三江平原退化沼泽大型土壤动物分布格局对土壤温室气体排放的影响及机制

温室气体浓度升高是全球变暖的主要原因。大型土壤动物对温室气体排放具有直接或间接的调控作用,是温室气体的重要生物源。目前全球变化背景下土壤动物的响应及适应报道较多，而土壤动物对温室气体排放的影响研究较少，而这是阐明土壤温室气体排放机制的关键之一。我国沼泽湿地退化严重。湿地退化是否引起了地下大型土壤动物及其构筑体格局的变化，这种变化对土壤温室气体排放的影响及机制还不清楚。选择三江平原浓江-鸭绿河流域作为研究区，运用时空替代方法，明确退化湿地大型土壤动物与其构筑体格局特征；应用13C15N同位素示踪、原位控制和室内模拟等方法，阐明典型大型土壤动物对湿地土壤温室气体排放的影响及贡献，揭示大型土壤动物调控土壤温室气体排放的关键途径和过程，构建融合关键环境因子和核心生态过程的影响机制模型。项目将有助于深入对生物多样性组分对全球变化关键驱动因子的调节机制和土壤生物及过程与生态系统功能关系的认识。

项目关注了沼泽湿地退化背景下，大型土壤动物分布格局的演变及其对土壤温室气体排放的影响及其机制。揭示了沼泽湿地退化，陆生土壤动物大量“侵入”，分布空间迅速扩展。本成果丰富了湿地退化评价的生物表征指标，扩展湿地生物多样性研究的无脊椎动物内容。发现和定量论证了蚂蚁及其巢丘体和陆生蚯蚓，随着退化湿地水文情势和地上植被演替，密度和分布格局而发生明显变化，其分布格局具有一定的带状规律，与地上湿地植被类型演替相对应。明确了蚂蚁巢丘体在退化湿地中的大量形成，对沼泽湿地温室气体排放动态和源汇格局影响，定量了退化湿地中蚂蚁巢丘体温室气体排放的季节动态和贡献（CO2 7.02%、CH4 -4.28%和N2O 3.35%）。提出了，蚂蚁巢丘体是CO2排放的“热点”，将CH4排放“源”转化为吸收“汇”，增加了N2O排放的季节波动性；蚂蚁巢丘体的生态影响受到蚂蚁物种的显著影响；为定量刻画沼泽土壤动物对湿地物质循环的影响提供了案例，并为准确评估退化沼泽湿地的温室气体源汇关系提供了重要资料。控制模拟实验，明确了蚯蚓能够显著增加退化沼泽中土壤CO2和N2O的排放量，能够改变土壤CH4排放动态；揭示了退化沼泽中，不同土壤水分条件、有机碳含量和蚯蚓密度下，蚯蚓作用土壤温室气体排放过程的响应特征。明确了土壤动物群落中，蚯蚓等大型土壤动物对土壤CO2和N2O的排放贡献占绝对优势，而大型土壤动物与中小型土壤动物间的交互作用影响并不显著。明确了蚂蚁和蚯蚓等大型土壤动物影响土壤温室气体排放，具有直接作用和间接影响。直接作用，主要体现在，蚂蚁和蚯蚓自身呼吸，增加土壤CO2排放。蚯蚓自身肠道等微环境促进反硝化过程释放N2O。间接作用主要包括改变土壤容重和孔隙度，提高了土壤内氧气的含量和温室气体的扩散能力；改变土壤化学元素的含量和分布格局，影响微生物量碳（MBC）和微生物量氮（MBN）。定量揭示了蚂蚁巢丘体营养元素占湿地土壤总量的5.3-7.6%（Corg、DOC、TN、NH4+和NO3-）；通过影响其生境内的理化环境条件，影响其他小型土壤动物活动和微生物活性。通过模拟实验，并综述国内外相关研究，构建了大型土壤动物通过影响土壤物理、化学、生物组成和活性等土壤要素的组成和结构，进而影响土壤分解、矿化、硝化、反硝化和甲烷的产生及氧化等温室气体产生过程，增加、减少、加速或减缓CO2、CH4和N2O排放的概念框架模型。