湿润状态下的苔藓结皮，植株个体约为3~8毫
沙漠“皮肤”像人类皮肤一样呼吸、排泄、生产，维护着荒漠生态系统的稳定。
张元明
提到沙漠，人们脑海中往往会浮现浩瀚无垠的沙海，那里黄沙漫天、寸草不生，是“死亡之海”。比如中国最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠，面积达33万平方千米，是世界第二大流动性沙漠。据科研人员测算，那里低矮的沙丘每年可移动约20米。
而分布于新疆北部准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠，却呈现与塔克拉玛干沙漠不同的景象。它的面积约4.88万平方千米，其中有97%为固定和半固定沙丘，是中国面积最大的固定、半固定沙漠。
科学家发现，在古尔班通古特沙漠，有一层其貌不扬的保护层贴近沙漠地表。这一保护层具有类似皮肤的结构和功能，科学家称其为沙漠“皮肤”。
沙漠“皮肤”是什么样子的？它能像皮肤一样保护着沙漠吗？
沙漠地表的生物结皮
古尔班通古特沙漠降水相对较多，年均降水量在70~150毫米之间，且冬季有长达4个月的积雪覆盖期，最大积雪深度可达20厘米。对于水分为主要限制性因子的荒漠生态系统来说，早春积雪融水可为荒漠植物的生长发育提供有利的水分条件。
在与恶劣环境的长期斗争中，有一类植物为了生存下去，会快速利用积雪融水。它们“锻炼”出了在短时间内完成从种子萌发到幼苗生长再到开花结果整个生活史周期的神奇本领。这类植物，科学家称之为短命或类短命植物，有时也称之为早春短命植物。它们使得古尔班通古特沙漠在春季显得生机盎然。
除固沙植被外，还有一个薄层覆盖着沙漠。为了弄清楚它的结构，科研人员将这种薄层从野外带回实验室观察，结果发现薄层内大有乾坤。在电子显微镜下放大2000倍后，科研人员看到薄层中缠绕着很多绳索状的东西，维持着某种结构。继续放大后观察发现，绳索状的东西缠绕着一颗又一颗沙粒，最终将大量沙粒连接起来，形成一个整体，成为沙漠“皮肤”。
沙漠“皮肤”厚度介于1毫米到5厘米之间，这薄薄的一层“皮肤”里物种非常丰富。既有单细胞生物，也有多细胞生物；既有丝状的，也有团状的。它们聚集在一起成为一个“大家庭”，共同生长于沙漠地表。
沙漠“皮肤”是由微生物、藻类、地衣和苔藓等孢子植物类群与土壤颗粒形成的有机复合体，即生物土壤结皮（以下简称生物结皮）。根据不同发育阶段所具有的优势生物组分（即混合物中的各成分）的差异，可将生物结皮划分为微生物结皮、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮四类。
和人类皮肤一样，它有两个最大的特点，即有保护作用和生物活性。它像人类皮肤一样呼吸、排泄、生产，维护着荒漠生态系统的稳定。
分布广，作用大
作为干旱区重要的地表覆被类型之一，沙漠“皮肤”广泛分布于全球干旱、半干旱地区，约占全球陆地表面的12%，在部分干旱区甚至可达70%。它具有分布广、物种丰富、类型多样等特点，对维持荒漠地表的稳定性、调节养分循环以及保护维管植物（指具有维管组织的植物）的多样性有着重要作用。
研究发现，组成生物结皮的细菌能够分泌出一种胞外多糖，从而起到黏结沙粒的作用，真菌和放线菌的菌丝体也会协助捆绑沙粒。藻结皮中的一些丝状藻类能分泌出黏性更强的多糖，使沙粒进一步被胶结和捆绑在一起，地表稳定性显著增加。而处于演替阶段后期的地衣和苔藓结皮，具有比藻结皮更强的固沙能力。
通过开展风洞对比试验，研究人员发现，当地表有生物结皮覆盖时，哪怕是10级以上的大风，地表都不易起沙。然而，当地表受到人类活动扰动，即使很小的风都能吹起沙粒。由此可见，沙漠“皮肤”可以大幅度提高沙漠地表的起动风速。
一系列模拟实验证明，放牧等人类活动对生物结皮的破损不宜超过30%，尤其是在春、夏季的起沙频繁期。
沙漠是贫瘠的。尽管如此，生长在沙漠中的生物结皮，无论是单细胞的藻类，还是有根茎叶分化的苔藓植物，都有一个共同的特点——绿色。绿色，意味着植物体能够进行光合作用，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气。也就是说，它们能进行碳的固定。全球尺度生物结皮年总固碳量可达0.6Pg（1Pg=1015g），相当于全球1%的陆地生态系统净生产力。
为了养活自己，除进行光合作用外，这些微小生物还有一个特别重要的功能——固氮。氮是植物生长的必需元素之一。虽然大气成分的约78%都是氮气，但这些氮气并不能直接为植物所用。只有将其固定下来，转化成可供利用的化合物，才能为植物利用。全球生物结皮年固氮量可达26Tg（1Tg=1012g），约占全球孢子植物固氮量的一半，以及陆地生态系统生物总固氮量的四分之一。整个古尔班通古特沙漠地表的生物结皮，每年可固定约4500吨氮素。科学家把这些微小生物称为“天然绿肥”，它们对于浅根系植物的生长发育非常重要。
由此可见，生物结皮是干旱区的主要生产者之一，也是干旱区碳、氮和磷等主要营养元素循环的载体，对于干旱区土壤养分的增加和维持具有重要作用。
此外，维管植物的种子只有通过特殊的筛选，才能在生物结皮上顺利萌发。例如，古尔班通古特沙漠有一种常见的草本植物，叫做尖喙牻牛儿苗，它的种子带有羽毛状的芒，就像一支飞镖，在风力作用下很容易钻进生物结皮的缝隙中。种子上还带有倒钩，即使羽毛状的芒端折断，种子仍然能够留在结皮中萌发生长。因此，尖喙牻牛儿苗是生物结皮上最常见的植物。大多数研究认为，在干旱、半干旱区，生物结皮对不同种的维管植物影响不同，对同种植物不同生活史阶段的影响也不同。
神奇“皮肤”也生病
沙漠“皮肤”最神奇之处在于它会“变色”。这是因为组成生物结皮的藓类植物是一种对外界水分变化十分敏感的生物。由于沙漠长期干旱少雨，在生存条件极其恶劣的情况下，藓类植物往往处于休眠状态，呈黑褐色。而一旦有可利用的水分，它们就会迅速吸水，呈现绿色。科研人员用视频记录了荒漠藓类吸水前后的状态变化，发现其展叶变色的过程只需短短的几秒钟。另外，有研究表明，荒漠藓类植物在失水率高达98%时也不会因缺水而死亡。因此，科学家用“干而不死，死而复生”这8个字形象地描述荒漠藓类的神奇之处。
沙漠不仅有高温，还有强光辐射。沙漠里的植物是如何应对这样恶劣的环境的呢？科研人员发现，组成生物结皮的优势藓类植物的叶片顶端具有白色芒尖，能够反射强光和紫外线，避免植株体受到高温灼烧的伤害。科研人员说这种苔藓植物“自带防晒霜”。
这种白色芒尖还具有从空气中“捕获”水分子的能力。就是说，荒漠中的藓类植物吸水不用“根”，而是通过它的芒尖“自上而下”吸水。科研人员通过仪器，在不同尺度下观察芒尖结构，发现当尺度缩小到微米和纳米级时，从生物力学的角度看，芒尖里有很多在纳米尺度修饰过的结构。研究发现，这种结构表面有很多运河式的沟槽，这些微米级的结构非常有利于植物发挥表面毛细管作用，利于水滴向下运输。经过计算得知，这些结构是水分子在物体表面形成水膜的最佳配置。
中国科学院新疆生态与地理研究所的科学家和美国同行一道，将这一研究成果发表在英国《自然》杂志的子刊《自然·植物》杂志上。美国《科学》杂志也对该项研究进行了报道。该杂志的评论说，如果人类可以利用这种非常神奇的、精致的自然结构，人为制造“水分收集器”，并将其放到沙漠里，是不是就能帮助在沙漠中生活的人收集水分呢？或许该项研究的成果在未来人类探索火星时也会得到应用。
荒漠藓类之所以能在恶劣的沙漠生态环境中生存，还因为它们小小的植物体内包含了很多宝贵的抗逆基因资源，使其具有抗旱、抗寒、耐高温和耐贫瘠等抗逆特性。它们还具有“开关”基因，在失水和复水等过程中起着关键作用。它们的很多优良基因还能够提高烟草、拟南芥和棉花的抗旱、耐盐以及抗病害等特性，因此它们在改良农作物方面也具有广泛的应用潜力。
如今的沙漠患上“皮肤病”的可能性也并不小。“皮肤病”主要来自于人类的干扰，包括过度放牧、石油开采、大型水利工程的修建以及车辆的机械碾压等。这些都会导致沙漠“皮肤”变得斑驳，“皮肤病”久治不愈，便难以恢复如初。失去沙漠“皮肤”的保护，沙漠就会不稳定，缺乏营养和调节。所以，人类要加强对沙漠“皮肤”的保护。
（作者系中国科学院新疆生态与地理研究所所长、研究员）
来源：2021年7月28日出版的《环球》杂志 第15期
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