红树林修复过程中碳氮硫动态变化及其与固氮微生物的耦合机制研究取得新进展

作者：三亚站   更新时间：2022-08-26

近日，中国科学院海南热带海洋生物实验站董俊德副站长研究团队在红树林修复过程中的碳、氮、硫等重要生源要素的动态变化及其与固氮微生物的耦合机制研究上取得进展，相关成果相继发表在Applied Soil Ecology（《应用土壤生态学》）和Ecological Indicators（《生态指标》）。2020级博士研究生黄小芳为论文第一作者，董俊德研究员和凌娟研究员为论文的通讯作者。 

由于全球气候变化和外来植物入侵等诸多因素，红树林遭受了严重的破坏，退化严重，开展对受损滨海湿地的生态修复工作已成为我国海岸带自然资源管理和生态健康维持的重要任务。微生物作为红树林生态系统不可或缺的组成部分，是红树林碳、氮、硫等生源要素生物地球化学循环的重要驱动力。但关于红树林生态修复过程中微生物驱动的碳氮硫循环及其耦合机制尚缺乏系统和深入的研究。 

研究团队通过对不同修复年限（3年修复、10年修复）和30年成熟林的秋茄（Kandelia obovata）红树林修复样地进行研究，发现红树林生态修复能够有效地提高沉积物的碳、氮含量，且重塑固氮微生物群落结构。随红树林生态修复年限的推移，固氮微生物的多样性和沉积物的碳、氮和硫含量等都呈现有序变化（orderly succession）。该研究揭示了固氮微生物群落与沉积物碳、氮、硫等生源要素的动态耦合关系（图1），其中固氮菌群有两大类：一类的群落结构与总碳（TC）和总氮（TN）含量显著相关；另一类的群落结构与总硫（TS）含量显著相关，这些类群的共存符合“生态位”理论。沉积物中的碳氮含量及固氮微生物多样性随着修复年限的推移逐渐恢复保持稳定。该研究证明，利用本地红树植物秋茄能够对入侵的互花米草进行生态替代是一种有效的红树林生态修复方法。研究结果发表在Applied Soil Ecology（2022, 177: 104519）。  

图1 红树林修复过程中沉积物碳氮硫与固氮微生物的动态耦合机制 

此外，研究团队还分析了利用外来种无瓣海桑（Sonneratia apetala）进行红树林生态修复时固氮微生物群落结构和功能的变化以评估引种无瓣海桑的生态效应。研究表明，外来种无瓣海桑的引种能够显著提高沉积物的碳、氮、硫等重要生源要素含量（主要是TC、TN和TS），并改变红树林环境的生物地球化学特征，相关变化会继而影响固氮微生物群落的结构和组成，进一步提高了无瓣海桑修复林沉积物的固氮速率，从而形成紧密的“红树植物-沉积物-微生物”互作关系（图2），因此固氮微生物能够为外来种无瓣海桑的快速生长提供持续的氮素营养供给。该研究结果为红树林生态修复和树种选择提供了重要参考和科学依据。研究结果发表在Ecological Indicators（2022, 142: 109179）。  

图2 无瓣海桑引种背景下的“红树植物-沉积物-微生物”互作关系 

相关论文信息： 

Huang, X., Feng, J., Dong, J., Zhang, J., Yang, Q., Yu, C., Wu, M., Zhang, W., Ling, J., 2022. Spartina alterniflora invasion and mangrove restoration alter diversity and composition of sediment diazotrophic community. Appl. Soil Ecol. 177, 104519. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2022.104519. 

Huang, X., Yang, Q., Feng, J., Yang, Z., Yu, C., Zhang, J., Ling, J., Dong, J., 2022. Introduction of exotic species Sonneratia apetala alters diazotrophic community and stimulates nitrogen fixation in mangrove sediments. Ecol. Indic. 142, 109179. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.109179.