生物土壤結皮是由藻類、地衣和苔蘚等生物類群與土粒形成的生物復合體。生物土壤結皮作為重要的地表覆被，對地表穩定、土壤養分循環及水文過程至關重要。陸生絲狀藍藻通過藻絲纏繞及分泌胞外聚合物（EPS）膠聯土粒。陸生絲狀藍藻可通過伴隨EPS分泌的滑動運動對環境變化作出趨利避害的響應 ，因此其運動過程與生物土壤結皮結構的構建、擴張及抵抗沙埋的能力相關。當前，藍藻在生物土壤結皮內的運動過程及其參與結皮結構構建的機理未被厘清，其主要原因在于缺乏對生物土壤結皮內部特別是生物量的實時觀測手段。
中國科學院新疆生態與地理研究所科研團隊基于X射線斷層掃描顯微成像技術（X-ray microCT），通過樣本染色處理，突破了生物土壤結皮中有機物成像后對比度低、難以分辨的難點，實現了生物土壤結皮結構與其中藍藻生物量微米級分辨率的三維成像。同時，基于機器學習技術，團隊開發了可精準識別生物土壤結皮X-ray microCT圖像如土粒、藍藻藻絲、EPS、孔隙等不同組分的半自動化圖像處理流程，解決了人工圖像處理耗時長、依賴肉眼主觀判斷識別等問題，實現了快速、高精度的圖像數據解析。通過上述研究，該團隊獲得了生物土壤結皮在水分變化以及沙埋下的結構變化、生物量分布變化的in situ時間序列圖像集，并對其進行了量化解析。
研究發現，濕潤后，脫水的以藍藻為優勢物種的生物土壤結皮內部藍藻生物量尤其是EPS，可幾乎瞬間吸水膨脹至干燥體積的4至8倍，從而降低結皮內部孔隙率及其表觀水利半徑，提升孔隙結構曲折度，并導致藻結皮濕潤后飽和水導度下降。相比于地衣或蘚類為優勢物種的生物土壤結皮，藻結皮無明顯可見的連續地上生物量，但結皮層存在由EPS形成的連續結構，因而更易引發地表徑流。相對地，膨脹的生物量填充結皮孔隙以及穩定結皮在濕潤狀態下的結構提升了藻結皮抵抗水蝕的能力。
研究顯示，具鞘微鞘藻作為藻結皮優勢物種，可利用其分泌的EPS在藻結皮內部形成與其藻絲束共有膠鞘相連接的管狀結構，將位于結皮表面下方約300μm的M. vaginatus藻絲束與結皮表面連通。為在干燥脫水的藻結皮中M. vaginatus處于休眠靜止狀態，在藻結皮復水數分鐘內，M. vaginatus即可以藻絲束為集體的形式通過管狀EPS結構向地表運動。這些EPS管狀結構為M. vaginatus的滑動運動提供了既有的EPS基質，降低了其滑動成本。EPS作為物理屏障，其內部形成含水量的梯度并對藻絲運動進行導向，使其在藻結皮濕潤期間向地表運動以及在干燥時反向返回結皮內部。EPS管狀結構更大的水力半徑可協助藍藻在小降雨事件和降雨初期獲取水分，并通過其保水功能增加藍藻響應干燥的時長，使荒漠藍藻可在更加干旱環境中生存。
研究發現，沙埋后，即使在濕潤狀態下，藻結皮表面已存在的EPS不足以穩固固定新沉積的土粒，原因或是土粒與已存在的EPS接觸面積有限，無法產生足夠的膠合力。而沙埋后持續數小時濕潤可使原本聚集成束的藻絲在沙埋層內通過運動進行擴散，除藻絲纏繞外，藻絲為達成在新沉積土粒表面的滑動運動所分泌的EPS，增大了藻絲與土粒的膠合面積，在沙埋層內形成單根藻絲相互連接并通過EPS膠聯的土粒-藻絲三維網絡結構，從而穩固固定土粒并向上擴張結皮結構。
結果表明，生物土壤結皮中的絲狀藍藻可在降水后迅速恢復滑動運動，但短時間濕潤不足以支撐藻結皮擴張或散沙固定。因此，在自然條件下，藻結皮的擴張主要依靠較長時長的濕潤窗口，如溫帶荒漠的融雪期以及持續數小時的降雨事件。相比于地衣和苔蘚，藍藻可通過在基質內的滑動運動響應沙埋并快速擴張結皮結構。上述結皮結構擴張過程除垂直擴張外，亦可適用于藻結皮的水平橫向擴張。因此，在基于人工藻結皮地表修復技術應用方面，該研究發現在接種藍藻后保持數小時濕潤可促進結皮結構快速形成。
相關研究成果發表在《創新》（The Innovation）上。研究工作得到新疆維吾爾自治區“天山英才”培養計劃等的支持。
論文鏈接
樣本染色處理與X射線斷層掃描成像以及基于機器學習的圖像集量化解析
陸生絲狀藍藻主導荒漠藻結皮擴張的過程
本文鏈接：研究發現生物土壤結皮中藍藻通過運動適應荒漠地表環境變化并實現結皮快速拓展http://www.sq15.cn/show-12-1242-0.html
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