生物土壤结皮对沙地人工固沙植被系统水循环的影响

生物土壤结皮普遍存在于干旱区，包括沙地人工植被区，其覆盖占全球干旱区地表面积的40%以上，作为降水稀少地区水循环的主要参与者，其在局地水循环及其水文过程中的作用被长期忽视。结皮究竟如何影响水循环，其影响程度如何？揭示并量化其在水循环及其过程中的作用是认知干旱沙区人工植被大面积退化机理的重要前提和关键科学问题，是国际干旱区生态水文研究的前沿领域。本项目基于不同演替阶段结皮与人工植被的关系，结合沙坡头地区和其它辅助观测样地土壤－植被水量平衡长期定位研究、利用控制实验，进行模拟和比较生态学研究，验证结皮通过对沙地表土层理化和生物学属性的改变来直接或间接地影响植被的组成、结构等系统特性，进而调控水循环各个重要环节的假说，确定对水循环各环节正向与逆向影响的阈值，探明缺水地区结皮参与的水资源利用与重新分配对人工植被系统影响的生态效应和规律，为干旱沙区植被建设和现有人工植被的生态系统管理提供科学依据。

以腾格里沙漠南缘人工固沙植被区发育的生物土壤结皮(BSC)为研究对象，对植被-土壤系统恢复过程中BSC的生态水文功能进行了研究。发现BSC的存在和演替改变了沙地植被-土壤系统原有的水分平衡关系：BSC本身的水分利用和对降水的时空再分配改变了沙地土壤水文过程，致使深层土壤得到降水入渗的补给减少了50-70%，土壤水分有效性浅层化明显；BSC作为固沙植被系统的重要组成，可以通过增加凝结水的捕获、改变表土层结构影响蒸发而改变了浅层土壤的水分含量，以及表层土壤的理化(提高持水能力、增加碳氮的固定)和生物学属性(为土壤动物创造适宜生境，促进土壤生物过程)，这种改变驱动了固沙植被在组成、结构和功能上的响应：即植被组成中浅根系的草本增加(种的丰富度和多度，及盖度和生物量的增加)，深根系的木本植物减少(盖度和生物量的降低)，C4植物增加。BSC引发的固沙植被水循环的时空变化规律，以及其间接引起的生物干扰(如蚂蚁洞穴分布等)较好地解释了高密度和高盖度人工固沙植被退化的原因，以及较低灌木盖度和以浅根系草本为优势群落可持续发展的机理。