互花米草入侵通过改变土壤活性有机质与微生物群落结构显著增强滨海湿地甲烷排放

《Journal of Plant Ecology》：Spartina alterniflora invasion stimulates methane emissions in coastal wetlands by increasing labile organic matter and shifting microbial communities

　　本研究针对互花米草入侵如何影响滨海湿地甲烷排放机制这一科学问题，通过为期一年的原位监测，结合土壤理化性质、DOM分子特征和CH4循环微生物群落分析，发现互花米草入侵使湿地CH4排放量增加8.7倍。机制解析表明入侵通过提高土壤含水量、pH值和脂类等活性DOM组分，降低硫酸盐浓度，促进产甲烷菌（如Methanococcoides）丰度并抑制甲烷氧化菌功能，最终削弱湿地碳汇功能。研究成果为入侵物种管理及蓝碳生态系统保护提供理论依据。

　　

滨海湿地作为全球最大的天然甲烷排放源，其碳汇功能正面临外来植物入侵的严峻挑战。互花米草自1979年引入中国后迅速扩张，现已占据我国沿海盐沼总面积的三分之一，但其通过何种机制影响湿地甲烷循环仍不明确。甲烷是重要的温室气体，其全球浓度自工业革命前至今已上升近2.5倍，而湿地贡献了约20%-39%的天然甲烷排放。在甲烷生成与消耗的微生物博弈中，产甲烷古菌在厌氧环境下将有机质转化为CH₄，而甲烷氧化菌则通过有氧/无氧途径消耗甲烷，二者的平衡决定了湿地净排放量。植物入侵可通过改变土壤有机质输入、理化性质及微生物群落结构间接调控甲烷通量，然而互花米草入侵对甲烷循环微生物的具体影响机制尚缺乏系统研究。

为揭示这一科学问题，Guoming Qin等研究人员在珠海淇澳岛红树林自然保护区开展了多生态系统对比研究。该区域经历了互花米草入侵与人工修复的典型过程，为研究提供了理想场地。团队通过原位监测潮滩、互花米草群落和红树林群落的甲烷通量，结合土壤分层采样分析，整合了土壤性质测定、溶解有机质分子表征（ESI-FTICR-MS技术）、功能基因定量（mcrA和pmoA基因的qPCR分析）及微生物群落测序等多维度数据，并利用冗余分析、结构方程模型和分子生态网络等方法解析驱动机制。

3.1 土壤性质与CH₄排放特征

研究发现互花米草入侵显著改变了土壤环境参数：与红树林相比，入侵土壤含水量（58.2% vs. 51.7%）、pH值（7.0 vs. 6.6）和硝态氮含量更高，但硫酸盐（175.4 mg L^-1 vs. 274.1 mg L^-1）、有机碳和全氮含量降低。甲烷排放呈现明显季节动态，互花米草土壤年均排放通量（14.8 mmol m^-2 d^-1）达红树林土壤（1.7 mmol m^-2 d^-1）的8.7倍，且夏季（8月）排放峰值最高（50.28 mmol m^-2 d^-1）。

3.2 溶解有机质分子组成变化

van Krevelen图谱显示互花米草土壤中脂类（16.0% vs. 11.7%）和蛋白质/脂肪族化合物（26.2% vs. 22.1%）比例显著高于红树林土壤，而芳香性化合物和缩合芳香结构比例下降。DOM的H/C比升高、O/C比降低，表明入侵后有机质分子稳定性和复杂性降低，更易被微生物利用。

3.3 产甲烷与甲烷氧化微生物群落响应

互花米草土壤中产甲烷菌Shannon多样性指数（4.2）低于红树林（4.9），甲烷氧化菌多样性（5.4）及pmoA基因丰度也显著降低。群落结构分析表明，甲基营养型产甲烷菌Methanococcoides在互花米草土壤中相对丰度升高，而II型甲烷氧化菌（如Methylocystis）比例下降。mcrA/pmoA比值在入侵土壤中显著上升，反映微生物群落向产甲烷优势方向转变。

3.4 微生物网络结构特性

分子生态网络分析揭示互花米草土壤中产甲烷菌网络节点数（25）少于红树林（66），路径系数更短（1.18 vs. 1.35），但平均聚类系数更高（1.22 vs. 0.77），表明入侵后微生物互作关系更紧密但系统稳定性可能降低。Methanococcoides被识别为互花米草群落中的关键枢纽物种。

3.5 环境驱动机制解析

结构方程模型表明，甲烷排放变异性的54%可由DOM和微生物特性直接解释。其中脂类组分路径系数最高（0.72），其次为mcrA基因丰度（0.31）。土壤养分通过提升DOM数量（路径系数0.82）和改变微生物群落间接促进排放。硫酸盐减少、pH值和含水量升高共同创造了利于产甲烷的微环境。

本研究通过多维度证据链阐明，互花米草入侵通过三重机制加剧滨海湿地甲烷排放：一是改变土壤理化环境（提高pH和含水量、降低硫酸盐），二是增加活性DOM组分（脂类和蛋白质）供给，三是重构甲烷循环微生物群落（提升Methanococcoides丰度并抑制II型甲烷氧化菌）。这些变化共同导致产甲烷过程增强而氧化能力减弱，显著削弱滨海湿地的碳汇功能。研究成果发表于《Journal of Plant Ecology》，为入侵物种管理提供了微生物学视角的理论支撑，强调未来湿地修复需注重土壤生物地球化学循环与微生物功能的协同恢复。