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不可貌相的荒漠地毯——生物结皮
2010-11-11 | 编辑: | 【

不可貌相的荒漠地毯——生物土壤结皮

置身于浩瀚的古尔班通古特沙漠,你可能不会留意到生物土壤结皮的存在,因为从外观上看,它是那么不起眼。但是,正是因为有这层荒漠地毯的保护,显著降低了起风速度,有效地维持了古尔班通古特沙漠的稳定性。

那么,究竟什么是生物土壤结皮呢?它是由细菌、真菌、蓝绿藻、地衣和苔藓植物等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体。

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图1 颜色各异的地衣结皮
丰富的家族成员。细菌、真菌、藻类是肉眼分辨不出来的组分,只能借助显微镜放大后才能看到;而地衣、苔藓可以通过肉眼可以直接观察到。根据优势生物组分及其生长形态、功能、土壤基质、演替阶段等,可以将生物土壤结皮分为微生物结皮、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮。其中,地衣结皮是古尔班通古特沙漠的主要类型,因种类不同呈现黑色、白色、棕色、黄色或绿色。

独特的分布格局。这种特殊的“荒漠地毯”不是随机分布、处处可见的。从大尺度上来看,科学家们通过遥感技术结合地面调查,发现它们主要集中分布于古尔班通古特沙漠沙漠的南缘。从小尺度上来看,在沙垄的不同地貌部位,生物土壤结皮的类型有明显的差异,微生物结皮主要分布在沙垄顶部;沿沙垄顶部向两侧坡间延伸,开始发育藻结皮;沿沙坡至垄间低地,地衣结皮成片发育;而苔藓结皮主要在垄间低地与地衣结皮镶嵌分布。这种独特的分布格局与水分、有机质、土壤酶、沙土机械组成等多种因素相关。

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图2基于遥感数据的古尔班通古特沙漠生物土壤结皮分布图

神秘的形成过程。生物土壤结皮的形成过程从理论上说,遵循从简单到复杂、从低等到高等的规律,其形成过程通常分为如图3所示的3个阶段:①前藻结皮阶段,该阶段,土壤微生物首先定居于地表,细菌能够分泌出胞外多糖黏结沙粒,真菌和放线菌的菌丝体能够从旁协助来捆绑沙粒,土壤理化性质改善和有机质的积累促进了藻结皮的形成;②藻结皮阶段。该阶段丝状藻类能够分泌黏性更强的多糖,其藻丝体的韧性也更强,这样,沙粒进一步被胶结和捆绑在一起,地表稳定性显著增加;③地衣和苔藓结皮阶段。此时,开始出现地衣和苔藓植物,假根能够有效地深入土壤下层,使得该阶段的结皮具备更强的抗风蚀、水蚀能力。当环境条件适宜时,生物土壤结皮也可以不经历其中某个阶段而直接发育到更高级的阶段。

 

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图3生物土壤结皮的演替进程
不容忽视的生态功能。①维持沙面稳定。与古尔班通古特沙漠形成对比的是我国最大流动沙漠塔克拉玛干沙漠,其表面因为没有这种荒漠地毯,活化程度远远大于前者。科学家们通过风洞试验发现,生物土壤结皮的存在大幅度提高了起动风速,并通过一系列模拟实验证明,在古尔班通古特沙漠,放牧等人类活动对生物土壤结皮的破损不宜超过30%,尤其在春夏两季的起沙风频繁期。②增加养分含量。生物土壤结皮中有一些本领高强的物种,能够通过生物固氮作用,将空气中的不便利用的氮素固定下来,释放给周围的植物和土壤。土壤表层0-5cm的氮素、有机质等养分积累对于浅根系植物的生长发育非常重要。目前科学家们正努力利用这些重要的固氮组分研制荒漠生物绿肥,希望将贫瘠的沙土变得肥沃。③影响维管植物多样性。维管植物的种子只有通过特殊的筛选考试,才能在生物土壤结皮上顺利萌发。比如如图4所示的牻牛儿苗,它的种子带有羽毛状的芒,就像一支飞镖,在风力作用下,扎入生物土壤结皮的缝隙中。由于种子带有倒钩,即使芒端折断,种子仍然能够留在结皮中顺利生长发育。因此,牻牛儿苗是生物土壤结皮最熟悉的邻居之一。④改变降水分配格局。生物土壤结皮就像一块海绵,对荒漠中的降水有显著的截留作用。在滴水贵如油的荒漠,每当一场降雨来临,结皮中的各类物种开始各显其能地吸收水分,来激活体内的各种生理代谢活动。其中,苔藓植物对外界水分变化的响应最为直观,如图5所示,干燥状况下,苔藓植物处于休眠状态(外表呈黑色),一旦有可利用的水时可在数分钟内迅即复苏(外表呈嫩绿色)。科学家们对这种特殊的复苏过程进行了深入研究,发现荒漠藓类存在特殊的细胞结构保护功能和光合作用代谢途径。

随着研究的深入,相信不久的将来,生物土壤结皮这块不可貌相的荒漠地毯,将在防沙治沙事业中大展拳脚。

        

5干燥和湿润状态下的苔藓植物

 
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图4牻牛儿苗种子穿透生物土壤结皮得以定居

 

 

 

 

 

 

 

 
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