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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,并可能改變入侵區(qū)域的碳動態(tài)?;セ撞菔且环N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。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。結構方程模型(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。
北京師范大學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系,并強調了無機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。
結果分析
本文分析了土壤、植物和碎屑中的δ13C同位素,以追蹤SOC來源。互花米草(C4植物)的δ13C值介于−11.85‰ ~ −10.26‰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δ13C值的平均值為−24.29‰±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δ13C值,平均值為−7.13‰±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值相應下降,進而促進入侵物種的植物凋落物分解為土壤有機質和土壤微生物。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。土壤質地在控制SOC剖面分布方面起著關鍵作用。
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(60–100 cm)中SOC巨大變化的部分原因。結果表明,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的相關性比上部土層中的相關性更強。
圖三:互花米草入侵對0 ~ 40 cm (a)和40 ~ 100 cm (b)土壤理化性質和碳庫的結構方程模型(SEM)。
結論
本文研究了鹽沼生態(tài)表層以下100 cm范圍內土壤中的SOC和SIC在互花米草短期入侵時間內的動態(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的綜合調查,并強調在碳收支估算中不應忽視SIC存量的作用。
文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104831
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編輯:吳闖
審核:陳曉峰