论文部分内容阅读
荒漠化是世界面临的一个重大生态-环境问题，我国是受荒漠化危害最为严重的国家之一。伴随着荒漠化威胁的日益加重，人们对在防风固沙、防止土壤侵蚀、改善土壤养分以及在荒漠化生态修复中的具有先锋拓殖作用的生物结皮越来越重视，并成为当今荒漠地区生态研究的热点之一。本实验室首创荒漠藻人工生物结皮技术以来，在内蒙古库布齐沙漠边缘，通过人工接种结皮优势蓝藻具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻，能够在短时间内快速形成人工生物结皮，取得了良好的固沙效果。本论文以内蒙古库布其荒漠东缘的达拉特旗为研究位点，研究了2002～2008年人工生物结皮的分布状况、演替过程及机理、生理生态学特性和生态功能，以及人工生物结皮区高等植被和原生动物分布状况，并探讨了高温对人工生物结皮形成的影响。研究结果如下：
人工生物结皮经过1～7年的发育演替，呈现出不同的状态。随着接种时间的延长，人工生物结皮颜色逐渐变深变暗，由浅灰色→深灰色→灰黑色→黑色→黑绿色→绿色变化。南坡几乎没有藓类结皮出现，而4年的北坡和丘间地就出现了少量的藓类结皮。随着发育时间的延长，人工生物结皮的厚度、盖度、含水量、叶绿素α、伪枝藻素和胞外多糖的含量逐渐增加。将生物结皮的发育水平(LOD)与叶绿素α等指标综合评判，将各接种年份人工生物结皮进行聚类分析，发现人工生物结皮的演替可划分为5个阶段，这5各阶段的结皮颜色主要是按照浅灰色→深灰色和灰黑色→黑色→黑色和黑绿色→黑绿色和绿色过程进行。
接种人工生物结皮后，流沙表面逐渐稳定下来，水分和营养状况也逐渐改善，为高等植物的生长提供了有利的条件。在对人工生物结皮区进行系统全面的调查之后，发现了42种高等植物，分属于31属，10科。随着人工生物结皮发育演替时间的增加，高等植被的种类、数量、盖度、生物量、物种多样性和均匀度也逐渐增加。在人工结皮区，高等植被群落的演替沿着油蒿→沙蓬→猪毛蒿→羊草群落的顺序进行。
通过在流沙表面接种荒漠藻类，形成人工生物结皮后，结皮中的藻类和其它生物不断分泌酸性物质，植物的残体分解也产生腐殖酸，而使土壤pH值降低。人工生物结皮中HCO3-和CO32-两种离子的含量随着结皮的发育演替逐渐降低，而Cl-和SO42-含量变化没有明显的规律。在人工生物结皮发育演替过程中，土壤中的水解氮、总氮、速效磷、总磷和有机质的含量逐渐增加。与流沙相比，接种人工生物结皮后，碱性磷酸酶、脲酶、蛋白酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶的活性均表现出显著的增加，且随着人工结皮的发育演替，土壤酶的活性逐渐增加。通过相关性分析发现，6种土壤酶的活性都与结皮中有机质呈极显著相关(P<0.01)，各种酶活性与结皮中水解氮、总氮、速效磷、总磷含量之间都显著相关(P<0.05)。
根据笔者对人工生物结皮演替阶段的划分，研究了处于5个典型阶段人工生物结皮的生理生态学特性。发育后期的人工结皮中藻类种类多样性增加，各种藻在结皮中分布的位置不同。在所涉及的几个演替类型中，第5阶段人工生物结皮的叶绿素α含量、胞外多糖和总糖含量最高，第3阶段中人工生物结皮的伪枝藻素含量最高。随着演替程度的进行，人工生物结皮光化学效率和固碳率呈现依次增大的趋势。人工生物结皮影响荒漠地表的蒸散作用，结皮湿润后，第3阶段人工生物结皮的日蒸散量显著高于第1阶段、第4阶段和第5阶段(P<0.05)。第5阶段人工生物结皮的初渗速率和稳渗速率最大，显著高于第2、3、4阶段的结皮(P<0.05)。超微结构表明，人工结皮中藻丝体出现大量增殖，且随演替程度不同，在藻丝体的形态特征、数量分布、密集程度及与沙粒的胶结状态方面都存在明显的差异性。
经过人工生物结皮固定的荒漠渐次形成高等植物群落。沙柳-羊草群落人工生物结皮土样的含水量、速效磷、总磷、水解氮和有机质含量略高于猪毛蒿群落。人工生物结皮中绿藻和硅藻的生物量随演替阶段逐渐增加，而蓝藻的生物量呈现先增加后减少的趋势。细菌和真菌在不同演替阶段的人工生物结皮中生物量均呈现递增的趋势，各阶段沙柳-羊草群落人工生物结皮土样的细菌和原生动物的生物量都高于猪毛蒿群落。在人工生物结皮中共发现原生动物25种，其中纤毛虫14种，鞭毛虫4种，肉足虫7种。随着人工生物结皮的发育演替，原生动物的生物量和多样性逐渐增加。原生动物的生物量与含水量、速效磷、总磷、水解氮、有机质含量均呈极显著的正相关，与细菌、真菌、绿藻、硅藻和藻类总的生物量也呈极显著的正相关。
高温是影响人工生物结皮中藻类生存的重要环境因子。在实验室培养条件下，以生物结皮形成和发育中的重要优势种爪哇伪枝藻(Scytonema javanicumBorn et Flah)为材料，研究高温胁迫对伪枝藻生理生化特性和细胞结构的影响。设置了25℃(对照)、35℃、40℃和45℃温度处理，测定了短期(6h)和长期(15d)高温条件下，S.javanicum的光合活性、光合色素、多糖含量和丙二醛含量以及细胞超微结构的变化。结果表明，S.javanicum最大光化学量子产量Fv/Fm和PSII有效光化学量子产量ΦPSII在35℃下表现出最大值。而短暂的45℃处理(6h)下，藻细胞在2h后即检测不到光合活性。40℃高温明显抑制藻体叶绿素α合成，35℃处理促进了叶绿素α合成(高于对照值)，而40℃处理明显促进了藻体类胡萝卜素合成，高于对照处理和35℃处理。随温度升高，S.javanicum丙二醛、胞内可溶性糖和胞外多糖含量呈现出逐渐增大的趋势。透射电镜切片显示，40℃高温明显破坏了藻体细胞超微结构，如原生质体出现絮状形态和空泡化，35℃处理则有利于细胞形态结构的保持和稳定。以上结果初步证实了S.javanicum能够较好地耐受适当的高温。