Picarro G2131-i（互花米草入侵對鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳儲量和碳源的影響）

背景簡介

作為全球變化的重要組成部分，植物入侵威脅著全球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，并可能改變?nèi)肭謪^(qū)域的碳動態(tài)。互花米草是一種常見的入侵植物，它的入侵會對被稱為重要的“藍碳”生態(tài)系統(tǒng)的濱海鹽沼產(chǎn)生影響，我們對這種影響——尤其是土壤有機碳（SOC）和土壤無機碳（SIC）儲量及其剖面分布的影響知之甚少。本文采用2-10年的短期入侵時間序列來評估中國黃河口在植物入侵期間土壤SOC和SIC的響應(yīng)。通過分析土壤、植物組織和沉積物碎屑中的¹³C同位素含量，推斷入侵對鹽沼生態(tài)SOC積累的貢獻。結(jié)果表明，80%以上的土壤碳是無機碳，這一比例在原生地和新入侵地區(qū)較高。土壤有機碳在距離表層以下100cm土壤中隨入侵時間呈線性累積。土壤有機碳累積速率沿土壤剖面變化，在表層以下20 cm、40 cm和100 cm的土壤中分別為0.10、0.13和0.40 kg C m^-2yr^-1。¹³C同位素分析表明，碎屑源C在天然鹽沼中占主導(dǎo)地位（平均62.2%），而植物源C則隨著入侵時間的延長而增加。結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）表明，入侵土壤表層以下40 cm的土壤無機碳損失可間接歸因于堿性土壤中的土壤酸化，并與土壤鈣流失直接相關(guān)。

北京師范大學(xué)白軍紅教授團隊張光亮博士，以黃河口地區(qū)鹽沼地入侵物種互花米草和本地物種為研究對象，以穩(wěn)定碳同位素和SEM模擬方程為研究手段，揭示了植物入侵和土壤碳庫之間的因果關(guān)系，并強調(diào)了無機C在沿海藍碳庫中的重要性。

站點位置

該研究在中國山東東營的黃河口進行。黃河口是中國北方最完整、最年輕的河口濕地生態(tài)系統(tǒng)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候地區(qū)。黃河口土壤主要來源于黃河中上游的黃土高原，沿海岸線分布的土壤主要為鈣質(zhì)潮土和潛育土。從鹽沼到受河流影響的淡水生境有明顯的植物帶，這主要是由于土壤鹽度梯度和洪水頻率之間的相互作用造成的。

從鹽沼到河岸濕地，植物種類主要有：互花米草-堿蓬-檉柳-蘆葦-白茅-東方香蒲。一般來說，堿蓬是我國鹽沼的原生物種，其棲息地現(xiàn)在正迅速被外來物種互花米草占據(jù)（如圖一）。研究表明，互花米草正迅速沿著潮溪延伸，并形成了入侵代差。

圖一：研究區(qū)鹽沼生態(tài)系統(tǒng)位置圖。SS，原生堿蓬位置;SA入侵互花米草位置(SA后數(shù)字表示入侵時間(年))。

實驗方法

本研究對土壤有機碳（SOC）、土壤總碳（TC）、總氮（TN）、土壤pH值和鹽度EC、土壤鈣含量等參數(shù)進行了測定。SOC中δ¹³C的分析是通過使用配有燃燒裝置（元素分析儀）的碳同位素分析儀（Picarro G2131-i）進行的。

一般來說，C3和C4植物組織的δ¹³C值分別為−28.5‰ ~ -29.3‰和−13.0‰ ~ -13.5‰。通過對植物組織、土壤樣品和碎屑的δ¹³C值的測量，我們認為土壤有機碳主要是植物分解和海岸碎屑沉積的結(jié)果。 

數(shù)據(jù)分析使用SEM的方法，通過回歸分析、路徑份分析和聯(lián)立方程等方法做了建模。通過SEM方法，提供互花米草入侵對SOC和SIC的影響。模型的充分性通過卡方檢驗（χ²檢驗）、比較擬合指數(shù)（CFI）和擬合優(yōu)度統(tǒng)計（GFI）進行檢驗。

結(jié)果分析

本文分析了土壤、植物和碎屑中的&delta;¹³C同位素，以追蹤SOC來源?；セ撞荩–4植物）的&delta;¹³C值介于&minus;11.85&permil; ~ &minus;10.26&permil;之間，葉、莖和根之間沒有顯著差異（P大于0.05），但葉、莖和根之間略有增加。堿蓬（C3植物）的&delta;¹³C值的平均值為&minus;24.29&permil;&plusmn;0.37，顯著低于入侵植物（P<0.05）。與植物和土壤相比，碎屑顯示出更高的δ^{13C值，平均值為&minus;7.13&permil;&plusmn;0.87。在入侵區(qū)域的土壤中，互花米草衍生的C從表層到深層土壤均占主導(dǎo)地位，這表明互花米草入侵強烈影響了鹽沼區(qū)域表層以下100 cm土壤的SOC。}

圖二：土壤有機碳和土壤無機碳分別占總碳(a)和二源碳(碎屑和植物源碳)的比例(b)。

SEM模擬結(jié)果顯示，土壤pH值隨著互花米草入侵時間的延長而直接降低。隨著SOC的積累，在這種堿性環(huán)境中，土壤pH值相應(yīng)下降，進而促進入侵物種的植物凋落物分解為土壤有機質(zhì)和土壤微生物。這解釋了入侵時間影響表層以下40 cm土壤中SOC儲存的間接途徑。同時，隨著入侵時間的延長，土壤容積密度顯著降低，說明入侵鹽沼土壤水分含量較高，高含水量可以創(chuàng)造厭氧環(huán)境，抑制SOC分解，然后加速沿海濕地中的有機碳沉積。土壤質(zhì)地在控制SOC剖面分布方面起著關(guān)鍵作用。

垂直遷移過程（即淋濾過程和生物擾動）和較少的樣本量，限制了通過SEM模型解釋深層土壤（60&ndash;100 cm）中SOC巨大變化的部分原因。結(jié)果表明，SIC損失可以抵消入侵期間SOC的積累，尤其是在40 cm以上的上層土壤中。SEM分析結(jié)果表明，土壤Ca含量和SOC是影響SIC隨入侵時間變化的最重要控制因素，Ca對SIC變化的影響大于SOC。因此基于SEM模型模擬的發(fā)現(xiàn)，60-100 cm土層中的土壤Ca與SIC的相關(guān)性比上部土層中的相關(guān)性更強。

圖三：互花米草入侵對0 ~ 40 cm (a)和40 ~ 100 cm (b)土壤理化性質(zhì)和碳庫的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)。

結(jié)論

本文研究了鹽沼生態(tài)表層以下100 cm范圍內(nèi)土壤中的SOC和SIC在互花米草短期入侵時間內(nèi)的動態(tài)脅迫情況。SOC存量隨時間呈線性增長，深層土壤（40 cm以下）的SOC比表層土壤（40 cm以上）增加得更多；同時，表層土壤中SIC的積累量減少，這主要歸因于石灰性土壤中的土壤酸化。SIC的損失可以抵消互花米草入侵造成的SOC積累。本研究提供了沿海“藍碳”棲息地外源干擾下SOC和SIC的綜合調(diào)查，并強調(diào)在碳收支估算中不應(yīng)忽視SIC存量的作用。