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提到沙漠，人們腦海中往往會(huì)浮現(xiàn)浩瀚無(wú)垠的沙海，那里黃沙漫天、寸草不生，是“死亡之?！薄１热缰袊?guó)最大的沙漠——塔克拉瑪干沙漠，面積達(dá)33萬(wàn)平方千米，是世界第二大流動(dòng)性沙漠。據(jù)科研人員測(cè)算，那里低矮的沙丘每年可移動(dòng)約20米。

而分布于新疆北部準(zhǔn)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(wàn)平方千米，其中有97%為固定和半固定沙丘，是中國(guó)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(yáng)的保護(hù)層，這一保護(hù)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(hù)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(duì)較多，年均降水量在70～150毫米之間，且冬季有長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的積雪覆蓋期，最大積雪深度可達(dá)20厘米。對(duì)于水分為主要限制性因子的荒漠生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，早春積雪融水可為荒漠植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供有利的水分條件。

在與惡劣環(huán)境的長(zhǎng)期斗爭(zhēng)中，有一類植物為了生存下去，會(huì)快速利用積雪融水。它們“鍛煉”出了在短時(shí)間內(nèi)完成從種子萌發(fā)到幼苗生長(zhǎng)再到開花結(jié)果整個(gè)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(shí)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(jī)盎然。

除固沙植被外，還有一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(lái)，形成一個(gè)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(xì)胞生物，也有多細(xì)胞生物;既有絲狀的，也有團(tuán)狀的。它們聚集在一起成為一個(gè)“大家庭”，共同生長(zhǎng)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(jī)復(fù)合體，即生物土壤結(jié)皮（以下簡(jiǎn)稱生物結(jié)皮）。根據(jù)不同發(fā)育階段所具有的優(yōu)勢(shì)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(gè)最大的特點(diǎn)，即有保護(hù)作用和生物活性。它像人類皮膚一樣呼吸、排泄、生產(chǎn)，維護(hù)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(dá)70%。它具有分布廣、物種豐富、類型多樣等特點(diǎn)，對(duì)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(hù)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(xì)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(huì)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(qiáng)的多糖，使沙粒進(jìn)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(qiáng)的固沙能力。

通過(guò)開展風(fēng)洞對(duì)比試驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)乇碛猩锝Y(jié)皮覆蓋時(shí)，哪怕是10級(jí)以上的大風(fēng)，地表都不易起沙。然而，當(dāng)?shù)乇硎艿饺祟惢顒?dòng)擾動(dòng)，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(dòng)風(fēng)速。

一系列模擬實(shí)驗(yàn)證明，放牧等人類活動(dòng)對(duì)生物結(jié)皮的破損不宜超過(guò)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(zhǎng)在沙漠中的生物結(jié)皮，無(wú)論是單細(xì)胞的藻類，還是有根莖葉分化的苔蘚植物，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——綠色。綠色，意味著植物體能夠進(jìn)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(jī)物，并釋放出氧氣。也就是說(shuō)，它們能進(jìn)行碳的固定。全球尺度生物結(jié)皮年總固碳量可達(dá)0.6Pg（1Pg=1015g），相當(dāng)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(jìn)行光合作用外，這些微小生物還有一個(gè)特別重要的功能——固氮。氮是植物生長(zhǎng)的必需元素之一。雖然大氣成分的約78%都是氮?dú)?，但這些氮?dú)獠⒉荒苤苯訛橹参锼?。只有將其固定下?lái)，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(dá)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(gè)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?？茖W(xué)家把這些微小生物稱為“天然綠肥”，它們對(duì)于淺根系植物的生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)的載體，對(duì)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(guò)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?fàn)脚好纾姆N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(jìn)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(zhǎng)。因此，尖喙?fàn)脚好缡巧锝Y(jié)皮上最常見的植物。大多數(shù)研究認(rèn)為，在干旱、半干旱區(qū)，生物結(jié)皮對(duì)不同種的維管植物影響不同，對(duì)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(huì)“變色”。這是因?yàn)榻M成生物結(jié)皮的蘚類植物是一種對(duì)外界水分變化十分敏感的生物。由于沙漠長(zhǎng)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(huì)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(guò)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(dá)98%時(shí)也不會(huì)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(gè)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(qiáng)光輻射。沙漠里的植物是如何應(yīng)對(duì)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(shì)蘚類植物的葉片頂端具有白色芒尖，能夠反射強(qiáng)光和紫外線，避免植株體受到高溫灼燒的傷害。科研人員說(shuō)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(shuō)，荒漠中的蘚類植物吸水不用“根”，而是通過(guò)它的芒尖“自上而下”吸水?？蒲腥藛T通過(guò)儀器，在不同尺度下觀察芒尖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)尺度縮小到微米和納米級(jí)時(shí)，從生物力學(xué)的角度看，芒尖里有很多在納米尺度修飾過(guò)的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)表面有很多運(yùn)河式的溝槽，這些微米級(jí)的結(jié)構(gòu)非常有利于植物發(fā)揮表面毛細(xì)管作用，利于水滴向下運(yùn)輸。經(jīng)過(guò)計(jì)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(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所的科學(xué)家和美國(guó)同行一道，將這一研究成果發(fā)表在英國(guó)《自然》雜志的子刊《自然·植物》雜志上。美國(guó)《科學(xué)》雜志也對(duì)該項(xiàng)研究進(jìn)行了報(bào)道。該雜志的評(píng)論說(shuō)，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(xiàng)研究的成果在未來(lái)人類探索火星時(shí)也會(huì)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?yàn)樗鼈冃⌒〉闹参矬w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(guò)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?cè)诟牧嫁r(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(lái)自于人類的干擾，包括過(guò)度放牧、石油開采、大型水利工程的修建以及車輛的機(jī)械碾壓等。這些都會(huì)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(hù)，沙漠就會(huì)不穩(wěn)定，缺乏營(yíng)養(yǎng)和調(diào)節(jié)。所以，人類要加強(qiáng)對(duì)沙漠“皮膚”的保護(hù)。

（作者系中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所所長(zhǎng)、研究員）

（摘自《環(huán)球》2021年第15期）