三裂葉蟛蜞菊入侵對土壤酶活性和理化性質的影響

柯展鴻，邱佩霞，胡東雄，朱慧，宋莉英*

1. 廣州大學生命科學學院，廣東 廣州 510006；2. 華南師范大學生命科學學院，廣東 廣州 510631；

3. 韓山師范學院生物系，廣東 潮州 521041

生物入侵已經成為影響全球的重大環境和經濟問題，不僅嚴重威脅著當地的生物多樣性、生態系統的結構和功能[1]，而且給社會帶來嚴重的經濟損失[2]。據不完全統計，目前我國有主要外來有害雜草107種，外來害蟲32種，外來病原菌23種。這些外來生物的入侵給我國社會經濟造成巨大危害，僅對農林業造成的直接經濟損失每年就高達574億元[3]。外來生物給入侵地造成嚴重破壞，隨著時間的推移其對生態和經濟發展的影響可能要更加嚴重。

作為生物入侵最直接的影響對象，土壤的質量狀況（生物因素和理化因素）常常受到外來入侵種的影響[4]。許多研究表明，入侵植物能夠通過化感作用、凋落物和根系結構等影響土壤生物多樣性，同時通過對土壤酶活性、N循環、C循環和pH值的影響改變土壤的理化性質[5-9]。入侵植物在引起入侵地生物群落及土壤理化性質變化的過程中，形成對自身有利的土壤環境可能是其成功入侵的原因之一。

三裂葉蟛蜞菊Wedelia trilobata又稱南美蟛蜞菊，為菊科Compositae多年生草本，原產南美洲及中美洲地區，20世紀70年代作為地被植物引入我國，很快逃逸為野生，目前已經成為華南地區最常見的雜草，所到之處，能夠排擠本地植物，形成單優群落，嚴重威脅著當地的物種多樣性[10]，已被列為“世界最有害的100種外來入侵種”之一[11]。蟛蜞菊Wedelia chinensis分布于我國東、南部省區，與三裂葉蟛蜞菊同屬菊科，二者具有相同的生活史特征，但蟛蜞菊生長較慢，對自然生態系統未造成危害。目前的研究認為，三裂葉蟛蜞菊之所以能夠入侵成功主要歸功于其快速的繁殖能力[12-13]、較高的光合速率[14-15]和較強的化感作用[16-18]。有關三裂葉蟛蜞菊對土壤酶活性和土壤理化性質的影響還未見報道。

本研究通過野外采樣和盆栽試驗，比較了三裂葉蟛蜞菊及其本地近緣種蟛蜞菊對土壤酶活性和土壤理化性質的影響，為評估三裂葉蟛蜞菊入侵對生態系統土壤微環境的影響提供試驗依據。

1 材料和方法

1.1 植物材料

盆栽試驗所用的三裂葉蟛蜞菊W. trilobata和蟛蜞菊W. chinensis均采自廣州市華南植物園內的自然種群。分別剪取5 cm帶芽莖段，進行扦插繁殖。經2～4周預培養后，選取生長健壯、長勢一致的再生小苗移栽到塑料盆中（直徑25 cm，高20 cm，容積8.5 L），基質采用營養土、河沙和塘泥（三者體積比為1:1:1）的混合物，每種植物各種植12盆，每盆移栽3株小苗，同時以不移栽小苗的12盆土樣作為空白對照（CK）。

1.2 土樣采集

1.2.1 野外土壤的采集

2012年4月從華南植物園內三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊相鄰生長的自然群落中進行土壤取樣。由于二者生長在相鄰的生境中，我們假定它們所生長的土壤初始條件基本一致。對于各物種生長的土壤，隨機設置5個樣方（1 m×1 m），分別采用5點取樣法取樣，先清除樣地地面植物和凋落物，用土鉆隨機鉆洞取0～15 cm層的土樣250～500 g，取土樣時避免陽光照射，去除石塊、植物根系和土壤動物等，立即帶回實驗室過孔徑為2 mm的篩。將過篩后的土樣用于土壤含水量、土壤pH值、有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量的測定。

1.2.2 盆栽土樣的采集

分別收集經受試植物正常生長3個月后的12盆土樣，隨機兩兩混合作為一個土樣，分別置于聚乙烯袋中帶回實驗室，過孔徑為2 mm的篩后用于土壤含水量、土壤pH值、有機質、全氮、速效磷、速效鉀以及土壤酶活性的測定。

1.3 土樣測定

參考劉鳳枝和劉瀟威[19]的方法，用sartorius PB-10酸堿度測定儀測定土樣pH值，用四苯硼鈉比濁法測定土壤速效鉀含量，用納氏比色法測定銨態氮含量，用酚二磺酸比色法測定硝態氮含量；參考劉守春和曾煜權[20]的方法，用鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；參考周建青和徐愛列[21]的方法，用重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤有機質含量；參考郭小穎[22]的方法，用開氏消煮滴定法測定土壤全氮含量；參考周禮愷和張志明[23]的方法測定土壤脲酶活性，其活性用單位土壤質量的NH3-N的毫克數表示（mg·g-1，以NH3-N計），用滴定法測定土壤過氧化氫酶活性，其活性用單位土壤質量的0.1 N高錳酸鉀的mL數表示（mL·g-1，以0.1 N KMnO4計）；參考沈桂琴[24]的方法測定磷酸酶活性，其活性用24 h單位土壤質量的苯酚的毫克數表示（μg·g-1·d-1, 以Phenol計）；土壤含水量采用土壤烘干法測定，計算公式為：土壤含水量=[(原土壤濕質量-烘干土壤質量)/原土壤濕質量]×100%。

1.4 數據分析

數據統計采用SPSS 11.5 One Way ANOVA進行方差分析。

2 結果和分析

2.1 野外土壤的理化性質

由表1知，野外分別生長了三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊的土壤理化性質有顯著差異。與本地蟛蜞菊相比，三裂葉蟛蜞菊生長的土壤環境中pH值顯著降低（P<0.01），而土壤有機質含量、全氮含量、速效磷和速效鉀含量則顯著提高（P<0.01），與蟛蜞菊相比分別提高了71.74%、78.89%、188.57%和46.36%，說明三裂葉蟛蜞菊入侵會導致土壤微環境的改變，提高土壤中可利用的營養物質含量。

表1 三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊群落野外生長樣地土壤理化性質的比較 Table 1 Comparison on soil physical-chemical properties of field growth plot of Wedelia trilobata and Wedelia chinensis

2.2 盆栽土壤的理化性質

由表2知，經三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊生長3個月的盆栽土壤，與CK相比，pH值均有顯著下降，其中三裂葉蟛蜞菊生長過的土壤酸性顯著低于本地蟛蜞菊。三裂葉蟛蜞菊生長后，土壤的全氮和硝態氮含量分別下降了9.94%和33.21%，速效鉀含量上升了55.27%，與CK相比差異顯著，而蟛蜞菊生長對土壤全氮、硝態氮和速效鉀含量的影響不大。此外，三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊生長后的土壤有機質、銨態氮、速效磷含量與CK相比，無顯著差異。

2.3 盆栽土壤的酶活性

三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊的生長會導致土壤酶活性的改變。其中三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊生長的土壤中脲酶活性與CK相比分別下降了76.14%和65.19%（圖1:A）；三裂葉蟛蜞菊生長的土樣中磷酸酶活性與CK相比沒有顯著性差異，而蟛蜞菊生長的土壤中磷酸酶活性與CK相比提高了12.5%（圖1:B）；過氧化氫酶活性在三裂葉蟛蜞菊、蟛蜞菊和CK之間均沒有顯著性差異（圖1:C）。

表2 三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊盆栽土壤理化性質的比較 Table 2 Comparison on potting soil physical-chemical properties of Wedelia trilobata and Wedelia chinensis

3 討論

植物入侵對土壤生態系統的生物多樣性及土壤的性質能產生影響，但存在不一致的格局。入侵植物與土著植物在化感物質、凋落物的質與量、根系結構特征、生理生態特性的差異可能是形成格局多樣性和影響機制復雜性的最主要原因[25]。周遠謀[26]發現，馬櫻丹侵入木麻黃林后，木麻黃高徑生長量分別提高7.4%和14.0%，混生林防風效能增加10.9%，土壤物理和化學性質都有不同程度的改善；朱慧和吳雙桃[27]研究了雜草五爪金龍對入侵地植物群落和土壤肥力的影響，結果表明五爪金龍入侵導致入侵地植物群落豐富度和多樣性顯著降低，同時改善了土壤酶活性及養分水平，形成了對自身生長發育和種群擴增有利的生態微環境。

本研究通過對野外分別生長了三裂葉蟛蜞菊和蟛蜞菊的土壤的理化性質的比較，發現三裂葉蟛蜞菊入侵后土壤pH值顯著降低，而土壤養分含量顯著提高（表1）。有研究報道，不同群落下土壤肥力的差異可能與凋落物的質和量有關[28]。三裂葉蟛蜞菊入侵后能夠快速形成單優群落，且群落植株密度大，生物量大，凋落物多，這可能是其提高土壤肥力的原因之一。此外，許多研究表明入侵植物可以通過改變土壤酶活性以及與土壤中具有一定生理功能的微生物類群之間的互作，增強土壤養分循環，提高植物可以直接吸收利用的土壤養分含量[5,6,25,28]。本研究對三裂葉蟛蜞菊盆栽土壤酶活性的測定結果顯示土壤中脲酶的活性發生了顯著變化，由此，我們推測，三裂葉蟛蜞菊入侵后也可能通過以上這種方式改變了土壤養分循環的過程，從而提高了土壤肥力。

圖1 三裂葉蟛蜞菊入侵對土壤酶活性的影響 Fig.1 Efects of Wedelia trilobata invasion on soil enzyme activities

由于入侵植物和入侵地土壤環境之間的互作存在復雜性，不同植物入侵、入侵時間長短、入侵種的生長節律以及入侵地的土壤環境等都會導致入侵的結果不同。盆栽試驗中三裂葉蟛蜞菊生長的土壤環境中全氮含量和硝態氮含量與對照相比顯著降低，而有機質含量、速效磷、銨態氮含量則沒有發生顯著性變化（表2），這與野外試驗的結果有所不同?？赡茉蚴侨讶~蟛蜞菊在前期種群建成的生長過程中需要消耗大量的土壤養分進行快速生長，導致土壤養分的降低，趙國晶和馬云萍[29]對紫莖澤蘭的研究也得到類似的結果；而野外自然種群中由于長期生物量的積累和凋落物的增加、以及它們對土壤酶活性及微生物結構的改變，提高了土壤的肥力。由此可見，入侵時期的不同可能導致三裂葉蟛蜞菊對土壤養分的影響不同。

研究表明，土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機化合物的轉化，其活性強度常用來表征土壤氮素供應強度，研究脲酶活性能夠了解氮素轉化能力和氮素有效化強度[30]。磷酸酶可以將土壤中的有機磷轉化為自由離子，供植物吸收利用，對土壤中磷的代謝有重要的作用[31]。過氧化氫酶幾乎存在于所有的生物體里，它能促進過氧化氫對各種化合物的氧化，有機質含量高的土壤, 過氧化氫酶的活性較強，其活性可以表征土壤總的生物學活性和肥力狀況。本研究中，三裂葉蟛蜞菊生長的土壤環境中脲酶活性與CK相比顯著降低（圖1: A），這與表2中全氮含量和硝態氮含量降低的結果相對應。而磷酸酶活性和過氧化氫酶活性與CK相比則沒有顯著性差異（圖1: B,C），該結果分別與表2中速效磷和有機質含量測定的結果相一致，說明它們受三裂葉蟛蜞菊生長的影響不大，栽培時間較短可能是原因之一，還有待更多的試驗驗證。由于盆栽試驗所用土壤基質一致，所以栽種前土壤肥力及土壤酶活性差異不大，可以排除潛在的土壤養分和土壤酶活性異質性的影響，因此，我們認為群落間土壤養分和酶活性的差異是由群落物種的不同造成的，三裂葉蟛蜞菊生長的土壤環境中理化性質及土壤酶活性的改變是其入侵的結果。

4 結論

綜上所述，三裂葉蟛蜞菊入侵到一個新的生境中，在前期的群落建成過程中能夠通過快速消耗土壤中的養分含量，促進自身群落的構建；而在中后期群落形態結構成型后，能夠通過降低土壤pH值、提高土壤養分含量，同時通過改變土壤酶活性等手段，改善土壤微環境，加速土壤養分循環，增強自身對養分的吸收，進而促進自身的生長、競爭和擴張。這可能是三裂葉蟛蜞菊入侵成功的原因之一。

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