生物土壤结皮高效固沙技术为沙漠做“新衣”

——记中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站

记者：李新荣 赵洋                       发布时间：2024年8月23日

走进包兰铁路沙坡头段铁路防护体系，映入眼帘的除了固沙灌木和草本植物，还有地表成片分布的灰黑色和绿色的壳状生物体，这些壳状生物体的学名是生物土壤结皮（Biological Soil Crusts，简称BSC）。自20世纪90年代，中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠研究试验站建立研发团队，在我国系统开展了生物土壤结皮生态功能的研究。作为团队的首席科学家、核心成员，我们与研究团队的同事一起，经过30余年的不懈努力，成功研发了生物土壤结皮高效固沙技术。这一技术突破了干旱区的水分制约，以土壤生境修复为目标，具有建设周期短、稳定性好、固沙效率高、治沙效果好、适用范围广、操作简易等优点，是我国防沙治沙的利器，也是目前国内外最前沿的固沙和近自然生态修复技术之一。

人工蓝藻结皮接种体规模化培养基地 赵洋摄

生物土壤结皮是由隐花植物如蓝藻、荒漠绿藻、地衣、藓类和土壤微生物以及相关其他生物体通过菌丝体、假根和分泌物等在土壤表层颗粒胶结形成的十分复杂的复合体，是广泛分布在寒区和旱区严酷环境中的重要地表覆盖景观特征之一，其覆盖度占到荒漠地表活体覆盖的40%以上，是荒漠生态系统的重要构建者和组成成分。

研究团队首先开展了干旱沙区生物土壤结皮的形成机理、演变规律及其对环境干扰的响应研究。基于腾格里沙漠东南缘沙坡头地区固沙植被和土壤50余年的定位监测资料，采用空间替代时间的研究方法，以不同时期设置沙障固定沙丘表面并种植旱生灌木形成的不同演替阶段人工固沙植被区发育的生物土壤结皮为研究对象，通过野外样地观测和实验模拟，评估大气降尘、土壤稳定性及其理化性质演变对生物土壤结皮生物体初期拓殖和形成起到的作用，分析其演替过程中物种组成、盖度、厚度与区域气候、土壤环境、微地形和常见干扰如风蚀和沙埋的耦合关系。

在此基础上，科研团队开展了生物土壤结皮对沙区水文过程、碳、氮循环的影响研究。科研团队采用室内模拟和野外观测的方法，研究生物土壤结皮在演替和发育过程中碳固定和碳释放特性，以及固氮酶活性和氮矿化特征，分析湿润持续时间、水分含量、温度及光照强度对生物土壤结皮碳固定、碳释放、固氮酶活性及土壤氮矿化作用的影响，精确评估生物土壤结皮固碳、固氮潜力及其在沙区生态系统碳、氮循环中的作用，阐述其对人工植被—土壤系统演替的指示意义。

同时，科研团队还开展了生物土壤结皮对人工固沙植被区土壤形成和稳定、土壤微生物及酶活性的影响研究。采用空间代替时间的研究方法，在固沙区研究了生物土壤结皮增强土壤抵抗侵蚀、改善土壤理化属性的作用过程，揭示了生物土壤结皮对固沙区土壤形成和稳定的作用机制，探讨了土壤微生物类群的基本特征和季节动态变化规律，解释了生物土壤结皮中微生物对氮添加的差异响应机理，比较系统地评估了生物土壤结皮对固沙区表层土壤微生物群落结构和组成、多样性和功能群演替的驱动作用。土壤酶参与固沙区土壤发生、发育以及土壤肥力的形成和演化的关键过程，生物土壤结皮的形成和发育可在很大程度上直接或间接地影响土壤酶活性，分析了不同年代建立的固沙植被区、流动沙丘及邻近的天然植被区2类土壤氧化酶及5类水解酶活性，探讨了流沙固定过程中生物土壤结皮拓殖后土壤酶的演替特征和规律。

紧接着开展了生物土壤结皮与维管束植物、土壤动物和昆虫的影响研究。基于野外长期监测和对照试验，科研团队研究了固沙植被建立后不同演替阶段BSC的水文物理特征，分析了其对降水入渗、地表蒸发及凝结水捕获等水文过程及沙地土壤-植被系统水分平衡的影响作用及机理。长期定位监测研究了固沙区维管束植被和生物土壤结皮的演替过程；以沙坡头地区发育良好的生物土壤结皮、一年生草本和固沙灌木为研究对象，研究生物土壤结皮对维管束植物分布、种子库、幼苗萌发和生长的影响机理，以及固沙灌木对生物土壤结皮盖度、厚度、分布的调控作用。从生物土壤结皮的形成和演变及改变微环境角度出发，深入研究了生物土壤结皮及与其存在和拓殖生长密切相关的因子同土壤线虫、蚂蚁和昆虫多样性之间的关系。另外，通过采用直接观察法、粪便分析法和胃内容物分析法，分析动物食性，从食物链的角度进一步探讨了生物土壤结皮与土壤线虫、蚂蚁和昆虫之间的关系，为进一步客观认知荒漠生态系统过程的复杂性以及生态修复与管理提供科学依据。以上成果获得了甘肃省自然科学奖一等奖。

20年的大量系统研究证明了生物土壤结皮是沙区地表稳定的重要标志。然而，在自然条件下，生物土壤结皮的形成需要10年—20年。那么，能否通过人为干预加速其形成速率，加快治理和恢复的进程？研究团队经过大量反复研究，从不同沙区自然生物土壤结皮中分离、纯化、筛选和培养出了7种固沙蓝藻。这些蓝藻均可在降水小于200毫米的干旱沙区拓殖生长。在此基础上，针对蓝藻人工培养速度慢、产量低和固沙需求量大之间的矛盾，研发和制定了适宜人工生物土壤结皮扩繁的基质和环境条件。

如何在野外条件下成功培养出人工结皮，是人工结皮固沙技术必须要突破的“卡脖子”问题。针对干旱、半干旱区大规模固沙植被建设初期地表稳定速度缓慢、苗木成活率低的问题，研究团队研发了“机械固沙措施+混合藻液喷洒+旱生灌木”的人工蓝藻沙面固定模式。通过人工生物土壤结皮与草方格机械沙障相结合，10—16个月后即可形成稳定的固沙层，风蚀量减少95%以上；固沙灌木成活率提高了10%—15%，补苗率降低了近40%，降低了固沙成本。研发的“遮阳网+无纺布+蓝藻藻液+旱生灌木”的人工生物土壤结皮固沙技术则显著缩短了人工生物土壤结皮实现固沙效果的时间，沙面稳定时间显著缩短至6个月以内，解决了沙漠公路边坡固定周期长的问题。此外，针对沙化土地斑块分布分散和已治理沙化土地沙面反复沙化等问题，特别是液态材料运输困难和施工不便的区域，研究团队研发了“固态生物土壤结皮接种体撒播+旱生灌木”的节水型人工生物土壤结皮快速地表稳定技术，生物土壤结皮接种体撒播的方法提高了人工蓝藻和蓝藻-地衣结皮拓殖速率。以上成果获得了宁夏回族自治区科技进步奖一等奖。

目前，生物土壤结皮高效固沙技术已累计在宁夏境内推广4000余亩，取得了良好的经济、生态和社会效益，节约了大量的防沙治沙成本。生物土壤结皮高效固沙技术是宁夏黄河“几字弯”攻坚战主要推广的固沙新技术，该技术的大范围推广和应用将实现沙漠化土地治理的加速、提质和增效。