生物结皮是干旱半干旱生态系统的特殊景观,它们是细菌、蓝藻、真核藻类、真菌、地衣和苔藓与土壤颗粒形成的有机复合体。它们在养分积累、水分保持、减少风蚀和水蚀、生物地球化学循环、促进植被演替等过程中发挥着极为重要的生态功能。根据生物结皮的优势物种组成可将其分为藻结皮、地衣结皮和藓结皮几种不同演替类型。藻结皮是生物结皮的早期演替阶段,随藻结皮的演替,生物结皮逐渐发育成地衣结皮和苔藓结皮。生物结皮在土壤养分累积和碳氮循环中起着重要作用,微生物介导了碳氮循环多个重要代谢过程,在土壤碳氮转化过程中发挥着重要功能。本研究以黄土高原典型沟壑区为研究区,选择裸沙、藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮,研究生物结皮演替过程中的养分变化规律以及微生物活性在此过程中发挥的作用,能进一步理解生物结皮在黄土高原生态恢复中发挥的重要生态功能,并为该区域生态恢复提供重要理论依据。主要研究结果如下:生物结皮演替有利于积累土壤表层及其下层土壤的碳氮养分,提高土壤肥力。生物结皮有机碳（SOC）含量随其演替过程呈显著增加趋势（P地衣结皮>藻结皮>裸沙。在结皮的下层,不同结皮类型的SOC含量也显著高于裸沙（P<0.05）,但三种生物结皮之间差异不显著。结皮层SOC含量均极显著高于下层土壤（P<0.01）,表明生物结皮极显著提高了土壤表层的SOC含量。结皮层土壤的TN含量、NH4+含量、NO3-含量的演变规律与有机碳相似,即随着结皮演替呈显著增加趋势（P<0.05）。结皮下层的土壤NH4+和NO3-含量,也在地衣结皮和苔藓结皮显著增加。结皮层TN含量、苔藓结皮NH4+含量均极显著高于其下层土壤（P<0.01）生物结皮演替能增加藻类和异养微生物的生物量。在结皮层,叶绿素a和b、类胡萝卜素、细菌、真菌生物量随着生物结皮的演替均呈显著增加趋势（P<0.05）。细菌、真菌、放线菌数量在结皮下层无明显差异。微生物量碳、氮是土壤的活性养分库,土壤表层的微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）亦随着生物结皮的演替显著提高（P<0.05）。土壤质地对生物结皮的微生物量具有一定影响,但差异不显著（P<0.05）。生物结皮演替能提高土壤碳氮转化相关酶的活性。在结皮层,大多数与碳分解相关的酶,如蔗糖酶、淀粉酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶的活性随着结皮演替呈显著增加趋势,而纤维素酶活性在藻结皮阶段最高,α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶活性在地衣结皮阶段最高。在结皮下层,多酚氧化酶活性均高于结皮层,且裸沙阶段、藻结皮、苔藓结皮达极显著水平（P<0.01）。在结皮层与氮素转化相关的脲酶、蛋白酶、亚硝酸还原酶、硝酸还原酶活性在生物结皮演替过程中与多数碳分解相关酶有类似的变化趋势,即呈显著增加趋势（P<0.05）。结皮层脲酶、蛋白酶和硝酸还原酶的活性均显著高于下层土壤（P<0.05）。结皮下层脲酶、硝酸还原酶活性也随着结皮演替呈显著增加趋势（P<0.05）。生物结皮演替通过降低p H、增加土壤含水量、提高SOC、TN、NO3-、NH4+含量等养分来改善土壤微环境,为异养微生物提供碳源和能量,促进细菌、真菌等微生物生长,微生物不同的功能群能够分泌蔗糖酶、α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、蛋白酶、脲酶、硝酸还原酶等多种土壤酶,降解淀粉、纤维素等含碳、含氮有机物,进而加速土壤矿化过程,促进养分积累。生物结皮的发育也有利于土壤腐殖质形成,提高土壤养分库的积累量。微生物量碳氮是土壤的活性养分库,能提高碳氮相关酶的活性,改善微生物分解能力,进而提高养分周转速率。