九段沙湿地土壤铁对有机碳稳定性的维持机制及其对互花米草入侵的响应

The biological invasion (e.g.,Spartina alterniflora) is altering the biogeochemical cycle of wetland ecosystems. Iron， which is rich in soil and has fairly active redox properties, plays a critical role in maintaining the stability of the soil organic carbon. At present, how S. alterniflora invasion affected the mechanism of iron maintaining the stability of organic carbon in wetlands is still unclear. This project will 1) investigate the effects of Spartina alterniflora invasion on the stability of soil organic carbon, iron and microbes by comparing invasive and local soil at the same elevation in Jiuduansha wetland. 2) study the effects of iron on soil microbes and carbon emissions by adding iron oxides with different degrees of crystallinity into the lab-scale cultivation experiments. 3) investigate the mechanism of iron maintaining the stability of soil organic carbon，how iron-carbon related microorganisms regulate the carbon emissions and different mechanisms of different community types using structural equation model. This project will reveal the mechanism of iron maintaining the stability of soil organic carbon in tidal wetland with Spartina alterniflora invasion, fill the knowledge gap in the theory of Spartina alterniflora invasion on carbon cycle in wetland ecosystem, and will provide scientific basis for the reduction of carbon emission in coastal wetland ecosystem.

以互花米草(Spartina alterniflora)为代表的生物入侵，正在改变湿地生态系统的生物地球化学循环过程，其中铁作为土壤中含量高且氧化还原性质活跃的金属元素，对维持土壤有机碳的稳定性有重要作用。目前，尚未全面开展互花米草入侵对湿地土壤有机碳稳定性的影响研究，同时土壤铁对有机碳稳定性的维持机制尚不清楚。本项目以九段沙湿地为研究对象，拟采集同高程的入侵和未入侵土壤进行对比分析，研究互花米草入侵对土壤有机碳稳定性、土壤铁及功能微生物的影响；通过添加铁氧化物的培养实验，研究土壤铁对功能微生物和碳排放的影响；通过构建结构方程模型研究功能微生物调控的土壤铁对有机碳稳定性的维持机制，及不同群落类型土壤铁对有机碳稳定性维持机制的差异。本项目将探明互花米草入侵后湿地土壤铁对有机碳稳定性的维持机制，完善互花米草入侵对湿地生态系统碳循环影响的理论体系，也为湿地生态系统的碳减排工作提供科学依据。

在九段沙湿地，互花米草（Spartina alterniflora）入侵改变生态系统植被群落组成，影响了土壤的氧化还原条件、土壤有机碳库及温室气体排放。铁作为土壤中含量高且氧化还原性质活跃的金属元素，对维持土壤有机碳的稳定性有重要作用。本项目以九段沙湿地为研究对象，采集同高程的入侵和未入侵土壤进行对比分析，研究互花米草入侵对土壤有机碳稳定性、土壤铁及功能微生物的影响，并探究不同群落类型土壤铁对有机碳稳定性维持机制的差异。研究结果表明，低潮滩互花米草入侵海三棱藨草和高潮滩互花米草入侵芦苇均增加土壤有机碳库存；互花米草入侵高低潮滩均改变了土壤团聚体组成并增强了团聚体对有机碳的物理保护作用；低潮滩互花米草入侵海三棱藨草改变了活性铁和有机碳的结合方式，海三棱藨草群落中二者以共沉淀方式为主，互花米草群落中二者以表面单层吸附为主；低潮滩互花米草入侵海三棱藨草增加了土壤二氧化碳和甲烷的排放，分别增加约3倍和8倍；高潮滩互花米草入侵芦苇降低了土壤二氧化碳和甲烷的排放，分别降低约0.4倍和1.8倍；低潮滩互花米草入侵海三棱藨草，显著降低碳固定细菌Hydrogenophaga的丰度，增加碳降解细菌丰度，显著降低碳降解功能基因abfA和xylA的丰度，增加铁还原菌Geothermobacter和铁氧化菌Rhodobacteraceae丰度；高潮滩互花米草入侵芦苇，降低碳固定细菌丰度，增加碳降解细菌丰度，增加甲烷氧化细菌丰度；互花米草可改变根际微环境中的氧气浓度和铁含量，具有富集铁和将Fe(Ⅱ)转化为Fe(Ⅲ)的能力，并增强了对有机碳的保护作用；结构方程模型显示微生物在调控铁对有机碳的矿化和稳定作用方面发挥了重要的作用。