水分对具鞘微鞘藻构建人工藻结皮的作用

为探讨水分在利用室内培养具鞘微鞘藻构建人工藻结皮中的作用,本文研究了不同施水量和施水时间下人工藻结皮中的藻类生物量、结皮厚度、抗压强度和微结构变化.结果表明:利用具鞘微鞘藻在裸沙上接种,无水处理藻类生物量极低,无藻结皮形成.随着施水量的增加,藻结皮开始出现直至形成稳定的藻结皮,藻类生物量、结皮厚度和抗压强度显著增加,藻丝和胞外多糖逐渐增多,与沙粒缠绕成复杂的网状结构.施水15 d,形成稳定的藻结皮,藻类生物量、结皮厚度和抗压强度最高.具鞘微鞘藻形成藻结皮的最适施水量是3～4L·m-2·d-1,施水时间为15 d.土壤可利用水分可促进具鞘微鞘藻的代谢活动和胞外多糖合成,从而增加藻类生物量,提高其耐旱能力,早期的水分获得是其成功形成藻结皮的关键因素.研究结果将为利用荒漠藻类进行人工生物结皮恢复提供重要的理论依据.     

库布齐沙地三年生人工藻结皮发育特征及微生物分布

对库布齐沙地4种三年生不同立地条件下人工藻结皮的发育特征和微生物分布进行研究,结果表明:(1)将荒漠蓝藻接种到沙面,形成的人工藻结皮经过3年的生长和发育,结皮的平均厚度达到2.23-5.36mm,呈现深黑色和灰绿色,结皮盖度大于70%.其中沙柳(Salix cheilophila Schneid.)-羊草(Aneurolepidium chinensis)-藻(algae)结皮(SAA)发育最好、生物量最高,且演替成苔藓结皮.在人工藻结皮区普遍出现沙生植物的拓殖和大量生长,如沙米(Agriphyllum squarrosum Bieb.)、披碱草(Elymus dahuricus Turez.)、猪毛菜(Salsola collina Pall.)等,植被盖度达60%-90%.4种不同立地条件下人工藻结皮中藻类的组成都比较单一,在藻类的种类数量上变化并不明显,仍然以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gom.)占绝对优势,其次是爪哇伪枝藻(Scytonema.javanicum (Kutz.)Born etFlah.),且不同的藻种在结皮中分布的位置不同;人工藻结皮具有较高的抗压强度,抗压强度普遍达到35-70 N/cm2.丝状蓝藻通过紧密和高强度的机械束缚作用以及藻体胞外分泌物对沙粒的黏结作用,对维持藻结皮的强度起着至关重要的作用.对人工藻结皮的超微结构研究发现,经过3年的野外生长和发育,藻结皮沙粒土壤中含有丰富的藻丝体.可以观察到大量藻丝体缠绕或黏结着沙粒,从而实现人工藻结皮的胶结过程;(2)微生物总数变化趋势变现为:沙柳(S.cheilophila)-羊草(A.chinensis)-藻(algae)结皮(SAA)＞草方格(grass pane)-藻(algae)结皮(GA)＞沙米(A.squarrosum)-藻(algae)结皮(AA)＞流沙(shifting sand)-藻(algae)结皮(SA)＞流沙(CK).人工藻结皮的生物量变化趋势与其微生物总数的变化趋势相一致;在微生物各主要类群中,细菌数量、放线菌数量和真菌数量在不同人工藻结皮中的变化趋势同微生物总数的变化趋势相同;在4种人工藻结皮中,细菌所占微生物总数的比例均明显高于放线菌和真菌.结皮中细菌所占微生物总数的百分比呈依次增加的趋势,放线菌所占微生物总数的比例呈递减趋势,真菌占微生物总数的比例非常小,且比例差别不大.     

风力胁迫对具鞘微鞘藻结皮光合活性的影响

抵抗风力胁迫是荒漠藻类适应干旱区环境的重要生物学机制,也是藻结皮能够拓殖流沙的必要条件之一,但有关藻类对风力胁迫的响应机理国内外尚无研究报道。以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gom.)人工结皮为实验对象,研究了不同强度风力吹蚀对结皮含水量、藻类活力、生物量、及其光合活性的影响。结果表明:不论低于当地起沙风(3m/s)还是高于起沙风(5m/s和7m/s)的风力吹蚀,结皮中藻类生物量均明显下降,而且结皮生物量的变化与风速大小和吹蚀时间呈线性关系(y=14.78+0.035a-1.48b,a风速,b时间,r2=0.79)。进一步分析发现,风力吹蚀后结皮中藻类活力并没有降低但主要光合色素和天线色素的含量普遍降低,叶绿素荧光(Fv/Fm)、表观电子传递速率(ETR)和净光合速率(Pn)明显下降,并且风速越大,降幅越大。这些结果说明风力胁迫对藻结皮生长和光合活性的影响主要是通过影响光合色素代谢合成和电子传递速率引起的,对其生命力没有明显影响。       

古尔班通古特沙漠生物结皮不同发育阶段中藻类的变化

通过在古尔班通古特沙漠南缘相同的地貌部位,选择裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮4种不同演替阶段中的生物结皮,研究了藻类的种类组成、优势种和生物量的变化.结果表明:(1)在结皮的不同演替阶段,藻类种类组成不同,其常见物种有一定的差异,如裸沙中藻类常见种是脆杆藻2(Fragilaria sp.2)、威利颤藻(Oscillatoria willei)和奥克席藻(Phormidium okenii),藻结皮的常见种是小聚球藻(Synechococcus parvus)、颗粒常丝藻 (Tychonema granulatum)、韧氏席藻(Phormidium retzli);同时在不同发育阶段亦存在一些特有种.(2)在裸沙发育到成熟生物结皮的过程中,藻类的优势物种也发生相应的变化.裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮的优势种分别是脆杆藻1(Fragilaria sp.1)、具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)、具鞘微鞘藻、眼点伪枝藻(Scytonema ocellatum)或集球藻(Palmellococcus miniatus).(3)藻类生物量在生物结皮不同演替阶段差异极显著(P<0.01),在裸沙中藻类生物量最低,随着生物结皮的逐渐发育,藻类生物量明显升高,地衣结皮最高,约是裸沙的8.3倍,当发育至苔藓结皮时,藻类生物量又有所下降.(4)在裸沙中基本为松散的沙粒,随着生物结皮的演替,丝状种类占明显的优势,尤其是具鞘微鞘藻,另外真菌菌丝和苔藓假根分别在地衣结皮和苔藓结皮中起着重要作用.     

微鞘藻胞外多糖在沙漠土壤成土中的作用

研究了沙坡头藻结皮中的优势物种——微鞘藻的胞外多糖对沙漠表层土壤水分分布状况的影响及其光合特性。随着胞外多糖浓度的升高 ,土壤持水量增大 ,土壤水分蒸发速率降低 ,水分在土壤中运动的速率被延缓。藻总水溶性多糖产率为 2 8.82 % ,胞外水溶性多糖产率为 1 6 .0 9% ;多糖产量在稳定期生物量最大时增长最快。微鞘藻光合作用最适温度为 2 5℃ ,最适光强为 40 0 μE.m- 2 .s- 1,在 0 .3 mol/ L Na Cl浓度下其光合作用活性被强烈抑制 ;微鞘藻的吸收光谱表明它比生长在湿润地区的藻类含有更多的胡萝卜素成分 ;叶绿素 a荧光 (Fv/ Fm)分析表明在失水约为初始湿重的 5 6 %时 Fv/ Fm值恢复到水培养的 96 % ;其光合作用特性有利于对逆境的适应和生物量的积累。表明微鞘藻胞外多糖可影响沙漠表层土壤水分分布状况 ,并可作为一种潜在的生物肥料 ,在荒漠原始成土过程中扮演着重要角色。     

不同培养条件对具鞘微鞘藻生物量和多糖产量的影响

流沙表面形成的藻类结皮,是流动沙丘固定的首要标志.一般来说,当流动沙丘上形成了荒漠藻结皮后,将经过半固定沙丘向固定沙丘演替,在演替过程中,还将依次出现地衣、苔藓和高等植物[1],其中荒漠藻扮演着极其重要的角色.     

几种固沙荒漠藻的温度适应性

蓝藻结皮在干旱和半干旱区广泛分布,它们在环境状态的维持和改良过程中发挥着重要的作用。在荒漠藻固沙技术的应用过程中,温度不仅影响藻类在培养池中的培养,还影响接种后藻类的生长。因此,摸清优势固沙藻类的温度生长特征及对不同温度的生长适应性,对于接种蓝藻固沙技术的应用具有积极的意义。实验分3部分:研究了室温培养条件下3种荒漠优势蓝藻-具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)、爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum)、纤细席藻(Phormidium tenue)的生长曲线,在不同温度(2、5、10、15、25、35℃)、开放式载体培养状态下3种蓝藻的生长状况及形态观察,以及爪哇伪枝藻在不同温度(10、15、20、25、30℃)培养条件下的光合活性、光合色素含量和伪枝藻素含量的变化。实验结果表明:(1)在液体培养基中,纤细席藻生长速率最快,高于具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻;(2)开放式载体培养条件下,藻株的生长速率低于液体培养,因此荒漠优势藻类的培养优先选择液体培养,具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻不易被细菌污染,纤细席藻容易受到细菌污染,在培养该藻株时要考虑添加抗生素类药物抑制细菌过度繁殖;(3)爪哇伪枝藻短期培养(18d)宜选择相对较高的培养温度(25-30℃),而长期培养(30d)宜选择相对较低的培养温度(15-20℃)。       

温度和初始pH对生物结皮中4种优势蓝藻生长的影响

生物土壤结皮对干旱半干旱地区生态环境健康及可持续发展有重要意义。具鞘微鞘藻、伪枝藻、念珠藻和鱼腥藻是生物结皮中蓝藻的优势种,对其大规模培养有着广阔的应用前景。以4种蓝藻为材料,采用室内液体培养方法,研究了5个温度(10、20、25、30、35℃)和5个溶液初始pH(4、6、8、10、12)对4种藻生物量和溶液pH的影响。结果表明：在20℃以下温度培养,供试4种藻生物量增长缓慢,在25～35℃下4种藻均能正常生长,其中25和30℃下藻类生物量增长最快。不同藻种的最适培养温度略有区别,伪枝藻和念珠藻最适培养温度为25～30℃,具鞘微鞘藻和鱼腥藻为30℃。供试4种藻对溶液pH有极强的调节能力,均能够在5个初始pH环境中进行增殖,在初始pH为4的培养环境下能达到最大生物量和比生长速率,在初始pH为12下生物量和比生长速率最低。研究为生物结皮中优势藻的扩繁提供了科学依据。     

营养缺失对具鞘微鞘藻胞外多糖和糖原分配模式的影响

为探究蓝藻胞外多糖(EPS)和胞内糖原的分配模式和作用,研究了在氮、磷、镁、钙和铁缺失条件下具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus Gomont FACHB-896)胞外多糖和糖原代谢合成过程中碳流分配规律.结果表明培养基中NO-3、PO3-4和Mg2+的缺乏明显抑制了具鞘微鞘藻的生长和叶绿素a的合成(...     

2种地衣共生蓝藻的分离鉴定及其形成藻结皮条件的研究

以2种地衣——地卷(Peltigera rufescens)和平盘软地卷(Peltigera elisabethae)为研究材料,分离培养地衣共生藻,通过形态特征的观察结合rDNA ITS序列分析确定其分类地位,并对地衣共生藻在试验室模拟条件下形成人工藻结皮的优化条件进行分析,为地衣共生藻资源的开发和生产实际利用提供依据。结果表明：(1)从平盘软地卷和地卷分离的藻株I₁b和 L₂均属于蓝藻,基于ITS序列构建的系统树分析结果显示, I₁b与具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)的支持率高达100%,属于具鞘微鞘藻;L₂与念珠藻(Nostoc sp.)的支持率为93%,属于念珠藻属。(2)试验室模拟荒漠极端环境中形成人工结皮的优化条件为：沙土含水量10%、接种3∶1混合藻(具鞘微鞘藻:念珠藻)、藻接种量10 μg/cm²。     

Soil stabilization by a prokaryotic desert crust: implications for Precambrian land biota.

A cyanophyte dominated mat, desert crust, forms the ground cover in areas measuring hundreds of square meters in Utah and smaller patches in Colorado. The algal mat shows stromatolitic features such as sediment trapping and accretion, a convoluted surface, and polygonal cracking. Sand and clay particles are immobilized by a dense network of filaments of the two dominating cyanophyte species, Microcoleus vaginatus and M. chthonoplastes, which secrete sheaths to which particles adhere. These microorganisms can tolerate long periods of desiccation and are capable of instant reactivation and migration following wetting. Migration occurs in two events: 1. immediately following wetting of dry mat, trichomes are mechanically expelled from the sheath as it swells during rehydration, and 2. subsequently, trichomes begin a self-propelled gliding motility which is accompanied by further production of sheath. The maximum distance traveled on solid agar by trichomes of Microcoleus vaginatus during a 12 hour period of light was 4.8 cm. This corresponds to approximately 500 times the length of the fastest trichome, and provides a measure of the potential for spreading of the mat in nature via the motility of the trichomes. Dehydration resistence of the sheath modifies the extracellular environment of the trichomes and enables their transition to dormancy. Following prolonged wetting and evaporative drying of the mat in the laboratory, a smooth wafer-like crust is formed by the sheaths of Microcleus trichomes that have migrated to the surface. Calcium carbonate precipitates among the algal filaments under experimental conditions, indicating a potential for mat lithification and fossilization in the form of a caliche crust. It is suggested that limestones containing tubular microfossils may, in part, be of such an origin. The formation of mature Precambrian soils may be attributable to soil accretion, stabilization, and biogenic modification by blue-green algal land mats similar to desert crust.     

Algal crust formation in the inland dune area,Laarder Wasmeer,the Netherlands

The aim of this study is to acquire insight in the initial vegetation development on active drifting sands in relation to geomorphological processes. For this purpose the algal vegetation and surface dynamics were monitored on a sand hill with active drifting sand, and on a bare slope within a terrain covered with Polytrichum piliferum located in the Laarder Wasmeer (The Netherlands).There is a successional development from an algal community dominated by the cyanobacterium Oscillatoria spp., through the crust in which initially the green alga Klebsormidium and later the cyanobacterium Synechococcus predominates, eventually succeeded by the green alga Zygogonium ericetorum. In this phase the sand is stabilized. The areal extent of algal crusts on the active drifting sand area is greatest during the winter, contrastingly highest biomass values are found during the summer and autumn in mature Zygogonium crusts.Substrate instability due to the action of wind clearly limits algal growth and vegetational development on the sand hill. The algal crust seldom reaches the stage of maturity. Near-flat ground is more easily stabilized. Unlike the algae found in coastal dune area and the initial pioneers in the Laarder Wasmeer area, the Zygogonium crust is water repellent when dry. Consequently increasing surface stability by algal crust development is accompanied by higher surface runoff on sloping areas.     

荒漠土壤藻群落结构的原生演替

微生物结皮是荒漠化治理中新的热点之一,但其关键形成生物——微型藻类如何通过群落结构的变化向地衣结皮、藓类结皮转变的机理仍是未知的。本文以时空替代法,将沙坡头流沙,4、8、17、34及42龄结皮当作同一群落演替进程中的6个阶段,通过系统聚类、主分量分析的方法首次对这一问题进行了研究,结果显示该地荒漠藻群落的原牛演替朝着蓝藻总丰度和爪畦伪枝藻(Scytonema javanicum)丰度逐渐下降,纤细席藻(Phormidium tenue)、绿藻、硅藻丰度逐渐增加的方向进行;多样性随群落演替的发展而增高;生物量在初期呈正向演替,后期随地衣、藓类的入侵逐渐下降;演替速度非常缓慢,高龄结皮中的优势种仍是建群种,只是优势度略有下降;水分、植被覆盖、地形、时间,土壤理化性质都影响演替徐径和速度．特别是Mn含量对演替有重要的阈值作用。     

荒漠土壤藻群落结构的原生演替

微生物结皮是荒漠化治理中新的热点之一,但其关键形成生物--微型藻类如何通过群落结构的变化向地衣结皮、藓类结皮转变的机理仍是未知的.本文以时空替代法,将沙坡头流沙,4、8、17、34及42龄结皮当作同一群落演替进程中的6个阶段,通过系统聚类、丰分量分析的方法首次对这一问题进行了研究,结果显示该地荒漠藻群落的原生演替朝着蓝藻总丰度和爪哇伪枝藻(Scytonema javanicum)丰度逐渐下降,纤细席藻(Phormidiumtenue)、绿藻、硅藻丰度逐渐增加的方向进行;多样性随群落演替的发展而增高;生物量在初期呈正向演替,后期随地衣、藓类的入侵逐渐下降;演替速度非常缓慢,高龄结皮中的优势种仍是建群种,只是优势度略有下降;水分、植被覆盖、地形、时间,土壤理化性质都影响演替途径和速度,特别是Mn含量对演替有重要的阈值作用.     

新疆古尔班通古特沙漠南部沙垄不同部位藻类的垂直分布特征

 通过2005和2006年夏季两次对新疆古尔班通古特沙漠南部荒漠土壤中藻类植物进行采样、培养、鉴定和生物量测定,分析了该区沙漠沙垄不同部位藻类物种组成、优势种和生物量的垂直变化。结果表明：1）在不同地貌部位的不同层次中,藻类的种类组成均有所差异。2）藻类优势物种主要集中在0～2 cm层次中,2 cm以下的土层中藻类细胞很少,绝大部分土层以具鞘微鞘藻(Microcoleus vaginatus)为第一优势种,有些部位的土层中第一优势种是伪双点颤藻(Oscillatoria pseudogeminata),如垄间低地和迎风坡的1～2 cm中。此外,大型集胞藻（Synechocystis crassa）、舟形藻 (Navicula sp.)、卵圆双眉藻(Amphora ovalis)数量也较多。3）除垄顶外,藻类生物量在其它3个部位不同层次的差异呈极显著水平（p<0.01）,生物量由表及里锐减;在同一土层,藻类生物量基本表现为垄间低地最高,迎风坡与背风坡居中, 垄顶最低,不同地貌部位对藻类生物量影响呈显著或极显著水平。     

生物结皮粗糙特征——以古尔班通古特沙漠为例

摘要：空气动力粗糙度可以反映地表气流与下垫面的相互作用。古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,其间广泛分布的生物结皮在稳定地表和改善环境方面意义重大。对未经扰动的4种类型生物结皮进行表面微形态观察,并通过风洞实验确定动力粗糙度Z0和摩阻风速u*,结果表明：（1）不同生物结皮类型,其组成和表面微形态等都具有明显差异。藻结皮以表面致密光滑为显著特征,由藻类分泌物和藻丝体粘结细粒物质所形成;地衣结皮表面藻类和真菌形成的叶状体匍匐沙面生长,呈现三维生长方式,形成有明显凹凸的壳状覆被;苔藓结皮以苔藓植物体密集丛生为特点,地上部分出现了茎叶分化,有一定的柔韧性。（2）就动力粗糙度的大小而言,是按地衣结皮>藻类－地衣结皮>苔藓结皮>藻结皮的顺序排列的,Z0平均值依次为（6.5890.850）mm、（4.1790.239）mm、（2.5420.357）mm和（0.3930.220）mm,与定床裸沙面的（0.0420.019）mm相比,生物结皮Z0值提高了10—150倍。随着风速的增大Z0值有所减小,其中以地衣结皮的减小趋势较为明显。（3）由风速廓线对比发现,四类生物结皮对气流阻滞作用的差异主要局限于4 cm以下的高度范围,风速越大这种差异也越大。各类生物结皮摩阻风速u*随风速增大而增大,其中藻结皮的增大速率明显低于其它三类结皮,说明藻结皮随风速增大的阻滞效应较其它三类结皮要差。（4）在净风条件下,地衣结皮具有最好的防风效果,其次为藻类－地衣结皮和苔藓结皮,藻结皮最差。当生物结皮破损后,床面结构和气流性质将发生变化,对空气动力学粗糙度和摩阻风速产生的影响将有待于进行更深入的研究。     

Small-Scale Vertical Distribution of Algae and Structure of Lichen Soil Crusts

Although many studies have been conducted on the ecological functions and ecophysiological characteristics of lichen soil crusts (LSCs), no explanation of these results has been provided based on crust structures. Using algae soil crusts (ASCs) as comparison, this work studied the small-scale vertical distribution of algal biomass and stratification in two types of LSCs, by combining the binocular stereomicroscope observations, microscope observations, plate cultures, chlorophyll analysis, and polysaccharides analysis. The results showed an obvious difference in the proportion but not the composition of the algae species between the ASCs and the two LSCs. Approximately 60% and 80% of the total algal biomass were concentrated in the top 1 mm of the soil profile and thalli in the ASCs and LSCs, respectively. This implies that symbiotic algae are the dominant species and primary organic carbon producers in LSCs, and the algal biomass decreased with the depth in both the ASCs and LSCs. The small-scale vertical distributions of the crustal algal biomass and polysaccharides were characterized by obvious successional stage, whereas these were unrelated to the crust type within the successional stage. Additionally, a large amount of fungi, which were always piercing the entire crusts, were observed in the LSCs, but only occasionally in the ASCs. These special structures are purported to cause the LSCs to achieve specific ecological functions, such as higher carbon fixation and greater compressive strength. High biomass, large living space, and advantageous resource utilization privilege suggest that the lichen association is mutualistic and the direction from ASCs to LSCs is developmental.     

植被覆盖对科尔沁沙地土壤生物结皮及其下层土壤理化特性的影响

为了解不同植被覆盖对沙地土壤生物结皮及其下层土壤的影响,于2006年调查了科尔沁沙地冷蒿、小红柳、杨树和樟子松等植被封育区土壤生物结皮及结皮下0～5 cm土壤的理化特性.结果表明：经过15年的封育保护和植被建设,科尔沁沙地天然植被和人工植被下流动沙地大部分被生物结皮所覆盖,其结皮覆盖度可达60%～80%,厚度1～2 cm;在调查的几种植被中,小红柳植被区的土壤结皮厚度、硬度、粘粉粒、有机质和养分含量最高,其次是樟子松林地,杨树林地和冷蒿植被区相对较差;几种植被区的苔藓结皮的结皮厚度、硬度、粘粉粒、有机质和养分含量均优于地衣结皮;与流动沙地相比,结皮下0～5 cm土壤的理化特性有明显改善,改善程度苔藓结皮强于地衣结皮,小红柳和樟子松植被区强于杨树林地和冷蒿群丛;土壤结皮及结皮下表土理化特性的变化既受植被覆盖类型的影响,也受制于土壤结皮的发育.由于枝叶繁茂的中、高植被有利于降风滞尘和产生较多的凋落物,因而更能促进沙地结皮发育和土壤改良,而苔藓结皮较地衣结皮更有利于其下层土壤理化特性的改善.