互花米草對河口鹽沼生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的影響——上海崇明東灘實(shí)例研究.pdf

1、生物入侵作為全球變化的組成部分，對土著生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響，其生態(tài)系統(tǒng)水平的后果之一便是改變生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)。盡管對此已有大量研究，但仍缺乏對其影響機(jī)制的全面深刻認(rèn)識，尤其是目前的研究多集中于群落內(nèi)部循環(huán)，而入侵種的生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)對系統(tǒng)同外部輸入/輸出的影響往往被忽視。本文以互花米草(Spartina alterniflora)入侵長江口崇明東灘的鹽沼濕地蘆葦(Phragmites australis)群落為例，研究了入侵種如何影

2、響生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的科學(xué)問題，同時以其中潮汐交換和促淤過程的作用揭示了作為生態(tài)系統(tǒng)工程師的入侵種影響外部輸入這一機(jī)制的重要性。
　　互花米草顯著升高了生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮庫。2007年4月至2008年4月的野外觀測顯示互花米草群落的地上生物量(干重1.54±0.05kgm-2)顯著高于蘆葦群落(干重0.87±0.05 kg m-2)，約為后者的180％；互花米草群落的地上總碳庫(514±18g m-2)顯著高于蘆葦(333±16g m-

3、2)，約為后者的154％；互花米草群落的地上總氮庫(14.60±0.65g m-2)顯著高于蘆葦(10.63±0.54g m-2)，約為后者的137％；互花米草群落的0-20cm土壤總碳庫(3270±54g m-2)顯著高于蘆葦群落(2998±49g m-2)，約為后者109％；互花米草群落的0-20cm土壤總氮庫(175.94±4.91g m-2)顯著高于蘆葦群落(153.49±5.76g m-2)，約為后者115％；互花米草群落的0

4、-20cm土壤無機(jī)氮庫(2.50±0.06g m-2)顯著高于蘆葦群落(1.97±0.05g m-2)，約為后者的127％，其中互花米草群落的0-20cm土壤硝態(tài)氮庫(1.71±0.04g m-2)顯著高于蘆葦群落(1.22±0.02g m-2)，約為后者的140％，而互花米草群落的0-20cm土壤銨態(tài)氮庫(0.80±0.03g m-2)與蘆葦群落(0.75±0.05g m-2)相比無顯著差異。在2005年4月至2006年9月的移栽試驗(yàn)

5、中，互花米草的地上生物量與地上總碳、氮庫同樣顯著高于蘆葦群落，但土壤總碳氮庫與無機(jī)氮庫與蘆葦群落差異不顯著。這說明互花米草增加生態(tài)系統(tǒng)碳、氮庫的現(xiàn)象不能僅以群落內(nèi)部循環(huán)機(jī)制解釋。
　　互花米草在潮汐交換中獲取大量外源無機(jī)氮輸入。2007年進(jìn)行了土柱法野外操縱實(shí)驗(yàn)，2008年進(jìn)行了大潮期間土壤.潮水無機(jī)氮交換的直接觀測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果均顯示在潮汐交換中互花米草群落獲取的無機(jī)氮(操縱實(shí)驗(yàn)中土壤無機(jī)氮庫外源補(bǔ)充：14.84±0.67mg kg

6、-1 month-1；直接觀測實(shí)驗(yàn)中土壤無機(jī)氮濃度增量：9.43±1.18mg L-1)顯著高于蘆葦群落(外源補(bǔ)充：2.97±0.24mg kg-1 month-1；無機(jī)氮濃度增量：4.92±0.51mg L-1)。操縱實(shí)驗(yàn)中互花米草群落土壤無機(jī)氮凈礦化速率(14.15±0.68mg kg-1 month-1)與蘆葦群落(13.59±0.69mg kg-1 month-1)無顯著差異，直接觀測實(shí)驗(yàn)中互花米草群落內(nèi)潮水無機(jī)氮濃度下降量(2

7、.92±0.36mg L-1)顯著高于蘆葦群落(2.07±0.20mg L-1)。以上結(jié)果表明對潮汐外源無機(jī)氮輸入的截取與利用是互花米草增加生態(tài)系統(tǒng)地上總氮庫與土壤無機(jī)氮庫的重要機(jī)制。
　　淤積物是互花米草累積碳氮庫的重要來源。于2007年至2008年以埋瓶法和埋板法收集淤積物，結(jié)果顯示，互花米草群落中淤積量(埋瓶法：6.69±0.68kg m-2month-1；埋板法：38.60±3.33kg m-2yr-1)顯著高于蘆葦群落(

8、埋瓶法：4.27±0.53kgm-2 month-1；埋板法：21.42±2.16kg m-2yr-1)。同時，埋板實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示互花米草群落中淤積物總碳庫(0.69±0.08kg m-2yr-1)、總氮庫(40.05±4.50g m-2yr-1)和無機(jī)氮庫(953±85mg m-2yr-1)均顯著高于蘆葦群落中淤積物總碳庫(0.42±0.05kg m-2yr-1)、總氮庫(24.56±2.97g m-2yr-1)和無機(jī)氮庫(415±3

9、7mg m-2yr-1)。于2007年至2008年進(jìn)行的空地凋落物添加試驗(yàn)結(jié)果顯示，互花米草地上直立凋落物的降解速率(K=0.0038 day-1)高于蘆葦?shù)牡厣现绷⒌蚵湮?K=0.0021 day-1)；添加互花米草凋落物下方土壤總碳庫(1.96±0.02kg m-2)顯著高于未添加凋落物空白對照土壤的總碳庫(1.91±0.02kg m-2)，而添加蘆葦?shù)蚵湮锖蟮耐寥揽偺紟?1.93±0.02kg m-2)其多重比較組別介乎二者之間；

10、添加互花米草凋落物，添加蘆葦?shù)蚵湮锖臀刺砑拥蚵湮锟瞻讓φ胀寥赖目偟獛炫c無機(jī)氮庫均無顯著差異。以上結(jié)果表明互花米草增加土壤總碳庫與總氮庫的機(jī)制存在差異，后者不能僅由初級生產(chǎn)與凋落物降解過程解釋，促淤效應(yīng)在其中起著重要作用。
　　互花米草對氮循環(huán)的影響將作用于自身的擴(kuò)張。于2008年6月測定互花米草與蘆葦葉硝酸鹽還原酶活性(nitrate reductase activity，NRA)，結(jié)果顯示互花米草葉的NRA(對數(shù)值1.69±0.

11、11)整體上顯著高于蘆葦葉(對數(shù)值0.87±0.08)。加氮處理使互花米草與蘆葦葉的NRA均顯著上升，淹水處理使互花米草葉NRA升高，而蘆葦葉NRA降低。對野外觀測實(shí)驗(yàn)與操縱實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸和PCA分析，結(jié)果顯示淤積物性質(zhì)與植物群落性質(zhì)有顯著的相關(guān)性。以上結(jié)果提示互花米草入侵改變生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的后果可能影響其自身擴(kuò)張，形成一定程度的反饋?zhàn)饔谩?br>　　總之，上述結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)系統(tǒng)工程師效應(yīng)對系統(tǒng)與外界輸入/輸出