一枝黄花入侵对杨树人工林土壤呼吸的影响

1 选题背景和意义

植物入侵是当前全球变化的一个重要组成部分，可以通过改变植被群落组成、水文或生物相互作用来改变被入侵生态系统的结构和功能 (Ricciardi et al., 2017; Hickman et al., 2013)。现有许多研究主要集中在研究植物入侵对陆地生态系统的地上部分的影响 (Weber, 1998; Wang et al., 2017; Lu et al., 2007)，而入侵对地下生态系统的影响常常被忽略 (Joan, 2003)，例如对植物-土壤生态过程、土壤呼吸等研究还比较少 (Zhang et al., 2018; Bu et al., 2015 )。

土壤呼吸是陆地生态系统碳 (C) 循环的一个重要组成部分，植物入侵可能会增加土壤呼吸，导致土壤生态系统向大气释放更多的二氧化碳 (CO₂) ，大气中CO₂浓度增加。土壤呼吸作为全球C循环中大气CO₂最大的陆地来源 (Ryan amp; Law, 2005)，目前缺乏入侵对土壤呼吸影响的研究，限制了我们对生态系统C循环的理解。入侵物种的成功侵入不仅改变了生态系统结构和功能，而且还可以通过改变区域内气体的排放进而影响到整个生态系统和全球变化 (周长芳等, 2009; Bu et al., 2015)。土壤呼吸对植物入侵的不同响应，可能改变土壤的净碳通量和碳封存的潜力，为全球变化提供重要的反馈 (Melillo et al., 2002)。

加拿大一枝黄花 (Solidago canadensis L.) 为菊科 (Asteraceae) 一枝黄花属草本植物，主茎叶片数量较多，生长速度快，并可产生分枝，可通过种子和根状茎进行繁殖，是一种入侵性多年生植物。在1913年作为观赏植物从北美传入中国，现已成为一种世界性的入侵杂草 (Jin et al., 2014)。加拿大一枝黄花在地面上有密集的茎干，它们创造了很少受阳光照射的微环境，因此很少有其他原生物种能够生存。导致在入侵地通常形成单一物种群落，影响生态系统内部各功能群之间的联系，破坏生态系统结构和功能，威胁生物多样性，严重时可导致本地物种的局部灭绝。加拿大一枝黄花的地下根茎系统非常庞大，繁殖能力强，这种强大的根茎系统对于土壤的理化性质、细根生物量等有什么影响呢？进而会怎样影响土壤呼吸？

植物入侵对土壤呼吸的影响过程已经在一枝黄花入侵以外的一些研究中得到探讨 (Kourtev et al., 2002, 2003; Li et al., 2007; Zou et al., 2006)，但杨树人工林中一枝黄花的入侵对土壤呼吸的影响还鲜见报道，是一个值得我们研究的课题。土壤呼吸包括两个主要组成部分：发生在土壤有机碳 (soil organic carbon , SOC) 分解过程中的土壤微生物异养呼吸以及与根系质量和代谢活动密切相关的根系自养呼吸，研究表明土壤有机碳库、土壤微生物群落、根系生物量等均会影响土壤呼吸，由此我们假设加拿大一枝黄花入侵杨树人工林会引起土壤呼吸及其不同组分的变化。

2 研究进展

植物入侵的变化可能推动土壤气体通量的变化，并且这种影响过程已经在一枝黄花入侵的研究中得到探讨。活性有机碳 (labile organic carbon , LOC) 是产生CO₂的主要来源，因此土壤有限的活性碳库会影响土壤呼吸 (Giardina amp; Ryan, 2000)，植物入侵后可能通过改变土壤LOC组分进而引起土壤呼吸变化。Zhang等人在加拿大一枝黄花对土壤性质的影响研究中指出加拿大一枝黄花的入侵促进了土壤呼吸、土壤微生物量的增加，同时促进了有机物的分解 (Zhang et al., 2009)。在现有的一些针对加拿大一枝黄花入侵后对根际理化性质和微生物群落的影响进行的研究中，研究者们发现加拿大一枝黄花入侵后土壤系统的微生物生物量有很大改变，理化性质和SOC组分均有变化 (Zhang et al., 2009; Liao et al., 2011)。Zhang等人的研究中，加拿大一枝黄花入侵部位SOC、pH值显著增加，土壤微生物生物量和活性随入侵显著增加，而土壤总氮、总磷随入侵降低。Liao等人的研究显示随着加拿大一枝黄花覆盖度的增加，土壤微生物量C 有所增加，土壤微生物量随加拿大一枝黄花覆盖度呈线性增加趋势，微生物活性有着类似的趋势。在2005年陆建忠等人的研究中指出，加拿大一枝黄花调节了土壤pH值，增加了总碳、总氮和有机质库 (陆建忠等, 2005)。此外，根也是土壤中CO₂的主要来源之一，因此可以刺激土壤呼吸，根呼吸被认为对土壤的CO₂净通量有显著贡献 (Cisneros-Dozal et al., 2006)，不同根系活动造成的差异为土壤呼吸变化提供了分析依据。King等人的研究发现随着地下根系产量的增加，土壤的呼吸也是增加的 (King et al., 2004 )。闫宗平等人指出入侵种和原生种根系的差异也是造成土壤呼吸强度发生变化的主要原因 (闫宗平等, 2008)。细根呼吸作为土壤呼吸的一部分，细根生物量从一方面改变着土壤呼吸。因此，我们从该方面切入可研究加拿大一枝黄花入侵后对杨树人工林地下生态系统细根生物量的影响进一步在土壤呼吸的反馈。

3 总结

综上来看，土壤呼吸受到植物入侵不小的影响，入侵引起植物-土壤生态系统的土壤理化性质、生物量或C动态等变化均是其影响因素，这种反馈对系统的C循环过程产生效应，因此探讨土壤呼吸对植物入侵的响应应该得到我们的广泛关注。杨树人工林作为我国森林生态系统的重要组成部分，其生态系统发生的变化对全球变化有着重要影响，研究其C排放变化过程对于维持全球C平衡有着重要意义。我们推测加拿大一枝黄花的入侵增加了杨树人工林土壤生态系统的土壤呼吸，进而影响C排放量，在杨树人工林被加拿大一枝黄花大面积成功入侵的的今天，研究杨树人工林生态系统土壤呼吸对入侵效应的响应，有助于我们了解植物入侵对人工林生态系统C动态的影响情况，为更好的预测区域内温室气体排放以及气候变化提供理论依据。参考文献：