Effects of biological soil crusts development on carbon cycling in extreme environments

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00039

Journal of Desert Research ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (3): 131-140.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00039

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Effects of biological soil crusts development on carbon cycling in extreme environments

Jia Li(), Xiaohong Jia(), Dezheng Zhou, Bo Wu

Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Desert Ecosystem and Global Change，Institute of Ecological Conservation and Restoration，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China

Received:2025-04-07 Revised:2025-04-27 Online:2025-05-20 Published:2025-06-30
Contact: Xiaohong Jia

Abstract

Abstract:

In extreme environments such as high-altitude cold， arid， and high-temperature regions where the development of vascular plants is restricted， biological soil crusts （BSCs） act as vital living surface coverings and play a crucial role in the ecosystem carbon cycle. To accurately assess the impact of BSC development in extreme environments on the carbon cycle， this paper systematically reviews relevant domestic and international research literature. It comprehensively explores key carbon cycle processes of BSCs， including photosynthetic carbon fixation，respiratory carbon emission， and net photosynthesis， as well as their impacts on atmospheric carbon exchange and soil organic carbon. Additionally， it summarizes the differences in the carbon cycling processes of various BSCs types and under different regional environmental conditions， and elucidates the underlying causes. The comprehensive analysis indicates that BSCs possess strong capabilities for photosynthetic carbon fixation and respiratory carbon emission， and they typically exhibit net accumulation of organic matter under normal physiological conditions. The development of BSCs has a dual regulatory effect on the rate of carbon emission from soil to the atmosphere. In the long term， their development increases the amount of carbon emitted from soil to the atmosphere， thereby enhancing the carbon source effect. The development of BSCs also increases the soil organic carbon content. Moss-dominated BSCs show significantly stronger capabilities in photosynthetic carbon fixation， carbon emission from the BSC-soil system， and promotion of soil organic carbon compared to algae-dominated BSCs. Precipitation and warming are the main factors causing differences in the carbon cycling of BSCs and BSC-soil system across different regions. Under climate change scenarios such as changes in precipitation and increased temperatures， the dynamic responses of BSC carbon cycling and the non-linear responses of carbon exchange between the BSC-soil system and the atmosphere are observed. This study clarifies the mechanisms by which BSC development affects the ecosystem carbon cycle and provides a solid theoretical basis for the scientific management and effective achievement of “carbon neutrality” goals in extreme environments.

Key words: biological soil crusts, photosynthetic carbon fixation, respiration, soil organic carbon

CLC Number:

Q945.11

Jia Li, Xiaohong Jia, Dezheng Zhou, Bo Wu. Effects of biological soil crusts development on carbon cycling in extreme environments[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(3): 131-140.

Figures/Tables 5

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研究区域	结皮类型	优势种	测定方式	固碳速率 /(μmol·m^-2·s^-1)	参考文献
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）	样品采集	最大值 5.75	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘藻属、伪枝藻属	样品采集	最大值 8.28	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻	样品采集	最大值 3.93	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘藻属、伪枝藻属	样品采集	最大值 4.16	[15]
腾格里沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻	样品采集	0.55~2.8	[16]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	样品采集	0.07~2.93	[17]
科罗拉多高原	地衣结皮、苔藓结皮	齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）、对齿藓属、胶衣属	样品采集	0.69~3.07	[17]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	样品采集	0.14~2.3	[17]
腾格里沙漠	藻结皮	固氮鱼腥藻（Anabaena azotica）、衣藻属	原位测定	0.05~1.84	[18]
腾格里沙漠	地衣结皮、苔藓结皮	真藓（Bryum argenteum）、齿肋赤藓	原位测定	0.22~2.25	[18]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属	原位测定	0.10~1.48	[19]
科罗拉多高原	藻结皮、地衣结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	原位测定	0.30~1.52	[19]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属	原位测定	0.05~1.23	[19]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮、地衣结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	原位测定	0.50~2.61	[19]

研究区域	结皮类型	优势种	测定方式	固碳速率 /(μmol·m^-2·s^-1)	参考文献
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻（Microcoleus vaginatus）	样品采集	最大值 5.75	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘藻属、伪枝藻属	样品采集	最大值 8.28	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻	样品采集	最大值 3.93	[15]
莫哈维沙漠	藻结皮	具鞘藻属、伪枝藻属	样品采集	最大值 4.16	[15]
腾格里沙漠	藻结皮	具鞘微鞘藻	样品采集	0.55~2.8	[16]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	样品采集	0.07~2.93	[17]
科罗拉多高原	地衣结皮、苔藓结皮	齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）、对齿藓属、胶衣属	样品采集	0.69~3.07	[17]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	样品采集	0.14~2.3	[17]
腾格里沙漠	藻结皮	固氮鱼腥藻（Anabaena azotica）、衣藻属	原位测定	0.05~1.84	[18]
腾格里沙漠	地衣结皮、苔藓结皮	真藓（Bryum argenteum）、齿肋赤藓	原位测定	0.22~2.25	[18]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属	原位测定	0.10~1.48	[19]
科罗拉多高原	藻结皮、地衣结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	原位测定	0.30~1.52	[19]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属	原位测定	0.05~1.23	[19]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮、地衣结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	原位测定	0.50~2.61	[19]

研究区域	结皮类型	优势种	结皮呼吸速率/(μmol·m^-2·s^-1)	参考文献
美国犹他州南部	地衣结皮	胶衣属	0~1.42	[29]
		双缘衣属	0~1.92	[29]
		磷网衣属	0~2.53	[29]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	0~1.82	[17]
科罗拉多高原	地衣结皮、苔藓结皮	齿肋赤藓、对齿藓属、胶衣属	0~2.72	[17]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	0~2.34	[17]
奇瓦瓦沙漠	地衣结皮、苔藓结皮	胶衣属	0~3.58	[17]

研究区域	结皮类型	优势种	结皮呼吸速率/(μmol·m^-2·s^-1)	参考文献
美国犹他州南部	地衣结皮	胶衣属	0~1.42	[29]
		双缘衣属	0~1.92	[29]
		磷网衣属	0~2.53	[29]
科罗拉多高原	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	0~1.82	[17]
科罗拉多高原	地衣结皮、苔藓结皮	齿肋赤藓、对齿藓属、胶衣属	0~2.72	[17]
奇瓦瓦沙漠	藻结皮	具鞘藻属、念珠藻属、伪枝藻属	0~2.34	[17]
奇瓦瓦沙漠	地衣结皮、苔藓结皮	胶衣属	0~3.58	[17]

研究区域	结皮类型	优势种	裸土碳排放速率 /(μmol·m^-2·s^-1)	结皮土壤系统碳排放速率 /(μmol·m^-2·s^-1)	结皮发育对土壤碳排放速率的影响	参考文献
共和盆地	藻结皮	—	0.43~1.53	0.49~2.36	促进	[8]
共和盆地	苔藓结皮	—	0.43~1.53	0.59~3.13	促进	[8]
黄土高原	苔藓结皮	极地真藓（Bryum arcticum）、土生扭口藓（Barbula vinealis）	1.45~2.01	1.19~1.66	抑制	[25]
毛乌素沙地	藻结皮	—	0.50~1.55	0.57~1.66	促进	[11]
毛乌素沙地	苔藓结皮	—	0.50~1.55	0.86~1.95	促进	[11]
科尔沁沙地	藻结皮、苔藓结皮	蓝藻、真藓	0.45~12.35	0.40~4.86	抑制	[36]

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研究区域	结皮类型	优势种	结皮土壤系统净碳通量 /(μmol·m^-2·s^-1)	参考文献
纳米比亚沙漠	地衣结皮	荒漠微孢衣	-10.02~3.01	[22]
		橙衣属	-7.25~1.88	[22]
		小网衣属	-6.21~1.02	[22]
古尔班通古特沙漠	苔藓结皮	—	-0.28~1.18	[56]
古尔班通古特沙漠	藻结皮、地衣结皮	—	-0.18~1.20	[56]
共和盆地	藻结皮	—	-0.01~4.83	[8]
共和盆地	苔藓结皮	—	0.20~5.10	[8]
毛乌素沙地	藻结皮	—	-0.18~1.43	[57]
毛乌素沙地	苔藓结皮	—	-1.24~1.38	[57]
黄土高原	藻结皮	点形黏球藻（Gloeocapsa punctata）、席藻属	0.13~2.00	[10]
黄土高原	苔藓结皮	短叶扭口藓（Barbula tectorum）	-1.02~1.40	[10]

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