黄土高原西部藓结皮生物量与形态生理指标的相关性

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00281

摘要/Abstract

摘要：

生物土壤结皮（BSC），尤其是作为高级演替阶段的藓结皮，在干旱与半干旱生态系统的土壤稳定和生态功能恢复中发挥关键作用。为了明确藓结皮生物量与形态生理指标之间的关系，探寻合理的生物量测量方法，本研究通过野外采样、实验室分析与结构方程模型（SEM）构建，系统量化了黄土高原西部藓结皮生物量与关键形态生理指标包括厚度、叶绿素（Chl）含量、最大光化学量子产量（Fv/Fm）及总初级生产力（GPP）的关系。结果表明：BSC厚度与生物量显著线性相关（R²=0.805， $β$ =0.90），是生物量快速评估的可靠形态代用指标；而生理指标则呈现非线性动态——单位面积Chl含量和Fv/Fm与生物量呈二次函数关系（R²分别为0.645和0.490），单位质量Chl含量则随生物量增加呈幂函数下降（R²=0.607）。SEM进一步揭示：GPP直接驱动生物量积累（ $β$ =0.44），而Chl含量通过GPP影响生物量。本研究确立了厚度作为野外生物量评估的最优指标，并强调需整合环境胁迫因子以优化预测模型，为BSC监测与生态恢复实践提供方法论依据。

关键词: 生物土壤结皮, 藓结皮, 生物量, 黄土高原

Abstract:

Biological soil crusts （BSC）， especially moss crusts as an advanced successional stage， play a critical role in soil stabilization and ecological function restoration in arid and semi-arid ecosystems. To clarify the relationship between moss crust biomass and physiological indicators and explore reasonable methods for biomass measurement， this study systematically quantified the correlations between moss crust biomass and key morphological/physiological indicators （thickness， chlorophyll content， chlorophyll fluorescence kinetics parameters， and gross primary productivity） in the western Loess Plateau through field sampling， laboratory analysis， and structural equation modeling （SEM）. The results showed that BSC thickness was significantly linearly correlated with biomass （R²=0.805， β=0.90）， serving as a reliable morphological proxy for rapid biomass assessment. In contrast， physiological indicators exhibited nonlinear dynamics： chlorophyll content per unit area and maximum photochemical quantum yield showed quadratic relationships with biomass （R²=0.645 and 0.490， respectively）， while chlorophyll concentration per unit mass decreased in a power function pattern with increasing biomass （R²=0.607）. SEM further revealed that gross primary productivity （GPP） directly drives biomass accumulation （β=0.44）， whereas chlorophyll content indirectly affects biomass through GPP mediation. This study identifies thickness as the optimal indicator for field biomass assessment and emphasizes the need to integrate environmental stress factors to optimize predictive models， providing a methodological basis for BSC monitoring and ecological restoration practices.

Key words: biological soil crust （BSC）, moss crust, biomass, Loess Plateau

中图分类号:

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图/表 5

图1 采样点位置

Fig.1 Overview of sampling points

图2 生物量与形态生理指标

Fig.2 Biomass and basic conditions of various indicators

图3 生物量与各指标相关性拟合情况

Fig.3 Fit between biomass and various indicators

表1 不同藓结皮生物量与各指标的回归分析

Table 1 Regression analysis of biological indicators and biomass of different moss crusts

指标	回归方程	R²
Fv/Fm	y=0.360+0.003x-8.396x²	0.490
厚度/mm	y=2.246+0.078x	0.805
Chl/(mg·cm^-2)	y=3.224+0.118x-2.937x²	0.645
Chl/(mg·g^-1)	y=1112.23x^-0.483	0.607
GPP/(μmol·m^-2·s^-1)	y=0.626+0.010x-0.001x²	0.692

图4 形态生理指标与生物量的结构方程模型注：“*”表示极显著影响，实线箭头表示显著的正效应（P<0.05）路径，虚线箭头表示P>0.05的路径，与箭头相关的值表示路径系数的大小，箭头的宽度表示关系的强度。

Fig.4 Structural equation model of biological indicators and biomass

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