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及微生物生态学机理研究

Relationship between plant invasion and soil organic carbon (C) and nitrogen (N) pools is a hot spot in invasive ecology. Plant invasion has not always positive effect on soil organic pool, also may bring negative effect or no significant effect on soil C and N pools. Currently, the effects of plant invasion on soil organic C and N pools sizes, stability and turnover in invaded ecosystem is not fully understood. Moreover, little is known about the effect mechanism of the alterations of soil microbial community which caused by plant invasion on soil organic C and N pools. Exotic invasive plant, Spartina alterniflora, affected seriously the coastal wetlands in China. In this study, we examine the impacts of S. alterniflora invasion on the stocks of various soil organic C and N fractions by using soil fractionation technique; and examine the effects of S. alterniflora invasion on soil C and N turnover through analyzing the contribution of S. alterniflora invasion on various soil organic C fractions and the changes in decay rate of various soil organic C and N fractions by using stable isotope technique. We also analyse the alterations in the soil microbial community structural, functional and genetic diversity following S. alterniflora invasion by using phospholipids fatty acids extraction and high-throughput sequencing techniques. These results of the study could reveal the effects mechanism of S. alterniflora invasion on soil organic C and N pools in a coastal wetland of eastern China. This study will help us better understand the effects mechanism of plant invasion on soil organic C and N pools, and provide the theory foundation for scientific evaluation in the consequences of plant invasion.

植物入侵与土壤有机碳氮库之间的关系，是入侵生态学关注的热点。植物入侵对土壤有机碳氮库的影响可能是正效应，也可能是负效应或者“零效应”。植物入侵对土壤有机碳氮库的大小、稳定及碳氮转化的影响目前仍缺乏了解，植物入侵后土壤微生物群落的改变对土壤有机碳氮库的影响机理尚不清楚。本项目拟以对我国东部滨海湿地影响最严重的入侵植物互花米草为研究对象，运用土壤分馏技术，分析互花米草入侵对土壤各种有机碳氮组分的影响；利用稳定同位素技术，示踪互花米草入侵对土壤各种有机碳组分的贡献及有机碳氮组分降解率的变化，研究互花米草入侵对土壤有机碳氮转化的影响；利用磷脂脂肪酸浸提及高通量测序等技术，分析互花米草入侵后土壤微生物结构、功能及遗传多样性的变化。其结果不仅能揭示互花米草入侵对中国滨海湿地土壤有机碳氮库的影响机理，也有助于我们深入了解植物入侵对土壤有机碳氮库的影响机制，为科学评价植物入侵的后果提供理论依据。

本项目以入侵我国滨海湿地的互花米草为研究对象，分析互花米草入侵对土壤有机碳氮库的大小、稳定和转化的影响；阐明互花米草入侵对土壤微生物结构、功能及遗传多样性的影响，揭示互花米草入侵对土壤有机碳氮库影响的微生物生态学机理。结果表明，入侵10年的互花米草与光滩、盐地碱蓬和芦苇群落相比显著增加了土壤有机碳氮储量的0.37–7.43倍，增加的土壤有机碳氮主要积累在团聚体内的颗粒有机质及与矿质有关的有机质中。随着入侵年限的增加，互花米草土壤总有机碳含量不断增加，在入侵17年的互花米草土壤里达到最大。与盐地碱蓬和芦苇群落相比，互花米草入侵显著增加了碳在团聚体内的颗粒有机质里的分配比例，降低了碳在与矿质有关的有机质里的分配比例，表明互花米草入侵降低了土壤有机碳的物理稳定性。随着入侵年限的增加，互花米草土壤有机碳的稳定性降低，在入侵17年的互花米草土壤里达到最低。入侵17年的互花米草土壤有机质、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中互花米草来源的碳的百分比及储量显著高于入侵6年和10年的互花米草土壤。随着入侵年限的增加，土壤有机组分中老碳的降解率不断降低，碳的驻留时间不断增加，土壤氮循环速率下降。此外，互花米草入侵改变了土壤微生物的结构、功能和遗传多样性。入侵10年的互花米草与本地群落相比，显著增加了174–253%的土壤微生物量碳和48–348%土壤总磷脂脂肪酸含量。不同入侵年限的互花米草土壤相比，入侵10年的互花米草群落的微生物达到了最丰富的状态和最大的微生物对碳的利用效率。互花米草群落与本地群落相比显著增加了细菌群落的数量、多样性，改变了细菌群落组分。随着入侵年限的增加，互花米草土壤中富营养的细菌群不断降低而贫营养的细菌群不断增加，土壤细菌群落组分的转变主要受到土壤营养底物和理化性质的驱动。此研究不仅有助于阐明互花米草入侵对土壤有机碳氮库的影响机制，亦能为更全面地认识和更客观地评价植物入侵的生态系统后果提供理论依据。