生物土壤结皮(Biological soil crusts, BSCs)是由蓝藻、荒漠藻、地衣、藓类等隐花植物与土壤中微生物，以及其它生物体通过菌丝体、假根和分泌物等与土壤表层颗粒胶结形成的有机复合体，具有碳氮固定、水文调节和土壤稳定等功能，是维持荒漠生态系统稳定的“生态系统工程师”。微生物是驱动BSCs碳氮循环及其生态功能发挥的主要载体。然而，随着BSCs演替，微生物群落如何重组，其碳氮循环功能潜力如何分异，这些变化又如何影响荒漠地表的物质循环与生态功能，目前仍缺乏系统认识。

针对这一科学问题，中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站研究团队以我国北方毛乌素沙地、科尔沁沙地和浑善达克沙地为研究区域(图1)，选取藻结皮、地衣结皮和藓结皮3类代表性BSCs表层土壤样品(0–5 cm)，利用宏基因组测序技术，系统比较不同BSCs类型中微生物群落组成及碳氮循环相关功能基因，解析BSCs发育过程中微生物生态功能的分异特征。

图1. 研究区位置及生物土壤结皮(BSCs)分布。A：研究区；B：毛乌素沙地；C：科尔沁沙地；D：浑善达克沙地；E：藻结皮；F：地衣结皮；G：藓结皮

研究发现，在碳循环方面，与光合碳固定相关的基因(如RuBisCO小亚基和磷酸核酮糖激酶)在藻结皮中相对丰度最高，并随BSCs演替而下降。此外，化能自养碳固定相关基因也在藻结皮中富集，表明在干旱和缺氧条件下，其中的微生物可能通过非光合途径固定CO₂。地衣结皮的产甲烷和好氧甲烷氧化基因相对富集；藓结皮则呈现较强的厌氧碳固定特征(图2)。在氮循环方面，地衣结皮表现出最高的固氮潜力，而藻结皮最低。尽管固氮基因的总体丰度较低，但氮转化相关基因(如hcp、narH等)的相对丰度较高，尤其在地衣结皮中更为明显，表明反硝化作用在BSCs氮循环中发挥着重要作用(图3)。同时，与固氮及其他氮循环过程相关的微生物群落结构在不同BSCs类型间表现出显著差异，即由早期发育阶段(藻结皮)的蓝细菌占优势，逐渐转变为后期阶段(地衣结皮和藓结皮)的细菌—蓝细菌混合群落，反映了微生物群落随结皮发育阶段和环境变化而发生的协调性演替。

图2 三种类型BSC中与碳循环相关的基因差异。A和C表示三种BSCs中与碳循环相关的关键基因热图，颜色尺度表示基因的相对丰度，红色表示+1，蓝色表示−1。数值代表基因的相对丰度。B和D展示了三种BSC中关键基因表达水平的差异。星号（*）表示三种BSC类型间基因相对丰度存在显著差异(p<0.05；Duncan检验)。

图3 三种类型BSCs中与氮循环相关的基因差异。A和C表示三种BSCs中与氮循环相关的关键基因热图，颜色尺度表示基因的相对丰度，红色表示+1，蓝色表示−1。数值代表基因的相对丰度。B和D展示了三种BSCs中关键基因表达水平的差异。

该研究从宏基因组层面系统揭示了藻结皮、地衣结皮和藓结皮在碳氮循环功能潜力及微生物群落组成上的差异，深化了对BSCs生态系统功能随演替阶段变化规律的认识。研究结果不仅有助于理解荒漠地表碳氮循环的微生物驱动机制，也为预测气候变化背景下BSCs功能响应、优化退化沙地生态恢复与管理提供了科学依据。

相关研究成果以“Comparative metagenomics of three distinct biological soil crusts in sandy land of Northern China”为题，发表在土壤学期刊Plant and Soil上。中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站回嵘为论文第一作者兼通讯作者。研究得到了国家自然科学基金(U25A20643)、中国科学院“西部青年学者”计划（xbzglzb2022019）和甘肃省自然科学基金重点项目(26JRRA089)共同资助。

原文论文链接：

https://doi.org/10.1007/s11104-026-08722-1

撰稿人：回嵘 发布人：高艳红