中国绿色时报:沙漠是一种特殊的生态系统

作者:姚泽


  胡杨是生长在沙漠的唯一乔木树种 张健摄于塔里木沙漠


  甘肃、新疆境内的野骆驼自然保护区内的野骆驼群 高宏善摄


  库姆塔格沙漠羽毛状沙丘 姚泽摄


  姚泽
  提到沙漠,人们的脑海中会出现炎热枯燥、干旱少雨、万物不生、一片死寂的昏黄印象,抑或是狂风肆虐、飞沙走石、遮天蔽日的末日图景。沙漠通常被描述成人类在自然界可怕的敌人之一。
  地球表面的沙漠主要分布在南北纬15°-50°之间,有三大地区:一是南北回归线附近的副热带高压影响区,因大气环流由高空下沉而难以形成降雨,撒哈拉大沙漠属于这种类型;二是因远离海洋,空气含水量低,气候干旱,降水稀少,中国西北地区的沙漠属于这种类型;三是位于海洋冷洋流经过的区域,冷海水使得周边地区的近地面温度下降,近地表有云雾但无法形成降水而成干旱地区,南美洲的阿塔卡马沙漠属于这种类型。
  中国有八大沙漠四大沙地,分别为塔克拉玛干、古尔班通古特、库姆塔格、柴达木盆地、巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布其沙漠,科尔沁、毛乌素、浑善达克、呼伦贝尔沙地。我国的沙漠各有特色:塔克拉玛干是世界第二大、中国最大的沙漠,巴丹吉林沙漠有世界最高大沙山之誉,库姆塔格沙漠有世界独一无二的羽毛状沙丘,古尔班通古特沙漠是我国最大的固定、半固定沙漠,库布其沙漠通过人工防沙治沙和生态治理与修复而即将消失。
  在气候学家的术语里,沙漠指的是一种干旱气候类型;在生态学、地理学领域,沙漠则是一种特殊的生态系统与景观;艺术家对沙漠的认知与领悟,则是苍凉、空灵与穿越。
  其实沙漠和森林、草原、海洋、雪山等一样,是自然景观的重要组成部分。沙漠也是一种生态系统,只是由于水资源缺乏、植被极其稀疏、大片土地裸露、植物种类单调,构成该生态系统的各要素生物生产量低下,生态系统相当脆弱。但是,这里并不缺少生命和自然界的能量交换。
  荒漠生态系统中的水
  万物生长靠太阳,水是生命之源,任何一个生态系统都离不开太阳光和水资源。沙漠中阳光充足、光照强,具备万物生长的热能资源;而水是生命之源,沙漠里有没有水呢?沙漠中是有水的,只是存在的方式不同,大多数的水分不能被动植物有效利用而已。
  沙漠中的水有几种主要的存在形式:
  一种是自然降水,包括降雨、雪、雾、霜。研究表明,在沙漠中一次小于10毫米的降水属于无效水。因为,当一次降水量小于10毫米时,雨过天晴,降水会很快从地表蒸发于大气中。这部分降水基本下渗不到沙生植物的根部,因而得不到有效利用,也就是所说的无效水。
  一种为浅层水。这是通过自然降水入渗或地表径流下渗被存储于沙漠内部的水。沙漠表面的沙粒相对粗且缺乏粘结性,当表层水分蒸发后,在其表面形成一定厚度的干沙层,干沙层能有效阻断深层水分向上运动,很好地保护较深层水分的散失。当沙漠表面的水分蒸发时,毛管孔隙内的水因存在着水势差而向上运动。当沙漠表层水分蒸发后,表层的干沙层能有效阻断沙漠内部的水分向上运输,减缓了沙漠水分的无效蒸发,这部分水是沙生植物赖以生存的主要来源。水位调查发现,水位4-6米范围内的水分是保持沙漠植被群落最有效的水资源。当水位低于6米时,只能满足胡杨等深根性植物的生长,大多数的沙生灌木就较难存活。沙生植物为了有效汲取沙漠内部水分,有些根系可达10多米深。
  一种是凝结水。沙漠昼夜温差大,白天温度升高时,地表水分会很快蒸发于大气中,而夜晚气温又会很快降低,空气中的水蒸气遇冷凝结于植物或沙粒表面,当凝结量达到一定量时,凝结水会顺着植物的枝、叶、茎、杆渗于沙漠中,或被植物的枝、叶、茎、杆直接吸收,有利于植物的生长发育。
  还有一种是沙漠深层水。这部分水主要是由于地形隆起,地壳运动而形成断裂带,冰雪消融而形成的大量水源通过地下暗河顺势下流到低洼的丘间低地而露出地面,在沙漠中形成沙漠清泉。巴丹吉林沙漠的大多数湖泊属于此种类型。这些深层水因埋太深植物无法利用,只有在湖泊周边的浅层水能够被植物利用或者形成荒漠湿地。
  沙漠生态系统中的植物
  任何一个生态系统都离不开植物的基础能源的积累,植物对特定的生态环境具有重要的指示作用,沙漠生态系统也不例外。
  沙漠生态环境最显著的特点,一是干旱少雨、气候干燥,如甘肃省敦煌市多年平均降雨量为36.8毫米;另一个特点是风蚀沙埋,地表极不稳定,被誉为“世界风库”的瓜州多年平均风速≥17m/s的大风日数达68.5天,最多达105天。
  沙生植物又是如何适应如此严酷的生态环境的呢?其实植物的分布、种群的演替以及生态结构变化都是对生态环境的综合反应。有什么样的生境就会有什么样的植被,反过来,植被也指示所存在的生境特征。植物的分布是自然选择的结果,亦为“物竞天择,适者生存”。如白刺是一种典型的荒漠植物,主要分布于固定沙丘和半固定沙丘上;膜果麻黄分布于黏粒质低地或戈壁滩上;沙米、沙蒿则主要分布在流动沙丘上。植物的物候不仅是植物自身的生理现象,也是对外部生境、气候、水文条件的综合反映。
  在沙漠恶劣的环境条件下,沙生植物又是从哪里来的?其实,沙漠里有着丰富的植物种子库。沙漠中有不同的植物种群分布,这些植物种子成熟之后自动脱落,随风漂移,或随风沙运移到很远的沙漠后降落,又被沙埋而形成沙漠种子库。这些种子在环境条件不具备萌芽生长条件时,会一直处于休眠状态,有的可以休眠几年甚至几十年,而当降水量或环境条件能够满足植物生长发育时,这些存储于沙漠种子库中的植物种子会迅速发芽、生长、开花、结果,完成其生命周期。如被称为黄花补血草的黄花矶松的种子,可以在沙漠里存活10年以上,当一次性天然降雨量达到15-20毫米时,其种子很快发芽、开花、结果,完成整个生命周期不到2个月时间。
  不同类型植物的物候特征是不同的。沙生植物在生境条件极其恶劣的条件下,物候期会延后甚至停止开花、结实。这也是沙旱生植物自然选择的结果,为了适应严酷的自然环境,长期进化出了特殊的生存策略。
  沙生植物特殊的生理结构
  不同的沙生植物对沙漠环境适应的生理调节机理各不相同。
  调查研究表明,在沙生植物的表皮常覆盖有不同厚度的角质膜及发达的毛状体,这种结构不但能有效抑制植物体内的水分散发,而且有利于吸收和粘住凝结其上的水分,植物只有在蒸发的拉力大于粘着力时才释放水分。绝大多数沙生植物有厚实的细胞壁,使沙生植物的表皮具有良好的保水功能。当外界水分充足时,气孔张开,进行强烈的蒸腾呼吸作用;当外界水分亏缺时,气孔关闭,角质膜与表皮毛状体可有效防止水分散失。大多数沙生植物的气孔下陷,在减少光线辐射和水分散失方面有积极的作用,部分沙生植物叶片表皮细胞肥大,可起到存贮水分的作用。沙生植物通过减少蒸腾策略适应干旱缺水的环境。
  生长在同一沙漠地区的不同植物,有多种形式来适应环境。超旱生植物根系发达、叶退化,以便多吸收水分、减少水分散失,如梭梭、沙拐枣、麻黄等。肉质植物有很多贮水细胞,白天气孔关闭,减少水分蒸腾,只吸收光能进行光合作用,夜间气孔开放吸收二氧化碳,如仙人掌属植物。短命植物在有降雨时利用短暂的较湿润期迅速完成从萌发到结果的过程,以种子或地下器官度过不利时期。耐盐植物可直接利用盐碱浓度较高的水分,有的还能将盐分贮存在体内或从体表排出,如盐爪爪等盐生植物。
  此外,一些沙丘植物的茎基部和根有角质层、纤维鞘结构,可防止被炽热的沙粒灼伤,其特殊的叶片形态结构减少光辐射吸收、降低水分蒸腾、维持叶片水分平衡、降低细胞膜脂氧化。不同沙生植物维持叶片水分和氧自由基代谢平衡是其适应沙漠环境生存的重要生理调控机理。
  植物种类的贫乏造就
  简单的动物种类结构
  沙区植物种类贫乏、结构简单、覆盖度低。由于食物资源比较单调和贫乏,动物的种类不多,数量也少,常见的有昆虫、蜥蜴、啮齿类和鸟类。许多动物具有高度适应干旱环境的特征,如昼眠、夜间活动、长期不饮水、不具汗腺和排放高浓度的尿液等。
  荒漠环境严酷、生物种类多样性低、群落结构简单、自动调节能力差,所以,荒漠是个脆弱的生态系统。荒漠中的爬行动物和啮齿动物都在地下穴居生活,昼伏夜出,听觉极其灵敏,有些种类不需饮水,仅靠食物中的水分便可存活,有的则可依靠休眠度过极端干旱期。
  作者小传
  姚泽,男,甘肃省治沙研究所高级工程师,1994年毕业于北京林业大学水土保持与荒漠化防治专业,2006年获甘肃农业大学硕士研究生学位,多年来一直从事生态环境治理与生态林业方面的研究,先后完成我国八大沙漠和四大沙地的科学考察,主持完成10多项科研项目。E-mail:yaozemqq@163.com