生物土壤结皮对沙区土壤生态水文过程响应与反馈机理研究

The wind-blown sand areas stretch across different bio-climatic zones in China, and the sustainability of ecological recovery and restoration are determined by soil eco-hydrological processes. Biological soil crust (BSC) is a vital component in sand-stabilized dunes with a living cover up to more than 40% of the total. BSC has been considered as ecosystem engineer that associates with the biotic and abiotic factors, and directly influences and regulates the eco-hydrological processes in sandy areas. However, related researches have been long neglected; especially the role of BSC in arid temperate deserts is far limited, which is an important complement to the global BSC research. In this project, different successional stages of BSC in the extreme drought, arid and semi-arid sandy areas will be selected as the study sites. Through field observations, laboratory controlled experiments and mathematical model simulations, the influences of BSC on soil eco-hydrological processes at shrub patches (quadrats), local (plots), regional (sand transects at a given climate zone) and sand landscape (the sandy areas of northern China) scales will be analyzed. We aim to explore the key factors determining the composition, structure and distribution pattern of BSC, and the feedback mechanisms underlying BSC involved soil eco-hydrological processes. The hypothesis of BSC responding to future climate change and human interference will be validated, and the threshold model for BSCs stability maintenance will be established and quantified. Our goal is to provide a scientific basis for deeper understanding of the ecological restoration mechanisms in sandy areas.

我国沙区分布横跨不同生物气候带，土壤生态水文过程决定着其生态重建和恢复的可持续性。生物土壤结皮(BSC)是沙地系统的重要组分，其盖度占沙区活体覆盖的40%以上，起着联结生物与非生物因素的生态系统工程师作用，并直接参与和调节着沙区生态水文过程。这一科学问题没有得到足够重视，是造成我国风沙区部分人工植被退化和恢复效果不持续的重要原因。我们选择极端干旱、干旱、半干旱和半湿润沙区不同演替阶段的BSC为研究对象，采用野外观测、实验模拟和模型研究的手段，从沙区灌丛斑块(样方)、局地(样地)、区域(给定气候带沙区样带)到沙区景观(中国北方沙区)不同尺度上研究BSC对土壤生态水文过程的影响，以及主导BSC组成、结构和分布格局的关键因子，探明BSC参与的土壤生态水文过程的互馈作用机理，验证未来气候变化和人类干扰对BSC影响的理论假说，建立量化其稳定性维持的阈值模型，为深入理解沙区生态恢复机理提供依据。

生物土壤结皮(BSC)是沙地系统的重要组分，其盖度占沙区活体覆盖的40%以上，直接参与和调节着沙区生态水文过程。对这一科学问题的忽视，是造成我国风沙区部分人工植被退化和恢复效果不持续的重要原因。以极端干旱、干旱、半干旱和半湿润沙区不同演替阶段的BSC为研究对象，采用野外观测、实验模拟和模型研究的手段，从沙区灌丛斑块(样方)、局地(样地)、区域(给定气候带沙区样带)到沙区景观(中国北方沙区)不同尺度上研究BSC对土壤生态水文过程的影响，以及主导BSC组成、结构和分布格局的关键因子，研究BSC参与的土壤生态水文过程的互馈作用机理，验证未来气候变化和人类干扰对BSC影响的理论假说，建立量化其稳定性维持的阈值模型。项目全面完成了计划书所涉及的研究目标，取得的进展包括：揭示了不同生物气候带沙区BSC群落物种多样性、空间分布格局及规律；探讨了不同降水梯度下BSC对沙区土壤生态过程的响应机理；揭示了气候变化对BSC的水文特征及荒漠生态系统水量平衡的影响；探讨了BSC土壤呼吸对增温的响应及区域气候变化对BSC生态过程的影响；揭示了环境因子变化及干扰对BSC的影响；阐明了BSC对植物萌发及生长的影响机理，指出沙面BSC的拓殖发展与生境的改变影响了维管植物的持续生存，为干旱区沙区生态系统管理及植被恢复提供科学的理论依据；明确了灌木在BSC群落演替中的生物与非生物作用，建立了一种以BSC盖度作为系统状态变量的生态水文模型，为深入理解荒漠生态系统自组织过程提供了理论支撑，对进一步开展沙区生态恢复与重建的生态水文机理研究及BSC的实践应用提供了良好的理论基础。.项目共发表论文35篇，其中SCI论文29篇，出版专著1部，获得国家发明专利3项；由项目支撑的“生物土壤结皮形成机理、生态作用和在防沙治沙中应用”的成果获2017年度宁夏自治区科技进步一等奖。以项目成员为核心的“沙区生态恢复与重建创新团队“入选2019年科技部重点研究领域人才推进计划创新团队。