Effects of plant invasion on soil microbial community structures and diversity in tidal freshwater marsh

Abstract

Invasive plant species pose a substantial threat to society in terms of economic, aesthetic and agricultural aspects. Moreover, they transform both structure and functions of ecosystems by repressing or excluding native species. While physical or chemical effects of invasive plants on other plant communities or animals are relatively well documented, little is known about effects on underground soil microbes. As such, this study is aimed to determine changes in soil microbial communities and activities when invasive plants are transmitted into other locations. This study compared sediment microbial communities associated with Phragmites communis and Scirpus planiculmis in Seong-Dong fresh water tidal marsh in Korea. The area is divided by 3 distinctive patterns: Two locations dominated by each species, Phragmites or Scirpus, and one site where Phragmites invades Scirpus dominated matrix. In addition, 3 mesocosms which emulate field conditions were monitored. Soil microbial community structures were characterized using the Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) analysis with eubacterial or fungal specific primers and for the extracellular enzyme activity, a Methylumbelliferyl (MUF) was used for compounds as a model substrate. Soil heterogeneous microbial communities were not significantly influenced by plant invasion, but seasons. There were few significantly different patterns shown for correlations or site differences in soil characteristics related among these three sites. N-acetylglucosaminidase activities had significant effects by the Phragmites invasion. Moreover, fungal diversity was increased at the invasive site by Phragmites in terms of Shannon's Index. T-RFLP results indicate that the microbial diversity differ between sites, suggesting that plant invasion is important in changing microbial properties in wetlands. The manipulation experiment suggested that a discriminative but unknown ecological process exists in the ecosystem that cannot be controlled by humans. Therefore when human beings want to endeavor to recover the natural function and sustainability of the system, discreet consideration has to be put into thought.;세계화와 무역활동의 증가에 따른 국가 간 인적·물적 교류가 확대됨에 따라 침입 외래종의 유입으로 인한 여러 가지 피해가 전 세계적으로 매우 급속도로 확산되고 있다. 이러한 외래종 중 특히 침입 외래 식물들은 경제적, 심미적인 영향 뿐 만 아니라 생태계의 기능과 구조를 변형시켜 이들이 침입하는 생태계에 서식하는 자생종의 생존을 위협하기도 한다. 이들이 자생종의 번식을 제한하고, 심지어는 다른 생태계로 쫒아내기도 하는 등의 생태학적인 악영향이 빈번히 관찰되고 있어서 현재 생태학자들에게 매우 주목받고 있다. 일반적으로 이들 침입 외래식물이 다른 식물종이나 동물 등에 미치는 물리·화학적인 영향에 대해서는 과거로부터 많이 연구된 데 비해 이들이 서식하는 지역의 토양 속에서 일어나는 생태적인 기작, 즉 외래 식물의 침입이 토양 미생물에 미치는 영향이나 혹은 미생물과 식물과의 상호작용에 대해서는 알려진 바가 적다. 그래서 이 연구에서는 외래 침입식물이 그들의 자생지역을 벗어나 다른 생태계로 침입할 때 이들이 토양 미생물에 미치는 영향을 알아보기 위하여 토양 미생물의 군집구조와 활성, 종 다양성의 변화 등을 관찰하였다. 한강 하구에 위치하고 있는 성동습지에서 이러한 생태적 기작이 관찰되어 이들을 비교하였다. 연구 지역은 모두 세 곳으로 이 지역의 침입식물인 갈대 (Phragmites communis)와 자생 식물인 새섬매자기 (Scirpus planiculmis)가 각각 우점하고 있는 지역과, 새섬매자기가 우점하는 지역에 갈대가 침입하여 두 식물이 공존하고 있는 지역을 말한다. 또한 침입 초기의 영향부터 시간에 따라 변화하는 양상을 관찰하기 위하여 mesocosms을 설치하여 같은 기간 동안 관찰하였다. Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) 방법으로 bacteria와 fungi의 군집구조를 분석하였고, Methylumbelliferyl (MUF) compounds를 이용하여 체외미생물 활성을, Shannon's index를 이용하여 토양 미생물의 종 다양성을 분석하였다. 그 결과 토양 미생물의 군집 구조는 식물 침입의 영향으로 인해서는 크게 변화하지 않았으나 그 대신 뚜렷한 계절적인 변이가 관찰되었다. 종 다양성 분석 결과 Bacteria는 침입에 의한 영향이 관찰되지 않았으나, Fungi의 종 다양성은 갈대가 침입한 지역에서 가장 높게 나타났고, N-acetylglucosaminidase의 활성도 이 지역에서 가장 높았다. 이러한 결과들을 통해서 외래 식물의 침입이 생태계의 기능과 구조를 변화시키는 것을 알 수 있었다. 그리고 나아가서 이 연구의 결과들을 외래 식물을 이용한 인공습지에서의 수처리에 응용할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, Mesocosm에서는 다른 사이트들에서와 달리 독특한 토양 미생물의 군집 구조가 발견되었다. 이러한 결과들을 통해 이 연구에서 제안하고자 하는 것은 인위적인 식재를 통해 생태계를 복원하고자 할 때는 아직 밝혀지지는 않았으나 간과할 수 없는 중요한 생태적인 기작들이 매우 많으므로 신중한 고찰이 필요하다는 것이다.