地表关键带是陆地生态系统中土壤圈及其与大气圈、生物圈、水圈和岩石圈物质迁移和能量交换的交汇区域，被认为是21世纪基础科学研究的重点区域。
山地生态系统是陆地生态系统中的典型类型，其气候、水文条件随海拔梯度发生变化；由高海拔区到低海拔区风化作用、成土作用逐渐增强；地表覆被也由裸地逐渐发育低等植物到乔木，形成植被带谱；土壤微生物群落结构及其功能也随海拔梯度而改变。
因此在山地生态系统开展关键带的相关研究——
可以以空间换时间，利用海拔梯度上岩石风化程度、土壤及植被发育程度的梯度变化、探索漫长的风化作用、成土作用和植被演替过程中，物质循环、能量转化的关键过程和机制；
可以以海拔梯度换取纬度空间变化，开展气候变化、植被类型与关键带关键过程之间的关联机制和驱动过程。
我国近70%的陆地国土面积为山地所覆盖，尤其是西南部地区山地面积覆盖广、海拔高，气候、植被、土壤等各要素梯度特征明显。此外，我国西南地区一些高大山系多分布有现代冰川。小冰期以来，随着气温升高，冰川退缩，留下了大量冰碛物。在较短时间内，在这些冰碛物上发育了土壤，并形成了自然的植被原生演替序列。这样的海拔梯度上土壤和植被的变化，以及冰川退缩区土壤和植被发育序列，都为开展地表关键带研究提供了理想的试验场，尤其有利于针对元素由岩石圈进入土壤圈、生物圈，再归还至土壤圈的关键生物地球化学过程开展研究。
地表关键带一个重要的研究内容是物质循环研究，尤其是关键元素的生物地球化学循环，是决定关键带生态功能的主要过程。相比较碳(C)、氮(N)等，以往的研究对磷(P)的重视不够。
实际上，磷是重要的生命元素和营养元素，它是植物体内许多重要有机化合物的主要组分，参与植物体的生理与生化过程，对植物的生长发育和新陈代谢具有重要作用。磷是提升生态系统初始生产力的关键营养元素，在高寒、高海拔地区，土壤磷的有效性影响了灌木和高寒草甸的发育；在热带和亚热带地区，土壤磷常为森林生态系统初级生产力的主要限制因子。
▲海螺沟表层土壤各形态P占TP比例随海拔梯度的变化
尽管大气沉降的颗粒物质会带来少量磷，但生态系统中磷的最主要来源是岩石风化。全球范围内的磷循环过程可以简单概括为以下阶段：
岩石风化释放进入土壤；
释放到土壤中部分被植物吸收，进入生物圈，更多的部分随地表径流、壤中流进入水体；
进入水体的磷部分被水生生物吸收，进入生物圈，更多的磷保存于沉积物中；
沉积物受地壳抬升露出地表，磷经风化作用再次进入循环。
这一循环过程是一个地质时间尺度的过程，非常漫长。在较短时间尺度上可以认为磷是不断由陆地输出、海洋沉积的单向过程，因此陆地生态系统磷的流失，哪怕是非常小的量，自然条件下都是难以补偿的。多数研究认为，在发育时间长、风化程度高的湿润热带、亚热带土壤及含沙量较高的半干旱热带土壤中，磷的长期流失导致土壤中有效磷库逐渐衰竭，从而引起生态系统的逐渐退化。
山地系统坡降大、土壤发育程度弱、土层薄，因此磷流失速率更快。山地风化作用和矿化作用释放的磷的补偿速率能否跟上流失速率，关系到山地生态系统的健康稳定。因此，开展山地生态系统磷的生物地球化学循环研究，首先要开展岩石风化和磷的释放方面的研究。
▲ 贡嘎山不同森林类型中的磷循环（动图3秒切换）
磷由岩石风化释放后以溶解态和颗粒吸附态两种形态存在。溶解态的磷为正磷酸盐，在自然界中仅占很小的比例，颗粒态的磷吸附于铝、铁、锰等金属氧化物或氢氧化物以及黏土矿物的表面。生物有效磷是指生物可以直接吸收利用的磷，其形态为正磷酸盐，包括溶解态正磷酸盐和一部分颗粒态的正磷酸盐(极易从颗粒物中释放出来的弱结合态/交换态磷)，潜在的可利用的部分通常在颗粒物中或者溶解态无机磷和聚合磷酸盐中。吸附于颗粒物中水合金属氧化物(如无定形的铁、铝)表面上的正磷酸根一般不能为生物所直接利用，只有在这些水合金属氧化物发生溶解时，这些潜在的可利用磷才被释放出来。
微生物和植物在吸收利用生物有效磷的同时，由于微生物和植物根系呼吸作用释放CO、代谢过程中释放酸性物质等，促进了风化作用的进程和磷的形态转化。微生物在磷循环中发挥着更重要的作用，微生物不仅参与风化作用，还通过参与凋落物分解、微生物磷的周转、有机磷的矿化和非活性磷酸盐的活化等生态过程来参与磷的循环，建立起土壤与植被间磷的联系。
凋落物分解是生态系统物质循环和能量转换的主要途径，微生物群落在凋落物分解的生态过程中发挥主导作用，通过分解逐步把养分归还给土壤。
土壤微生物磷通常占土壤有机磷总量的20%～30%，而且微生物磷较无机磷更容易被植物利用。
土壤磷酸酶主要来源于土壤微生物，且有机磷在土壤磷酸酶的催化作用下水解成可被植物利用的无机磷。一类被称为磷溶解菌的细菌与真菌可以通过向土壤分泌大量有机酸降低土壤pH，引起难溶解性磷酸盐转化成可溶解性磷酸盐，增加土壤有效磷的含量。
同时，土壤中的丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungus，AMF)可增加植物根系的吸收面积和距离，有效改善土壤团粒结构进而降低磷的流失。
植物体磷的生物地球化学循环是山地系统磷的表生地球化学过程的重要组成部分，对磷在山地系统的分布格局和循环状况产生重要影响，反之磷的地球化学循环及其生物有效性已成为首要的控制山地植被发育和演替的生物地球化学过程。
多年来山地植被磷的生物地球化学循环已受到广泛关注，从原位观测、栽培试验到受控条件下的模拟等一系列研究，已经积累了大量的资料和数据，但是缺乏统一的标准、比较分析和系统的整理，也没有很好地建立起土壤-微生物-植被间磷的地球化学循环的有机联系。
山地生态系统磷的生物地球化学循环研究的另一个重要研究内容是土壤中磷的形态组成、形态转化和生物有效性，以及微生物、植物对磷的生物有效性的影响。
▲贡嘎山东坡峨眉冷杉林土壤有机磷形态赋存特征的概念模型
LOP储量、MLOP储量、MROP储量、HROP储量、Bio-P储量和 MBP储量单位为kg·hm2；SOM、Feox和Alox是土壤有机质、无定形铁和无定形铝。右下角小图表示TOP和不同有机磷形态随海拔升高和淋溶强度增强的储量变化。大图中灰色箭头边框粗细表征淋溶强度大小。黄色箭头与MBP、LOP和Bio-P表示在淋溶环境下微生物的补偿机制
磷由岩石经风化作用释放以及微生物、植物对磷的生物有效性的影响，涉及磷的转化问题；另外，磷的迁移决定了其在山地生态系统中分配和流失，同样影响磷的供给量和形态。研究表明，磷在山地表层以溶解态迁移为主，吸附于其他颗粒物质或者颗粒态迁移的磷不大。
磷的迁移总体上包括两个过程：①沿土壤剖面向下的垂直迁移过程；②随地表径流、壤中流的水平迁移过程。前一迁移过程导致生物有效磷远离植物根系，不能为植物所吸收利用，造成垂向上的磷流失；而随地表径流、壤中流迁移的磷最终进入水体，造成陆地生态系统磷的整体流失。
如前所述，磷的供给速率能否跟上流失速率，关系到山地生态系统健康稳定，而对于水体来说，承受过多的磷的输入会导致水体的富营养化，也就是说山地系统磷的输出通量及其生物有效性直接影响下游水体生态环境安全。
重金属对于生态系统的危害众所周知。在人们的传统认识中，山区，尤其是高山地区人迹罕至，且空气、水、土壤都是原始的、干净的。然而，越来越多的研究表明，正是由于高山对水汽的拦截作用，山区往往降水相对偏多，由人类活动产生的重金属随水汽传输到这里并沉降。另外，气温随海拔升高而降低，冷凝作用也是山区重金属富集的重要原因。在山区沉降的重金属在土壤中富集，可能会给山地生态系统带来危害，同时也会随地表径流进入水体向下游输送，对水体生态系统带来影响。因此，对山地生态系统中重金属的来源、富集、转化和迁移的研究，也成为当前的研究热点之一。
贡嘎山属于横断山系，位于青藏高原东缘，是四川盆地与青藏高原的过渡地带，地理范围介于101°30′～102°15′E和29°20′～30°20′N，主峰海拔7556m，其高度居青藏高原东缘山峰之首。区内地质构造异常复杂，新构造运动强烈，地貌上为高山峡谷类型，环绕贡嘎山山巅四周，发育数十条亚洲最大的现代海洋性冰川。区内物种资源极为丰富，生物区系和生物地理成分复杂，生态环境原生性强，植被带谱完整而清晰。由于地理位置、环境气候条件、生态以及水循环系统的特殊性，这里一直被认为是研究青藏高原演化、区域环境变化、生物多样性乃至人与自然相互作用的重要地区。贡嘎山地区小冰期以来冰川退缩明显，留下多道终碛与侧碛，退缩区土壤和植被逐渐发育。例如，在海螺沟冰川末端水平距离2km左右，垂直高差100多米(海拔2900～3000m)的冰川退缩迹地上，经历了裸地-草本地被、柳-沙棘-冬瓜杨、冬瓜杨、云冷杉-桦-杜鹃、云冷杉等五个阶段的植被原生演替，并形成较为清晰的植被带谱。
▲海螺沟冰川退缩区不同演替阶段的微生物P储量及与植物P储量的对比
利用贡嘎山的有利条件，针对上述研究内容，在中国科学院“百人计划”项目(KZCX2-YW-BR-21)、国家自然科学基金重点项目(41630751)和面上项目(41272200、41877011)等项目的支持下，中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所吴艳宏研究员团队系统开展了磷的迁移和转化研究，同时对研究区重金属的生物地球化学过程开展了初步研究工作。《贡嘎山磷及微量金属元素地球化学循环与生态效应》（吴艳宏 等著. 北京：科学出版社，2019.10）归纳和总结了作者团队上述研究项目关于贡嘎山典型地区磷及微量金属元素地球化学循环与生态效应的最新研究成果，在山地元素地球化学认识上的重要突破。
该书以西南典型高山贡嘎山土壤和植物垂直带谱为研究对象，首次将植被、土壤和水体作为有机整体，系统地研究了主要生源元素（N、P等）和微量金属元素（Pb、Cd等）在植被一水体一土壤系统的生物地球化学循环和迁移过程及机制，反映了我国山地生态系统生物地球化学循环研究的最新成果。希望丰富山地生物地球化学理论的同时，能为山地生态系统保育和环境保护提供参考。
2018年8月14日
本文摘编自《贡嘎山磷及微量金属元素地球化学循环与生态效应》（吴艳宏 等著. 北京：科学出版社，2019.10）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-060454-5
责任编辑：莫永国
moyongguo@mail.sciencep.com
13881755752
《贡嘎山磷及微量金属元素地球化学循环与生态效应》适合地质学、地理学、地球学专业高等院校教师、学生，行业部门相关管理者阅读学习。
（本文编辑：刘四旦）
热门跟贴