生物固氮是生物在固氮酶的作用下,将大气中分子态氮转变为铵态氮的过程。原生演替初期,氮素养分尤为缺乏,生物固氮是其最主要的氮源。青藏高原东麓高海拔地区具有独特的气候、地质和生态环境,在此条件下工程活动、地质灾害以及冰川退缩等造成大量的裸地出露,如何科学管理这些受损的生态系统,实现裸地快速而稳定的生态恢复是目前需要解决的重要问题。在裸地自然植被发育过程中研究生物固氮的生态环境效应,可以在生境改善、养分周转和群落演替轨迹等方面为裸地生态恢复提供指导,快速建立起符合原生演替规律的稳定群落,为有效进行裸地的生态恢复提供理论支持。本研究选取贡嘎山海螺沟冰川退缩区,根据土壤年龄(0、9和39年)采集土壤、结皮、凋落物和植物样品。采用野外原位生物固氮实验、实验室理化性质分析、室内控制实验和统计分析等方法,研究冰川退缩区演替早期生物固氮的时空分布特征及影响因素,阐明生态系统构建早期生物固氮对土壤环境及植被发育的影响。主要结果和结论如下:(1)退缩区三种固氮基质(土壤、生物结皮、凋落物)固氮酶活性呈现5月>11月>7月的季节变化趋势。三种固氮基质固氮酶活性在5、7和11月分别表现为:黄芪根际/非根际土壤>沙棘凋落物>生物结皮>其他土壤,沙棘凋落物>黄芪根际土>生物结皮>其他土壤,生物结皮>黄芪根际土>沙棘凋落物>其他土壤。从0年到39年,固氮酶活性呈先增加后减小的变化,固氮酶活性在9年样地出现最大值(1.04±0.09 nmol?g-1?h-1)。这可能是由于0年样点无植物生长,仅存在自由固氮,自由固氮固氮量小、固氮效率低;9年样点固氮植物和固氮微生物占有优势地位,共生固氮固氮量大;而30年样点由于植被作用,有机质及土壤氮累积增加,此时生物固氮已不具有竞争优势,固氮酶活性减弱。固氮酶活性与DOC、DON、MBC、MBN、NH4+-N、P、Bio-P显著正相关(p<0.05)。多元回归分析结果表明,DOC、P含量以及含水量是固氮酶活性的关键影响因子。(2)室内控制培养试验结果表明,在温度控制培养条件下,固氮酶活性表现为5℃<15℃<25℃,固氮酶活性随温度升高而极显著升高(p<0.01)。光照培养条件下,除39年A、C层土壤,其余固氮基质固氮酶活性随光照强度增加呈先增加后减小的趋势。这是由于黑暗条件下不能合成碳水化合物,进行固氮作用所需能量被抑制,从而导致生物固氮作用较弱。而在强光照条件下,极强的光合作用消耗大量ATP和还原物并且释放大量氧气,使固氮酶遇氧发生不可逆失活。N、P、Mo养分及其组合添加实验结果表明,0年冰碛土加入养分培养后固氮酶活性均未达到仪器检测限。9年样点多数样品在P添加以及P+Mo添加处理后,固氮酶活性显著增加,而N添加及其组合添加均对9年样点样品无影响或产生抑制作用。这说明在冰川退缩9年的样点,生物固氮存在P和Mo+P限制。对于39年样点,添加N、P、Mo及其组合添加均对固氮酶活性无影响或产生抑制作用。原因可能是39年样点土壤中的养分元素已满足生物生长发育需求,生物不需要进行生物固氮过程(高成本)获取氮素,直接选择从土壤或凋落物中获取氮素(低成本)。(3)生物固氮显著改善土壤结构和养分状况,包括土壤含水量、粒度、p H、以及C、N、P养分等。土壤结构变化和养分元素增加使土壤微生物酶活性增强,而微生物酶活性增强又促进土壤养分增加。共生固氮植物黄芪显著改善了表层和根际土壤理化性质和养分有效性,而另一共生固氮植物沙棘对表层和根际土壤理化性质和养分有效性影响较小,与非固氮植物无显著差别。黄芪显著改善了与其伴生的非固氮植物体内的养分状况,增加了与其伴生的非固氮植物的株高、冠层面积以及N素含量等,对非固氮植物的生长发育起到显著的促进作用。沙棘对与其伴生的非固氮植物影响不显著。黄芪在裸地生态恢复中具有较高的应用潜力。