全 文 ：第 13卷 第 1期
2 0 0 5年 1月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VoI．13 NO．1
Jan．， 2005
干旱半干旱地区人工地衣集雨面营建潜力探析*
冯学赞 张万军
(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050021)
摘 要 简析了地衣生物学与生态学特性、地衣土壤结皮形成和特性及其对土壤水文过程的影响，探讨 了人工地
衣作为集雨材料用于干旱半干旱地区雨水收集的可行性。指出人工地衣可用于干旱半干旱地 区集雨面的营建 ，且
为极具潜力的绿色环保型集雨材料。
关键词 地衣 地衣土壤结皮 降雨入渗 径流 集雨面
Potential of artificial lichen used as rainwater catching materials in arid and semiar id regions．FENG Xue—Zan，ZHANG
Wan—Jun(Center for Agricultural Resources Research，Institute of Genetics and Developmental Biology，Chinese Academy
of Sciences，Shijiazhuang 050021)，CJEA，2005，13(1)：156～159
Abstract The biological and ecological characteristics，formation and functions of lichen soil crust and its effects on the
process of soil hydrology are analyzed，and the feasibility of artificial lichen used as rainwater catching materials in arid and
semi—arid areas is discussed．It is concluded that artificial lichen can be used as a green environment protecting materials tO
construct the rainwater catching site in arid and semi—arid areas．
Key words Lichen，Lichen soil crust，Rain infiltration，Runoff，Rainwater catching site
干旱半干旱地区地下水资源十分匮乏，而雨水集流系统是雨水资源开发利用的基础，其主要 目标是采
取人工措施将产生于集流面的径流拦截蓄集、净化和利用，提高自然降雨利用效率⋯。其中集流面是雨水
集流系统的重要组成部分，具有改变地表土壤结构，减少雨水向土壤中入渗 ，增加地表径流的功能。由于营
建材料(集雨材料)直接影响集流面表面特征和水文过程，故与集雨效率密切相关，对雨水利用的成本和效
益起着决定性作用。我国已应用的集雨材料有三合土、瓦、塑料膜、油毡、沥青、混凝土和粘土夯实等⋯，一
般基于不同地区环境条件和经济状况及不同目的选择应用，如 自然集雨面、粘土夯实集雨面以及塑料膜集
雨面较经济实用且易于推广，而混凝土硬化集雨面造价较高，多与庭院和道路建设相结合。近年来随着我
国经济发展和生态建设的需要 ，研制开发适合干旱半干旱区应用的新型低成本、高效率坡面集雨材料和绿
色环保型集雨材料等已成为雨水利用的研究热点。鉴于藻、苔藓和地衣等低等植物可紧贴地表形成密实的
生物土壤结皮，具有减少入渗增加径流，保护土壤免于侵蚀的功能和可改变土壤水文过程的特性 ，本研究应
用地衣、苔藓等低等植物收集雨水，以期为人工集雨面的营建提供新型绿色环保型集雨材料。
1 地衣生物学与生态学特性
地衣是藻类和真菌以紧密而特殊的共生关系形成的复合真核生物体，藻类和真菌细胞被胶质蛋白连接
在一起，藻细胞完全被菌丝所包围而形成原植体_2．9 J。地衣原植体从上到下可分为上皮层、藻胞层、髓层和
下皮层，皮层位于地衣体最外层，由相互交织的真菌菌丝组成，菌丝被多糖融合一起形成壳状，保护藻类细
胞免遭机械损伤及强光照射 ；藻胞层 由藻类细胞构成，位于上皮层与髓层之间，是地衣光合作用的主要场
所，有足够的空间储存空气和水分；髓层由蛛网状疏松交织的菌丝所构成，容纳大量水分和地衣产物，胶化
菌丝保水能力很强。地衣共生体依赖其中藻类的光合作用提供 C源 ，并通过菌丝组织的吸水与失水过程积
累矿物盐供藻细胞光合作用所需_3．4．9 J。人工培养结果表明分离培养的菌和藻与地衣共生体菌藻其结构、生
理、化学和遗传均有较大区别_2 J。地衣共生体并非真菌与藻类的简单加和，而是经过长期的相互作用演化
而成的既不同于真菌又不同于藻类的生物体 ，特殊结构和生理生化特性使其对恶劣环境的适应性明显强于
*国家高技术发展(863)计划重大专项(2002AA2Z405)和国家高技术发展(863)计划项 目(2001AA24201卜1)共同资助
收稿 日期 ：2003—12—29 改回日期：2004—03—03
第 1期 冯学赞等 ：干旱半干旱地区人工地衣集雨面营建潜力探析 157
组成地衣的2种生物体和其他植物，是 2种生物体相互适应并适应环境的产物。
地衣皮层和外皮层中通常含有由真菌和藻细胞分泌的特殊地衣物质，多为次生脂肪族和酸的代谢产物
如地衣酸、地衣缩酚酸、石蕊酸和巴美灵等，它们通常为结晶或不定型沉淀物附着在菌丝表面，一般不溶于
水或难溶于水-4 J，在菌丝表面形成 1层具有很强拒水作用的疏水层；很多地衣外皮层中还存在非细胞多糖
片，且具极强粘着性，将皮层菌丝细胞紧密而有力的粘接在一起。地衣的特殊共生结构使其具有与其他植
物不同的水分关系，一是地衣在干燥状态下停止生长，一旦水分状况变好则原植体快速吸收水分，立即恢复
生长并迅速修复损伤的膜。有试验研究表明保持完好的干燥地衣在重新浸润条件下可继续进行光合作用，
干燥时间最长可达 5年以上，最短为 60d左右-4]，这使地衣可充足利用短暂的水分适宜时期，迅速扩大生物
体。二是地衣体水分超饱和状态时地衣光合作用受抑，约降低 1／3左右；地衣体潮湿而非水湿时其光合作用
效率达最高值-1 。三是光合共生物为绿藻的地衣中其藻细胞含高浓缩多元醇，使细胞具有从空气中吸收水
分的能力，不需液态水而能由干燥休眠状态转 为生理活跃状态 ，并可依赖空气中的水分进行生理活
动-5．1 0-n]。地衣特殊的水分需求使其能在干燥环境中保持活力，条件适宜时无需重新萌发新的原植体 ，即
可充分利用较少或短暂降雨而迅速生长。因此干旱半干旱地区土壤水分条件对地衣生长的限制显著低于
其他植物，不会成为制约地衣生长的关键因子。
2 地衣生物结皮形成特性及对入渗与径流的影响
土壤生物结皮是由不同种类苔藓、地衣、藻类、真菌和细菌等与其下层很薄的土壤共同形成复合体[3]，
一 般厚 1～2mm。在菌丝体与藻丝体相互编织产生的束缚力和胞外聚合物胶结力的作用下，藻丝、菌丝和土
壤表层几毫米的松散颗粒相互粘结在一起 ，形成 1层具有固化和保护土壤免于侵蚀作用的混合层，因其含有
1层由胶粘有机质及其吸附的无机降尘共同构成的有机层 ，生物结皮强度明显高于物理或化学过程形成的
土壤结皮-6]。生物结皮的存在可改变荒漠生境，增加 N、C和 P含量，促进土壤异养微生物的生长，改变荒漠
生境中物种多样性、土壤结构和水分状况，促进土壤发育和维管植物生长[ 。地衣土壤结皮是生物土壤结
皮的重要组分，地衣结皮蔓延覆盖在土壤表层，显微结构观察表明土壤表层有 1层由地衣丝状体形成的膜状
物紧贴于地表，是被地衣产物致密粘结在一起的菌丝体，其膜状层向外延伸的菌丝、藻丝和假根将土壤颗粒
以及土壤中其他物质粘结在一起形成 1层混合致密层 ，与膜状层共同构成地衣土壤结皮。地衣土壤结皮中
真菌的胶粘纤维丝使土壤颗粒、生物降解的植物残体等相互紧密连接，而由藻和真菌细胞产生的聚合物也
是菌丝、有机物和土壤颗粒之间结合的重要粘合剂。胶粘纤维丝和胞外产物使地衣土壤结皮对土壤水分入
渗和表面稳定性的影响明显大于其他种类结皮-8 J，共生特性使地衣土壤结皮固 C能力明显高于藻类结皮 ，
而以蓝藻地衣为主的结皮则固 N能力较强。
土壤上层水分循环与土壤稳定性、土壤结构、有机质含量、土壤粗糙度和微地貌等特征相关，而土壤入
渗速率由水在土壤表层滞留时间和土壤渗透性的相互作用所决定。生物结皮可在土壤表层形成 1层极薄的
光滑网状膜，使土壤表面微地貌粗糙度降低而光滑度增加 ，有利于地表径流的产生-1 ，并大幅度降低土壤渗
透性，研究表明干燥的生物结皮吸水膨胀后其生理过程变得活跃，其中粘质蓝藻体积膨大 13倍可封闭土壤
表层水流孔隙-1 。低温扫描电子显微镜对地衣与入渗关系的研究结果表明[15,16]，由于地衣上表皮具有
明显不透水特性，当地衣上表皮有裂隙存在时其原植体 内才会出现胞间水，研究显示向原植体表面喷水
15min后仅在表面形成 1层水膜，但用丙酮清洗上表皮后则发现胞间水，这说明地衣上表皮物质具有明显疏
水性 ，可有效阻止水穿透表皮向下层入渗。大量试验验证了生物结皮可增加地表径流，如以色列干旱半干
旱沙丘和丘间低地生物结皮使沙丘坡面径流明显增加而减少入渗-12 ；Eldridge D．J．等-17]对土壤生物结皮
与入渗的关系研究结果表明，若去除黄土山坡地衣结皮其入渗增加3～5倍。地表径流还与生物结皮生物量
有关，研究表明 29-41mg／cm2叶绿体含量的地衣山坡径流量为 17mg／cm2叶绿体含量地衣山坡径流量的 3
倍-1 8l。由表 1可知腾格里沙漠地区固定沙丘不同部位生物结皮对降雨入渗的影响十分明显，沙丘对降雨入
渗率通常为 100％-l引，当降雨量>10mm时沙丘通常无干沙层，而当沙丘表层有生物结皮时沙丘剖面仍有干
沙层存在 ，生物结皮使入渗深度降低 ，入渗量减至 36％～74％(表中未列)。笔者采用双环法测定人工地衣
集雨面入渗速率，并测定了布设 60d的径流小区不同材料集雨面径流系数结果见表 2。由表 2可知人工地
衣集雨面入渗速率仅为自然土面的 1／10，且低于混凝土面，这说明人工地衣可有效阻止雨水入渗；1次性降
雨量为9．2mm时人工地衣集雨面径流系数(为39．66)比自然土面高 1倍多；塑料膜面渗透性虽为 0，但因其
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表 1 腾格里沙漠固定沙丘不同部位生物结皮对降雨入渗的影响[ ’】
Tab．1 Effects of biocrust in different parts of sand dune on the precipitation infiltration
表 2 不同集雨面入渗速率与径流系数比较
Tab．2 Infiltration rate and runof coefficient in different rainwater catching surface
*表中一为试验未安排，径流系数 =(径流量 雨量)× 100％；**由李小雁，龚家
栋 研究结果计算得出。
应用时问较长已开始破损 ，其径流
系数(仅为 31．28)低于人工地衣集
雨面；1次性降雨量为 21．9mm时各
集雨面径流系数均有所升高，但人
工地衣集雨面径流系数仍高于自然
土面和塑料膜面。
3 地衣土壤结皮抗水蚀作用
地衣结皮增强了土壤团粒稳定
性 ，减少流水对地面的冲蚀；其分泌
的有机凝胶体和多糖与地衣菌丝体
将土壤颗粒紧密粘结 ，增加了土壤颗粒体积，并相应增加其质量和表面积形成致密抗蚀层，将降雨产生的径
流与表土疏松层隔开，保护土壤免受雨水的侵蚀。大量研究表明生物结皮具有减少土壤水蚀的作用 ，为物
理结皮的 3～5倍-2刨；澳大利亚半干旱林地生物结皮可有效减少土壤表层沉积物的损失，抵御雨后径流的冲
刷[ ；Eldridge D．J．等[ ]研究证明生物结皮覆盖度与水蚀量有极强相关性 ，即当生物结皮覆盖度增大时总
侵蚀量呈指数递减，且沉积物中粗物质比例增大；Alexander和 Clavin-2lJ研究结果表明地衣覆盖样地比裸地
被侵蚀的沉积物明显减少。
4 人工繁殖地衣与集雨面营建
地衣为孢子植物，能在恶劣环境条件下产生营养繁殖体 ，通过无性繁殖方式形成新的植物体，其繁殖体
为粉芽、珊瑚芽、藻质孢子及各种不同菌体如小裂片、小翻片、碎片乃至整体地衣，自然状态下通过不同传播
途径如水流、昆虫、小动物和风等落于适生介质上，条件适宜时繁殖体即可萌发而生长 3’5j，且地衣异地繁殖
成功率很高。本研究表明适宜条件下可实现人工地衣批量生产，以石果衣为例，以田园土基质上长有地衣
的2～5mm厚表土作为繁殖母体。环境温度保持 20～35。C，光照保持 0．2～1万 lx，土壤含水量为田问持水
量的 50％～80％。空气相对湿度 85％～95％，培育 30d左右人工地衣覆盖率可>80％。人工地衣集雨面营
建即地衣的异地繁殖过程，依据地衣无性繁殖原理可实现大面积地衣植被建造。本研究结果表明在半干旱
太行山土层较厚的山地去除地表杂草和灌木并整平 表3 不同集雨面集雨效果比较
压实后。每年 4～7月份或 9～10月份撒种带有地衣
的表土．并施用保水剂或以塑料膜保湿，2～3个月后
可形成覆盖率>80％的地衣植被。由表 3可知地衣
集雨面平均集雨效率低于混凝土面和塑料膜面处
理 。但高于土面夯实处理，由于很多种地衣生命期最
长可达 200年以上，因此地衣集雨面使用年限远长
于任何其他材料；且随时问的延长而地衣覆盖率不
断增加，集雨效率不断提高，故地衣为持久性极强的
Tab．3 Comparison of rainwater catching efects among diferent surfaces
* 由李小雁，龚家栋 t 研究结果计算得出。
集雨材料。人工营造地衣集雨面所用材料多为 自然生长或简单人工繁殖 ，故其成本明显低于混凝土面和塑
料膜面处理 ，因此地衣可成为优 良的集雨面营造材料，其应用前景十分广阔。
地衣作为特殊的真菌和藻类共生体 ，对恶劣环境的适应力极强，可在其他植物无法生长的环境中形成
第 1期 冯学赞等 ：干旱半干旱地区人工地衣集雨面营建潜力探析 159
优势群落，尤其是干燥环境中可长期保持活力，并能利用空气中水分进行正常生理活动。地衣群落在土壤
表面形成 1层致密结皮，可改变土壤水文进程，减少入渗而增加径流，并有效防治水土流失，因此地衣是干旱
半干旱地区人工营建集雨面的理想绿色环保型集雨材料。在我国广大干旱半干旱地区大力开展试验示范
与推广应用地衣收集雨水，利用其强大的无性繁殖能力、极强的耐旱性和显著降低土壤入渗率功能，营建人
工地衣集雨面，对提高雨水利用率 ，缓解水资源缺乏，改善生态环境 ，弥补我国生物集雨材料研究与应用的
不足意义重大。目前我国对地衣土壤结皮及其与土壤水文过程的关系以及地衣人工繁殖研究尚较少，今后
该方面研究应以地衣生物结皮分类、理化性状及生态特性为重点，以收集雨水为目的，系统研究地衣生长规
律及其对降雨再分配的影响以及人工营建地衣集雨面配套技术体系，以促进生物集雨材料的应用，为干旱
半干旱地区发展新型绿色环保型集雨材料寻求有效途径。
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