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湿地作为陆地生态系统生物碳氮库的最大组成部分,在全球碳氮循环中发挥了重要作用。植物入侵作为全球变化的重要组成部分,能迅速地替代本地物种,改变本地生态系统的生物多样性,最终影响本地生态系统的过程和功能。同时,植物入侵所引发的植物群落结构的改变,能够很大程度上改变土壤有机质的输入和输出,最终影响土壤有机碳氮库。对于植物入侵与土壤有机碳氮库之间的关系,历来成为学者们关注的焦点,因植物入侵对土壤有机库的影响可能是正效应,也可能是负效应或者“零效应”。为探讨植物入侵对本地生态系统土壤有机碳氮库的影响,更好的为政府开展植物入侵预防、控制和管理工作提供科学依据和理论指导,本文以江苏盐城国家级珍禽自然保护区为研究区,以研究区内目前在中国东部滨海湿地入侵极为快速、覆盖面极广的入侵植物-互花米草为研究对象,并与保护区内光滩、本地C3植物盐地碱蓬和芦苇群落进行比较,通过野外监测和室内分析,对比研究了互花米草入侵对中国东部滨海湿地各种土壤有机碳氮组分的影响以及对土壤微生物群落结构的影响,旨在揭示互花米草入侵对中国东部滨海湿地土壤有机碳氮库的影响机制。主要研究结果包括: (1)互花米草入侵对中国东部滨海湿地土壤有机碳动态的影响:互花米草群落与光滩、盐地碱蓬和芦苇群落相比显著增加了土壤(0-30 cm)水溶性有机碳、微生物量碳、累积的CO2-C的矿化量、有机碳及全氮的含量,但与光滩相比,显著降低了土壤水溶性有机碳、微生物量碳及累积的CO2-C的矿化量在土壤有机碳中所占的百分比;互花米草土壤较低的水溶性有机碳/土壤有机碳、微生物量碳/土壤有机碳及累积的CO2-C的矿化量/土壤有机碳比例表明了互花米草土壤每单位有机碳中含有较低的可利用碳和微生物量。大量的互花米草凋落物的输入,同时伴随着每单位土壤有机碳中较低的土壤活性碳库组分及可矿化的碳量(更少的碳输出)这可能是互花米草入侵能显著促进土壤有机碳积累的主要原因之一。 (2)互花米草入侵对中国东部滨海湿地土壤活性和惰性有机碳氮库的影响:互花米草群落与光滩、盐地碱蓬和芦苇群落相比显著增加了土壤(0-30 cm)总有机库、活性和惰性有机库的碳氮含量及储量;互花米草土壤的惰性有机碳储量显著高于土壤活性有机碳储量;同时,互花米草土壤的惰性碳指数显著高于光滩土壤,这可能与互花米草土壤大量凋落物和根的输入及较低的土壤有机质降解有关;互花米草土壤活性有机碳库里互花米草来源的碳的百分比显著高于土壤惰性有机碳库和总有机碳库,然而惰性有机碳库里互花米草来源的碳储量显著高于活性有机碳库,这可能是由于互花米草土壤活性有机库里较高的互花米草来源的碳的输入伴随着老碳的快速降解,部分新碳的输入被老碳的降解所抵消。同时,互花米草土壤的总有机氮和惰性有机氮与光滩土壤相比有更高的δ15N值,表明了互花米草入侵加速了土壤的氮循环,同时伴随着更多的氮失去。互花米草入侵中国东部滨海湿地促使土壤有机碳氮库发挥更强的碳-和氮-汇的作用,这可能在一定程度上弥补过量的温室气体向大气中释放。 (3)互花米草入侵对中国东部滨海湿地土壤有机质动态的影响:互花米草群落与光滩、盐地碱蓬和芦苇群落相比显著促进了土壤(0-30 cm)有机碳氮储量,增加的有机碳氮储量主要积累在土壤团聚体内的颗粒有机质及与矿质有关的有机质里;与盐地碱蓬和芦苇相比,互花米草入侵显著增加了碳在土壤团聚体内的颗粒有机质里的分配比例,但与盐地碱蓬相比,显著降低了碳在与矿质有关的有机质里的分配比例,表明了互花米草入侵降低了土壤有机碳的物理稳定性。互花米草土壤轻组有机质和团聚体内颗粒有机质里互花米草来源碳的百分比显著高于与矿质有关的有机质;互花米草来源的碳储量在团聚体内的颗粒有机质里储存的最多,这可能是由于进入土壤的互花米草碎屑本身较难降解,在较短的时间内还不能够快速地将团聚体内的颗粒有机质转化为稳定的与矿质有关的有机质;互花米草土壤的δ15N值和碳氮比从轻组有机质到团聚体内的颗粒有机质再到与矿质有关的有机质分别呈现递增和递减的趋势,这表明了一个递增的腐殖化程度。互花米草入侵改变了土壤的有机碳氮储量以及它们在土壤有机质组分里的物理分布,从而最终影响了中国东部滨海湿地土壤有机质的稳定和转化。 (4)互花米草入侵对中国东部滨海湿地土壤微生物群落结构的影响:互花米草群落与光滩、盐地碱蓬和芦苇群落相比,显著地增加了土壤(0-30 cm)磷脂脂肪酸总量、细菌特征脂肪酸、真菌特征脂肪酸、革兰氏阳性菌特征脂肪酸、革兰氏阴性菌特征脂肪酸、丛枝菌根真菌特征脂肪酸、放线菌特征脂肪酸、不饱和磷脂脂肪酸、分支的磷脂脂肪酸、饱和直链磷脂脂肪酸和土壤微生物量碳的含量,但与光滩土壤相比,互花米草土壤的不饱和磷脂脂肪酸与分支的磷脂脂肪酸的比值显著降低,这表明互花米草土壤含有更高的厌氧微生物的百分比,这可能与互花米草土壤较高的厌氧程度有关。冗余分析结果表明,土壤的含水量、电导率、水溶性有机碳、总有机碳、活性和惰性有机碳、总有机氮、活性和惰性有机氮的含量解释了磷脂脂肪酸总变异的77.3%。水溶性有机碳和总有机氮是影响土壤微生物群落的主要影响因子。互花米草入侵能够促进土壤有机碳氮的积累不仅仅是由于各种土壤碳氮组分的增加,还与土壤微生物群落组分和生物量的增加有关。 基于本文的研究成果,作者认为互花米草入侵我国东部滨海湿地通过大大增加互花米草植物碎屑(凋落物和根)的输入,降低凋落物和根的降解和改变土壤微生物群落的群落结构,从而显著地增加了土壤总有机碳氮储量,土壤活性有机碳组分含量、活性和惰性土壤有机碳氮储量,轻组有机质、团聚体内的颗粒有机质及与矿质有关的有机质的碳氮储量。其中互花米草来源的碳分别占了土壤总有机碳储量的(36.31-36.62%),土壤活性有机碳的56.35%,惰性有机碳的32.28%,轻组有机质的64.44%,团聚体内的颗粒有机质60.48%及与矿质有关的有机质的27.89%。尽管互花米草土壤中的有机碳并不完全来自互花米草的贡献,可能还与其他的陆源或海源有机质的输入有关(例如:浮游植物),但本研究仍能证明互花米草入侵我国东部滨海湿地显著地改变了土壤有机碳氮库,促使其发挥了更强的碳-和氮-汇作用,也进一步证明了植物入侵能显著地影响生态系统的过程和功能。