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因山地冰川退缩加剧、地质灾害和人类工程活动等,山区存在大量“新鲜”地质体和发育初期的生态系统。磷(P)的有效供给是这些“年轻”生态系统土壤发育和植被演替的必要条件。微生物参与P循环的各个阶段,而生态系统发育早期土壤微生物对P的生物有效性的影响程度和控制机理尚不明确。发育在冰川退缩迹地上的土壤年代序列一方面提供了用空间代替时间,研究成土早期微生物和P循环在世纪尺度上演化规律的条件;另一方面有助于利用环境因素、微生物特征和P的生物有效性的明显变异,探讨成土早期微生物对P的生物有效性的影响程度和控制机理。 本研究选区海螺沟冰川退缩区为研究对象,设置了冰川退缩年龄约为2年(样点1)、35年(样点2)、45年(样点3)、85年(样点4)和125年(样点5)的5个采样点和一个年龄约为1400年(样点6)参考点。在调查生态系统基本性质和养分状况的基础上,分析了土壤微生物群落和P循环的演化特征,并探讨了微生物量P和微生物参与的有机P矿化过程对P的生物有效性的影响。主要研究结果和结论如下: (1)冰川退缩区发生快速的土壤有机C、N积累,N的养分状况在不同演替阶段差异明显。在发育125年后,土壤有机C和N的积累速率分别为55.6和3.4 g m-2yr-1,其中有机层对有机C、N的积累的贡献明显超过矿质土壤表层。冰川退缩后125年内,固氮灌丛阶段(35yr)的N养分状况最高;退缩~1400年后,N养分状况明显高于之前演替阶段。 (2)PLFA分析和氯仿熏蒸提取结果显示海螺沟冰川退缩区微生物的群落组成和微生物量随演替阶段而异。微生物真菌细菌比和有机层微生物量(浓度)普遍在固氮灌丛阶段达到最高,体现了植被类型对微生物群落结构的影响。土壤C含量与微生物量的关系、微生物C∶N∶P计量比和土壤酶活性计量比的分析结果显示,C可能是海螺沟冰川退缩区土壤微生物的主要限制因子。 (3)退缩区土壤P的生物有效性随演替阶段发生明显变异。土壤P的生物有效性的分布与N类似,冰川退缩后125年内,在固氮灌丛阶段最高,退缩~1400年后,明显高于之前阶段。在退缩区的各演替阶段,土壤微生物P储量与植物P储量比较接近(微生物P储量与植物P储量比例为0.3-2.7),是生物P库的主要组成部分,体现了微生物量P周转在生物有效态P更新中的作用。土壤有机P储量随土壤发育快速增加(发育125年后积累速率为0.08 g m-2yr-1),说明有机P矿化过程对生物有效态P供给的贡献逐渐增加。 (4)微生物量P一方面是生物有效态P的潜在来源,另一方面对溶解和弱吸附态无机P起固持作用。在野外条件下,微生物量P与生物有效态P(Hedley方法)呈显著正相关(R2=0.40,p<0.0001),说明微生物量P是生物有效态P的潜在来源;微生物量P与resin-Pi和P的释放速率没有线性关系,说明微生物对无机P固定与土壤中无机P的释放处于动态平衡,使溶解和弱吸附态P处于较低水平。极端条件下(如干湿、冻融交替),微生物量P释放导致生物有效态P增加,这体现在微生物量P与风干处理后resin-Pi的增加显著正相关(R2=0.65,p<0.0001)。另外,在风干处理过程中微生物量P的释放是导致基于Hedley方法计算的生物有效态P储量与植物P养分状况不一致的重要原因。 (5)土壤发育早期,微生物对C的需求可能是驱动土壤有机P矿化的主要机制,这一过程对演替早期植被的P养分获取有重要意义。退缩区土壤中有机P的矿化速率主要受C的矿化速率影响(R2=0.41-0.69,p<0.0001),而与P的生物有效性相关性较差(R2=0.05-0.09,p≤0.05);在C矿化速率较高时,磷酸根在微生物细胞内发生积累(微生物量C∶P计量比低至8∶1),表明磷酸根可能作为C矿化的副产物释放出来;发育早期(2-125年),土壤有机P和C按计量比同步积累(R2=0.85,p<0.0001)。这些证据表明成土早期土壤有机P的矿化受微生物C矿化过程的驱动。因为发育早期植被快速演替过程中有较大的P需求并可能受P限制,C驱动的有机P矿化对演替早期植物的P养分获取意义重大。 本研究有助于理解生态系统发育早期P的生物地球化学循环和植被的演替规律,也可以为恢复和管理由冰川退缩、地质灾害和工程活动导致的“新鲜”地质体提供理论支持。