走進(jìn)包蘭鐵路沙坡頭段鐵路防護(hù)體系，映入眼簾的除了固沙灌木和草本植物，還有地表成片分布的灰黑色和綠色的殼狀生物體，這些殼狀生物體的學(xué)名是生物土壤結(jié)皮（Biological Soil Crusts，簡稱BSC）。自20世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙坡頭沙漠研究試驗站建立研發(fā)團(tuán)隊，在我國系統(tǒng)開展了生物土壤結(jié)皮生態(tài)功能的研究。作為團(tuán)隊的首席科學(xué)家、核心成員，我們與研究團(tuán)隊的同事一起，經(jīng)過30余年的不懈努力，成功研發(fā)了生物土壤結(jié)皮高效固沙技術(shù)。這一技術(shù)突破了干旱區(qū)的水分制約，以土壤生境修復(fù)為目標(biāo)，具有建設(shè)周期短、穩(wěn)定性好、固沙效率高、治沙效果好、適用范圍廣、操作簡易等優(yōu)點，是我國防沙治沙的利器，也是目前國內(nèi)外最前沿的固沙和近自然生態(tài)修復(fù)技術(shù)之一。
人工藍(lán)藻結(jié)皮接種體規(guī)?；囵B(yǎng)基地 趙洋攝
生物土壤結(jié)皮是由隱花植物如藍(lán)藻、荒漠綠藻、地衣、蘚類和土壤微生物以及相關(guān)其他生物體通過菌絲體、假根和分泌物等在土壤表層顆粒膠結(jié)形成的十分復(fù)雜的復(fù)合體，是廣泛分布在寒區(qū)和旱區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境中的重要地表覆蓋景觀特征之一，其覆蓋度占到荒漠地表活體覆蓋的40%以上，是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)建者和組成成分。
研究團(tuán)隊首先開展了干旱沙區(qū)生物土壤結(jié)皮的形成機(jī)理、演變規(guī)律及其對環(huán)境干擾的響應(yīng)研究。基于騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)固沙植被和土壤50余年的定位監(jiān)測資料，采用空間替代時間的研究方法，以不同時期設(shè)置沙障固定沙丘表面并種植旱生灌木形成的不同演替階段人工固沙植被區(qū)發(fā)育的生物土壤結(jié)皮為研究對象，通過野外樣地觀測和實驗?zāi)M，評估大氣降塵、土壤穩(wěn)定性及其理化性質(zhì)演變對生物土壤結(jié)皮生物體初期拓殖和形成起到的作用，分析其演替過程中物種組成、蓋度、厚度與區(qū)域氣候、土壤環(huán)境、微地形和常見干擾如風(fēng)蝕和沙埋的耦合關(guān)系。
在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊開展了生物土壤結(jié)皮對沙區(qū)水文過程、碳、氮循環(huán)的影響研究。科研團(tuán)隊采用室內(nèi)模擬和野外觀測的方法，研究生物土壤結(jié)皮在演替和發(fā)育過程中碳固定和碳釋放特性，以及固氮酶活性和氮礦化特征，分析濕潤持續(xù)時間、水分含量、溫度及光照強度對生物土壤結(jié)皮碳固定、碳釋放、固氮酶活性及土壤氮礦化作用的影響，精確評估生物土壤結(jié)皮固碳、固氮潛力及其在沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)中的作用，闡述其對人工植被—土壤系統(tǒng)演替的指示意義。
同時，科研團(tuán)隊還開展了生物土壤結(jié)皮對人工固沙植被區(qū)土壤形成和穩(wěn)定、土壤微生物及酶活性的影響研究。采用空間代替時間的研究方法，在固沙區(qū)研究了生物土壤結(jié)皮增強土壤抵抗侵蝕、改善土壤理化屬性的作用過程，揭示了生物土壤結(jié)皮對固沙區(qū)土壤形成和穩(wěn)定的作用機(jī)制，探討了土壤微生物類群的基本特征和季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律，解釋了生物土壤結(jié)皮中微生物對氮添加的差異響應(yīng)機(jī)理，比較系統(tǒng)地評估了生物土壤結(jié)皮對固沙區(qū)表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和組成、多樣性和功能群演替的驅(qū)動作用。土壤酶參與固沙區(qū)土壤發(fā)生、發(fā)育以及土壤肥力的形成和演化的關(guān)鍵過程，生物土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育可在很大程度上直接或間接地影響土壤酶活性，分析了不同年代建立的固沙植被區(qū)、流動沙丘及鄰近的天然植被區(qū)2類土壤氧化酶及5類水解酶活性，探討了流沙固定過程中生物土壤結(jié)皮拓殖后土壤酶的演替特征和規(guī)律。
緊接著開展了生物土壤結(jié)皮與維管束植物、土壤動物和昆蟲的影響研究?；谝巴忾L期監(jiān)測和對照試驗，科研團(tuán)隊研究了固沙植被建立后不同演替階段BSC的水文物理特征，分析了其對降水入滲、地表蒸發(fā)及凝結(jié)水捕獲等水文過程及沙地土壤-植被系統(tǒng)水分平衡的影響作用及機(jī)理。長期定位監(jiān)測研究了固沙區(qū)維管束植被和生物土壤結(jié)皮的演替過程；以沙坡頭地區(qū)發(fā)育良好的生物土壤結(jié)皮、一年生草本和固沙灌木為研究對象，研究生物土壤結(jié)皮對維管束植物分布、種子庫、幼苗萌發(fā)和生長的影響機(jī)理，以及固沙灌木對生物土壤結(jié)皮蓋度、厚度、分布的調(diào)控作用。從生物土壤結(jié)皮的形成和演變及改變微環(huán)境角度出發(fā)，深入研究了生物土壤結(jié)皮及與其存在和拓殖生長密切相關(guān)的因子同土壤線蟲、螞蟻和昆蟲多樣性之間的關(guān)系。另外，通過采用直接觀察法、糞便分析法和胃內(nèi)容物分析法，分析動物食性，從食物鏈的角度進(jìn)一步探討了生物土壤結(jié)皮與土壤線蟲、螞蟻和昆蟲之間的關(guān)系，為進(jìn)一步客觀認(rèn)知荒漠生態(tài)系統(tǒng)過程的復(fù)雜性以及生態(tài)修復(fù)與管理提供科學(xué)依據(jù)。以上成果獲得了甘肅省自然科學(xué)獎一等獎。
20年的大量系統(tǒng)研究證明了生物土壤結(jié)皮是沙區(qū)地表穩(wěn)定的重要標(biāo)志。然而，在自然條件下，生物土壤結(jié)皮的形成需要10年—20年。那么，能否通過人為干預(yù)加速其形成速率，加快治理和恢復(fù)的進(jìn)程？研究團(tuán)隊經(jīng)過大量反復(fù)研究，從不同沙區(qū)自然生物土壤結(jié)皮中分離、純化、篩選和培養(yǎng)出了7種固沙藍(lán)藻。這些藍(lán)藻均可在降水小于200毫米的干旱沙區(qū)拓殖生長。在此基礎(chǔ)上，針對藍(lán)藻人工培養(yǎng)速度慢、產(chǎn)量低和固沙需求量大之間的矛盾，研發(fā)和制定了適宜人工生物土壤結(jié)皮擴(kuò)繁的基質(zhì)和環(huán)境條件。
如何在野外條件下成功培養(yǎng)出人工結(jié)皮，是人工結(jié)皮固沙技術(shù)必須要突破的“卡脖子”問題。針對干旱、半干旱區(qū)大規(guī)模固沙植被建設(shè)初期地表穩(wěn)定速度緩慢、苗木成活率低的問題，研究團(tuán)隊研發(fā)了“機(jī)械固沙措施+混合藻液噴灑+旱生灌木”的人工藍(lán)藻沙面固定模式。通過人工生物土壤結(jié)皮與草方格機(jī)械沙障相結(jié)合，10—16個月后即可形成穩(wěn)定的固沙層，風(fēng)蝕量減少95%以上；固沙灌木成活率提高了10%—15%，補苗率降低了近40%，降低了固沙成本。研發(fā)的“遮陽網(wǎng)+無紡布+藍(lán)藻藻液+旱生灌木”的人工生物土壤結(jié)皮固沙技術(shù)則顯著縮短了人工生物土壤結(jié)皮實現(xiàn)固沙效果的時間，沙面穩(wěn)定時間顯著縮短至6個月以內(nèi)，解決了沙漠公路邊坡固定周期長的問題。此外，針對沙化土地斑塊分布分散和已治理沙化土地沙面反復(fù)沙化等問題，特別是液態(tài)材料運輸困難和施工不便的區(qū)域，研究團(tuán)隊研發(fā)了“固態(tài)生物土壤結(jié)皮接種體撒播+旱生灌木”的節(jié)水型人工生物土壤結(jié)皮快速地表穩(wěn)定技術(shù)，生物土壤結(jié)皮接種體撒播的方法提高了人工藍(lán)藻和藍(lán)藻-地衣結(jié)皮拓殖速率。以上成果獲得了寧夏回族自治區(qū)科技進(jìn)步獎一等獎。
目前，生物土壤結(jié)皮高效固沙技術(shù)已累計在寧夏境內(nèi)推廣4000余畝，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益，節(jié)約了大量的防沙治沙成本。生物土壤結(jié)皮高效固沙技術(shù)是寧夏黃河“幾字彎”攻堅戰(zhàn)主要推廣的固沙新技術(shù)，該技術(shù)的大范圍推廣和應(yīng)用將實現(xiàn)沙漠化土地治理的加速、提質(zhì)和增效。
