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原文献信息：Witzgall, K.; Hesse, B. D.; Pacay-Barrientos, N. L.; Jansa, J.; Seguel, O. et al. Soil carbon and nitrogen cycling at the atmosphere–soil interface: Quantifying the responses of biocrust–soil interactions to global change. Global Change Biol 2024, 30(10), e17519.摘要：
在干旱区，水资源短缺限制了维管植物的生长，大部分初级生产发生在土壤表面。在这里，复杂的宏观和微生物群落与土壤颗粒紧密结合，形成了生物土壤结皮（biocrusts）。尽管生物土壤结皮在干旱生态系统中调节碳（C）和氮（N）循环方面起着关键作用，但对其固定的C和N进入矿质土壤的命运以及气候变化如何影响大气、生物土壤结皮和土壤之间的C和N通量的了解仍然有限。为填补这一知识空白，我们在受控实验室条件下对生物土壤结皮-土壤系统进行了实验性加热和干旱处理，监测了CO2通量，并应用了双同位素标记脉冲（13CO2和15N2）。通过密度分级和磷脂脂肪酸分析，我们详细量化了元素进入特定有机质（OM）库和微生物生物量的路径。研究发现，无论温度条件如何，生物土壤结皮都能调节CO2通量，但干旱严重限制了其光合C吸收，导致系统无法维持净C吸收。此外，生物土壤结皮的影响延伸至下方1厘米的矿质土壤中，在此C和N积累为矿物结合有机质（MAOM，粒径<63μm），并与真菌的相对优势增加密切相关，表明真菌菌丝促进了C和N向下迁移并形成MAOM。然而，在加热处理的系统中，这些路径被破坏，生物土壤结皮对下层土壤元素组成及MAOM的影响消失。同时，在加热和干旱的双重作用下，净生物固氮能力显著下降，突显了气候变化如何削弱生物土壤结皮最基本的生态系统功能，对C和N循环以及干旱生态系统中土壤有机质库的持久性带来了不利影响。
本研究在植物培养室中进行了气候模拟实验，在受控的实验室条件下，使生物结皮-土壤系统暴露于升温（+5°C）和/或干旱（-50%水分添加）环境中。除了监测CO2通量外，还反复使用了13CO2和15N2标记脉冲，以直接解析生物结皮、微生物和土壤之间的相互作用。我们确定了生物结皮衍生的C和N在颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（通过密度分级）以及C在微生物生物量（通过磷脂脂肪酸[PLFA]分析）中的分配情况，这些分析均在生物结皮层及其下方1厘米厚的表层土壤中进行，从而区分了生物结皮对矿质土壤的影响。
我们假设：（i）生物结皮有助于下层1厘米土壤中土壤C和N的积累；（ii）在暴露于干旱和升温环境的系统中，这些元素路径会受到损害；（iii）气候变化因素会降低C和N的总体生物固定量。
本研究采用的系统方法，通过微生物转化追踪生物结皮衍生的C和N进入特定的土壤有机质库，为生物结皮作为土壤C和N循环的调节者提供了新的见解，并揭示了气候变化如何改变甚至破坏生物结皮与土壤之间的基本生物地球化学路径。
结果显示，生物土壤结皮显著提高了土壤呼吸作用，且升温进一步加速了这一过程，尤其是在正常水分条件下。然而，干旱对呼吸作用产生了抑制作用，且这种抑制作用在升温条件下更为显著。同时，干旱也强烈限制了生物土壤结皮的CO2光合同化，且在升温条件下更为突出。BSCs的净光合作用和呼吸速率之间表现出很强的相关性。
在升温条件下，生物土壤结皮的表面覆盖度增加，但归一化后的光合吸收却受到干旱和温度的双重影响，升温导致正常水分条件下的CO2吸收减少近一半。此外，生物土壤结皮层中的C和N含量显著高于裸土对照，且干旱和升温对下层土壤的C和N含量也产生了影响。同位素分析显示，干旱限制了C从生物土壤结皮向下迁移到土壤，而13C与生物土壤结皮覆盖度、呼吸和光合作用均呈正相关。同时，生物土壤结皮层中小粒径矿物结合有机物（MAOM<63μm）中的C累积显著增加，而干旱和加温导致POM中的C含量减少。微生物群落分析揭示，生物土壤结皮中的微生物丰度显著提高，且真菌优势度增加。加温条件下，微生物群落组成发生变化，细菌绝对丰度增加。此外，生物土壤结皮来源的C被微生物吸收的量在加温条件下显著增加，且真菌生物量中13C分配最高。无论是生物土壤结皮层还是底层土壤中的微生物生物量中吸收的13C，均与生物土壤结皮覆盖率、呼吸和光合作用显著相关。综上所述，干旱和升温对生物土壤结皮的CO2通量及其功能性产生了显著影响，且这些影响与生物土壤结皮的覆盖度、C和N含量以及微生物群落结构密切相关。文中图表：
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