)水分是控制生物土壤结皮固氮活性的关键因子，而试验前样品所经历的环境条件则决定了降水发生后其到达最大固氮速率的时间。4)温带荒漠区生物土壤结皮在湿润条件下全年均具有固氮能力，环境因子对其氮固定的控制作用层次分明，水分是影响其固氮速率和持续时间的关键因子，在充分水合和能量储备条件下，温度则是制约其固氮能力的主要因子。5)露天煤矿植被恢复区生物土壤结皮固氮活性差异主要由结皮组成生物体即隐花植物的差异所致，不同植被类型下的水热差异及不同植被演替阶段草本、结皮盖度的差异是影响生物土壤结皮氮固定的关键因子，生物土壤结皮在人工植被区的拓殖发育及其氮输入是系统健康发展的重要标志。