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一种新兴的生态修复途径：黄土高原生物结皮的生态功能及培育恢复

花匠小妙招
2024-12-23 03:01

黄土高原是世界上最大的黄土堆积区，水土流失与干旱缺水两大问题并存，是一个特殊的生态脆弱区。我国实施退耕还林(草)工程以来，黄土高原的植被盖度从31.6%上升至63.2%，在此期间生物结皮也得以广泛发育。如果把乔、灌、草等维管植物比作陆地的“毛发”，那么生物结皮可以称为地表的“皮肤”。这一薄层“皮肤”具有多种生态功能，对于维持生态系统的稳定性极其重要。

20世纪90年代以来，生物结皮受到科学家越来越多的关注，我国有关生物结皮的论述主要针对荒漠地区，涉及黄土高原生物结皮的论文较多，但缺乏系统性成果介绍的专著。

近15年来，在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持下，本书作者及团队立足黄土高原，针对生物结皮的若干科学问题持续攻关，对黄土高原生物结皮的发育演替、空间分布、生态功能、干扰响应等形成了较为系统的认知，在培育恢复技术研发等方面也取得了一定进展，形成了一套生物结皮快速培育恢复技术体系，并在生产建设工程中进行了小规模的应用示范。在国家高度重视生态文明建设的新时期，生物结皮生态修复技术的产业化有望在生态环境工程领域掀起一场革命，也将为我国的生态环境事业做出巨大贡献。基于此，《黄土高原生物结皮的生态功能及培育恢复》作者总结了十余年的研究成果，梳理并撰写成书。本书研究逻辑清晰、层层递进，辅以试验过程中的各类影像资料，系统展示了黄土高原生物结皮的研究成果。希望本书在普及黄土高原生物结皮知识的同时，能激发读者的探索兴趣与研究灵感，更期待能与科研同行进行深入的交流和探讨。

六道沟小流域不同土壤类型生物结皮的分布和表观发育特征(卜崇峰等，2014)

六道沟小流域生物结皮的空间分布特征

本书是作者研究团队的科研成果汇集，先后有20多位科研人员和研究生参与了室内和野外试验、数据分析及书稿撰写等工作。

傅伯杰院士为本书作序。

生物结皮是由苔藓、地衣、藻类和异养微生物与表层土壤形成的复杂聚合体，是地表普遍存在的活性地被物，覆盖了地球陆地面积的 12%。生物结皮是气-土界面物质和能量交换的重要组成部分，具有独特的生理特征和多种生态功能，在生态系统的演替和维持稳定性方面发挥着巨大作用。

作为连接土壤和植被的界面层，生物结皮被形象地称为地表的“皮肤”。实际上，在相当长的时期里，这一不起眼的“皮肤”并未受到科研人员的关注。在已有的土壤研究中，一般并不单独区分生物结皮层，而在植被研究中，往往直接忽略了这一活性层，这种局面极大地影响了对生物结皮各类生态过程与机理的精准认知，尤其是在干旱和半干旱地区。20世纪90年代以来，我国一些科研院所和高校研究团队开始陆续关注生物结皮，重点在西北荒漠区和黄土高原区做了诸多探索，也取得了大量研究成果，极大推动了这一领域的发展，成为全球生物结皮研究力量的重要组成部分。

黄土高原土层深厚、千沟万壑、降水集中、水土流失严重、水资源短缺，是我国一个特殊的生态脆弱区。1999年退耕还林(草)工程实施以来，黄土高原植被盖度从31.6%上升至63.2%，黄河输沙量由16亿t/a降低至2亿t/a，陕西省的绿色版图向北足足延伸了400km。在此期间，生物结皮在整个黄土高原得以广泛发育，部分区域的盖度达到了60%以上。当前，生态文明建设已成为我国统筹推进“五位一体”总体布局和协调推进“四个全面”战略布局的重要内容，黄河流域生态保护和高质量发展已进入国家的区域发展战略。在新时代背景下，深入开展黄土高原生物结皮的研究工作，加强研究成果的交流和宣传，对于推进生物结皮的理论探索、合理保护及有效利用尤为重要，可为黄河流域生态文明建设做出贡献。

该书作者及其团队系统梳理了过去十余年的研究成果，总结了黄土高原生物结皮的发育过程、空间分布及多种生态功能与干扰响应等研究进展，较全面论述了生物结皮发育分布、生态功能及培育恢复，开创性地研发了苔藓结皮的人工培育恢复技术体系，并进行了小规模应用示范。该书的出版必将为黄土高原生物结皮研究的进一步深化起到推动作用，为生态修复新途径——生物结皮人工培育技术实现工程化和规模化提供借鉴，也为相关学科领域学者、高校师生及管理人员提供有益参考。

谨以此序与读者共勉。

傅伯杰

中国科学院院士

2021年6月，北京

黄土高原生物结皮的生态功能及培育恢复

卜崇峰著

北京：科学出版社，2022.1

责任编辑：祝洁汤宇晨

内容简介

本书介绍了黄土高原生物结皮的发育演替过程，厘清了其在不同空间尺度下的分布特征及影响因子，阐明了土壤养分、土壤水文、土壤水蚀效应，并初步探讨了适度干扰的必要性和可行性。同时，构建了生物结皮的人工培育恢复技术体系，并在不同立地条件下开展了小规模应用示范。作为一种新兴的生态修复途径，生物结皮人工培育恢复的产业化终将在水土保持和生态工程领域掀起一场革命。本书可为水土保持学、土壤学、生态学、水文学、植物学、微生物学等领域的科研人员及高校师生提供参考。

目录速览

前言
第1章绪论 1
1.1 生物结皮的组成与演替 1
1.1.1 生物结皮的组成 1
1.1.2 生物结皮的演替过程 4
1.1.3 生物结皮发育的影响因素 5
1.2 生物结皮的空间分布 7
1.2.1 生物结皮空间分布的影响因子 7
1.2.2 生物结皮空间分布的研究方法 9
1.3 生物结皮的生态功能 11
1.3.1 生物结皮的土壤养分累积作用 11
1.3.2 生物结皮的土壤水文效应 13
1.3.3 生物结皮对土壤稳定性的提升 15
1.3.4 生物结皮对植物群落的影响 16
1.3.5 生物结皮对重金属的富集作用 17
1.3.6 生物结皮与全球气候变化的关系 18
1.4 人工培育生物结皮 18
1.4.1 人工培育生物结皮的意义 18
1.4.2 人工培育生物结皮的方法 19
1.4.3 人工培育生物结皮的调控因子 20
参考文献 24
第2章生物结皮的发育过程与空间分布 38
2.1 研究区概况 38
2.2 生物结皮的发育过程 39
2.2.1 表观动态特征 40
2.2.2 物理性状的动态变化 42
2.2.3 物种组成的动态变化 43
2.3 生物结皮的空间分布 47
2.3.1 小流域尺度 48
2.3.2 坡面尺度 51
2.4 生物结皮发育分布的影响因素 55
2.4.1 小流域尺度 56
2.4.2 坡面尺度 61
参考文献 72
第3章生物结皮的土壤养分效应 75
3.1 生物结皮对土壤养分的影响 76
3.2 侵蚀条件下生物结皮的土壤养分效应 78
3.2.1 生物结皮对土壤侵蚀的影响 79
3.2.2 侵蚀条件下生物结皮对土壤有机质质量分数的影响 80
3.2.3 侵蚀条件下生物结皮对土壤氮元素质量分数的影响 81
3.3 生物结皮影响土壤养分的机理 82
3.3.1 生物因素 83
3.3.2 非生物因素 85
参考文献 86
第4章生物结皮的土壤水文-水蚀效应 89
4.1 生物结皮的土壤水文效应 89
4.1.1 试验设计 90
4.1.2 土壤水分蒸发效应 92
4.1.3 土壤水分入渗效应 95
4.1.4 生物结皮对径流的影响 100
4.1.5 生物结皮对土壤含水量的影响 100
4.2 生物结皮的土壤水蚀效应 102
4.3 生物结皮土壤水文-水蚀的影响因素 103
4.3.1 生物结皮类型及生物学特性 103
4.3.2 降雨因素 104
4.3.3 土壤物理性质 106
4.3.4 植被因子 106
参考文献 107
第5章生物结皮的干扰响应 111
5.1 生物结皮的干扰响应试验 111
5.1.1 小区布设及干扰处理 111
5.1.2 测定指标及方法 113
5.1.3 观测期降雨状况及分类 115
5.2 生物结皮生长发育的干扰响应 117
5.2.1 干扰对生物结皮盖度的影响 117
5.2.2 干扰对生物结皮株高度的影响 118
5.2.3 干扰对生物结皮生物量的影响 119
5.3 生物结皮土壤水文-水蚀的干扰响应 120
5.3.1 单次降雨下生物结皮土壤水文-水蚀的干扰响应 121
5.3.2 不同降雨类型下生物结皮土壤水文-水蚀的干扰响应差异 126
5.3.3 总降雨事件下生物结皮土壤水文-水蚀的干扰响应 131
5.4 生物结皮干扰响应的生态意义 134
参考文献 135
第6章苔藓结皮的培育恢复 139
6.1 室内恒环境培育 139
6.1.1 试验方法 140
6.1.2 环境因子及接种量对苔藓结皮生长发育的影响 146
6.1.3 营养物质对苔藓结皮生长发育的影响 148
6.1.4 植物生长调节剂对苔藓结皮生长发育的影响 154
6.1.5 室内培育苔藓结皮对干旱的抗逆性 159
6.1.6 室内培育苔藓结皮对高温的抗逆性 162
6.2 野外变环境恢复 165
6.2.1 试验地概况及种源制备 166
6.2.2 关键影响因子研究 167
6.3 培育恢复技术方案优化 178
6.3.1 试验设计 179
6.3.2 菌藻添加对苔藓结皮生长发育的影响 181
6.3.3 草本植物和微生物对苔藓结皮生长发育的影响 182
6.4 工程化应用示范 184
6.5 种源扩繁 185
6.5.1 前期准备 186
6.5.2 消毒方式对原丝体发育的影响 188
6.5.3 pH对原丝体发育的影响 188
6.5.4 温度及光照对原丝体发育的影响 190
6.5.5 糖类对原丝体发育的影响 191
参考文献 192
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