在全球气候变化背景下，干旱区正面临持续增温、降水格局改变以及辐射环境变化等多重环境压力。生物土壤结皮（Biological soil crusts，BSCs）是荒漠生态系统地表的重要生物组分，在稳定土壤表面、减少风水蚀、促进碳氮循环等方面发挥着重要作用。不同发育阶段的 BSCs 在结构特征和环境适应策略上存在明显差异，因而可能对气候胁迫表现出不同的生理和代谢响应。然而，在增温、降水变化和增强UV-B辐射共同作用下，不同发育阶段BSCs 如何协调光合碳获取与次生代谢防御，以及不同气候因子之间是否表现出加和、协同或拮抗效应，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荒漠生态系统中不同发育阶段的藻结皮、地衣结皮和藓结皮为研究对象，依托长期全球变化野外控制实验平台，将开顶式气室（Open-top chamber，OTC）模拟的增温与降水减少处理与UV-B辐射增补试验相结合，开展了为期两年的多因子控制实验，系统分析不同发育阶段 BSCs 光合生理与次生代谢对复合气候胁迫的响应。

图1. 增温减雨与 UV-B 辐射复合胁迫的野外试验布置及处理设计

研究结果发现，增强UV-B辐射是驱动 BSCs 光合生理和次生代谢变化的主要环境因素。随着UV-B增强，三类 BSCs 的光合能力和多种保护性代谢物总体下降，其中藻结皮响应最为强烈。在UV-B增强24%条件下，藻结皮GPP下降71.33%，类黄酮、类胡萝卜素和胞外多糖均下降90%以上，表明强UV-B可能同时限制其碳获取和防御代谢。不同发育阶段 BSCs 表现出明显差异。藻结皮虽然具有较强的基础环境耐受性，但在增强UV-B下生理调节能力相对有限；地衣和藓结皮则表现出更强的动态调节和恢复能力。多变量分析进一步表明，UV-B辐射是生理和代谢分化的主要解释因子，而结皮类型也具有显著作用。

研究还发现一个值得关注的现象：多重环境胁迫并不一定产生简单的叠加效应。与单独增强UV-B处理相比，在OTC引起的增温减雨背景下，部分光合与代谢指标反而出现一定程度的恢复。例如，在高UV-B水平下，地衣和藓结皮叶绿素a含量较对应的单独UV-B处理分别提高52.04%和58.65%，表明温度和水分条件可能通过改变 BSCs 的生理状态、资源分配和胁迫耐受阈值，对UV-B造成的影响产生一定的缓冲作用。

图2. PCA和RDA揭示不同发育阶段生物结皮在复合气候胁迫下的生理与代谢分化

该研究表明，未来气候变化对 BSCs 的影响不仅取决于单一环境因子的变化幅度，还受到多种气候因子交互作用及BSCs发育阶段的共同调节。研究结果为理解不同演替阶段BSCs 对多重气候胁迫的适应机制，以及评估未来气候变化对荒漠生态系统结构与功能的潜在影响提供了新的科学依据。

相关研究成果以“Photosynthetic and secondary metabolic responses of biological soil crusts to combined warming, reduced precipitation, and enhanced UV-B radiation: divergent strategies across developmental stages”为题，发表在植物科学领域期刊 Frontiers in Plant Science。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硕士研究生周雅琳为第一作者，回嵘副研究员为通讯作者。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。

撰稿人：周雅琳

发布人：高艳红