根系扰动对河口潮汐沼泽植物根际铁异化还原的影响及其机制

Dissimilatory iron reduction is one of the most important organic matter degradation pathways in estuarine tidal marshes. Root bioturbation of marsh plants is the key to improve the rate of dissimilatory iron reduction in the rhizosphere. But the effect and mechanism of root bioturbation on dissimilatory iron reduction is still unclear. In this research, three types of marsh plants (Cyperus malaccensis, Phragmites australis and Spartina alterniflora) will be cultivated in the tide flat of the Min River Estuary of the East China Sea. The electron acceptors and microbe of dissimilatory iron reduction in the rhizosphere of marsh plants will be deeply analyzed. The goal of this research is to analyze the microspatial variations of root bioturbation and dissimilatory iron reduction in the rhizosphere, figure out the differentiation of root bioturbation and dissimilatory iron reduction among marsh plants, and clarify the dynamic of root bioturbation and dissimilatory iron reduction in the growth period of tidal marsh plants. The findings of this research will benefit the understanding of the matter and energy circle of plant-microbe-soil and provide the scientific basis for iron transfer and organic matter degradation in estuarine tidal marshes.

铁异化还原是河口潮汐沼泽最重要的有机质代谢途径之一。沼泽植物根系扰动会影响根际铁异化还原速率，但影响程度和具体机制如何，这些问题尚未厘清。本申请项目拟以我国东南沿海闽江河口潮汐沼泽为研究区域，以短叶茳芏、芦苇和互花米草三种沼泽植物为研究对象，在沼泽潮滩开展盆栽培养实验，结合分子光谱技术、分子生物学技术和极谱技术，从铁异化还原过程的电子受体和微生物两方面入手，研究河口潮汐沼泽植物根际距离根表不同距离处根系泌氧与铁异化还原的特征；不同种类的滨海沼泽植物根系泌氧特征和根际铁异化还原的差异；滨海沼泽植物生长周期内根系泌氧和铁异化还原速率的动态变化。项目研究成果将对加深植学术界对植物、微生物与土壤三者间物质和能量循环的理解，为评估河口潮汐沼泽铁元素的迁移和归趋，及分析河口潮汐沼泽有机质的代谢途径提供科学依据。

铁异化还原是河口潮汐沼泽最重要的有机质代谢途径之一。根际铁异化还原速率受河口潮汐沼泽植物根系扰动影响强烈，但其具体影响机制如何尚未明晰。本项目以福建闽江河口潮汐沼泽湿地为研究区域，以该区域典型湿地植物短叶茳芏、芦苇、与互花米草三种沼泽植物为研究对象，借助了室外中型生态系，调查三种潮汐沼泽植物根际过程对铁异化还原的影响。研究结果表明：微生物介导下的Fe(III)还原速率在根箱中随着根际土到非根际土的方向逐渐降低。根际铁异化还原速率值较高，达到43.66 μmol Fe g-1 d-1，非根际土中为26.24 μmol Fe g-1 d-1。铁的微生物还原速率和化学还原速率都在径向上呈现对数形式下降。微生物介导的Fe(III)还原为Fe(III)还原的主导途径（92–97 %），而硫化物介导Fe(III)还原只占一小部分。根际作用提高总SOC代谢速率，根际土壤较非根际外部土壤总SOC代谢速率显著增加了77–82%。根箱内总SOC代谢的受DOC浓度的支配。根际作用会不同程度地促进每种终端代谢途径速率的变化。其中铁异化还原速率的增加最为显著（609–400 %），然后是产甲烷速率（53–95 %），最后是硫酸盐还原速率（43–53 %）。主导的代谢途径变化从根际的铁异化还原（40–42 %）和硫酸盐还原（约50%）到非根际的硫酸盐还原（60–69 %）。根箱中产甲烷过程的贡献率几乎可以忽略不计（<1 %）。通过以上原位根箱培养研究，我们发现根际效应对每个末端代谢途径的影响是不同的。且主导代谢途径的转变诱导δ变形菌纲细菌显著变化，进一步影响整个细菌群落结构。我们总结潮汐湿地植物根际效应影响有机碳代谢的机制如下：潮汐湿地植物根系释放易分解的DOC到根际，增加总微生物丰度，提高β葡糖苷酶活性，进一步提高根际总有机碳代谢水平。根际及非根际内部和外部土壤中的微生物群落结构差异显著，且终端代谢的主导途径和微生物群落结构的变化密切相关。本研究结果对低有机碳潮汐湿地生态系统中与碳循环过程有关的植物-土壤-微生物方面的研究提供了新的视角。