外来植物互花米草的地上和地下碳输入对土壤食物网的影响

The relative contribution of plant aboveground and belowground carbon input has become a hot debate in the research field of soil biology. Biological invasion is one of the important global changes, causing serious ecosystem consequences such as nutrient cycling changes. The different effects of litter and rhizodeposit of invasive plants on ecosystem functions and their biological mechanisms are still unclear. This project plan to study the aboveground and belowground carbon input of the invasive Spartina alterniflora at the Yangtze River estuarine marshes. By stable isotope labelling and fatty acid analyses, the relative effects of aboveground litter, belowground litter and rhizodeposit on soil biota will be compared. This study will also reveal the food chain channel of the aboveground and belowground carbon allocation, and provide important cases for explaining the underlying mechanisms of how invasive plant affect ecosystem structure and functions.

植物的地上与地下碳输入对土壤食物网的相对贡献是近年来国际土壤生物学领域的一个争论热点。生物入侵是一个全球性的生态问题，众多研究表明外来植物在其入侵地导致了物质循环改变等生态系统后果。在此过程中，入侵植物凋落物和根系沉积的相对贡献如何，影响物质循环的生物途径又是什么，我们还不清楚；而这对解释外来植物的入侵机制及其生态系统后果的产生机制非常重要。本项目拟以长江口盐沼湿地中的入侵植物互花米草为对象，采用受控实验，结合稳定同位素标记示踪、脂肪酸分析等技术方法，研究互花米草的地表凋落物、地下凋落物和根系沉积对土壤生物功能群的影响，揭示其地上和地下碳分配被土壤生物利用的食物链途径，为阐明外来植物影响生态系统结构和功能的过程及机制提供重要案例和科学依据，并可望在入侵生态学和土壤生物学领域取得重要的原创性成果。

植物入侵导致凋落物和根系的变化直接改变土壤生物资源输入的数量与质量，是影响土壤食物网最直接和主要的两条途径。在外来植物造成土壤碳循环改变等生态系统后果的过程中，植物地上、地下凋落物及根系活碳分别扮演什么样的角色，哪些土壤生物类群发挥了主要作用，尚没有系统研究。本研究以入侵长江口湿地的互花米草为典型案例，开展野外受控实验比较了地上、地下凋落物和根系输入对土壤食物网的影响，并结合磷脂脂肪酸及稳定同位素标记技术，追踪了凋落物碳源和根系活碳在植物-土壤界面的传递与分配。研究结果发现：（1）互花米草和芦苇群落下土壤线虫群落结构和功能的差异主要是两者之间根系输入的差异导致的，凋落物输入（根系与地上凋落物）影响次之。尽管互花米草的地上与地下生物量均高于芦苇，但其根际中植食性线虫的数量却减少了627%，杂食性线虫的数量也相应减少。两种植物的凋落物特性则主要影响参与凋落物分解的细菌和食细菌线虫(结果发表于Ecosystems)。（2）在分配光合作用新碳时，互花米草将更多的新碳保留在地上部分（33%），保留在根系中的新碳较少但周转速率更快。而对于传递到土壤食物网的新碳，入侵植物互花米草更倾向将新碳分配到某些微生物功能群如G-细菌，到高营养级线虫的新碳则较少(结果发表于Soil Biology and Biochemistry)。（3）不同的凋落物类型在CO2和土壤各碳库的转移有显著差异，互花米草凋落物碳主要以CO2形式通过土壤呼吸作用排出，其次转移到土壤有机碳库中。（4）沉积食性螺类和悬浮食性双壳类虽然不直接取食植物碎屑，但是也能够从沉积物和悬浮颗粒物中同化利用少量来自互花米草的碳源(结果分别发表于Ecosystems和Plos ONE)。此外，我们还以Meta分析研究了入侵植物的凋落物和根系活碳输入对土壤食物网的影响，以及对植物的反馈（结果已投稿）。总体而言，本项目发现入侵植物的凋落物和根系活碳输入影响了土壤食物网的不同组分，两种影响可通过植物-土壤界面的碳循环和周转联系起来，并进一步通过植物-土壤反馈作用于入侵植物。