多糖在生物土壤结皮发育及演替中的作用

As the main cementing substances in biological soil crusts (BSCs), the importance of polysaccharides in assessing the soil stability of BSCs has long been acknowledged. However, few works have studied the role of polysaccharides in the development of BSCs. In this study, the man-made BSCs in the field station of Inner Mongolia were used to investigate as follows: (1) through the investigation of the distribution and the relationship between total carbohydrate production, biomass and soil organic carbon (SOC) in response to the dynamic variations of microenvironmental factors, so as to analyze the developmental levels of BSCs; (2) this study firstly divide carbohydrates in BSCs as variance colloidal polysaccharides and combined polysaccharides, and analyze the decomposition process of soil polysaccharides through carbohydrate contents, monosaccharides composition, carbon chain length and molecular-weight distribution, so as to assess the developnental level of BSCs; (3) the analysis of photosynthetic charactestics and the composition of polysaccharides of cell wall in organisms isolated from the different developmental stages of BSCs, and combined with the microenvironmental factors, to elucidate the key factors of BSCs in algal crust to mosses crust by using the polysaccharic indicator. Basis on these investigations, this study systematically analyze the key role of exopolysaccharides and cell wall polysaccharides in the assessing the level of development and succession of BSCs, and thus reveal the mechanism of the primary soil formation develop the academic desertification prevention technology in desertified areas.

作为生物土壤结皮中的主要胶结物质，多糖在评估结皮稳定性上的重要性一直受到关注，但在结皮发育中的研究较少报道。本项研究以内蒙古试验基地野外人工结皮为材料，通过调查原位不同发育阶段的结皮中糖类分布状况，以及模拟环境因素对产糖动态规律的影响，分析多糖响应结皮发育及演替的程度；首次采用保守的结合多糖、高度变化的胶体糖类来划分结皮中糖类，通过其含量、单糖组成、碳链长及分子量分布等变化来评估结皮的发育水平；从不同演替阶段结皮的有机体中分离初生细胞壁研究其特征糖类组成变化，以及结皮光合特性变化，并结合环境因子分析等，揭示藻类结皮向苔藓结皮演替过程中多糖的指针作用及产糖规律的影响因素。在此基础上，从结皮中胞外多糖及细胞壁多糖等层面，系统分析多糖在评估结皮发育程度及在不同演替阶段中的指针性作用，从而揭示荒漠结皮形成及发育的机理，并为发展荒漠化防治技术提供理论基础。

本项研究针对荒漠区结皮中胞外多糖及细胞壁多糖等层面，系统分析了多糖在土壤成土、评估结皮发育程度及在不同演替阶段中的指针性作用。具体为：.（1）研究了结皮中胞外多糖在发育过程中的大分子变化规律。不同龄人工结皮的土壤酶活性，以及胶体多糖（C-EPSs）与结合多糖（TB-EPSs）的分子量分布和单糖组成。结果显示，从不同龄结皮中提取的C-EPSs和TB-EPSs含量接近，但其单糖组成与分子量分布却存在差异。不同年龄结皮中TB-EPSs的高分子组成和化学性质并没有显著差异；但C-EPSs中低分子量部分含量随结皮年龄的增长逐渐减少，单糖种类也有所增加；土壤中与糖代谢有关的脱氢酶和蔗糖酶活性更高，其变化与C-EPSs中低分子量部分的含量具有显著相关性。.（2）研究了荒漠藻胞外多糖与矿物颗粒吸附效应。荒漠藻胞外多糖与矿物质有强烈吸附作用并能使小粒径矿物团结成大粒径颗粒。与胶体多糖相比，结合多糖具有更强的吸附结合性能；丝状蓝藻胞外多糖比绿球藻胞外多糖具有更强的吸附结合性能，增加了结皮的强度。.（3）研究了生物土壤结皮演替过程中微生物群落结构、物种组成及氮循环过程的变化规律。在结皮演替过程中，蓝藻种群经过拓殖之初的增长之后逐渐衰退最终趋于稳定；细菌种群多样性逐渐提高；苔藓种群先增长至占绝对优势，然后优势地位开始下降；真菌种群随地衣的拓殖而增长，随苔藓的拓殖、地衣的衰退而衰退。微生物主要的碳固定物种由蓝藻、绿藻、地衣逐渐转变为苔藓以及高等植物，主要的氮输入途径逐渐转变为以蓝藻、地衣、放线菌、根瘤菌为基础的复合氮循环途径。碳、氮营养的持续增加使结皮生态系统物质不断积累，并驱动生物土壤结皮向更高级群落演替。.（4）研究了维管束植物对生物土壤结皮发育。研究发现，维管束植物对环境因子、土壤结构及营养、有机质的组成等有一定的改善作用，进而导致冠幅内结皮厚度、叶绿素a、总DNA含量较高，即植物冠幅内结皮发育程度高于冠幅外。冠幅内结皮发育成为地衣甚至苔藓结皮，而冠幅外结皮仍为蓝藻结皮。