沙漠中的生存智慧

徐峰 张静 徐贵青 马健 李彦

都说沙漠是“死亡谷”，该区域生态环境恶劣，具有地温高、温差大、多风多尘、日照强、温度低等特点。特有的环境使我们认为这里应该没有多少生物存在，但走进沙漠，我们会发现这里并不乏生物种群，且因为沙漠环境的特殊性，生物类群、数量和分布也呈现了特殊的规律性和多样性。

“死亡之海”里的精灵

在新疆天山以南的塔里木盆地有一個大沙漠，名字叫塔克拉玛干沙漠，它是世界第二大流动沙漠。长期以来，塔克拉玛干沙漠都被人们称为“死亡之海”和“生命禁区”。但就是在这片“死亡之海”里，却分布着鸟类、兽类和爬行类动物，并且有些还是这个地区独有的物种，比如白尾地鸦。

地鸦是一类喜欢在地面活动的鸦科鸟类，这类鸟一共有4种，中国有2种，分别是白尾地鸦和黑尾地鸦，其他2种叫土库曼地鸦和波斯地鸦。因为白尾地鸦的尾巴是白色的，为了和黑尾地鸦相区别，所以被命名为白尾地鸦。除了尾巴是白色的，翅膀上有黑白色斑以外，白尾地鸦身体大部分区域是和沙子类似的土黄色，这可以使它们更好地融入沙漠背景中，不易被天敌发现。这种动物身体颜色与生活环境颜色一致或相近的现象，在动物学中被称为动物的保护色现象，是动物自我保护和适应环境的方式。

白尾地鸦主要生活在塔克拉玛干沙漠腹地和周边的区域。它们在这里的灌丛内部做巢，这样既隐蔽安全，又不用担心巢直接暴露在阳光下太热太晒。白尾地鸦喜欢在流沙区域寻找食物，由于脚趾较长，受力面积大，因此它们可以很轻松地在流沙上奔跑，而不用担心脚会像人在沙地上行走时那样陷入到沙子中去。白尾地鸦的鼻孔比一般的鸟要大，这样有利于散热，因为沙漠中昼夜温差大，在4月春季的中午，温度都可以轻松达到30多度。另外，它们的鼻孔中还有毛，这可以阻挡住相当一部分沙尘随着呼吸进入体内。

白尾地鸦的食物主要是当地的昆虫和蜥蜴等爬行动物，昆虫主要是各类甲虫，蜥蜴则主要是叶城沙蜥和南疆沙蜥。沙蜥通常白天出来活动，夏天中午沙漠温度高的时候，沙蜥会躲在沙子中挖的洞里休息，我们在野外就曾经看到过白尾地鸦在沙漠里用嘴一个一个挖沙蜥的洞，捕捉洞里的沙蜥或者沙蜥产的卵，带回巢里喂小地鸦。

白尾地鸦的天敌主要是猛禽，也就是我们通常叫作老鹰的一类鸟，从分类学上讲，它们包括鸢、鵟（kuáng）、隼等这几类鸟。2018年4月，我们开展白尾地鸦繁殖研究的时候，就拍到过一段白尾地鸦巢被棕尾鵟袭击的全过程。白尾地鸦的巢一般会建在比较隐蔽的灌丛中间部位，不易被发现，但是一旦被天敌发现，白尾地鸦几乎是毫无办法。棕尾鵟的体型比白尾地鸦大十多倍，一旦它们出现，白尾地鸦鸟妈妈就飞出巢，在离巢十多米远的地方发出报警的鸣叫。但是鵟已经发现白尾地鸦的巢了，它直接飞到巢里，把巢内的3只小白尾地鸦全部吞入肚子里飞走了，整个过程不到1分钟。

不可貌相的“荒漠地毯”

如果5月中旬前往新疆准噶尔盆地的古尔班通古特沙漠，你会觉得就仿佛置身于茫茫草原之中。为什么会有这种感觉呢？作为中国最大的固定和半固定沙漠，古尔班通古特沙漠分布有多种植物类群，包括小乔木、灌木、短命和类短命植物等，其中短命植物在这个季节盛开着五颜六色的花朵，十分漂亮。此外，你可能不会留意到沙漠地表生物土壤结皮的存在，因为从外观看，它是那么不起眼。但是，正是因为有了它的存在，才使得古尔班通古特沙漠披上了一层“地毯”，让沙漠不易起沙，从而有效维持了该沙漠地表的稳定性。

那么，究竟什么是生物土壤结皮呢？原来，它是由细菌、真菌、蓝绿藻、地衣和苔藓植物等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体。根据优势生物组分，可以将生物土壤结皮分为微生物结皮、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮。微生物结皮中的细菌、真菌、藻类是肉眼难以分辨的，只能借助显微镜放大后才能观察到;而地衣、苔藓则肉眼可见。理论上，生物土壤结皮的形成过程遵循从简单到复杂、从低等到高等的规律，其形成过程通常分为4个阶段：前藻结皮阶段、藻结皮阶段、地衣结皮阶段和苔藓结皮阶段。当环境条件适宜时，生物土壤结皮也可以不经历其中某个阶段而直接发育到更高级的阶段。

“荒漠地毯”最神奇之处在于它会魔术秀，能够“变色”。这是因为组成生物土壤结皮的苔藓植物是一类变水植物，对外界水分变化响应十分敏感。由于沙漠长期干旱少雨，苔藓植物往往处于休眠状态，呈黑褐色，一旦有可利用的水分时就能够迅速吸水呈现绿色。科学家对这一特殊的“变色”过程进行了深入研究，发现这类荒漠藓类植物在失水高达98%时也不会因缺水而死亡，有水时可立刻复活，复活时间只需要短短的5秒钟。因此，荒漠藓类植物这一神奇本领可用“干而不死（98%），死而复生（5s）” 这8个字形象地概括。

我们都知道，植物一般都是利用根来获取水分的，而藓类植物不具有真正的根，只有起支撑和附着作用的假根，那么，它是如何快速吸收水分的呢？通过对比实验，科学家发现荒漠藓类齿肋赤藓（Syntrichia caninervis）叶片顶端具有白色的毛尖，不但可以反射强光，降低表面温度，而且还能够吸收空气中的水分。也就是说，荒漠藓类植物吸水不用“根”，而是通过它的毛尖“自上而下”吸水。这一观点突破了以往荒漠植物“由下而上”吸收水分的传统认识，为人类在干旱区设计仿生集水器提供了思路和理论基础。

通过更进一步地研究，科学家发现荒漠藓类植物体内具有“开关”基因，在失水和复水等过程中起着关键作用。此外，荒漠藓类之所以能够在如此恶劣的沙漠生境中生存，必然有它自身的强大本领。研究发现，荒漠藓类植物体内具有丰富的抗逆基因资源，使其具有抗旱、抗寒、耐高温和耐贫瘠等抗逆特性。

干旱中的生存智慧

梭梭是一种藜科梭梭属植物，分布在年降水量为30～200 毫米的中亚干旱荒漠区。在中国主要分布在准噶尔盆地、塔里木盆地东北部、河西走廊、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠、乌兰布和沙漠，是国家三级濒危野生植物。古尔班通古特沙漠中植被的主要建群种是梭梭，它在防风固沙和保卫绿洲中履行着重要的生态功能。

作为一种超旱生小乔木，梭梭在长期适应干旱生境的过程中，形成了独特的形态结构，具备了特殊的生存策略。其枝干韧皮部极度退化，木质部非常发达、坚硬，表面呈灰白色，能够反射阳光照射，减轻水分蒸腾和高温对树体的灼伤。梭梭的叶子已经退化为鳞片，依靠新生绿色枝条（同化枝）进行光合作用。梭梭同化枝的保水能力很突出，非常不容易蒸发失水。同其他旱生植物相比，梭梭的同化枝细胞具有很强的渗透调节能力。为了避开夏季的酷热和干旱，梭梭还进化出夏眠的神奇特性，春季开花，子房夏季休眠，直到秋季气候凉爽再发育成熟果实。

对于多数植物而言，大气蒸腾消耗掉植物的水分，也使植物的叶片产生负压水势。叶片负压水势通过植物内部木质部导管向下传导，一直传导到植物的根部，把土壤水吸入根部;然后靠负压水势把水分提升到植物上部，又进入叶片。梭梭的叶片退化后，水分蒸腾就非常有限，梭梭同化枝细胞里面的液泡，可以存储大量的盐分物质，将盐分隔离起来，且只能进入不能渗出，从而减轻盐离子的伤害;更为重要的是形成很高的负的渗透势，使得梭梭同化枝有很高的负压，能够把水从含盐的干旱土壤当中吸上来。

在个体生长发育过程中，梭梭始终保持了生物量的地下优先分配—即优先长根。这是梭梭重要的生存策略：将光合产物投入地下，一方面在湿润的土壤斑块或土壤层生长和发育更多的吸水根，以获取水分维持存活;另一方面不断向下生长的主根，可以深达地下十几米，达到地下水位，通过汲取地下水规避夏季大气和浅层土壤干旱，确保植物的存活。

此外，在干旱地区，由于地表强烈的蒸发，通常认为5毫米以下的降水是无效降水。但是梭梭树冠特殊的无叶结构，可以实现对微量降水的引流，并形成沿树干和根系的优先流，最终进入土壤，在根区土壤储存，使根系能够有效吸收利用。梭梭的这种自集水功能，可以把1、2毫米的降水转化成植物可以利用的有效降水。由于梭梭的自集水功能，使得在主根的最前端存在一个土壤湿润锋面，基于根系的“向水性”，诱导植物的根系向下生长，穿过干沙层，扎入浅层地下水中，这也是梭梭为什么可以深根的一种解释，然而有关梭梭为什么可以深根仍然有更多的奥秘需要去探索。