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1、藻类固沙技术,藻类学专题 4,世界荒漠化,地球表面的土地有41%是干地，有21亿人口(约占世界总人口的40%)居住在沙漠或者旱地中； 目前有10%到20%的干地已经荒漠化或失去了生产力； 每年消失的土地可生产2000万吨的粮食，威胁着大约100个国家的10亿多人的生活;每年由于土地沙漠化和土地退化造成的经济损失达到420亿美元。,荒漠化（Desertification ） 是指气候异常和人类活动等因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。 “干旱区、半干旱区和亚湿润干旱地区”是指年降雪量与潜在蒸发散量之比在 0.050.65之间的地区，不包括极区与亚极区。 “土地退化”是指由于一种作用
2、或数种作用结合导致的干旱区、半干旱区和亚湿润干旱地区雨浇地、水浇地 或草原、牧场和林地的生物或经济生产力的降低或丧失。,世界荒漠化,世界荒漠化 非洲萨赫勒地区,1949年，法国植物学家A. Aubreville在研究了非洲Sahel地区环境从热带雨林演变为沙漠的过程中，第一次使用了“Desertification”一词。 20世纪60年代到90年代， Sahel地区干旱持续了三十多年之久，为二十世纪持续最长的干旱； 直接促使了联合国1977年世界荒漠化大会的召开；,5,世界荒漠化,1995年6月17日被定为“世界防治荒漠化和干旱日” 联合国大会确定2006 年为世界荒漠年 （Internati
3、onal Year of Deserts and Desertification, 2006 ） 2007年，联合国启动2010-2020年“沙漠及荒漠化防治十年“计划,世界荒漠化 美国“大沙碗”,,“无论是出于气候变化、不可持续的农业耕种方法、还是对水资源的不合理利用，都会导致持续的干地退化并进而威胁到全球的粮食供给。因此，在我们启动这个十年计划之际，让我们立下誓言，尽我们的努力来保护全球的土地，从而让我们得以实现我们的千年发展目标并保证人类的生存。 - “联合国秘书长潘基文在针对“沙漠及荒漠化防治十年“计划启动发表的声明,世界荒漠化,沙漠生态与沙漠化治理的尝试,美国应对 “大沙碗” 从“罗
4、斯福造林工程”到“农场法案”退耕还草； 前苏联 “伟大的斯大林改造大自然计划” 非洲干地实施促进再植树的项目：重新绿化非洲行动计划（African Re-Greening Initiatives）； 我国 “三北”防护林体系,9,世界荒漠化- 全球性危机,2009年9月23日，沙尘暴穿过悉尼的布拉德菲尔德（Bradfield）高速公路,Brendon Thorne/盖蒂,中国的荒漠化,我国荒漠化土地面积高达267.4万平方公里，占国土面积的27.9%,中国上受荒漠化影响最严重的国家之一,11,中国的两大沙漠,http:/ 面积将超撒哈拉大沙漠,沙漠化的研究领域,环境背景 沙漠化物理过程 （风沙
5、物理学） 沙漠化生物过程 （沙漠生态学） 动态监测与评估 沙漠化防治,沙漠治理的手段,人工造林 生物沙障固沙 机械固沙 围栏封育 藻类结皮固沙,中国的荒漠治理研究,20世纪50年代，樟子松引种和农田防护林网建设 包兰铁路自银川至兰州沙坡头段固沙实践 目前采用： “乔、灌、草”结合防风固沙生态体系,15,青海柴达木尼龙网栅栏固沙,宁夏中卫沙坡头的草方格固沙,中国的荒漠治理研究,中国的荒漠治理研究,沙坡头植物固沙防护体系确保了包兰铁路近50年的畅通无阻， 解决了降水小于200mm的干旱沙漠地区植被建设的关键技术,沙漠防治存在的问题,北方沙漠化速率:50年代1 560 km2; 70年代到80年代2
6、 100km2;80年代后期到2000年3 600km2; 每年荒漠增加的面积相当于一个国家大县； 西北和内蒙沙漠地区已成为中国乃至亚太地区沙尘暴的主要灾源区之一。,沙漠防治存在的问题,年降雨量200mm以下的地区，维管植物难以存活； 化学固沙存在固定剂老化，二次污染及土地无法再利用的问题； 机械固沙工程繁重，寿命短； “京津风沙源”形成于近二十年，为“三北防护林”启动之后； 植树造林和种草难以达到治理目标,为什么是生物结皮？,北京-兰州铁路-草方格种植灌木方案的失败； 两大沙漠的比较： 古尔班通古特沙漠40%-60% 表面覆盖生物结皮； 20世纪80年代以来，伴随着沙漠化威胁的日益加重，生物
7、结皮在荒漠生态系统中的作用愈发突出。,什么是生物土壤结皮？,生物土壤结皮（desert soil crust）为高度特化的有机群落，由蓝藻，绿藻，地衣，苔藓和微生物组成。 藻类结皮 地衣结皮 苔藓结皮 丝状蓝藻和真菌菌丝，苔藓植物的假根共同在结皮中起到固定作用 藻类同时还分泌胞外聚合物以粘结沙粒,结皮的生态功能,占据地球表面 5%-15% 面积； 最接近细沙的防护网，能束缚沙粒流动，维持沙面稳定； 促进物质循环，改变降水分布格局； 促进群落演替 （藻类，地衣，苔藓，维管植物）； 固氮肥壤，增加养分含量，,生物结皮的演替过程,微生物结皮 2-3 毫米,藻类和地衣结皮 20-30毫米,苔藓结皮 8
8、0-100 毫米,关键步骤,生物结皮的演替过程,前藻结皮阶段，该阶段，土壤微生物首先定居于地表，细菌能够分泌出胞外多糖黏结沙粒，真菌和放线菌的菌丝体能够从旁协助来捆绑沙粒，土壤理化性质改善和有机质的积累促进了藻结皮的形成； 藻结皮阶段。该阶段丝状藻类能够分泌黏性更强的多糖，其藻丝体的韧性也更强，这样，沙粒进一步被胶结和捆绑在一起，地表稳定性显著增加； 地衣和苔藓结皮阶段。此时，开始出现地衣和苔藓植物，假根能够有效地深入土壤下层，使得该阶段的结皮具备更强的抗风蚀、水蚀能力。,生物结皮的种类分布,(Bhatnagar and Bhatnagar 2005),结皮的构造,结皮厚度可达 10 cm，
9、颜色，形态各异。 如图所示，美国科罗拉多大峡谷和科罗拉多高原上的结皮颜色均比周围土壤深。,丝状蓝藻的鞘体延伸和受水膨胀的特性使土壤蓬松，造成结皮高于地面的现象,（Pocs 2009）,藻类结皮形成机制,胞外聚合物吸附截留降尘,酸解 原生矿物质降解成粘土矿物质,选择性的运动,羧基类负电荷基团与基质中 的金属离子静电结合,对着矿物颗粒生长 穿入矿质颗粒,有机、无机质胶结物,沙漠结皮优势藻种,研究地区: 宁夏沙坡头地区和古尔班通古特沙漠 （新疆准噶尔盆地） 古尔班通古特沙漠藻类物种多样性高于沙坡头地区； 藻类包括蓝藻，绿藻，硅藻，裸藻 蓝藻种类最为丰富 丝状蓝藻中的具鞘微鞘藻为优势种类,（胡春香等1
10、999,2003）,（胡春香等2003）,A， B：具鞘微鞘藻Microcoleus vaginatus C：真枝藻的一种 Chlorogloeopsis sp., 从类似念珠藻的野生株系培养得来； D：人工培养后的念珠藻Nostoc ，藻丝变短； E：野生伪枝藻 Scytonema sp. 培养后； F ，G：席藻 Phormidium 和 裂须藻 Schizothrix（Garcia-Pichel et al. 2001）,结皮中的蓝藻,结皮中的具鞘微鞘藻Microcoleus vaginatus B,C,E为放大图像. B,E:藻丝外包含矿石微粒的鞘; C,E箭头显示其异形胞; D显示结
11、皮浸水数天后，从偏绿的部分长出了新的较细藻丝.,结皮中的蓝藻,(http:/www.biology.ed.ac.uk/),结皮中的固氮蓝藻,占荒漠藻类的大部分 具有适应高温，冷冻，干旱，高辐射的机制 产生胞外多糖，形成结皮，分泌有机酸加速矿化，增加土壤营养,（郑云普等。2009）,藻类与苔藓的共生关系,(1)固氮藻类的生长为苔藓植物的生存提供了丰富的氮源和碳源; (2)大面积苔藓植物的出现使土壤表面的持水能力明显增强, 同时使处于下层的藻类避免了强光和紫外线的辐射; (3)苔藓植物的定居从更高层面上增强了荒漠土壤表面的稳定性, 有效减轻了风蚀和水蚀对藻结皮的破坏作用。,需求阈值：连续六个月的降
12、水量不少于17-51 mm 水分包括降水，夜间凝结水，大气中的水汽，土壤含水 如年降雨量维持不变，夏季降雨为主的地区，结皮随降雨频率增加而减少；,水分对藻类结皮生长的影响,（程军回 张元明 2010）,水分对结皮结构的影响,年降雨量 700 mm的地区, 结皮由苔藓，地衣构成； 年降雨量 300-650 mm的地区，苔藓减少，地衣为主； 蒸发散高，藻结皮为主；蒸发散低，地衣和苔藓代替了藻结皮； 土壤含水量也影响结皮种类；,温度对生物结皮的影响,生物结皮对全球变暖的趋势比较敏感； 响应机制因结皮优势种不同而异； 小范围内温度对结皮分布影响不大；,土壤对生物结皮的影响,土壤类型： 粘土上结皮盖度高
13、于沙土； 土壤机械组成： 0.01-0.05 mm细沙为结皮形成和发育的前提条件，结皮的出现也改变了沙粒的组成； 土壤养分和微量元素： C, N, K, Fe, Mg, Na, P, Cl 等均影响结皮的产生和发育。,荒漠藻生物量与多种环境因子的回归关系（以宁夏沙坡头为例）,生物量与降水量、总钾、水解氮、Fe、粗粘粒含量显著正相关 与土壤pH、有机质、Cu、Zn 含量显著负相关 同时还受土壤中Co 含量的影响,（胡春香等 2003）,高等植物对藻类结皮生长的影响,高等植物的生长, 为藻类生长提供荫蔽作用; 同时,对于流沙的固定起着重要作用, 可以减少风力和流水的侵蚀； 某些丝状蓝藻形成的密集网
14、状结构在下雨时会迅速吸水，堵塞土壤孔隙，造成深层的高等植物根部得不到水分而干枯,自然干扰对生物结皮的影响,外来种入侵 入侵种减少生物结皮的潜在分布空间，改变结皮的分布格局; 或与结皮中的藻类产生化学拮抗作用，降低藻类固氮效果。 火烧 火烧的强度决定了结皮的受损程度。结皮恢复时间从3个月到一年或数年不等。,人类干扰对藻类结皮的影响,人为干扰包括放牧，践踏等； 人为因素对沙漠化的贡献率可超过 80%； 人为干扰将生物结皮破坏 30%后，抗风蚀能力大大降低； 生物结皮破坏 80%后，抗风蚀能力等同裸沙；,生物结皮受损后的恢复生长,恢复时间因地而异， 细沙组成的冷沙漠需要数年，干热地区结皮需要一个世纪
15、甚至更长； 藻类结皮的出现是恢复生长的标志 蓝藻结皮需要数年恢复，每年增厚1mm; 地衣和苔藓结皮恢复所需要的时间更长； 散点分布的受损结皮比大面积受损结皮能更快恢复。,保护珍贵的生物结皮,荒漠地区的旅游者应尽量停留在划定区域活动，避免践踏正在形成的结皮。,荒漠生物结皮领域未来研究方向,固氮蓝藻的分离纯化，人工培养，野外接种 人工接种后自然生长过程和规律的研究 在自然条件下的生长过程与植被、温度、湿度的关系 固沙结皮人工接种的应用技术措施的研究 结皮代谢物的组成与分离测定,开展荒漠结皮研究的机构,中科院水生生物研究所 （刘永定、宋立荣，胡春香） 中科院微生物所 （魏江春 “沙漠生物地毯工程”）
16、 中科院新疆生态与地理研究所 （张元明）,利用生物结皮进行荒漠治理的工程化尝试,利用商业化藻种接种 藻种易得，不会对当地结皮造成影响； 藻种多为绿藻，且非本地种； 利用当地结皮中的藻种人工培养后接种 可用于大面积治理，对当地结皮无损害； 需要时间和空间培养藻种，不易得到纯蓝藻藻种； 直接用当地结皮接种 简便经济，但不宜用于大面积治理。,荒漠藻人工藻结皮技术,运用藻类生态、生理学原理和生物结皮理论，分离、选育野生结皮中的优良藻种，经大规模人工培养后返接流沙表面，使其在流沙表面快速形成、发育成具有藻类、细菌、真菌、地衣和苔藓在内的生物结皮，而用以治理沙漠化的一项综合技术。 我科学家通过宁夏沙坡头的野外实验，证明个月的人工藻类结皮相当于自然演替年的强度与抗风蚀效果。,荒漠藻人工结皮综合
