滨海湿地营养盐富集对外来种互花米草扩散的多尺度影响研究

Eutrophication and expansion of the exotic plant Spartina alterniflora are two prominent ecological and environmental problems facing coastal zones in China. Understanding their potential interactions is critical for anticipating the expansion dynamics of exotic plants as well as the future evolution of ecosystem structure and function of coastal wetlands under environmental changes. Yet it remains poorly understood how nutrient enrichment may affect the spread of Spartina alterniflora. Here, we focus on two key ecological processes involved in S. alterniflora expansion, seedling establishment and clonal extension. Through lab manipulative experiments, field experiments and monitoring as well as model simulation and analysis, we examine the effects of increased nutrient level on the spread capacity of S. alterniflora on three different scales: individual, tussock and population. This can shed light on the mechanisms underlying the response of S. alterniflora to shifts in key environmental conditions. Such information is highly relevant for evaluating future expansion capacity and invasion potential of S. alterniflora, and can provide basic input for forecasting future evolution of Chinese coastal wetlands in the face of coastal eutrophication.

水体富营养化和外来植物互花米草的扩散是我国海岸带面临的两个比较突出的生态环境问题，探明两者之间的潜在相互作用，对于掌握我国滨海湿地在水环境变化下的外来物种扩散动态及生态系统结构和功能演化趋势具有重要意义。营养盐是互花米草生长和繁殖的关键影响要素，然而，对于营养盐富集如何互影响互花米草的扩散，目前仍缺乏系统性的认知。针对这一问题，本项目拟聚焦互花米草扩散的两个关键过程：实生苗定植和斑块无性扩散，通过室内控制实验、野外控制实验和定位监测以及模型模拟分析等多种技术手段，研究在个体、克隆斑块和种群这三个尺度互花米草扩散对氮磷营养盐富集的响应规律，为全面掌握营养盐条件变化对互花米草扩散的调控机制、预测其未来扩散动态、潜在入侵风险以及我国滨海湿地在富营养化趋势下的结构和功能演变提供科学依据。

近几十年来，外来种互花米草的快速扩散已对我国滨海湿地产生了深远影响。另一方面，随着人源氮磷等营养元素的大量输入，我国河口海岸区域营养盐富集问题日趋严重。研究营养盐富集对外来种互花米草种群扩散的影响，对于掌握变化环境下互花米草扩散趋势具有重要意义。本项目围绕“营养盐富集对互花米草扩散的多尺度影响”这一核心科学问题，开展了水槽盆栽实验，模拟了水动力扰动条件下互花米草实生苗生长和定植过程，探究了不同生长条件下互花米草实生苗生长和存活对营养盐富集的响应规律和机理。结果表明，氮素添加在实生苗的不同定居阶段其作用不尽相同，呈现出阶段依赖特征；但总体而言，氮素添加可导致互花米草实生苗生长受到显著抑制。同时，我们构建了耦合实生苗定植和克隆斑块扩散过程的互花米草空间扩散模型，结合实生苗定植能力和斑块扩散距离对营养盐富集的响应关系，开展了多情景模型模拟，分析了互花米草种群扩散速度对营养盐富集的的响应规律。模拟结果表明，外来互花米草种群的扩散速度随着氮浓度的增加呈现非线性降低趋势。同时，基于幼苗定植的种群扩散的影响会被其他生物干扰等因素放大，在幼苗峰值密度较小场景下，种群扩散对于氮浓度的变化较为敏感，整体扩散速度的下降幅度相对较大。此外，基于数据挖掘和荟萃分析，我们进一步解析了潮汐和风暴在米草属植物种子扩散中的关键作用，同时也揭示了互花米草扩散对盐沼湿地动物群落的影响。基于项目研究结果发表了SCI论文5篇，相关成果为深入掌握互花米草扩散对营养盐富集的响应规律、预测其未来扩散动态和潜在入侵风险提供了基础科学依据。