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候鸟粪便输入对鄱阳湖湿地土壤理化性质和细菌群落的影响

吴麒  
【摘要】:湿地与候鸟间存在密切的相互联系,湖泊湿地是候鸟的家园,候鸟是湿地的重要组成部分。全球湿地退化带来候鸟栖息地减少,这使候鸟汇聚于部分栖息地。鄱阳湖湿地是亚洲最大的候鸟越冬地,近年来鄱阳湖湿地越冬候鸟数量呈现增长的趋势。候鸟数量的增加会带来更多的鸟粪输入,这会给鄱阳湖湿地土壤带来怎样的生态影响还不得而知。同时由于全球气候变暖和迁徙中食物短缺,越冬候鸟中的一部分类群从候鸟转变成了留鸟,使得鄱阳湖湿地留鸟的种类和数量不断增加。但目前我们对于候鸟与留鸟粪便对湿地土壤影响的差异并不清楚,因而也不能评估候鸟向留鸟的转变会对鄱阳湖湿地产生什么影响。由此,本研究于2019-2020年期间在鄱阳湖都昌候鸟省级自然保护区开展了以下两部分研究内容:1)野外观测实验,在冬候鸟到来的前、中、后三个时期分别进行土壤和鸟粪的采样分析,探究候鸟粪便输入对湿地土壤理化指标和微生物群落的影响;2)通过室内模拟实验,探究候鸟与留鸟粪便输入对湿地土壤影响的差异。本研究通过环境化学手段分析样品理化性质,通过16S r RNA基因测序技术解析样品微生物群落结构,通过对这两部分数据的统计分析,获得了如下的研究结果:1、我们的野外实验表明,候鸟粪便输入会在显著增加土壤养分的同时,增大土壤重金属污染生态风险,并显著改变土壤细菌群落结构,降低细菌群落的生态位分化和物种相互作用,使细菌群落稳定性下降。具体结果如下:(1)在经过整个候鸟越冬期后,受粪便影响的土壤中总有机碳(TOC)、总氮(TN)和镉(Cd)的含量显著增加,分别达到25.74 g/kg,3.24 g/kg和5.02 mg/kg。细菌群落的多样性和生态功能没有显著变化,但是物种组成发生改变(p0.05),主要体现在降低γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和拟杆菌纲(Bacteroidia)的相对丰度。(2)候鸟粪便输入对土壤的影响与候鸟数量、粪便影响时间密切相关,在候鸟迁徙高峰期影响最为显著,而在候鸟离开后这种影响逐渐减弱。高峰期大量候鸟粪便输入增加了土壤中细菌群落的多样性(p0.05),增加了ε-变形菌纲(Deltaproteobacteria)和拟杆菌纲的相对丰度,但降低了α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)和放线菌纲(Actinobacteria)的相对丰度。另外,结果表明粪便当中的优势物种如厚壁菌门(Firmicutes)并没有在土壤中得到富集。2、相比于候鸟,留鸟粪便输入在增加土壤碳含量的同时会消耗磷元素,降低磷酸酶(Phos)的活性,留鸟粪便中的优势物种不仅会在土壤中得到富集而且留鸟粪便输入会增加细菌群落的生态位分化和物种相互作用,提高细菌群落稳定性。具体结果如下:(1)经过45天的粪便影响后,与候鸟相比,留鸟粪便影响的土壤中微生物生物量碳(MBC)含量显著升高(9.41 mg/kg),但是Phos的活性显著降低(29.66nmol/h/g)。留鸟粪便当中的优势组成厚壁菌门(Firmicutes)会在土壤中富集。(2)粪便输入对土壤的影响会随着时间发生改变,对土壤理化性质和细菌群落组成的影响在第7天最大,但是对微生物活性的影响在第15天最大。从整个实验周期整体来看,与候鸟相比,留鸟粪便输入会带来更高的MBC积累,达到12.63 mg/kg,但是也会带来总磷(TP)的含量和Phos的活性下降,分别为0.20 g/kg和25.10 nmol/h/g。候鸟粪便输入会短期增加土壤细菌群落的多样性,留鸟粪便输入对细菌群落多样性无显著影响。与候鸟相比,留鸟粪便影响的土壤中变形菌门(Proteobacteria)和γ-变形菌纲的相对丰度显著增加,而绿弯菌门(Chloroflexi)和Acidobacteriota的相对丰度显著降低。留鸟粪便输入会导致湿地土壤中能量代谢(Energy metabolism),辅助因子和维生素的代谢(Metabolism of cofactors and vitamins)等功能相对丰度降低。留鸟粪便输入导致土壤细菌群落的物质代谢水平的降低,可能与土壤中磷元素降低形成磷限制有关。留鸟粪便输入会增加细菌群落生态位分化和抵抗外界干扰的能力,使细菌群落稳定性增加,而候鸟则相反。同时,研究也发现鸟类物种和食性的差异会显著影响鸟粪对土壤的影响效果,比鸟类居留型差异的影响更为显著。综上,本研究科学评估了越冬候鸟粪便输入,以及候鸟向留鸟转变对湿地土壤带来的影响。研究结果预示着持续增多的候鸟粪便输入可能对缓解湿地土壤肥力和生物多样性退化具有重要意义,以及留鸟影响增大对增加湿地土壤细菌群落的稳定性具有重要作用。因此,研究成果有助于更加全面地了解越冬候鸟和湿地土壤之间的相互作用,为更好地保护候鸟与湿地提供了技术支撑和理论依据。


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