生物结皮优势群落演替的生物学过程及其机理

本项目拟以干旱区的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠，半干旱区的毛乌苏沙地、库布齐沙漠周缘生物结皮为研究范围，通过微景观生态调查与生物、土壤、矿物成分的测试分析，比较研究干旱和半干旱气候条件下固定和半固定沙丘中不同的藻结皮、地衣结皮、藓结皮的空间分布格局及其关键环境要素；将自然生物结皮的定点观察、显微采样分析与模拟验证实验相结合，利用显微、亚显微形貌技术、探针成分分析技术、统计学方法，探究藻结皮在向地衣结皮和苔藓结皮正向演替的生物学过程、关键要素及其阈值范围；将直接鉴定、培养鉴定与分子鉴定相结合，研究典型的三个演替阶段生物结皮中包括生产者、分解者、消费者在内的土壤生态系统群落结构变化模式，并从不同类型结皮适应关键要素的生理生态机理进一步揭示它们演替的机制，推进群落演替研究的进展，为荒漠化治理和土壤生态系统的恢复和管理提供理论指导。

生物结皮的演替一直是该领域非常重要的核心内容，它不仅对丰富生态学演替理论非常重要，而且对生物结皮技术的应用发展有至关重要的作用。.本研究发现，在干旱半干旱地区的固定和半固定沙丘中，藻结皮通常分布在固定沙丘的顶部，半固定沙丘的中部，地衣结皮在固定沙丘的中部或中下部，半固定沙丘很少，而藓结皮在固定沙丘的下部、丘间地带，半固定沙丘的丘间地带，有些地方藻结皮不经过地衣结皮阶段直接发育成藓结皮。.在藻结皮发育成地衣结皮过程中，最关键的是粉粒量和K+、Na+离子含量，在沙坡头地区，只有当粉粒积累含量高于15%，K+离子含量高于202 mg kg-1或Na+离子含量高于26 mg kg-1时，地衣才有可能出现；藓结皮形成的关键是沙面稳定和含水量，藻结皮和地衣结皮的形成为藓植物提供了稳定的表土环境，沙坡头地区含水量不能低于2%才有可能形成藓结皮。.在土壤结皮生态系统发育过程中，藻结皮中的优势生产者Microcoleus在逐渐减少，Scytonema和Nostoc在地衣结皮结皮达到最高，到藓结皮下降，而作为分解者的细菌、放线菌数量在地衣阶段前随结皮的发育演替在增加，地衣结皮后下降，到藓结皮阶段再次增加，而真菌在地衣结皮最丰富。同时发现，随着结皮的演替，维管植物的恢复也非常明显，尤其接种荒漠蓝藻或促进蓝藻结皮的恢复是利用或促进生物结皮固沙的唯一可行途径(地衣和藓无法直接在流沙上生长)，因为蓝藻是通过改善沙土的土壤微环境，最终有力地促进了微管植物的恢复，而且维管植被随结皮的发育演替呈典型的地带性正向演替方式进行，证明该技术较传统固沙技术在很多方面具有明显优势。.在不同类型结皮适应机理方面，我们发现，结皮中的蓝藻地衣均为同层地衣，绿藻地衣为异层地衣，蓝藻地衣结皮与绿藻地衣结皮叶状体内共生体(微藻)的光合活性在微米级垂直空间存在明显差异，对光的生理响应明显也不同；菌丝对绿藻的光保护是完全的，蓝藻根本不需要菌丝保护；所以，绿藻地衣中绿藻与真菌是真正的互惠共生关系，蓝藻地衣中蓝藻与真菌是受控的互惠共生或偏利共生关系。蓝藻适应干旱胁迫常通过最快速响应瞬间湿润、捕光复合体与光合色素中心分离等方式进行；减缓高温胁迫通过失水保持干燥、中午关闭代谢的方式进行；抗风力、强光等胁迫通过调节胞外多糖的量和结构实现。