应用案例

Picarro G2131-i（互花米草入侵对盐沼生态系统中土壤碳储量和碳源的影响）

发表时间：2024-04-17

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背景简介

作为全球变化的重要组成部分，植物入侵威胁着全球生态系统的可持续性，并可能改变入侵区域的碳动态。互花米草是一种常见的入侵植物，它的入侵会对被称为重要的“蓝碳”生态系统的滨海盐沼产生影响，我们对这种影响——尤其是土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）储量及其剖面分布的影响知之甚少。本文采用2-10年的短期入侵时间序列来评估中国黄河口在植物入侵期间土壤SOC和SIC的响应。通过分析土壤、植物组织和沉积物碎屑中的¹³C同位素含量，推断入侵对盐沼生态SOC积累的贡献。结果表明，80%以上的土壤碳是无机碳，这一比例在原生地和新入侵地区较高。土壤有机碳在距离表层以下100cm土壤中随入侵时间呈线性累积。土壤有机碳累积速率沿土壤剖面变化，在表层以下20 cm、40 cm和100 cm的土壤中分别为0.10、0.13和0.40 kg C m^-2yr^-1。¹³C同位素分析表明，碎屑源C在天然盐沼中占主导地位（平均62.2%），而植物源C则随着入侵时间的延长而增加。结构方程模型（SEM）表明，入侵土壤表层以下40 cm的土壤无机碳损失可间接归因于碱性土壤中的土壤酸化，并与土壤钙流失直接相关。

北京师范大学白军红教授团队张光亮博士，以黄河口地区盐沼地入侵物种互花米草和本地物种为研究对象，以稳定碳同位素和SEM模拟方程为研究手段，揭示了植物入侵和土壤碳库之间的因果关系，并强调了无机C在沿海蓝碳库中的重要性。

站点位置

该研究在中国山东东营的黄河口进行。黄河口是中国北方最完整、最年轻的河口湿地生态系统，属于暖温带大陆性季风气候地区。黄河口土壤主要来源于黄河中上游的黄土高原，沿海岸线分布的土壤主要为钙质潮土和潜育土。从盐沼到受河流影响的淡水生境有明显的植物带，这主要是由于土壤盐度梯度和洪水频率之间的相互作用造成的。

从盐沼到河岸湿地，植物种类主要有：互花米草-碱蓬-柽柳-芦苇-白茅-东方香蒲。一般来说，碱蓬是我国盐沼的原生物种，其栖息地现在正迅速被外来物种互花米草占据（如图一）。研究表明，互花米草正迅速沿着潮溪延伸，并形成了入侵代差。

图一：研究区盐沼生态系统位置图。SS，原生碱蓬位置;SA入侵互花米草位置(SA后数字表示入侵时间(年))。

实验方法

本研究对土壤有机碳（SOC）、土壤总碳（TC）、总氮（TN）、土壤pH值和盐度EC、土壤钙含量等参数进行了测定。SOC中δ¹³C的分析是通过使用配有燃烧装置（元素分析仪）的碳同位素分析仪（Picarro G2131-i）进行的。

一般来说，C3和C4植物组织的δ¹³C值分别为−28.5&permil; ~ -29.3&permil;和−13.0&permil; ~ -13.5&permil;。通过对植物组织、土壤样品和碎屑的δ¹³C值的测量，我们认为土壤有机碳主要是植物分解和海岸碎屑沉积的结果。

数据分析使用SEM的方法，通过回归分析、路径份分析和联立方程等方法做了建模。通过SEM方法，提供互花米草入侵对SOC和SIC的影响。模型的充分性通过卡方检验（χ²检验）、比较拟合指数（CFI）和拟合优度统计（GFI）进行检验。

结果分析

本文分析了土壤、植物和碎屑中的δ¹³C同位素，以追踪SOC来源。互花米草（C4植物）的δ¹³C值介于−11.85&permil; ~ −10.26&permil;之间，叶、茎和根之间没有显著差异（P大于0.05），但叶、茎和根之间略有增加。碱蓬（C3植物）的δ¹³C值的平均值为−24.29&permil;±0.37，显著低于入侵植物（P<0.05）。与植物和土壤相比，碎屑显示出更高的δ^{13C值，平均值为−7.13&permil;±0.87。在入侵区域的土壤中，互花米草衍生的C从表层到深层土壤均占主导地位，这表明互花米草入侵强烈影响了盐沼区域表层以下100 cm土壤的SOC。}

图二：土壤有机碳和土壤无机碳分别占总碳(a)和二源碳(碎屑和植物源碳)的比例(b)。

SEM模拟结果显示，土壤pH值随着互花米草入侵时间的延长而直接降低。随着SOC的积累，在这种碱性环境中，土壤pH值相应下降，进而促进入侵物种的植物凋落物分解为土壤有机质和土壤微生物。这解释了入侵时间影响表层以下40 cm土壤中SOC储存的间接途径。同时，随着入侵时间的延长，土壤容积密度显著降低，说明入侵盐沼土壤水分含量较高，高含水量可以创造厌氧环境，抑制SOC分解，然后加速沿海湿地中的有机碳沉积。土壤质地在控制SOC剖面分布方面起着关键作用。

垂直迁移过程（即淋滤过程和生物扰动）和较少的样本量，限制了通过SEM模型解释深层土壤（60–100 cm）中SOC巨大变化的部分原因。结果表明，SIC损失可以抵消入侵期间SOC的积累，尤其是在40 cm以上的上层土壤中。SEM分析结果表明，土壤Ca含量和SOC是影响SIC随入侵时间变化的最重要控制因素，Ca对SIC变化的影响大于SOC。因此基于SEM模型模拟的发现，60-100 cm土层中的土壤Ca与SIC的相关性比上部土层中的相关性更强。

图三：互花米草入侵对0 ~ 40 cm (a)和40 ~ 100 cm (b)土壤理化性质和碳库的结构方程模型(SEM)。

结论

本文研究了盐沼生态表层以下100 cm范围内土壤中的SOC和SIC在互花米草短期入侵时间内的动态胁迫情况。SOC存量随时间呈线性增长，深层土壤（40 cm以下）的SOC比表层土壤（40 cm以上）增加得更多；同时，表层土壤中SIC的积累量减少，这主要归因于石灰性土壤中的土壤酸化。SIC的损失可以抵消互花米草入侵造成的SOC积累。本研究提供了沿海“蓝碳”栖息地外源干扰下SOC和SIC的综合调查，并强调在碳收支估算中不应忽视SIC存量的作用。

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104831

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编辑：吴闯

审核：陈晓峰