互花米草入侵对长江河口湿地土壤营养循环过程的影响

（Thursby，2002）
东滩实测株高-生物量回归关系
40 35 30 y = 0.0001x2.4268 R 2 = 0.977
地上生物量(g)
25 20 15 10 5 0 0 50 100 株高(cm) 150 200
参考文献





Glen B. Thursby et al, A RAPID, NON-DESTRUCTIVE METHOD FOR ESTIMATING ABOVEGROUND BIOMASS OF SALT MARSH GRASSES,Wetlands 22(3):626-630 (2002) James D. Bever et al, Incorporating the Soil Community into Plant Population Dynamics , Journal of Ecology 85(5):561-573 (1997) Joy B. Zedler & Suzanne Kercher, Causes and consequences of invasive plants in wetlands , Critical Reviews in Plant Sciences, 23(5):431–452 (2004) Joan G. Ehrenfeld，Effects of Exotic Plant Invasions on Soil Nutrient Cycling Processes，Ecosystems 6: 503–523 (2003) Joan G. Ehrenfeld et al，Changes in soil functions following invasions of exotic understory plants in deciduous forests, Ecological Applications 11(5):1287-1300 (2001) Joshua P. Schimel & Jennifer Bennett, Nitrogen mineralization: challenges of a changing paradigm, Ecology 85(3): 591-602 (2004) Lisamarie Windham & Joan G. Ehrenfeld ，Net impact of a plant invasion on nitrogen-cycling processes within a brackish tidal marsh, Ecological Applications 13(4):883-897 (2003) Steven C. Pennings et al，Plant zonation in low-latitude salt marshes， Journal of Ecology 93:159-167 (2005)
工作假设




长江河口湿地互花米草群落与芦苇、海三 棱藨草群落的土壤性质与营养循环过程存 在显著差异。 这种差异是由互花米草的入侵造成的改变， 而非入侵前即存在的空间异质性。 这种改变增加了互花米草的入侵力，形成 正反馈关系。 这种改变的程度受到环境因素（盐度梯度） 的调控，同时与群落的植物密度、生物量 呈相关关系。

单纯的野外调查在证明植物入侵引起土 壤差异时在方法论上存在逻辑缺陷
– 为排除入侵前即存在的土壤异质性的干扰， 应设计在相同的未被入侵土壤基质上生长入 侵种与土著种植物的室内受控实验，以证明 植被变化确能产生野外观察到的土壤差异 （Ehrenfeld，2001）


另一缺陷在于：大多数研究在关注入侵 种下方土壤性质改变的同时未提供群落 的植株密度、生物量等信息 因而无法估计生理生态学水平上的影响 （如Mendelssohn 80年代对互花米草所做工作）在 何种程度上（密度，生物量的阈值） 能产生生态系统生态学水平上的后果 （Ehrenfeld，2003）
SCI数据库中与入侵、营养相关 文献数量

其中与湿地生态系统相关20篇 集中研究植物入侵对湿地土壤营养循环 过程影响的是Rutgers University的Joan G. Ehrenfeld小组
国内该领域研究较少


薛敬意等（2002）研究了黄竹侵入对热带林 地土壤养分的影响 向言词等（2003）的综述中讨论了植物入侵 对土壤含氮量的影响 陆建忠等（2005）研究了入侵种加拿大一枝 黄花对土壤特性的影响 李贺鹏（2004）硕士论文中测定了崇明东滩 潮滩湿地沉积物的理化因子与胞外酶，但未 与入侵相联系
2 氮循环研究中关键问题 正在转变


关键步骤：矿化(mineralization) —> 解聚(depolymerization) 植物与微生物对营养的竞争：植物无法竞 争过微生物—>竞争结果(以及占优势氮形 式）取决于氮可获取量(Schimel & Bennett,
2004)

湿地生态系统在新图景中的位置尚缺乏研 究
统计方法



室内实验：two-way ANOVA; 协方差分 析（生物量为协变量） 野外移栽：0ne-way ANOVA；协方差分 析（生物量为协变量） 野外调查：pairwised one-way ANOVA
实验进程安排


2005.4-2006.3 田间受控实验第一生长 季 2006.4-2007.3 田间受控实验第二生长 季移栽，测定；野外移栽实验第一生长 季移栽；野外调查实验第一生长季 2007.4-2008.3 野外移栽实验第二生长 季；野外调查实验第二生长季 2006.5开始第一篇论文写作；2007.10 开始第二篇论文写作
氮循环模式图(Schimel & Bennett, 2004)
3.湿地是极易被入侵的景观类型


湿地面积不到地表6%，但世界上入侵力 最强的植物中有24%（33种中的8种）为 湿地植物。（Zedler，2004） 湿地作为景观汇（landscape sink），资 源在景观水平上向其汇集：积累水分、营 养、沉积物、植物凋落物碎屑；同时充满干 扰：繁殖体与盐分的输入、水位变化，为机 会主义入侵种提供入侵机会。
含 32.5 水 32.0 量
Var3
31.5 31.0 30.5 30.0 29.5 29.0 海 互 v egetation 空 芦
不同植被下土壤容重差异不显著
176 175 174 173 172 171 170 169 168 167 166 海 互 v egetation 空 芦
v egetation; LS Means Current ef f ect: F(3, 72)=2.0953, p=.10836 Ef f ectiv e hy pothesis decomposition Vertical bars denote 0.95 conf idence interv als
已有结果
植被对土壤pH的影响
7.5 7.4
7.3
7.2
pH
7.1 7.0 6.9 6.8 芦苇 互花米草 v egetation 海三棱藨草 空白
7.6 7.5 7.4 7.3 7.2
pH
7.1 7.0 6.9 6.8 6.7 芦苇 互花米草 海三棱藨草 v egetation 空白 site a site b site c

李贺鹏，崇明东滩潮滩湿地沉积物理化因子与胞外酶 的研究，河北大学硕士论文（2004） 陆建忠等，入侵种加拿大一枝黄花对土壤特性的影响， 生物多样性 13 (4) : 347-356 （2005） 向言词等，植物外来种对土壤理化特性的影响，广西 植物广西植物23 (3) : 253 – 258 （2003） 薛敬意等，黄竹侵入对热带林地土壤养分的影响，东 北林业大学学报30(5) :27-31 （2002）


由4-12月，每月月底测定地上部分生长情 况，单株下方土壤盐度，pH，氧化还原电 位，温度，含水量；于4、8、12月底采集 土壤样，于8月底收割同一箱中两桶之一的 植物地上部分，土样与植物样的测定代表 整个桶的生态系统水平 一个生长季后，于收割过的芦苇与海三棱 藨草桶中移栽互花米草，重复前一生长季 测定，并收集3种植物的地下部分，以观察 是否存在反馈机制
田间受控实验



4月初从崇明东滩3块不同空白斑块取土，各自混 匀成均一的基质填入28个塑料桶（移栽3种植物 各8桶+空白对照4桶），共84桶 相同处理塑料桶两两放入内充无碘盐配置人工海 水的塑料箱中（共42箱），每月浇灌两次人工海 水以模拟潮汐 芦苇与互花米草初始移栽密度4株/桶，海三棱藨 草12株/桶


在崇明东滩沿芦苇-互花米草交界线与互 花米草-海三棱藨草交界线各选取4处样 地。在每片样地中取4处相邻的不同群落。 于两种群落内垂直于交界方向样线上取6 个0.5米*0.5米样方。测定与采集内容同 野外移栽实验 生长季中每月于大潮前后各取样一次， 其余时间两月取样一次。共调查两个生 长季
采集土样测定内容
野外移栽实验


于4月在崇明东滩芦苇-互花米草交界线与互 花米草-海三棱藨草交界线各取4片样地（与 野外调查试验样地重合），每片样地的芦苇 与海三棱藨草群落中各移栽互花米草6个重 复（其中3处剪除原有植物群落） 测定过程同田间受控实验，但于一个生长季 内收集全部植物的地上、地下部分
野外调查实验
预期结果
生 物 量
氮 吸 收 量
植物群落
植物群落
土 壤 氮 库
矿 化 速 率
植物Leabharlann Baidu落
植物群落
建立可持续利用的实验体系

以东滩土壤构建的受控模拟湿地生态系统
– 微生物与生物地球化学循环的精细机制（e.g. 胞外酶） – 土壤动物 – 昆虫

能在本实验室内进行的土壤测定系统
积累一个生长季资料后建立非破坏式 （nondestructive）调查方法
立题依据
1.对植物入侵如何影响土壤营养循环 过程的了解存在知识缺陷


现有研究未显示普遍模式的存在，相反， 同一物种在不同地点的表现差异显示入侵 的影响受到环境因子调控（如高程、盐度） （Ehrenfeld，2003；Pennings，2005 ） 植物-土壤反馈作用可能是外来植物入侵 过程中的重要机制，但需要直接的实验证 据予以确认
工作假设：氮循环模式

互花米草入侵后，生产力增加
– 若植物含氮量小于芦苇，氮吸收量不变 – 若植物含氮量大于或等于芦苇，氮吸收量 增大
若矿化速率加快，土壤氮库不变 若矿化速率减慢或不变，土壤氮库减小

实验设计

为能较严格地回答所提出的科学问题， 拟进行三种类型实验以求结果相互验证
– 田间受控实验 – 野外移栽实验 – 野外调查实验
植物入侵湿地的概念模型（Zedler，2004）
Windham(2003)中所显示芦苇 入侵对湿地土壤氮循环的影响
科学问题




互花米草入侵是否改变了长江河口湿地 的土壤性质与营养循环过程？ 这种改变是否有（不）利于互花米草的 入侵，从而形成正（负）反馈机制？ 这种改变是否受到环境因素的调控？ 这种改变的程度是否与群落中的植物密 度、生物量呈相关关系？


盐度，氧化还原电位，温度，含水量， 容重 总C，总N（元素分析仪） 土壤有机C；有效N，NH4-N，NO3-N， N净矿化速率（标准化学方法）
采集植物样测定内容



株高，生物量，叶绿素含量，叶面积，比 叶面积（SLA） 叶，茎，根，凋落物的总C、总N含量（元 素分析仪） 凋落物木质素含量与降解速率
植被对土壤含水量影响
35.5 35.0 34.5 34.0 33.5 33.0
v egetation; LS Means Current ef f ect: F(3, 72)=8.7313, p=.00005 Ef f ectiv e hy pothesis decomposition Vertical bars denote 0.95 conf idence interv als
开题报告
互花米草入侵对长江河口湿地土壤 营养循环过程的影响
博士生 彭容豪 导师 陈家宽 2005.11.17
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0
1975-1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005