互花米草入侵对滨海湿地生态系统的影响研究进展

滨海湿地受海、陆生态系统的交互影响,是典型的生态脆弱带和敏感区。互花米草是全球海岸带最为成功的外来入侵物种,对滨海湿地生态系统已经产生了重要的影响。本文对已有相关研究进行了系统梳理,揭示了互花米草入侵对滨海湿地生态系统生物地球化学循环(碳循环、氮循环、磷循环及土壤重金属迁移)和入侵地生物群落(微生物、植物和动物)的影响。并在此基础上对今后研究的重点提出了展望: 加强互花米草入侵对滨海湿地生态系统健康影响机制研究;重点关注全球变化背景下互花米草群落与湿地环境互馈耦合;开展长时序定位监测,厘清滨海湿地生态系统对互米草不同入侵阶段的响应差异,以期对互花米草的生态利用和治理提供指导。     

入侵植物互花米草——生物学、生态学及管理

近20余年来, 互花米草Spartina alterniflora Loisel.在我国沿海及河口滩涂快速扩散, 已成为我国海岸盐沼中最重要的入侵植物。本文介绍了互花米草的形态学、繁殖生物学、生物系统学、分布及全球范围内的入侵途径和历史, 探讨了互花米草与沿海滩涂非生物环境、生物环境之间的相互作用及人类活动在互花米草成功入侵中的作用, 并得出如下结论: 互花米草的成功入侵是在人类活动的影响下, 其入侵力(互花米草自身的生物学特性)与入侵生境的可入侵性(滩涂环境对入侵的抵抗力)相互作用的结果, 其入侵可能对被入侵地的自然环境、生物多样性、生态系统乃至经济生活带来一系列影响。最后, 提出对互花米草的控制只能通过早期预测并保持监控、一旦发现便及时根除的方法来进行。同时,我国应加强立法与相关知识的普及, 最大限度地降低互花米草乃至其他外来生物入侵的可能性。     

互花米草入侵影响下闽江河口湿地土壤有效硅的时空变化特征

2016年1—12月,选择闽江河口鳝鱼滩的短叶茳芏湿地、互花米草湿地以及二者的交错带湿地为研究对象,采用定位研究方法探讨了互花米草入侵影响下湿地土壤有效硅含量的时空变化特征。结果表明:互花米草入侵影响下3块湿地土壤有效硅含量随时间推移整体呈波动上升趋势;互花米草入侵显著提高了鳝鱼滩湿地30—60 cm土层土壤有效硅含量(P0.01),与短叶茳芏湿地相比,交错带湿地和互花米草湿地30—60 cm土层土壤有效硅含量分别增加了8.56%和19.97%,逐步线性回归分析表明土温和电导是影响其变化的重要因素(P0.01)。研究互花米草入侵影响下湿地土壤有效硅含量的变化特征,对于揭示湿地生态系统生源要素硅生物地球化学循环过程以及互花米草入侵及其扩张机制具有重要意义。     

闽江河口红树林土壤微生物群落对互花米草入侵的响应

采用磷脂脂肪酸标记法(PLFA)研究外来入侵植物互花米草对闽江河口湿地红树林土壤微生物群落结构的影响,并探讨其主要影响因素。结果表明:从3种不同植被群落土壤(红树林群落MC、红树林-互花米草混生群落MS、互花米草群落SC)共检测到22种PLFA生物标记,MS土壤微生物PLFA生物标记总量明显高于其他植被群落,3种植被群落土壤理化性质和酶活性的变化趋势为:MCMSSC,表明互花米草入侵后土壤微生物量增加,而理化性质和酶活性均有明显下降,红树林湿地土壤质量发生了明显退化。3种植被群落土壤中含量最高的PLFA生物标记是16:0,16:1w7c,9Me15:0w,18:1w12c。土壤中特征微生物相对生物量存在明显差异,细菌分布量最大,其次是真菌和放线菌,原生动物分布量最小。群落多样性指数呈相似规律,MS土壤微生物类群多样性指数均小于MC,表明互花米草入侵后土壤微生物群落多样性指数均有下降。通过主成分分析,基本能区分出3种不同植被群落微生物群落的特征。土壤理化性质、酶活性间存在相关性,有机碳、全氮、蔗糖酶、过氧化氢酶与革兰氏阴性菌、放线菌呈显著或极显著正相关。研究结果表明互花米草入侵在一定程度上具有影响红树林群落土壤营养代谢循环的潜力,特别是关于碳、氮、磷等的循环及酶活性,改变部分有利于自身生长的土壤环境相关的微生物类群含量,竞争有利环境,迅速扩张实现入侵。     

互花米草入侵对滩涂湿地甲烷排放的影响

在浙江省台州市附近滩涂湿地设置3个不同互花米草入侵密度梯度,即仅有本土植物样地、互花米草与本土植物混生样地和互花米草单优群落样地,研究互花米草入侵对滩涂湿地CH₄排放的影响.结果表明: 3个样地CH₄排放通量为0.68～5.88 mg·m^-2·h^-1,CH₄排放通量随着互花米草入侵梯度的增加而显著升高,互花米草单优群落样地CH₄排放通量分别为本土植物样地和混生样地的8.7和2.3倍.互花米草入侵显著提高了产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量、土壤有机碳含量和土壤pH,降低了土壤全氮含量.CH₄排放通量与土壤全氮呈显著负相关,与产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量和土壤pH呈显著正相关.互花米草的入侵提高了滩涂湿地植物群落生物量和土壤pH,促进了产甲烷菌数量和产甲烷潜力,从而提高了滩涂湿地的CH₄排放.     

滨海湿地生态系统土壤微生物及其影响因素研究综述

土壤微生物是滨海湿地生态系统中不可或缺的关键组分,在土壤发育、物质循环和污染物净化等诸多土壤生态过程中发挥着重要作用,对滨海湿地生态系统的维持与健康具有重大影响。系统梳理了滨海湿地土壤微生物群落结构特征和多样性,综述了土壤理化性质、植被状况、水文因素、生物入侵、全球变化、湿地开垦、石油污染等因素对滨海湿地土壤微生物的影响。在此基础上,对今后的研究重点提出了4个方面的展望:(1)加强全球变化多因子交互作用下滨海湿地土壤微生物的响应机制;(2)强化滨海湿地土壤微生物与环境因子的互作机理;(3)深化滨海湿地水动力条件对土壤微生物的影响机制;(4)开展土壤微生物与滨海湿地生态系统物质循环综合研究。研究以期为滨海湿地生态系统的保护和修复提供参考。     

闽江河口春季互花米草入侵过程对短叶茳芏沼泽土壤碳氮分布特征的影响

2014年4月,选择闽江口鳝鱼滩湿地中未被入侵的短叶茳芏群落(A)、互花米草入侵斑块边缘(B)以及互花米草入侵斑块中央(C)为研究对象,基于时空互代研究方法,探讨了互花米草入侵序列下湿地土壤碳氮空间分布特征的差异。结果表明,互花米草入侵显著降低了土壤的NO_3~--N含量(P0.05),但整体增加了NH_4~+-N含量,这与其入侵后导致湿地土壤颗粒组成发生显著变化(砂砾含量增加33.81%),进而促进了土壤的矿化作用和硝化作用,并有助于硝态氮的垂直淋失有关。互花米草入侵整体增加了土壤的碳氮含量和C/N比,与入侵进程和入侵前相比,互花米草入侵后湿地土壤的碳储量分别增加了8.73%和24.37%,氮储量则分别增加了10.22%和17.87%,这主要与其对闽江口湿地植物群落格局、养分生物循环以及强促淤作用引起的土壤颗粒组成等显著改变有关。研究发现,闽江口互花米草入侵对短叶茳芏湿地土壤碳氮含量的影响相对于江苏盐城、长江口以及杭州湾湿地的影响可能更为显著,其互花米草入侵较大改变了土壤中陆源和海源有机质的来源比例,使得入侵后湿地土壤养分的自源性增强。     

九段沙不同演替阶段湿地土壤微生物呼吸的差异性及其影响因素

通过分析九段沙不同演替阶段湿地土壤微生物呼吸及其土壤微环境因子,研究了不同类型湿地土壤微生物呼吸的差异性及其影响因素。结果表明,处于不同植被演替阶段的湿地土壤微生物呼吸具有显著差异(P0.05),海三棱藨草区高于芦苇区,互花米草区最高(0.367 mg.g-1.(24h)-1),互花米草的引种及蔓延增强了入侵区域土壤微生物呼吸。综合考虑不同植被类型湿地土壤微生物呼吸及植被生物量,芦苇区呼吸微弱、植被生物量最高,在理论上具有更高的有机碳碳汇聚能力。通径分析结果显示,影响土壤微生物呼吸强度的主要生物因素有:原核微生物多样性(Shannon指数)和土壤微生物生物量;土壤有机质、硝态氮及土壤含水量对上述微生物活性指标有显著影响,因此也属于土壤微生物呼吸的主要影响因素。     

互花米草入侵对鸟类的生态影响

生物入侵威胁本地物种生存,破坏生态系统的结构和功能,是导致全球生物多样性丧失的重要原因之一。外来植物是入侵生物中的重要一类,可以显著改变本地植被群落,并影响其他生物类群。鸟类作为生态系统中的较高营养级,对由入侵植物引起的栖息地变化十分敏感。互花米草自引入中国沿海以来,其分布区域不断扩散,多数研究认为互花米草入侵造成本地生物多样性降低和生态系统退化。系统梳理了互花米草入侵对鸟类栖息地、食物资源、繁殖、群落等方面的生态影响。主要负面影响有:(1)植被群落结构不利于鸟类栖息、筑巢、觅食;(2)鸟类食物资源丰度和多样性下降;(3)本地鸟类种群数量和物种多样性显著下降。在我国东部沿海湿地,互花米草入侵已经显著改变了植被与鸟类分布格局。但随着入侵历史的增长,少数小型雀形目鸟类却可以逐渐适应互花米草生境。互花米草入侵为某些非本地鸟类提供了空白生态位,在一定程度上丰富了本地物种多样性,对互花米草的快速清除反而可能不利于已适应并依赖互花米草生境的鸟类。综上,认为互花米草入侵对鸟类群落甚至整个生态系统的影响可能需要更多研究进行综合评价,应开展长期、大尺度、多因子的监测研究和多物种比较研究,建立生态评价模型并制定科学有效的互花米草管理对策。     

盐城滨海滩涂湿地典型植物群落土壤微生物组成与结构特征

土壤微生物是生态系统维持正常结构与功能的重要组成部分,为探究盐城滩涂典型湿地土壤微生物群落结构特征,以江苏盐城滩涂互花米草、藨草、盐地碱蓬、芦苇及淤泥质光滩5种典型群落为对象,采用16S rRNA高通量测序技术分析0—10 cm(表层)、10—30 cm(中层)、30—60 cm(深层)土壤微生物多样性及群落结构。结果表明：(1)几种植物群落间,土壤微生物群落结构差异较大,主要体现在细菌群落结构的差异性,古菌群落结构差异相对较小。光滩与植物群落间,在土壤细菌种类及相对丰度上差异相对较大,互花米草群落与本土植物群落间,在微生物群落的细菌种类组成上存在较大差异;藨草群落土壤表层微生物群落结构与互花米草群落相似,深层与盐地碱蓬、芦苇群落相似。(2)同一群落不同层次土壤微生物群落结构相似,差异小于不同群落间土壤微生物群落的结构差异性;不同群落对应层次间,表深层土壤中五种群落土壤微生物多样性存在显著差异,中层土壤中五种群落微生物多样性差异不显著。总体上,植物群落类型对土壤微生物群落结构的影响大于土壤深度;与本土植物群落相比,互花米草群落土壤主要优势门微生物种类差异较小,但部分优势门微生物相对丰度...     

苏北大丰生态工程区两种植物群落土壤酶活性比较

土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量流动方面扮演着重要的角色.研究了大丰海滨湿地中实施微地貌水文饰变生态工程后的芦苇群落和互花米草群落土壤磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶的季节变化动态,并对两种群落的3种土壤酶活性与各理化因子之间作了相关性分析,结果表明:(1)芦苇群落和互花米草群落土壤中磷酸酶活性季节变化动态均为单峰型曲线,过氧化氢酶活性均为单谷型曲线,最大值和最小值都出现在夏季(8月份),土壤脲酶活性季节变化规律不明显.(2)相关分析表明,互花米草群落土壤磷酸酶活性与土壤含盐量、植物生物量显著相关,而其过氧化氢酶活性与二者呈显著负相关;芦苇群落土壤磷酸酶活性与有机质和速效磷含量呈显著正相关,过氧化氢酶活性则与二者均呈显著负相关.此外,两种群落中的土壤脲酶活性与所测土壤理化因子均无明显相关关系.(3)两种植物群落中土壤酶活性受土壤理化因子的共同影响.通径分析表明,在互花米草群落中,各因子对磷酸酶活性的影响程度依次为:土壤含盐量＞速效钾＞速效磷＞有机质＞铵态氮;对脲酶活性的影响程度依次为:有机质＞速效钾＞速效磷＞土壤含盐量＞铵态氮;对过氧化氢酶活性的影响程度为:速效钾＞土壤含盐量＞有机质＞速效磷＞铵态氮.在芦苇群落中,各因子对磷酸酶活性的影响程度依次为:速效磷＞土壤含盐量＞有机质＞铵态氮＞速效钾;对脲酶活性的影响程度依次为:有机质＞速效钾＞土壤含盐量＞铵态氮＞速效磷;对过氧化氢酶活性的影响程度为:铵态氮＞速效钾＞土壤含盐量＞速效磷＞有机质.(4)微地貌水文饰变生态工程在一定程度上改良了土壤,有利于实现芦苇对互花米草的替代.     

滨海湿地植被地上生物量遥感反演

盐沼植被生物量是滨海湿地生态系统碳循环研究的重要参数,是湿地生态系统健康评价、资源可持续利用的关键指标,开展盐沼植被地上生物量监测方法研究具有重要意义。目前,遥感技术在湿地生物量监测领域已经得到广泛应用,但反演方法仍以统计模型为主,模型构建需要实测数据支撑,时空拓展性不强。选择江苏盐城丹顶鹤保护区为研究区,基于冠层辐射(PROSAIL)传输模型,通过局部和全局敏感性分析,对模型参数本地化,构建了互花米草地上生物量半经验反演模型,应用于Landsat 8 OLI遥感影像,获得了互花米草地上生物量的时空分布。研究结果表明,利用PROSAIL模型模拟互花米草冠层反射率,叶面积指数(LAI)、叶片干物质含量(Cm)、叶倾角分布参数(LIDF)、等效水厚度(Cw)、叶绿素含量(Cab)、叶片结构参数(N)为高敏感性参数,类胡萝卜素含量(Car)、土壤参数(P_soil)为低敏感性参数;利用不同时刻的遥感影像反演了地上生物量,遥感反演结果与实测数据对比,拟合度R²为0.83,均方根误差(RMSE)为0.43kg/m²,平均相对误差(MRE)为15.7%,精度较高,模型具有较好的时空普适性。研究发展了盐沼植被地上生物量遥感反演方法,解决了以往过于依赖现场实测数据构建反演模型的局限性,该方法可以为研究滨海湿地生态系统碳循环以及准确估算其碳汇潜力提供技术支持。     

Spartina alterniflora invasion increases soil inorganic nitrogen pools through interactions with tidal subsidies in the Yangtze Estuary, China

Invasive alien plants increase both plant N and soil inorganic N pools in many terrestrial ecosystems. This is believed to be the result of altered plant-soil-microbe feedbacks that accelerate N cycling. However, it may also be due to the greater ability of invasive species to uptake lateral N subsidies that can modify ecosystem N dynamics. We conducted manipulative field experiments to determine the impact of smooth cordgrass (Spartina alterniflora) invasion on the N cycling of salt marsh ecosystems in the Yangtze Estuary, China. The results showed that the aboveground plant N and soil inorganic N pools in S. alterniflora marshes, 14.39 and 3.16 g N m(-2), were significantly higher than those in native common reed (Phragmites australis) marshes, 11.61 and 2.29 g N m(-2). These increases after invasion were explained by a significantly higher uptake of dissolved inorganic N (DIN) from tidal subsidies in S. alterniflora marshes (6.59 g N m(-2)) than from those in P. australis marshes (1.61 g N m(-2)), and not by soil organic N mineralization, which was not significantly different between S. alterniflora (6.45 g N m(-2)) and P. australis marshes (6.84 g N m(-2)) during the growing season. Our study indicated that the ecosystem engineering effects of S. alterniflora, which increases the interception of external N input, can be an alternative mechanism that increases plant N and soil inorganic N pools--especially in ecosystems with ample anthropogenic N subsidies, such as the coastal wetlands of China.     

盐城海滨湿地盐沼植被及农作物下土壤酶活性特征

在盐城海滨湿地盐沼植被和农田内采集土壤样品,测定了4种土壤酶(脲酶、转化酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶)的活性,分析了盐沼植被、农作物及土壤理化因子对土壤酶活性的影响。结果表明:由海滨湿地滩涂围垦形成的各类农田其土壤酶活性较高,且均高于湿地盐沼植被;湿地盐沼植被下4种土壤酶活性均高于无植被生长的光滩,且不同类型植被间土壤酶活性差异显著;4种酶的活性大小总体表现为大豆(Glycine max)地棉花(Gossypium hirsutum)地玉米(Zea mays)地互花米草(Spartina alterniflora)滩白茅(Imperata cylindrica var.major)滩碱蓬(Suaeda salsa)滩光滩。相关分析表明,4种土壤酶之间及其与土壤有机碳、全氮均表现出显著正相关,而与土壤盐分、pH值之间存在显著负相关。海滨湿地盐沼植被的发育扩展不仅增加了土壤中的养分含量,也提高了土壤酶活性。     

沿海滩涂围垦对生态环境的影响研究进展

沿海滩涂湿地生态系统,典型的生态脆弱区,既是地球表面最为活跃的自然区域,又承载着人类的生存与发展,其生态环境面临着巨大压力。在社会经济发展和人口增长的推动下,沿海国家大力从海洋中争夺陆地,围填海造地和围垦开发成为许多沿海地区和国家缓解人地矛盾的主要方法。在此背景下,对沿海滩涂围垦历史进行简述,从滩涂土壤性质、生物多样性、土地利用变化及景观格局、生态安全和生态系统服务等5个方面综述了人类围垦活动的生态环境影响。随着围垦时间的增加,滩涂土壤在脱盐过程中累积养分,逐渐熟化,土壤物理、化学和生物特性朝着有利于人类利用的方向变化;植物物种多样性呈不断增加的总体趋势,且随着生境的变化,陆生昆虫和土壤动物逐渐替代湿地典型的底栖动物和水鸟;土地利用方式从自然状态转变为以人工方式为主,景观格局表现为破碎化程度升高、多样性降低和优势度上升;从自然景观为主的自然湿地生态系统转为以人工景观为主的人工陆地生态系统过程中,供给服务的价值是唯一处于增长趋势的生态系统服务功能,但供给服务的价值增加量小于调节服务、文化服务和支持服务的减少量致使生态系统服务总价值降低,而且滩涂湿地面临着土地资源安全、水资源安全、生物入侵以及自然灾害加剧等风险。在全球气候变化背景下,如何权衡资源利用与环境保护并实现人与自然共生,是海岸带湿地生态系统在人类围垦活动中面临的重要难题之一。因此,未来应以机理研究为基础,以长期定位监测为手段,以综合集成的研究体系及对策制定为目标,不断深化沿海滩涂开发利用对生态环境影响的研究,为推动人类围垦活动下沿海滩涂湿地生态系统的可持续发展提供参考。     

2000—2010年我国重点生态功能区生态系统变化状况

分析了2000—2010年我国水源涵养型、水土保持型、防风固沙型、生物多样性维护型重点生态功能区的生态系统结构、质量与核心服务的变化.结果表明: 近11年来,水源涵养型重点生态功能区的森林、草地面积减少,水体与湿的面积增加,森林、草地、湿地生态系统水源涵养总量增加了2.9%,该类区域需要遏制森林、草地的减少趋势.水土保持型重点生态功能区的农田面积减少,而森林、草地、水体与湿地的面积增加,土壤侵蚀总量减少了28.2%,生态系统土壤保持总量增加了38.1%.防风固沙型重点生态功能区的农田、森林面积增加,草地、水体与湿地的面积减少,单位面积土壤风蚀量下降,单位面积防风固沙服务量有所提升,该类区域多位于干旱半干旱区,需要减少农田面积,优先保护原有生态系统.生物多样性维护型重点生态功能区的草地、荒漠面积减少,其他类型的面积有所增加,人类扰动呈现微弱的上升趋势,该类区域需要减少人类干扰.重点生态功能区应该针对核心服务和保护目标,分类分区开展生态系统保护、改善及其效果的定量综合评估.     

互花米草盐沼土壤有机碳库组分及结构特征

在江苏盐城互花米草(Spartina alterniflora)盐沼建立以下样地:光滩(Mudflat)、互花米草建群1a(S.alterniflora flat 2011)、5a(S.alterniflora flat 2007)、12a(S.alterniflora flat 2000)、23a(S.alterniflora flat 1989)以及碱蓬(Suaeda salsa flat 1989),采集表层土壤样品,分析土壤中的活性有机碳(可溶性有机碳、微生物量碳)特征,并利用核磁共振波谱法测定土壤总有机碳的结构图谱,研究互花米草盐沼土壤有机碳库组分及结构特征。结果表明:(1)互花米草建群后,盐沼表层土壤有机碳含量显著增加(P0.05),在0.82—7.6 g/kg之间,各样地表层土壤有机碳含量为:互花米草滩(5.57 g/kg)碱蓬滩(2.4 g/kg)光滩(1.05 g/kg);可溶性有机碳含量为:互花米草滩(36.08 mg/kg)碱蓬滩(17.43 mg/kg)光滩(6.92 mg/kg);微生物量碳含量为:互花米草滩(52.51 mg/kg)碱蓬滩(18.27 mg/kg)光滩(13.56 mg/kg)。互花米草建群后,土壤中活性碳库含量显著增加(P0.05)。(2)土壤有机碳结构以烷氧碳和芳香碳为主,其中芳香碳的平均比例(35.85%)最高,其次为烷氧碳(32.83%)和羧基碳(20.62%),烷基碳的平均比例(10.36%)最低,其中建群5a的互花米草样地(SAF2007)土壤芳香碳、烷氧碳、烷基碳含量最高,建群23a的互花米草样地(SAF1989)土壤羧基碳含量最高。(3)互花米草盐沼土壤中烷基碳/烷氧碳为:SAF2007(0.44)SSF1989(0.43)SAF2000(0.28)SAF2011(0.27)SAF1989(0.22);疏水碳/亲水碳为:SAF2007(0.97)SSF1989(0.87)SAF2000(0.85)SAF2011(0.83)SAF1989(0.81)。烷基碳/烷氧碳在建群5a后达到最高值0.44,烷基化程度最高;疏水碳/亲水碳达到最高值0.97,土壤碳库稳定性高于其它样地。     

盐城海滨盐沼湿地及围垦农田的土壤质量演变

通过对盐城海滨盐沼湿地进行植被调查与土壤样品分析,利用土壤质量评价体系对各样点的土壤质量状况进行评价,探讨盐沼植被演替过程中和围垦成农田后的土壤质量演变规律.结果表明:随着盐沼植被的发育演替,湿地土壤的物理性状得到改善,有机碳含量增加,氮、磷等养分得到积累,土壤微生物生物量和酶活性均得到明显提高;同时,不同植被类型及发育时间导致土壤性状间的差异.与盐沼湿地相比,围垦农田土壤含盐量下降到0.01%～0.04%,微生物和酶的活性均得到提高,土壤质量明显改善.土壤质量综合指数(SQI)由低到高依次为光滩(0.194)<碱蓬滩(0.233)<白茅滩(0.278)<互花米草滩(0.446)<玉米地(0.532)<棉花地(0.674)<大豆地(0.826).自然植被的正向演替是提高盐沼湿地土壤质量的有效途径.