施肥和種間競爭對黃頂菊入侵土壤微生物的影響

郭艾英, 楊 晴, 陳鳳新, 葉 紅, 張風娟*

(1. 河北科技師范學院生命科技學院, 秦皇島 066600; 2. 河北大學生命科學學院,保定 071002; 3. 華中農業大學生命科技學院, 武漢 430070)

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施肥和種間競爭對黃頂菊入侵土壤微生物的影響

郭艾英1, 楊 晴1, 陳鳳新2, 葉 紅3, 張風娟2*

(1. 河北科技師范學院生命科技學院, 秦皇島 066600; 2. 河北大學生命科學學院,保定 071002; 3. 華中農業大學生命科技學院, 武漢 430070)

田間條件下建立了入侵植物黃頂菊(Flaveriabidentis)和伴生草本植物馬唐(Digitariasanguinalis)、益母草(Leonurusjaponicus)單獨種植(以下簡稱單種)和混合種植(以下簡稱混種,比例1∶1)小區,設置施氮肥和不施氮肥處理,研究兩者對黃頂菊入侵土壤微生物的影響。結果表明：黃頂菊單種小區,土壤增施氮肥黃頂菊的生物量顯著升高,且促進了真菌的生長,抑制放線菌、有機磷細菌和鉀細菌的生長。黃頂菊與馬唐競爭生長,施肥顯著抑制了放線菌、有機磷細菌和鉀細菌的生長,黃頂菊的競爭攻擊力系數(aggressivity,以下簡稱AG)小于0,在競爭中黃頂菊不占優勢;不施肥時細菌、放線菌、有機磷細菌的數量與黃頂菊生物量顯著正相關(P<0.05),且AG>0,在競爭中黃頂菊占優勢。黃頂菊與益母草競爭生長,施肥與否僅有機磷細菌數量顯著高于裸土,且微生物數量與黃頂菊生物量都無顯著相關性(P>0.05),黃頂菊的AG都小于0,在競爭中不占優勢。由此,黃頂菊與馬唐或益母草競爭生長,增施氮肥改變了土壤微生物數量,降低了黃頂菊的種間競爭能力,不利于實現黃頂菊的入侵。

黃頂菊; 馬唐; 益母草; 競爭能力

外來植物入侵是導致世界范圍內生態系統退化和生物多樣性喪失的主要原因之一。早期對入侵植物與入侵地生態系統各組分間相互作用的研究主要集中在地上部分,對土壤生態過程影響的研究比較少[1-2]。現在人們認識到外來植物會改變入侵地土壤的生物(微生物群落)和非生物(養分循環)特性,這種改變會反過來影響外來植物的入侵進程,使其更適合自身生長,不利于入侵地本地植物的生長。已有研究表明,外來入侵植物紫莖澤蘭、加拿大一枝黃花、薇甘菊、三葉鬼針草等入侵地土壤微生物群落結構發生了改變,影響了土壤微環境,為其進一步入侵提供有利條件[3-5]。

原產于南美洲巴西、阿根廷等國的黃頂菊[Flaveriabidentis(L.) Kuntze.]是我國近年來發現的一種一年生入侵雜草,截至2009年底,僅河北省的黃頂菊疫情已擴大至89縣(市),受災面積2.4萬 hm2[6]，且呈現以河北省中南部為中心,向周邊其他省市擴散的趨勢[7]。黃頂菊釋放的化感物質能抑制植物種子的萌發和幼苗生長,嚴重影響入侵地生物多樣性,威脅農業生產安全,目前對黃頂菊入侵研究主要集中在生物學特性[8]、傳播途徑[9]及對其他植物的化感作用[10-11]等方面,與本地植物的競爭也有報道,但僅局限在植物生物學特性[12-13]、土壤養分與酶活性[14-15]、土壤細菌多樣性[16-18]、土壤真菌多樣性[19]等方面。

施肥影響土壤微生物種群的數量和活性,影響土壤礦物質、有機質含量,進而影響作物產量及土壤肥力[20]。張天瑞等研究表明黃頂菊入侵地土壤全氮、銨態氮、硝態氮含量隨入侵程度的增加而增加[21],而土壤氮含量增加會進一步影響黃頂菊和本地植物的競爭平衡關系,在黃頂菊與本地植物競爭生長中這是否有利于黃頂菊快速生長而形成單優群落呢？本試驗通過人工施氮肥提高土壤含氮量,田間建立黃頂菊與伴生草本植物馬唐[Digitariasanguinalis(L.) Scop.]、益母草(LeonurusjaponicusHoutt.)的單種和混種小區,研究黃頂菊與本地植物競爭生長過程中氮肥對黃頂菊根區土壤微生物的影響,旨在從微生物學角度研究黃頂菊入侵機制,為利用種間競爭特性對黃頂菊進行有效防控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為黃頂菊和入侵域2種草本植物：馬唐和益母草。

1.2 試驗設計

1.2.1 田間試驗

田間試驗在河北科技師范學院昌黎校區農場進行(北緯39°42′,東經119°09′),土質為潮土,pH 7.6,電導率 531.0 μS,有機質含量1.70%,水解性氮108.35 μg/g,有效磷 26.21 μg/g,速效鉀90.65 μg/g。本試驗于2012年5月中旬至9月中旬進行,采用隨機區組試驗設計,試驗處理分別為裸土(不種植任何植物,簡稱CK)、黃頂菊單獨種植(以下簡稱單種,簡稱Fb)、馬唐單種(簡稱Ds)、益母草單種(簡稱Lj)、黃頂菊與馬唐混合種植(以下簡稱混種,簡稱Fb+Ds)、黃頂菊與益母草混種(簡稱Fb+Lj);每個處理分為施氮肥和不施氮肥兩個水平,肥料為尿素,添加量為30 g/m2,于播種前一次性加入。每個處理種植面積為3.0 m×1.0 m,種植密度為80 株/m2,混種處理中,2種植物的種子進行混合然后播種,待植物長出幼苗,再進行間苗處理,使每個小區1種或2種植物共32株,混種比例為1∶1,隨機排列,小區之間為寬度0.2 m的隔離帶,每個處理5次重復。試驗期間,及時人工拔除其他雜草。

于2012年9月中旬植物處于結實后期采樣,每個小區采用對角線采樣法采集土壤,除去落葉層后,每個小區對角采集5～10個點,單種區在主根周圍向下垂直取5～20 cm土壤混合,混種區選取對角線上距兩種植物的中心部位土壤混合,分別裝袋后放入冰盒內帶回實驗室。新鮮土樣過0.5 cm篩后測定土壤微生物種群與數量。

1.2.2 土壤的微生物群落測定

土壤微生物數量采用固體平板稀釋法進行分離測定。細菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基、馬丁氏培養基和改良高氏1號培養基培養;有機磷細菌和鉀細菌分別采用有機磷細菌培養基和硅酸鹽細菌培養基培養。選取菌落數(colony-forming unit, cfu)在30～300之間的平板進行計數。

1.2.3 生物量測定

2012年9月,分別選取每個處理中長勢良好的4～8株植物,將其分別分為根、莖、葉三部分,除去表面灰塵及雜質后于85 ℃恒溫干燥箱烘干至恒重,并用10-4的電子天平稱各部分干重。

1.2.4 數據分析

選擇相對競爭強度 (relative competition intensity,RCI)[22]和競爭攻擊力系數(aggressivity,AG)[23]來評判本試驗中的物種競爭能力。計算公式分別為：

(1)

(2)

式中,Y表示每種植物的生物量;a、b代表入侵種、本地種;p、q表示物種a、b的混栽比例,p+q=1;Ya表示物種a單獨種植時的生物量;Yb表示物種b單獨種植時的生物量;Yab表示物種b存在的情況下物種a的生物量;Yba表示物種a存在的情況下物種b的生物量;(1)中的a，b可以互換。

RCI=0表明兩物種間不存在競爭,00時,入侵種的競爭力大于本地種;當AG=0時,入侵種的競爭力等于本地種;當AG<0時,入侵種的競爭力小于本地種。

試驗數據采用SPSS 13.0軟件對微生物數量和生物量進行統計方差分析,對數據進行顯著性檢驗,再對兩組數據作相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對不同植物根區土壤微生物總量的影響

由表1可得,試驗小區各種植方式(F=17.91,P=0)和施肥方式(F=106.23,P=0)對不同植物根區土壤微生物總量的影響達到了顯著差異,說明種植方式及施肥方式都顯著影響根區土壤微生物總量。

表1 種植和施肥對土壤微生物總量的影響

施肥后入侵植物黃頂菊單種小區土壤微生物總量顯著降低,且低于裸土,而馬唐單種、黃頂菊與馬唐混種小區微生物總量顯著升高(表2),說明施氮肥不利于黃頂菊單種根區土壤微生物的生長,促進了馬唐單種和黃頂菊與馬唐混種小區土壤微生物的生長,對益母草小區微生物的生長無顯著影響。

土壤增施氮肥黃頂菊單種根區的微生物總量顯著低于馬唐單種、黃頂菊與馬唐混種小區,不施肥時黃頂菊單種根區微生物總量高于其他種植小區(表2),說明施氮肥對馬唐根區土壤微生物的生長更有利,不施氮肥時黃頂菊根系分泌物有利于土壤微生物的生長。

表2 施肥處理對黃頂菊和草本植物根區土壤微生物總量的影響1)

1) CK為裸土對照,Fb、Ds、Lj分別表示黃頂菊、馬唐和益母草單種群落、Fb+Ds表示黃頂菊與馬唐混種群落、Fb+Lj為黃頂菊與益母草混種群落，數據表示為平均值±標準誤;數據后小寫字母表示在0.05水平上的差異顯著性。下表同。

Fb, Ds and Lj indicateF.bidentis,D.sanguinalisandL.japonicusplanted singly, respectively. Fb+Ds indicatesF.bidentisplanted withD.sanguinalis; Fb+Lj indicatesF.bidentisplanted withL.japonicus.Data in the table are mean±SE; data followed by different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 levels, and the same below.

2.2 不同處理對黃頂菊、馬唐和益母草根區土壤微生物菌群的影響

土壤增施氮肥處理,黃頂菊單種小區土壤放線菌、有機磷細菌、鉀細菌數量顯著降低,真菌數量顯著增多;混種小區中，黃頂菊與馬唐混種放線菌、有機磷細菌、鉀細菌數量顯著降低,細菌和真菌數量顯著升高;黃頂菊與益母草混種顯著降低了放線菌、鉀細菌數量,有機磷細菌數量顯著升高(表3)。說明土壤含氮水平顯著影響了黃頂菊、馬唐、益母草根區微生物生長,對單種和混種小區的影響不同。

與黃頂菊單種相比,施肥顯著提高了黃頂菊與馬唐混種小區土壤細菌、放線菌、鉀細菌的數量,黃頂菊與益母草混種小區有機磷細菌的數量顯著提高,而真菌數量降低(表3),該結果說明黃頂菊與馬唐混種,施肥對細菌、放線菌、鉀細菌的生長有利,與益母草混種施肥利于有機磷細菌的生長,抑制真菌活性。

單種小區中,施肥時黃頂菊單種土壤的細菌數量顯著低于馬唐,與益母草無顯著差異,放線菌、有機磷細菌數量均顯著低于馬唐、益母草單種,而真菌和鉀細菌數量顯著高于馬唐、益母草單種(表3),這表明與馬唐、益母草相比,施肥有利于黃頂菊根區土壤真菌和鉀細菌的生長,抑制了放線菌和有機磷細菌數量,馬唐根分泌物利于細菌的生長。

表3 施肥處理對黃頂菊、馬唐和益母草根區土壤微生物數量的影響

2.3 不同處理黃頂菊和馬唐、益母草競爭能力的比較

由表4可得,黃頂菊與馬唐競爭生長,無論土壤是否施肥,黃頂菊和馬唐的RCI都大于0,說明兩者的生長都受到了抑制。施肥時黃頂菊的AG值小于0,不施肥時AG大于0,說明土壤增施氮肥降低了黃頂菊的種間競爭力,改變了兩者的競爭關系,在競爭中黃頂菊不占優勢。

黃頂菊與益母草競爭生長,土壤施肥與否,黃頂菊的RCI大于0,施肥時益母草的RCI大于0,不施肥RCI小于0,說明施肥時兩者的生長都受到了抑制,不施肥時黃頂菊促進了益母草的生長。施肥與否黃頂菊的AG都小于0,說明在競爭中黃頂菊不占優勢。

表4 黃頂菊、馬唐、益母草的競爭生長指標

2.4 不同處理條件下黃頂菊的生物量與根區土壤微生物數量之間的相關性

從上述分析得出,試驗小區不同的種植方式和施肥方式顯著影響了土壤微生物數量和黃頂菊的競爭能力,由此對黃頂菊的生物量和土壤微生物數量之間進行了相關性分析(表5),結果表明：試驗各小區黃頂菊的生物量與土壤微生物的數量之間都呈正相關關系,說明土壤微生物數量影響黃頂菊的生長。單種小區中,施肥時黃頂菊的生物量與放線菌、真菌和有機磷細菌數量顯著正相關,不施肥時與土壤微生物總量、細菌、放線菌和有機磷細菌數量顯著正相關,說明土壤含氮量不同影響黃頂菊生長的微生物數量和種類也不同。混種小區中,與馬唐競爭生長,施肥時黃頂菊的生物量與放線菌、有機磷細菌數量顯著正相關,不施肥則與細菌、放線菌和真菌數量顯著正相關;與益母草競爭生長,施肥與否黃頂菊的生物量與微生物數量之間都無顯著相關性。此結果說明黃頂菊與馬唐競爭生長,施肥與否小區的放線菌和有機磷細菌的生長對黃頂菊生長都有促進作用,且土壤含氮量低時細菌對黃頂菊的生長也有促進作用;與益母草競爭生長過程中,施肥與否,土壤微生物數量的多少對黃頂菊的生長都無顯著影響。

表5 黃頂菊的生物量與根區土壤微生物數量的相關系數1)

1)*表示在0.05水平上顯著相關。

*indicate significant correlation at 0.05 level.

3 討論

土壤微生物是維持土壤質量的重要因素,植物根系分泌物可改變土壤微生物的種群結構[24],其數量與土壤養分含量存在一定的相關性[25],因而間接影響附近植物的生長。本研究表明,土壤施氮肥時黃頂菊、馬唐、益母草單種或混種小區根區土壤微生物的總量不同,其中三大類微生物和細菌生理類群的數量存在較大差別,在競爭生長中對黃頂菊、馬唐或益母草的生物量的影響也不同。

施肥時黃頂菊單種根區的微生物總量較不施肥處理低,但黃頂菊的生物量較高,這與Mandic 等研究得到的高水平施氮肥對土壤微生物總量與馬鈴薯產量的影響結果一致[26],這可能是氮肥提高了土壤有機質含量,促進植物生長,致使黃頂菊的生物量增大。與施肥處理相比,不施肥時不同植物小區僅黃頂菊單種根區的微生物總量顯著升高,且細菌、放線菌和有機磷細菌數量與黃頂菊的生物量顯著正相關,可能是土壤含氮水平較低時,黃頂菊根系分泌物促進了細菌和有機磷細菌、放線菌的生命活動,提高了土壤養分的有效性和利用率,從而促進了黃頂菊生長,這可能是黃頂菊能夠在貧瘠的土壤中旺盛生長的原因;在與馬唐或益母草競爭生長時,不施肥時黃頂菊的生物量都顯著高于施肥處理,可能也與上述原因有關。多數放線菌具有一定的抑菌活性,本研究也發現黃頂菊根區具有抑菌作用的放線菌數量較馬唐、益母草單種小區多,樣液稀釋梯度越小其抑菌活性越強,且無論是否土壤施肥與黃頂菊的生物量均顯著正相關,這是否有助于提高黃頂菊拮抗土傳病原菌的能力有待進一步研究。

黃頂菊與馬唐競爭生長,施肥與否兩者都受到了對方強有力的競爭,施肥時這種對黃頂菊的抑制作用強于非施肥處理,這說明兩者競爭生長過程中土壤含氮水平的增加有助于提高馬唐的競爭能力,呂遠等研究結果表明田間試驗也發現土壤氮含量為1.42 g/kg時黃頂菊對馬唐并未表現出抑制作用[13],而不施肥時黃頂菊較強的競爭力可能得益于其根圍的微生物活性;黃頂菊與益母草競爭生長,無論施肥與否黃頂菊都受到益母草的有力競爭,而不施肥時黃頂菊促進了益母草的生長,且在競爭中無論施肥與否益母草都占優勢,說明在兩者競爭生長的過程中,益母草可有效地抑制黃頂菊的生長,且土壤含氮量較小時,黃頂菊的生長在一定程度上促進了益母草的生長。

牛紅榜研究得到紫莖澤蘭入侵后土壤微生物各生理功能類群的變化與土壤理化性質的變化顯著相關,由此土壤微生物群落的變化可能導致了土壤養分水平的升高[4];王蕾在研究黃頂菊入侵對土壤理化性質影響時得出土壤細菌的變化與土壤有效磷、速效鉀的變化極顯著相關[27]。本研究表明施肥與否黃頂菊單種小區細菌數量與裸土相比無顯著差異,但細菌生理類群中有機磷細菌數量顯著升高,與黃頂菊的生物量顯著正相關。張天瑞等研究表明黃頂菊入侵土壤全磷、速效磷含量都有所下降[21],這可能是由于黃頂菊根區有機磷細菌數量升高,降解土壤中磷礦物,為作物提供有效磷而導致土壤全磷含量降低,且黃頂菊對速效磷有較強的吸收和利用能力[21],由此導致速效磷含量降低;黃頂菊單種小區根區鉀細菌數量施肥時與裸土相比顯著降低,與黃頂菊的生物量無顯著相關性。王蕾研究得出黃頂菊入侵地土壤速效鉀含量降低了[27],這可能與土壤鉀細菌數量較小有關,但這些細菌生理類群是怎樣參與并影響土壤肥力促進黃頂菊生長有待于進一步考證。

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(責任編輯：田 喆)

Effects of fertilization and interspecific competition on the microbes in rhizosphere soils invaded byFlaveriabidentis

Guo Aiying1, Yang Qing1, Chen Fengxin2, Ye Hong3, Zhang Fengjuan2

(1. College of Life Science & Technology, Hebei Normal University of Science & Technology, Qinhuangdao 066600, China; 2. Institute of Life Sciences, Hebei University, Baoding 071002, China; 3. College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

The effect of nitrogen fertilizer on the microbes in rhizosphere soils ofFlaveriabidentisin competitive growth with two native species,Digitariasanguinalis(L.) Scop. andLeonurusjaponicusHoutt., planted singly or mixed withF.bidentis(1∶1), respectively, was studied in the field. The results showed that nitrogen addition increased the biomass ofF.bidentisand promoted the growth of fungi in the monoculture ofF.bidentis, but decreased actinomycetes, phosphorus bacteria and potassium bacteria. WhenF.bidentiscompeted withD.sanguinalis,nitrogen addition was significantly inhibited the growth of actinomycetes, phosphorus bacteria and potassium bacteria. The aggressivity of the invasive species was less than 0, so the competition was disadvantageous forF.bidentis. A positive significant correlation existed between the counts of bacteria, actinomycetes, phosphorus bacteria and the biomass ofF.bidentistreated with non-fertilizer control. The aggressivity of the invasive species was more than 0, andF.bidentiswas dominant in the competition. WhenF.bidentiscompeted withL.japonicus, the microbes were less than in bare soils except for phosphorus bacteria, and no matter fertilizer added or not, there was no significant correlation between soil microbial quantity and the biomass ofF.bidentis. The aggressivity of the invasive species was less than 0, indicating that the competition was advantageous toF.bidentis. To sum up, nitrogen addition changed the quantity of soil microorganisms and decreased the competitive ability of the invasion species.

Flaveriabidentis;Digitariasanguinalis;Leonurusjaponicus; competitive ability

2014-04-26

2014-07-28

國家自然科學基金項目(31372000,31171906)；河北省自然科學基金項目(C2015201021)

S 45

A

10.3969/j.issn.0529-1542.2015.03.011

* 通信作者 E-mail: fengjuanzhang@126.com