走進包蘭鐵路沙坡頭段鐵路防護體系，映入眼簾的除了固沙灌木和草本植物，還有地表成片分布的灰黑色和綠色的殼狀生物體，這些殼狀生物體的學名是生物土壤結皮（Biological Soil Crusts，簡稱BSC）。自20世紀90年代，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙坡頭沙漠研究試驗站建立研發(fā)團隊，在我國系統開展了生物土壤結皮生態(tài)功能的研究。作為團隊的首席科學家、核心成員，我們與研究團隊的同事一起，經過30余年的不懈努力，成功研發(fā)了生物土壤結皮高效固沙技術。這一技術突破了干旱區(qū)的水分制約，以土壤生境修復為目標，具有建設周期短、穩(wěn)定性好、固沙效率高、治沙效果好、適用范圍廣、操作簡易等優(yōu)點，是我國防沙治沙的利器，也是目前國內外最前沿的固沙和近自然生態(tài)修復技術之一。

生物土壤結皮是由隱花植物如藍藻、荒漠綠藻、地衣、蘚類和土壤微生物以及相關其他生物體通過菌絲體、假根和分泌物等在土壤表層顆粒膠結形成的十分復雜的復合體，是廣泛分布在寒區(qū)和旱區(qū)嚴酷環(huán)境中的重要地表覆蓋景觀特征之一，其覆蓋度占到荒漠地表活體覆蓋的40%以上，是荒漠生態(tài)系統的重要構建者和組成成分。

人工藍藻結皮接種體規(guī)?；囵B(yǎng)基地（趙洋 攝）

研究團隊首先開展了干旱沙區(qū)生物土壤結皮的形成機理、演變規(guī)律及其對環(huán)境干擾的響應研究。基于騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)固沙植被和土壤50余年的定位監(jiān)測資料，采用空間替代時間的研究方法，以不同時期設置沙障固定沙丘表面并種植旱生灌木形成的不同演替階段人工固沙植被區(qū)發(fā)育的生物土壤結皮為研究對象，通過野外樣地觀測和實驗模擬，評估大氣降塵、土壤穩(wěn)定性及其理化性質演變對生物土壤結皮生物體初期拓殖和形成起到的作用，分析其演替過程中物種組成、蓋度、厚度與區(qū)域氣候、土壤環(huán)境、微地形和常見干擾如風蝕和沙埋的耦合關系。

在此基礎上，科研團隊開展了生物土壤結皮對沙區(qū)水文過程、碳、氮循環(huán)的影響研究。科研團隊采用室內模擬和野外觀測的方法，研究生物土壤結皮在演替和發(fā)育過程中碳固定和碳釋放特性，以及固氮酶活性和氮礦化特征，分析濕潤持續(xù)時間、水分含量、溫度及光照強度對生物土壤結皮碳固定、碳釋放、固氮酶活性及土壤氮礦化作用的影響，精確評估生物土壤結皮固碳、固氮潛力及其在沙區(qū)生態(tài)系統碳、氮循環(huán)中的作用，闡述其對人工植被—土壤系統演替的指示意義。

同時，科研團隊還開展了生物土壤結皮對人工固沙植被區(qū)土壤形成和穩(wěn)定、土壤微生物及酶活性的影響研究。采用空間代替時間的研究方法，在固沙區(qū)研究了生物土壤結皮增強土壤抵抗侵蝕、改善土壤理化屬性的作用過程，揭示了生物土壤結皮對固沙區(qū)土壤形成和穩(wěn)定的作用機制，探討了土壤微生物類群的基本特征和季節(jié)動態(tài)變化規(guī)律，解釋了生物土壤結皮中微生物對氮添加的差異響應機理，比較系統地評估了生物土壤結皮對固沙區(qū)表層土壤微生物群落結構和組成、多樣性和功能群演替的驅動作用。土壤酶參與固沙區(qū)土壤發(fā)生、發(fā)育以及土壤肥力的形成和演化的關鍵過程，生物土壤結皮的形成和發(fā)育可在很大程度上直接或間接地影響土壤酶活性，分析了不同年代建立的固沙植被區(qū)、流動沙丘及鄰近的天然植被區(qū)2類土壤氧化酶及5類水解酶活性，探討了流沙固定過程中生物土壤結皮拓殖后土壤酶的演替特征和規(guī)律。

緊接著開展了生物土壤結皮與維管束植物、土壤動物和昆蟲的影響研究。基于野外長期監(jiān)測和對照試驗，科研團隊研究了固沙植被建立后不同演替階段BSC的水文物理特征，分析了其對降水入滲、地表蒸發(fā)及凝結水捕獲等水文過程及沙地土壤-植被系統水分平衡的影響作用及機理。長期定位監(jiān)測研究了固沙區(qū)維管束植被和生物土壤結皮的演替過程；以沙坡頭地區(qū)發(fā)育良好的生物土壤結皮、一年生草本和固沙灌木為研究對象，研究生物土壤結皮對維管束植物分布、種子庫、幼苗萌發(fā)和生長的影響機理，以及固沙灌木對生物土壤結皮蓋度、厚度、分布的調控作用。從生物土壤結皮的形成和演變及改變微環(huán)境角度出發(fā)，深入研究了生物土壤結皮及與其存在和拓殖生長密切相關的因子同土壤線蟲、螞蟻和昆蟲多樣性之間的關系。另外，通過采用直接觀察法、糞便分析法和胃內容物分析法，分析動物食性，從食物鏈的角度進一步探討了生物土壤結皮與土壤線蟲、螞蟻和昆蟲之間的關系，為進一步客觀認知荒漠生態(tài)系統過程的復雜性以及生態(tài)修復與管理提供科學依據。以上成果獲得了甘肅省自然科學獎一等獎。

20年的大量系統研究證明了生物土壤結皮是沙區(qū)地表穩(wěn)定的重要標志。然而，在自然條件下，生物土壤結皮的形成需要10年—20年。那么，能否通過人為干預加速其形成速率，加快治理和恢復的進程？研究團隊經過大量反復研究，從不同沙區(qū)自然生物土壤結皮中分離、純化、篩選和培養(yǎng)出了7種固沙藍藻。這些藍藻均可在降水小于200毫米的干旱沙區(qū)拓殖生長。在此基礎上，針對藍藻人工培養(yǎng)速度慢、產量低和固沙需求量大之間的矛盾，研發(fā)和制定了適宜人工生物土壤結皮擴繁的基質和環(huán)境條件。

如何在野外條件下成功培養(yǎng)出人工結皮，是人工結皮固沙技術必須要突破的“卡脖子”問題。針對干旱、半干旱區(qū)大規(guī)模固沙植被建設初期地表穩(wěn)定速度緩慢、苗木成活率低的問題，研究團隊研發(fā)了“機械固沙措施+混合藻液噴灑+旱生灌木”的人工藍藻沙面固定模式。通過人工生物土壤結皮與草方格機械沙障相結合，10—16個月后即可形成穩(wěn)定的固沙層，風蝕量減少95%以上；固沙灌木成活率提高了10%—15%，補苗率降低了近40%，降低了固沙成本。研發(fā)的“遮陽網+無紡布+藍藻藻液+旱生灌木”的人工生物土壤結皮固沙技術則顯著縮短了人工生物土壤結皮實現固沙效果的時間，沙面穩(wěn)定時間顯著縮短至6個月以內，解決了沙漠公路邊坡固定周期長的問題。此外，針對沙化土地斑塊分布分散和已治理沙化土地沙面反復沙化等問題，特別是液態(tài)材料運輸困難和施工不便的區(qū)域，研究團隊研發(fā)了“固態(tài)生物土壤結皮接種體撒播+旱生灌木”的節(jié)水型人工生物土壤結皮快速地表穩(wěn)定技術，生物土壤結皮接種體撒播的方法提高了人工藍藻和藍藻-地衣結皮拓殖速率。以上成果獲得了寧夏回族自治區(qū)科技進步獎一等獎。

目前，生物土壤結皮高效固沙技術已累計在寧夏境內推廣4000余畝，取得了良好的經濟、生態(tài)和社會效益，節(jié)約了大量的防沙治沙成本。生物土壤結皮高效固沙技術是寧夏黃河“幾字彎”攻堅戰(zhàn)主要推廣的固沙新技術，該技術的大范圍推廣和應用將實現沙漠化土地治理的加速、提質和增效。