荒漠藻结皮对土壤碳、氮、磷化学计量特征的影响机制研究

Desert algae crust has great influence on biogeochemical processes of soil elements and its formation is one of the important features of fixed sand dune. Extracellular polymeric substances (EPS) excreted by algae crust is considered as important carbon source in desert ecosystem. Soil microorganism and enzyme under algae crust are main drivers for the transformation and cycling of soil nutrient. In this project, we would conduct field investigation and laboratory control experiment for studying algae crust and soil under crust. The objectives of this project are: 1) to clarify the variation of characteristics of algae crust (dominant species, biomass, and EPS), soil microorganism, soil enzyme activity, and soil carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry under different region, season, and climate chamber conditions; 2) to establish relationships among algae crust, soil microorganism, soil enzyme activity, and soil stoichiometry characteristics; 3) to reveal the inherent influence mechanism of desert algae crust on soil stoichiometry characteristics. The results could provide scientific basis for deeply understanding the contribution of desert algae crust on soil carbon and nutrient cycling and for scientific managing of desert ecosystem.

荒漠藻结皮的形成是流动沙丘被固定的主要标志，并对土壤元素的生物地球化学过程有显著的影响。其中，荒漠藻结皮分泌的胞外聚合物被认为是荒漠生态系统的重要碳（C）源；藻结皮下土壤微生物和土壤酶是促进土壤养分转化和循环的重要驱动者。本项目拟以荒漠藻结皮及结皮下土壤为研究对象，通过开展野外调查和室内控制实验，阐明不同区域、不同季节及不同水热因子控制下，藻结皮（优势物种组成、生物量和胞外聚合物）、土壤微生物、土壤酶及土壤C、氮（N）、磷（P）化学计量特征的变化规律；建立藻结皮―土壤微生物和土壤酶―土壤C、N、P化学计量特征的关系模型；揭示藻结皮对土壤C、N、P化学计量特征影响的内在机制。本项目的研究成果将为深入认识藻结皮对荒漠地区土壤C和养分循环的贡献及荒漠生态系统的科学管理提供重要的科学依据。

荒漠藻结皮的形成是流动沙丘被固定的主要标志，并对土壤元素的生物地球化学过程有显著的影响。其中，荒漠藻结皮分泌的胞外聚合物被认为是荒漠生态系统的重要碳C源。目前，针对藻结皮胞外聚合物在荒漠生态系统中作用的研究多集中在其对流沙固定、土壤形成、水分特征等方面，而藻结皮胞外聚合物与土壤碳和养分的关系及作用机制尚不完全清楚。本研究通过野外、室内实验，发现（1）在区域水平上，随叶绿素a含量的增加，藻结皮分泌的胞外聚合物呈先增加后降低的趋势；随年均温度的升高，藻结皮分泌的胞外多糖和蛋白质均显著降低；胞外多糖是影响土壤表层（0-2 cm）土壤酶活性、土壤微生物及土壤养分的关键因子之一；（2）沿着藻结皮、地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮的方向，胞外多糖和蛋白质呈显著增加，但在地衣结皮、地衣-藓结皮、藓结皮间无显著差异；胞外蛋白质是影响不同组成生物结皮下土壤酶活性的首要因子；胞外聚合物与土壤的恢复程度呈显著的正相关；（3）随季节变化，胞外聚合物表现出明显的差异性且胞外多糖是影响结皮下土壤酶活性的关键因子之一；（4）在室内沙盘实验中，相比于具鞘微鞘藻与砂粒的混合，具鞘微鞘藻与粉粒土壤的混合在沙盘表层添加后更能促进胞外聚合物的分泌。本研究结果一方面说明藻结皮可以通过分泌较多的胞外聚合物来抵御外界环境的胁迫，同时，藻结皮的胞外聚合物是影响土壤恢复的关键因子。此外，这将为进一步理解藻结皮对土壤环境影响的机制提供新思路和数据支撑，同时，为开发以多糖性质为主的荒漠化恢复新技术、新材料提供参考依据。