蚯蚓入侵对南亚热带森林根系碳转化过程的影响及机制

Earthworms, as ecosystem engineer, could regulate the net sequestration of organic carbon (C) through changing the accessibility of litter and soil organic C to microbiota. However, earthworm impacts on the rhizospheric C, which represents a major energy source for soil food webs and an essential factor for C sequestration, are still unclear. In the context of global warming, the territory of the peregrine earthworm species Pontoscolex corethrurus is likely to expand in pantropical terrestrial ecosystems including the region south of the Nanling mountain ranges of China. Notably, our recent microcosm study indicated that P. corethrurus may substantially enhance the retention of readily accessible fractions of rhizodeposit-C in subtropical forest soil. However, the laboratory study was limited by the difficulty of scaling up, and by the short-term duration which hampered the exploration of earthworm impacts on the fate of the slow-turnover fractions of rhizodeposit-C. Therefore, in this project, we aim to quantify the contributions of the native and exotic earthworm species to the transformation of plant root-derived C through a field in situ 13C-labelling experiment. In addition, a combination of isotopic tracing technique and metagenomic analysis of microbial community will be used to unravel the microbial groups which involved in the transformation of rhizodeposit-C and the underlying mechanism by which the native and/or exotic earthworm species may regulate these rhizodeposits-related microbiota. This study may improve our ability to predict the influence and risk of earthworm invasion on C cycling in subtropical forest ecosystems, and bring theoretical insights into how soil biota response and feedback to/on global changes.

作为“生态系统工程师”，蚯蚓可以通过改变凋落物和土壤有机碳对微生物的可利用性，从而调控有机碳净固存。根系碳不仅是土壤食物网的重要能量来源，也是土壤碳固存的关键物质基础之一。但是，蚯蚓对根系碳转化过程的影响，并不清楚。在全球变暖背景下，外来种蚯蚓（南美岸蚓）在泛热带区（包括我国南岭以南地区）的分布有日益扩大的趋势。我们前期的室内实验表明，南美岸蚓能明显促进根系碳（易分解组分）在土壤中的持留。但是，短期室内实验存在尺度推演问题，亦未量化蚯蚓对根系碳（周转慢组分）的转化过程的影响。本项目拟通过野外13C同位素标记实验，量化南美岸蚓和本土环毛类蚯蚓对植物根系碳转化的贡献。同时，尝试将同位素示踪技术与微生物宏基因组分析相结合，以期揭示参与根系碳转化的根际微生物类群及本土和外来种蚯蚓对它们的调控机制，进而准确评估蚯蚓入侵对南亚热带森林生态系统碳循环的影响，丰富土壤生物对全球变化响应和反馈的理论体系。

南美岸蚓是环热带圈广布种蚯蚓，在我国华南地区非自然林中占绝对优势。探究南美岸蚓对本地区代表性森林生态系统根系相关碳氮过程的影响，是揭示该外来种蚯蚓生态功能或潜在生态风险的重要研究切入点。本研究利用本地区的代表性树种（尾叶桉、马占相思、荷木和格木）和代表性森林土壤（鹤山人工林土壤、小良成熟人工林土壤和鼎湖山自然林土壤）构建了不同肥力梯度的植物-土壤系统；通过碳氮同位素标记实验，量化了南美岸蚓对植物-土壤碳氮分配过程的影响。结果发现：1）南美岸蚓在相对贫瘠的鹤山共和人工林土壤和小良人工林土壤中远比在鼎湖山自然林土壤中生存得好，但是在上述人工林中种植桉树和格木可能会抑制南美岸蚓的生长。这些研究结果可能对理解南美岸蚓的分布格局有重要意义。2）植物生理特性是决定植物光合产物的量和分配，以及土壤（及凋落物）养分释放量的最重要的驱动力，但土壤肥力对上述过程有重要的调控作用。速生的尾叶按的存在促进了光合产物向土壤的输入，也加快了凋落物的分解并向土壤释放氮素（很多被植物吸收）；桉树的存在，在小良和鼎湖土壤中都促进了土壤碳的累积，但在鹤山共和土壤中，并未看到土壤碳的明显的累积，这可能与后者肥力较低有关。3）不同的是，蚯蚓对光合产物向土壤的分配过程的促进作用，以及蚯蚓对凋落物分解的促进作用（桉树存在时），却在相对贫瘠的鹤山共和土壤中最为突出。我们认为：土壤肥力较高的森林生态系统，更有可能在土壤中明显累积碳，而且速生的桉树的存在可能进一步促进土壤碳累积；南美岸蚓虽然促进了土壤相对贫瘠系统中速生桉树的根系-土壤/凋落物间的碳氮交换过程，但这种作用并没有带来土壤碳的明显累积。