意杨人工林对河滩地土壤氮循环过程的影响及其微生物学机理

Ecological risk of planting poplar in riverine wetlands in the middle and lower Yangtze River basin has received attention from many researchers. Although some studies have indicated the influence of poplar plantation on the ecosystem structure, there still remains a question whether poplar plantation can alter the biogeochemistry processes and related ecological functions of riverine wetlands. In this project, we will investigate the standing vegetation and sample soil from both poplar dominated and herbaceous dominated riverine wetlands. Soil characteristics, nitrogen cycles (i.e., ammonia volatilization, nitrification, denitrification, and anammox), and dominant species, diversity, and abundance of nitrogen cycles related microbial communities will be analyzed in the laboratory to determine the influences of poplar plantation on the soil nitrogen cycles and nitrogen removal function of riverine wetlands. Moreover, we will explore the relationships between nitrogen cycles and dominant species, diversity, and abundance of nitrogen cycles related microbial communities to discuss the microbiological mechanism for the effect of poplar plantation on the soil nitrogen cycles. This project can provide important method and basic theory for assessing the influence of poplar plantation and other human disturbances on the ecosystem structure, processes, and functions of riverine wetlands in the middle and lower Yangtze River basin.

20世纪80年代以来长江中下游滩地大规模种植意杨的生态风险已引起学界的关注，但相关研究局限于生态系统结构层面，对意杨人工林是否改变滩地生物地球化学循环过程及其相应生态功能这一科学问题还缺乏基本的了解。本项目拟以湖北省江汉平原上已栽植意杨和未栽植意杨的长江干流和汉江干流河滩地为研究对象。通过植被野外定位调查、土壤理化性质分析、氮循环过程（氨挥发、硝化、反硝化与厌氧氨氧化）速率测定和氮循环功能微生物群落结构（优势种群、多样性和丰度）分析，揭示意杨人工林对滩地土壤氮循环过程及其氮素污染去除功能的影响程度与长期趋势；通过定量氮循环过程速率与其功能微生物群落结构间的相关性，探讨意杨人工林影响滩地土壤氮循环过程的微生物学机理。本项目的研究结果将有助于我们全面、综合地评价意杨人工林对滩地生态系统的结构、过程和功能的影响，并为长江中下游滩地的意杨人工林建设提供指导意见。

近几十年来，由于人类活动频繁，导致长江流域的许多河流遭受了严重的氮污染。河滩地可以通过土壤反硝化作用，将硝酸盐转化为N2O和N2，从而实现河流中氮的削减。本项目通过比较长江流域不同河滩地来研究人工意杨林对河岸带植被结构以及土壤氮循环过程的影响，同时研究了地形与土地利用对土壤反硝化作用的空间异质性以及研究了流域农业和环境因子对河岸带反硝化及N2O产量的作用机理。我们的研究发现杨树林下草本植被没有明显的优势种，在长江河滩地上栽植杨树对植物多样性有积极影响，而对草本植被的盖度则有消极的影响。我们采用乙炔抑制—气相色谱法测定了河滩地土壤的反硝化潜力以及N2O产量，结果表明植被盖度和土壤的反硝化潜力显著正相关，但和N2O产量没有显著性关系。河岸带土壤的潜在反硝化，背景反硝化与大部分的土壤理化性质都表现出显著的空间异质性。潜在反硝化和背景反硝化速率与土壤水分、细颗粒比、有机质、总氮和NO3—N含量正相关，但与土壤pH和容重负相关。农业河岸带土壤的背景反硝化显著高于森林河岸带土壤的背景反硝化。局域环境因子中，土壤的潜在反硝化和N2O的产生速率同时与土壤含水率、有机质和硝态氮浓度呈正相关关系。农业河岸带的潜在反硝化速率 (2.81±1.01 ng N g-1h-1) 显著高于森林河岸带（0.66±0.24 ng N g-1h-1）。此外，植被覆盖与土壤的潜在反硝化速率呈显著正相关关系。通过结构方程模型（SEM）分析，我们发现流域农业土地利用是通过土壤硝态氮来间接影响河岸带的潜在反硝化以及N2O产生速率。相比于森林流域，农业流域的意杨林河岸带具有更大的反硝化脱氮潜力。研究结果表明，意杨人工林对长江中下游地区河岸带湿地生态系统的结构、过程和功能都产生了显著性的影响。