濕潤狀態下的苔蘚結皮，植株個體約為3~8毫

    沙漠“皮膚”像人類皮膚一樣呼吸、排泄、生産，維護著荒漠生態係統的穩定。

張元明

　　提到沙漠，人們腦海中往往會浮現浩瀚無垠的沙海，那裏黃沙漫天、寸草不生，是“死亡之海”。比如中國最大的沙漠——塔克拉瑪幹沙漠，面積達33萬平方千米，是世界第二大流動性沙漠。據科研人員測算，那裏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，卻呈現與塔克拉瑪幹沙漠不同的景象。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。

　　科學家發現，在古爾班通古特沙漠，有一層其貌不揚的保護層貼近沙漠地表。這一保護層具有類似皮膚的結構和功能，科學家稱其為沙漠“皮膚”。

　　沙漠“皮膚”是什麼樣子的？它能像皮膚一樣保護著沙漠嗎？

沙漠地表的生物結皮

　　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釐米。對于水分為主要限制性因子的荒漠生態係統來説，早春積雪融水可為荒漠植物的生長發育提供有利的水分條件。

　　在與惡劣環境的長期鬥爭中，有一類植物為了生存下去，會快速利用積雪融水。它們“鍛煉”出了在短時間內完成從種子萌發到幼苗生長再到開花結果整個生活史周期的神奇本領。這類植物，科學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。為了弄清楚它的結構，科研人員將這種薄層從野外帶回實驗室觀察，結果發現薄層內大有乾坤。在電子顯微鏡下放大2000倍後，科研人員看到薄層中纏繞著很多繩索狀的東西，維持著某種結構。繼續放大後觀察發現，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釐米之間，這薄薄的一層“皮膚”裏物種非常豐富。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合體，即生物土壤結皮（以下簡稱生物結皮）。根據不同發育階段所具有的優勢生物組分（即混合物中的各成分）的差異，可將生物結皮劃分為微生物結皮、藻結皮、地衣結皮和苔蘚結皮四類。

　　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、生産，維護著荒漠生態係統的穩定。

分布廣，作用大

　　作為幹旱區重要的地表覆被類型之一，沙漠“皮膚”廣泛分布于全球幹旱、半幹旱地區，約佔全球陸地表面的12%，在部分幹旱區甚至可達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定性、調節養分迴圈以及保護維管植物（指具有維管組織的植物）的多樣性有著重要作用。

　　研究發現，組成生物結皮的細菌能夠分泌出一種胞外多糖，從而起到黏結沙粒的作用，真菌和放線菌的菌絲體也會協助捆綁沙粒。藻結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和捆綁在一起，地表穩定性顯著增加。而處于演替階段後期的地衣和苔蘚結皮，具有比藻結皮更強的固沙能力。

　　通過開展風洞對比試驗，研究人員發現，當地表有生物結皮覆蓋時，哪怕是10級以上的大風，地表都不易起沙。然而，當地表受到人類活動擾動，即使很小的風都能吹起沙粒。由此可見，沙漠“皮膚”可以大幅度提高沙漠地表的起動風速。

　　一係列模擬實驗證明，放牧等人類活動對生物結皮的破損不宜超過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，將二氧化碳和水轉化為有機物，並釋放出氧氣。也就是説，它們能進行碳的固定。全球尺度生物結皮年總固碳量可達0.6Pg（1Pg=1015g），相當于全球1%的陸地生態係統凈生産力。

　　為了養活自己，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，但這些氮氣並不能直接為植物所用。只有將其固定下來，轉化成可供利用的化合物，才能為植物利用。全球生物結皮年固氮量可達26Tg（1Tg=1012g），約佔全球孢子植物固氮量的一半，以及陸地生態係統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皮，每年可固定約4500噸氮素。科學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育非常重要。

　　由此可見，生物結皮是幹旱區的主要生産者之一，也是幹旱區碳、氮和磷等主要營養元素迴圈的載體，對于幹旱區土壤養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，才能在生物結皮上順利萌發。例如，古爾班通古特沙漠有一種常見的草本植物，叫做尖喙牻牛兒苗，它的種子帶有羽毛狀的芒，就像一支飛鏢，在風力作用下很容易鑽進生物結皮的縫隙中。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皮中萌發生長。因此，尖喙牻牛兒苗是生物結皮上最常見的植物。大多數研究認為，在幹旱、半幹旱區，生物結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。由于沙漠長期幹旱少雨，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，呈黑褐色。而一旦有可利用的水分，它們就會迅速吸水，呈現綠色。科研人員用視頻記錄了荒漠蘚類吸水前後的狀態變化，發現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，科學家用“幹而不死，死而復生”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。沙漠裏的植物是如何應對這樣惡劣的環境的呢？科研人員發現，組成生物結皮的優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。科研人員説這種苔蘚植物“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。就是説，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。科研人員通過儀器，在不同尺度下觀察芒尖結構，發現當尺度縮小到微米和奈米級時，從生物力學的角度看，芒尖裏有很多在奈米尺度修飾過的結構。研究發現，這種結構表面有很多運河式的溝槽，這些微米級的結構非常有利于植物發揮表面毛細管作用，利于水滴向下運輸。經過計算得知，這些結構是水分子在物體表面形成水膜的最佳配置。

　　中國科學院新疆生態與地理研究所的科學家和美國同行一道，將這一研究成果發表在英國《自然》雜志的子刊《自然·植物》雜志上。美國《科學》雜志也對該項研究進行了報道。該雜志的評論説，如果人類可以利用這種非常神奇的、精致的自然結構，人為制造“水分收集器”，並將其放到沙漠裏，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用。

　　荒漠蘚類之所以能在惡劣的沙漠生態環境中生存，還因為它們小小的植物體內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”基因，在失水和復水等過程中起著關鍵作用。它們的很多優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，因此它們在改良農作物方面也具有廣泛的應用潛力。

　　如今的沙漠患上“皮膚病”的可能性也並不小。“皮膚病”主要來自于人類的幹擾，包括過度放牧、石油開採、大型水利工程的修建以及車輛的機械碾壓等。這些都會導致沙漠“皮膚”變得斑駁，“皮膚病”久治不愈，便難以恢復如初。失去沙漠“皮膚”的保護，沙漠就會不穩定，缺乏營養和調節。所以，人類要加強對沙漠“皮膚”的保護。

　　（作者係中國科學院新疆生態與地理研究所所長、研究員）

來源：2021年7月28日出版的《環球》雜志 第15期

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