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滨海湿地土壤呼吸与微生物活动对水文变化的响应：芦苇与互花米草的对比研究

来源：花匠小妙招时间：2025-09-25 03:40

《Geoderma》：Responses of soil respiration and microbial activity in Phragmites australis and Spartina alterniflora marshes to hydrological changes

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　　本研究针对海平面上升导致的淹水和盐度增加如何影响滨海湿地土壤呼吸这一关键问题，通过中宇宙实验对比研究了本土芦苇(Phragmites australis)和入侵种互花米草(Spartina alterniflora)的响应差异。研究发现互花米草通过维持更高的根系生物量、微生物生物量碳(MBC)和碳循环酶活性，表现出更强的环境胁迫耐受性，其土壤呼吸在高水位和高盐度(30 ppt)复合胁迫下比芦苇高约两倍。排水条件显著改变了物种特异性响应模式。该研究为预测海平面上升情景下滨海湿地碳循环提供了重要科学依据，强调了物种特异性适应策略和潮汐动态的重要性。

随着全球气候变化的加剧，海平面上升正以前所未有的速度威胁着滨海湿地生态系统。这些被称为"蓝色碳汇"的生态系统，其碳封存能力是陆地森林的30-50倍，在全球碳循环中扮演着至关重要的角色。然而，海平面上升导致的淹水时间延长和盐度增加，正在深刻改变滨海湿地的水文和盐度环境，可能破坏其生态功能和生物地球化学过程，特别是土壤碳储存和循环过程。

在这一背景下，理解不同植物物种如何响应这些环境变化变得尤为重要。植被组成在决定滨海湿地对环境胁迫的响应方面起着关键作用，不同植物物种通过其独特的生理和形态特征直接影响土壤碳循环过程。特别是在中国沿海湿地，本土物种芦苇(Phragmites australis)和入侵物种互花米草(Spartina alterniflora)形成了鲜明的对比，它们代表了不同的环境适应策略。芦苇作为广布种，具有中等的耐盐性，而互花米草作为专性盐生植物，表现出对高盐度和频繁淹水的特殊耐受性。

土壤呼吸作为碳循环的关键组成部分，对滨海湿地的水文和盐度变化特别敏感。淹水通过形成物理屏障阻碍土壤与大气之间的气体扩散、建立氧限制条件使微生物代谢从有氧途径转向无氧途径，以及改变影响微生物群落组成和活动的土壤理化性质等多种机制影响土壤呼吸。类似地，盐度升高主要通过抑制微生物活动、改变根系生物量和活性、减少根际沉积和改变根系分泌物模式等途径影响土壤呼吸。

研究人员通过中宇宙实验，采用全因子设计，设置了两种水位处理（低水位和高水位）和四种盐度水平（0、5、15和30 ppt），对两种植物进行了对比研究。实验在2016-2017年生长季进行，每月测量土壤呼吸，并在实验结束时分析了根系生物量、土壤理化性质、微生物生物量碳和酶活性等指标。

研究结果显示，在高水位条件下，两种植物的土壤呼吸都受到显著抑制，但芦苇的减少幅度（78.9%）大于互花米草（74.4%）。对盐度的响应也表现出物种特异性：高盐度（30 ppt）导致芦苇的土壤呼吸减少56.4%，而互花米草仅减少28.9%。排水条件从根本上改变了这些响应模式，排水后两种植物在高水位条件下都表现出土壤呼吸增强，但芦苇的增加幅度（42.4%）显著高于互花米草（12.9%）。

物种特异性响应主要通过根系生物量、微生物生物量碳和碳循环酶活性的差异变化来介导。主成分分析揭示了沿胁迫梯度的明显生态位分离，互花米草在严重复合条件下维持了更高的生物活性，而芦苇表现出更大的胁迫敏感性。淹水和盐度的复合效应揭示了对土壤呼吸的非加性影响，互花米草通过维持微生物活性和根系功能表现出更强的耐受性。

主要技术方法

研究采用中宇宙实验设计，设置2种水位×4种盐度×2种植物×6重复的全因子实验。土壤呼吸使用便携式红外气体分析系统(LI-6400XT)测量，分不排水(Rs.ND)和排水(Rs.D)两种条件。微生物生物量碳采用氯仿熏蒸提取法测定，酶活性包括蔗糖酶、纤维素酶、脱氢酶和过氧化氢酶活性测定。土壤样品来自崇明东滩湿地研究站。

3.1. 改变的水文和盐度条件下的土壤呼吸

土壤呼吸对淹水和盐度处理的响应因物种和排水条件而异。在不排水条件下，高水位处理显著抑制了两种植物的土壤呼吸，芦苇表现出更大的减少幅度。两种植物对盐度增加表现出不同的响应模式：低盐度（5 ppt）略微增加了互花米草的土壤呼吸但降低了芦苇的土壤呼吸；中盐度（15 ppt）使两种植物相似程度减少；而高盐度（30 ppt）对芦苇造成更严重的减少。排水条件改变了这些响应模式，排水后两种植物在高水位条件下都表现出土壤呼吸增强，但芦苇的增加幅度显著高于互花米草。

3.2. 改变的水文和盐度条件下的土壤变量

淹水处理对土壤生物和理化参数的影响显示出物种特异性模式。在高水位条件下，两种植物都表现出微生物生物量碳和氧化还原电位降低，但在纤维素酶活性方面表现出对比响应。两种植物在多个参数上表现出不同的响应：互花米草在脱氢酶活性、土壤有机碳、碳氮比和硫酸根离子方面显著增加，而芦苇在这些参数上没有显著变化。盐度效应也揭示了两种植物之间的不同模式。低盐度略微增强或对互花米草的大多数土壤参数产生中性影响，同时导致芦苇略微减少。高盐度显著降低了两种植物的大多数土壤生物和理化参数。

3.3. 土壤变量对土壤呼吸的影响

相关性分析揭示了在不同水文和盐度条件下，土壤呼吸与环境参数之间既存在共同模式，也存在物种特异性关系。在低水位条件下，两种植物都表现出土壤呼吸与多个生物参数（包括根系生物量和微生物生物量碳）之间的显著正相关。在高水位条件下，物种表现出对比的相关模式。互花米草保持了土壤呼吸与多个参数之间的强正相关，而芦苇没有显示显著相关。

主成分分析解释了土壤变量总方差的68.6%，第一主成分主要代表综合生物活性梯度，第二主成分主要由环境胁迫指标主导。物种在PCA空间中的分布表现出明显的分离模式，互花米草样品主要聚集在正PC1区域，表明在胁迫条件下保持了优越的生物活性，而芦苇样品主要分布在负PC1区域，反映了对环境胁迫因子的更大敏感性。

研究结论与意义

本研究揭示了滨海湿地在气候变化胁迫下的响应机制，重点关注了土壤呼吸和微生物活动。研究发现有三个重要启示：首先，淹水和盐度都抑制了土壤呼吸，但互花米草表现出比芦苇更强的胁迫耐受性；其次，土壤呼吸对改变的水文的响应机制可归因于根系功能、微生物群落动态和土壤酶活性之间复杂的相互作用；第三，淹水和盐度的复合效应揭示了对土壤呼吸的非加性影响，强调了多胁迫因子相互作用在预测沿海生态系统对气候变化的响应中的重要性。

这些发现表明，从芦苇向互花米草的植被转变可能显著影响经历海平面上升的滨海湿地的碳循环过程。互花米草对水文胁迫的更强耐受性表明，在未来气候变化情景下，它可能保持更稳定的碳循环。排水条件的显著影响表明，海平面上升下改变的潮汐动态可能产生复杂的反馈，从根本上改变先前对气候变化下滨海湿地碳动态的理解。

研究强调了在预测气候变化下滨海湿地响应时考虑物种特异性适应策略的重要性。互花米草通过维持根系功能、微生物活性和酶活性，在复合胁迫条件下表现出更强的恢复力和稳定性。这些发现为滨海湿地管理和碳循环预测提供了重要科学依据，特别是在海平面上升和物种分布沿环境梯度变化的背景下。

该研究的局限性包括仅针对两个特定物种，而滨海湿地植被包含更多样的功能群。未来研究应该包括更多具有不同生态策略和胁迫耐受机制的沿海沼泽物种，以测试观察到的差异响应模式是否代表与盐生特化与广布适应策略相关的更广泛功能差异。整合分子技术，如特定微生物代谢途径的功能基因分析，将为观察到的生态系统呼吸模式背后的生物地球化学过程提供更直接的机制见解。