神奇的沙漠“皮膚”

張元明

提到沙漠，人們腦海中往往會浮現(xiàn)浩瀚無垠的沙海，那里黃沙漫天、寸草不生，是“死亡之?！薄１热缰袊畲蟮纳衬死敻缮衬?，面積達33萬平方千米，是世界第二大流動性沙漠。據(jù)科研人員測算，那里低矮的沙丘每年可移動約20米。

而分布于新疆北部準噶爾盆地的古爾班通古特沙漠，卻呈現(xiàn)與塔克拉瑪干沙漠不同的景象。它的面積約4.88萬平方千米，其中有97%為固定和半固定沙丘，是中國面積最大的固定、半固定沙漠。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在古爾班通古特沙漠地表，有一層其貌不揚的保護層，這一保護層具有類似皮膚的結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家稱其為沙漠“皮膚”。

沙漠“皮膚”是什么樣子的？它能像皮膚一樣保護著沙漠嗎？

沙漠地表的生物結(jié)皮

古爾班通古特沙漠降水相對較多，年均降水量在70～150毫米之間，且冬季有長達4個月的積雪覆蓋期，最大積雪深度可達20厘米。對于水分為主要限制性因子的荒漠生態(tài)系統(tǒng)來說，早春積雪融水可為荒漠植物的生長發(fā)育提供有利的水分條件。

在與惡劣環(huán)境的長期斗爭中，有一類植物為了生存下去，會快速利用積雪融水。它們“鍛煉”出了在短時間內(nèi)完成從種子萌發(fā)到幼苗生長再到開花結(jié)果整個生活史周期的神奇本領(lǐng)。這類植物，科學(xué)家稱之為短命或類短命植物，有時也稱之為早春短命植物。它們使得古爾班通古特沙漠在春季顯得生機盎然。

除固沙植被外，還有一個薄層覆蓋著沙漠。為了弄清楚它的結(jié)構(gòu)，科研人員將這種薄層從野外帶回實驗室觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄層內(nèi)大有乾坤。在電子顯微鏡下放大2000倍后，科研人員看到薄層中纏繞著很多繩索狀的東西，維持著某種結(jié)構(gòu)。繼續(xù)放大后觀察發(fā)現(xiàn)，繩索狀的東西纏繞著一顆又一顆沙粒，最終將大量沙粒連接起來，形成一個整體，成為沙漠“皮膚”。

沙漠“皮膚”厚度介于1毫米到5厘米之間，這薄薄的一層“皮膚”里物種非常豐富。既有單細胞生物，也有多細胞生物;既有絲狀的，也有團狀的。它們聚集在一起成為一個“大家庭”，共同生長于沙漠地表。

沙漠“皮膚”是由微生物、藻類、地衣和苔蘚等孢子植物類群與土壤顆粒形成的有機復(fù)合體，即生物土壤結(jié)皮（以下簡稱生物結(jié)皮）。根據(jù)不同發(fā)育階段所具有的優(yōu)勢生物組分（即混合物中的各成分）的差異，可將生物結(jié)皮劃分為微生物結(jié)皮、藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮四類。

和人類皮膚一樣，它有兩個最大的特點，即有保護作用和生物活性。它像人類皮膚一樣呼吸、排泄、生產(chǎn)，維護著荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

分布廣，作用大

作為干旱區(qū)重要的地表覆被類型之一，沙漠“皮膚”廣泛分布于全球干旱、半干旱地區(qū)，約占全球陸地表面的12%，在部分干旱區(qū)甚至可達70%。它具有分布廣、物種豐富、類型多樣等特點，對維持荒漠地表的穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)以及保護維管植物（指具有維管組織的植物）的多樣性有著重要作用。

研究發(fā)現(xiàn)，組成生物結(jié)皮的細菌能夠分泌出一種胞外多糖，從而起到黏結(jié)沙粒的作用，真菌和放線菌的菌絲體也會協(xié)助捆綁沙粒。藻結(jié)皮中的一些絲狀藻類能分泌出黏性更強的多糖，使沙粒進一步被膠結(jié)和捆綁在一起，地表穩(wěn)定性顯著增加。而處于演替階段后期的地衣和苔蘚結(jié)皮，具有比藻結(jié)皮更強的固沙能力。

通過開展風(fēng)洞對比試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，當?shù)乇碛猩锝Y(jié)皮覆蓋時，哪怕是10級以上的大風(fēng)，地表都不易起沙。然而，當?shù)乇硎艿饺祟惢顒訑_動，即使很小的風(fēng)都能吹起沙粒。由此可見，沙漠“皮膚”可以大幅度提高沙漠地表的起動風(fēng)速。

一系列模擬實驗證明，放牧等人類活動對生物結(jié)皮的破損不宜超過30%，尤其是在春、夏季的起沙頻繁期。

沙漠是貧瘠的。盡管如此，生長在沙漠中的生物結(jié)皮，無論是單細胞的藻類，還是有根莖葉分化的苔蘚植物，都有一個共同的特點——綠色。綠色，意味著植物體能夠進行光合作用，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放出氧氣。也就是說，它們能進行碳的固定。全球尺度生物結(jié)皮年總固碳量可達0.6Pg（1Pg=1015g），相當于全球1%的陸地生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力。

為了養(yǎng)活自己，除進行光合作用外，這些微小生物還有一個特別重要的功能——固氮。氮是植物生長的必需元素之一。雖然大氣成分的約78%都是氮氣，但這些氮氣并不能直接為植物所用。只有將其固定下來，轉(zhuǎn)化成可供利用的化合物，才能為植物利用。全球生物結(jié)皮年固氮量可達26Tg（1Tg=1012g），約占全球孢子植物固氮量的一半，以及陸地生態(tài)系統(tǒng)生物總固氮量的四分之一。整個古爾班通古特沙漠地表的生物結(jié)皮，每年可固定約4500噸氮素。科學(xué)家把這些微小生物稱為“天然綠肥”，它們對于淺根系植物的生長發(fā)育非常重要。

由此可見，生物結(jié)皮是干旱區(qū)的主要生產(chǎn)者之一，也是干旱區(qū)碳、氮和磷等主要營養(yǎng)元素循環(huán)的載體，對于干旱區(qū)土壤養(yǎng)分的增加和維持具有重要作用。

此外，維管植物的種子只有通過特殊的篩選，才能在生物結(jié)皮上順利萌發(fā)。例如，古爾班通古特沙漠有一種常見的草本植物，叫作尖喙牻牛兒苗，它的種子帶有羽毛狀的芒，就像一支飛鏢，在風(fēng)力作用下很容易鉆進生物結(jié)皮的縫隙中。種子上還帶有倒鉤，即使羽毛狀的芒端折斷，種子仍然能夠留在結(jié)皮中萌發(fā)生長。因此，尖喙牻牛兒苗是生物結(jié)皮上最常見的植物。大多數(shù)研究認為，在干旱、半干旱區(qū)，生物結(jié)皮對不同種的維管植物影響不同，對同種植物不同生活史階段的影響也不同。

神奇“皮膚”也生病

沙漠“皮膚”最神奇之處在于它會“變色”。這是因為組成生物結(jié)皮的蘚類植物是一種對外界水分變化十分敏感的生物。由于沙漠長期干旱少雨，在生存條件極其惡劣的情況下，蘚類植物往往處于休眠狀態(tài)，呈黑褐色。而一旦有可利用的水分，它們就會迅速吸水，呈現(xiàn)綠色。科研人員用視頻記錄了荒漠蘚類吸水前后的狀態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)其展葉變色的過程只需短短的幾秒鐘。另外，有研究表明，荒漠蘚類植物在失水率高達98%時也不會因缺水而死亡。因此，科學(xué)家用“干而不死，死而復(fù)生”這8個字形象地描述荒漠蘚類的神奇之處。

沙漠不僅有高溫，還有強光輻射。沙漠里的植物是如何應(yīng)對這樣惡劣的環(huán)境的呢？科研人員發(fā)現(xiàn)，組成生物結(jié)皮的優(yōu)勢蘚類植物的葉片頂端具有白色芒尖，能夠反射強光和紫外線，避免植株體受到高溫灼燒的傷害?？蒲腥藛T說這種苔蘚植物“自帶防曬霜”。

這種白色芒尖還具有從空氣中“捕獲”水分子的能力。就是說，荒漠中的蘚類植物吸水不用“根”，而是通過它的芒尖“自上而下”吸水?？蒲腥藛T通過儀器，在不同尺度下觀察芒尖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當尺度縮小到微米和納米級時，從生物力學(xué)的角度看，芒尖里有很多在納米尺度修飾過的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)表面有很多運河式的溝槽，這些微米級的結(jié)構(gòu)非常有利于植物發(fā)揮表面毛細管作用，利于水滴向下運輸。經(jīng)過計算得知，這些結(jié)構(gòu)是水分子在物體表面形成水膜的最佳配置。

中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的科學(xué)家和美國同行一道，將這一研究成果發(fā)表在英國《自然》雜志的子刊《自然·植物》雜志上。美國《科學(xué)》雜志也對該項研究進行了報道。該雜志的評論說，如果人類可以利用這種非常神奇的、精致的自然結(jié)構(gòu)，人為制造“水分收集器”，并將其放到沙漠里，是不是就能幫助在沙漠中生活的人收集水分呢？或許該項研究的成果在未來人類探索火星時也會得到應(yīng)用。

荒漠蘚類之所以能在惡劣的沙漠生態(tài)環(huán)境中生存，還因為它們小小的植物體內(nèi)包含了很多寶貴的抗逆基因資源，使其具有抗旱、抗寒、耐高溫和耐貧瘠等抗逆特性。它們還具有“開關(guān)”基因，在失水和復(fù)水等過程中起著關(guān)鍵作用。它們的很多優(yōu)良基因還能夠提高煙草、擬南芥和棉花的抗旱、耐鹽以及抗病害等特性，因此它們在改良農(nóng)作物方面也具有廣泛的應(yīng)用潛力。

如今的沙漠患上“皮膚病”的可能性也并不小?！捌つw病”主要來自于人類的干擾，包括過度放牧、石油開采、大型水利工程的修建以及車輛的機械碾壓等。這些都會導(dǎo)致沙漠“皮膚”變得斑駁，“皮膚病”久治不愈，便難以恢復(fù)如初。失去沙漠“皮膚”的保護，沙漠就會不穩(wěn)定，缺乏營養(yǎng)和調(diào)節(jié)。所以，人類要加強對沙漠“皮膚”的保護。

（作者系中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所所長、研究員）

（摘自《環(huán)球》2021年第15期）