互花米草與蟹類擾動對崇明東灘植物種間關(guān)系及生地化循環(huán)的影響.pdf

1、生物擾動是影響生態(tài)系統(tǒng)演替方向與進(jìn)程的關(guān)鍵因子。在生態(tài)系統(tǒng)中，生物擾動通過改變土壤結(jié)構(gòu)影響環(huán)境中的非生物因子，物質(zhì)輸入與輸出等影響了生物地球化學(xué)(biogeochemistry)特征和植物群落演替過程。長江河口崇明東灘鹽沼濕地同時存在互花米草入侵和蟹類擾動兩種重要的生物擾動因素，植物入侵在影響土著蟹類分布與行為的同時，蟹類擾動在入侵和非入侵群落中亦表現(xiàn)出不同的生態(tài)功能。本研究中，作者通過建立中型人工實驗系統(tǒng)(mecocosm)研究蟹類擾

2、動對外來植物互花米草(Spartina alterniflora)和土著植物蘆葦(Phragmites australis)及海三棱蔗草(Scirpus mariqueter)種間關(guān)系的變化。同時，在崇明東灘鹽沼中建立了操控樣方研究植物入侵和蟹類擾動共同作用對鹽沼自由固氮功能、氮形態(tài)轉(zhuǎn)化，及對鐵硫循環(huán)等生物地球化學(xué)循環(huán)過程的影響。總的來說，在中型人工實驗系統(tǒng)中，蟹類擾動增強(qiáng)了互花米草相對于土著植物的競爭優(yōu)勢。在崇明東灘，植物入侵對物質(zhì)循

3、環(huán)的作用大于蟹類擾動，蟹類擾動在入侵和土著群落中發(fā)揮不同的生態(tài)功能，生物擾動主要通過改變土壤可利用碳和氮庫間接地影響其它物質(zhì)循環(huán)過程。生物擾動可能通過多樣化碳與氮輸入與輸出途徑而使生態(tài)系統(tǒng)中的碳、氮耦合關(guān)系減弱，但生物擾動可以加強(qiáng)鐵硫循環(huán)對碳氮循環(huán)的影響。主要結(jié)論總結(jié)如下:
　　(1)蟹類擾動能影響外來植物互花米草與土著植物蘆葦和海三棱蔗草的種間關(guān)系。在中型人工實驗系統(tǒng)中，三種植物的單物種群落的生物量在蟹類擾動處理中較高。在有蟹類

4、擾動的情況下，互花米草在與土著植物混種的群落中具有競爭優(yōu)勢;在沒有蟹類擾動的情況下，土著植物在與互花米草的混種群落中的生長得到促進(jìn)。蟹類擾動影響外來與土著植物種間關(guān)系是通過改變土壤特性所實現(xiàn)的。蟹類擾動可能提高土壤中氮的可利用性，從而使對氮有較高需求和較強(qiáng)競爭力的互花米草在有蟹類擾動的環(huán)境中取得競爭優(yōu)勢。
　　(2)在崇明東灘，互花米草與蟹類擾動共同影響土壤中的自由固氮速率?；セ撞萑郝涞钠骄痰俾蕿?～67mg·m-2·d-1

5、，且隨著互花米草群落年齡的增長而增加。蟹類擾動使1齡互花米草群落土壤固氮速率降低，但使5-6齡互花米草群落下的固氮速率升高。土壤中的固氮速率與環(huán)境因子密切相關(guān):地下生物量、正磷酸鹽(PO43-)、可利用氮磷比(DTN/PO43-)和鹽度對固氮速率呈負(fù)效應(yīng);地上生物量、蟹穴體積、可溶性氮(DTN)、氧化還原電位和pH對固氮速率呈正效應(yīng)。土壤固氮速率與固氮基因nifH的多樣性呈正相關(guān)關(guān)系。固氮微生物主要由硫還原菌(SRB)、光合細(xì)菌和植物共

6、生菌組成，三個功能群總和達(dá)到固氮微生物的80％以上。隨著群落年齡的增長，SRB比例下降，紫硫細(xì)菌及光合細(xì)菌的比例上升。蟹類擾動使1齡和2-3齡群落中Fe(Ⅲ)還原細(xì)菌的比例降低，但使5-6齡群落Fe(Ⅲ)比例升高;同時蟹類擾動使1齡和2-3齡互花米草群落中光合細(xì)菌和植物共生菌比例升高。不同擾動處理下土壤固氮微生物的功能群結(jié)構(gòu)的差異可能與生物擾動引起的環(huán)境因子的變化有關(guān)。
　　(3)互花米草和蟹類擾動影響了土壤氮形態(tài)轉(zhuǎn)化過程?；セ?/p>

7、草入侵會加快土壤有機(jī)質(zhì)降解和微生物對可溶性有機(jī)物的利用，但是降低的可溶性有機(jī)碳(DOC)會抑制微生物礦化速率。經(jīng)過一個生長季，土著群落中的蘆葦會減緩?fù)寥乐锌扇苄杂袡C(jī)氮(DON)和銨態(tài)氮(NH4+)的下降程度，可能是植被下土壤的總氮降解加快而得到及時補充。在入侵群落中，互化米草對NH4+的大量吸收可能引起土壤氮限制，使微生物固持NH4+的速率也隨之提高。蟹類擾動會加速微生物對NH4+的固持速率，引起硝化作用和硝酸鹽(NO3-)消耗反應(yīng)可能

8、因底物減少而受到抑制。
　　(4)互花米草和蟹類擾動影響了土壤化學(xué)成分的分布特征，以及Fe(Ⅲ)和硫酸鹽兩種還原途徑與氮循環(huán)的關(guān)系?？傮w來說，互花米草入侵的擾動效應(yīng)強(qiáng)于蟹類擾動，蟹類擾動的效應(yīng)在入侵群落中更顯著。土層深度、蟹穴體積和地下生物量在入侵群落中對土壤成分分布的相對影響達(dá)26.0％，高于土著群落的11.8％。蟹穴體積和根生物量主要影響了不穩(wěn)定的可溶性物質(zhì)，而較穩(wěn)定的土壤成分如總碳(TC)，總氮(TN)和總有機(jī)氮(TOC)的

9、分布主要受土層深度的影響。根據(jù)對孔隙水堿度的比較，入侵群落中厭氧呼吸的強(qiáng)度高于土著群落。植物入侵和蟹類擾動都增強(qiáng)了鹽沼中硫酸鹽的還原過程，但減弱了Fe(Ⅲ)的還原過程。硫酸鹽還原過程與鹽沼的氮輸入過程相關(guān)性較強(qiáng)，而Fe(Ⅲ)還原途徑與氮輸出過程相關(guān)性較強(qiáng)。在土著群落中，F(xiàn)e(Ⅲ)還原途徑占厭氧碳氧化的90％以上，硫酸鹽還原途徑僅占不到10％，這兩種途徑之間是競爭關(guān)系，并且還原過程可能由反應(yīng)底物SO42-和Fe(Ⅲ)的含量驅(qū)動。而在入侵群