多尺度视角下的干旱区“肥沃岛效应”：地貌与斑块类型共同驱动奇瓦罕沙漠土壤肥力格局

本研究针对干旱区生态系统中的“肥沃岛效应”（FIE）多尺度驱动机制展开研究。研究人员通过分析奇瓦罕沙漠四种地貌单元下灌木、草本、生物结皮（biocrust）和裸地斑块的土壤理化特性、微生物群落结构与酶活性，揭示了地貌尺度土壤地质形态特征与斑块尺度生物过程的交互作用。结果表明：生物结皮与植被斑块均能显著提升土壤肥力；地貌背景通过土壤质地差异影响FIE强度；而斑块类型对养分获取策略的影响具有跨地貌一致性。该研究为理解干旱区生产力格局的多尺度调控机制提供了新视角。

　　

在广袤的干旱区，植被往往以斑块形式零星分布，形成独特的“肥沃岛”——这些被灌木或草本植物覆盖的斑块区域，其土壤养分、水分和微生物活性显著高于周围裸露的斑块。这种现象被称为“肥沃岛效应”（Fertile Island Effect, FIE），是维持干旱生态系统生产力的关键机制。然而，传统研究多聚焦于植物驱动的FIE，忽略了生物结皮（biocrust）——由蓝细菌、藻类、地衣和苔藓等构成的土壤微生物聚集体——可能发挥的类似作用。此外，FIE的形成是否受更大尺度的地貌因素调控，以及不同土壤深度下FIE的表现如何，仍缺乏系统研究。

针对这些问题，来自美国德克萨斯大学埃尔帕索分校等单位的研究团队在奇瓦罕沙漠胡拉达实验基地（Jornada Experimental Range）展开研究，成果发表于《Cambridge Prisms: Drylands》。该研究通过多尺度分析（地貌、斑块类型和土壤深度），揭示了生物结皮与植被斑块在提升土壤肥力方面的等效性，并证实了土壤地质形态背景对FIE强度的重要影响。

研究人员选取了冲积平原、侵蚀陡坎、冲积扇坡和冲积扇残体四种地貌单元，在每个单元内分别采集灌木（tarbush, Flourencia cernua）、草本（tobosa grass或bush muhly）、生物结皮斑块及裸地斑块的土壤样本，分表层（0–2 cm）和亚表层（2–30 cm）进行系统分析。关键实验技术包括：土壤理化性质分析（粒径组成、pH、电导率、总碳与无机碳含量）；微生物群落磷脂脂肪酸（PLFA）分析；10种胞外酶活性测定（包括C、N、P获取酶和氧化酶）；土壤养分有效性评估（NO₃^–、NH₄⁺提取，以及基于DeLuca法的生物有效性磷分组提取）。通过相对相互作用指数（RII）量化FIE强度。

研究结果主要体现在以下方面：

1. 地貌尺度差异显著影响FIE强度

土壤质地与电导率等地貌属性显著影响FIE表现。例如，微生物生物量与多样性的FIE在坡顶地貌（冲积扇残体）最强，而养分有效性FIE在坡底细质地土壤中更显著。氧化酶活性FIE在侵蚀陡坎为正效应，在冲积扇坡为负效应，体现了地貌对生物化学过程的调控作用。

2. 斑块类型对FIE的影响具有跨地貌一致性

尽管地貌背景差异显著，灌木、草本和生物结皮斑块均表现出显著的FIE，且在多数指标（如有效养分、酶活性）上无显著差异。唯一例外的是，生物结皮斑块下氮获取酶活性FIE显著低于灌木和草本，反映了不同生物类型在养分获取策略上的微差异。

3. 土壤深度调控FIE的表现

表层土壤的FIE普遍高于亚表层，尤其是有机碳、C和P获取酶活性。这表明生物活动主要集中在土壤表层，但也强调了在评估FIE时考虑土壤深度的重要性。

4. 生物结皮作为独立的“肥沃岛”

生物结皮在提升土壤肥力方面表现出与植被斑块相当的效应，证实了其作为独立肥力载体的功能。该发现拓展了传统以植物为中心的FIE理论，强调了微生物聚集体在干旱区生态系统中的作用。

研究的讨论部分指出，土壤-地貌模板（soil-geomorphic template）是长期控制干旱区景观结构与生态过程的关键框架，其通过地形、土壤质地和水文特性影响FIE的形成与强度。而斑块类型的效应（如植物与生物结皮的工程作用）在不同地貌背景下保持一致，说明生物过程在局部尺度上具有较强自主性。此外，磷的 occluded 形式（难以被生物利用的磷）在多数地貌中呈现负FIE，暗示植被和微生物活动可能减缓磷的固定过程。

该研究的重要意义在于提出了一个多尺度、多因子的FIE分析框架，强调了生物结皮在干旱区肥力维持中的未被充分认识的作用。研究成果对预测干旱区生态系统对气候变化的响应、优化生态恢复策略具有指导价值，并为跨学科研究干旱区生物地球化学循环提供了新思路。