少花蒺藜草與不同牧草混播根際與非根際土壤酶活性變化

于童洲,張天宇,周立業

(內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028000)

生物入侵給自然生態系統和人類經濟造成了嚴重的影響，是世界上最棘手的生態環境問題之一[1-2]。少花蒺藜草俗名刺蒺藜、草狗子、草蒺藜，為禾本科蒺藜屬一年生草本植物[3]。少花蒺藜草原產于美洲，20世紀40年代傳入我國，在我國的遼寧省、內蒙古自治區、吉林省廣泛擴散傳播，其成熟果實的刺苞極易造成放牧家畜口腔和胃腸的潰瘍，嚴重影響到農牧民的經濟收入和日常生活，現已成為科爾沁沙地危害最為嚴重的入侵雜草之一[4]，遏制和防除少花蒺藜草已經到了刻不容緩的地步。

外來植物入侵后，可能改變土壤水分與營養循環等土壤條件，這些土壤條件的改變又可能促進入侵物種的進一步擴散，進而對本地生物多樣性和生態環境造成嚴重破壞[5-7]。在早期關于生物入侵的研究中，對于入侵植物與入侵地生態系統各組分間相互作用的研究多集中在地上部分[11]，而隨著研究的不斷深入，入侵植物與入侵地土壤之間的互作關系越來越受到研究者的重視[14-15]。土壤酶是聯系植物和土壤有效養分的紐帶，可以指示土壤生態系統功能與土壤肥力狀況，對有機質的礦化和有機污染物的降解具有促進作用[8-10]，作為決定土壤養分轉化方向和速率的關鍵性生物因子[11]，土壤酶還參與了土壤中多種養分物質的分解、合成以及釋放過程，并且催化土壤中的一切生物化學反應[12-13]。而根際土壤在本土植物和外來植物之間可以起到橋梁的作用，不同植物根際產生的分泌物種類與數量不同，導致不同植物群落下土壤的酶活性具有差異，同時植物根際土壤由于受到植物根系活動的影響，其中的生物地球化學循環最為活躍，物理、化學、生物學特征和酶活性也顯著不同于非根際土壤，而這些差異對植物群落的建成具有重要意義[17-19]。

在研究防除外來物種入侵措施中，生物替代控制因不會引發新一輪生態安全問題而備受關注[20]。近年來研究發現，一些多年生優質牧草對少花蒺藜草具有較強的競爭優勢[2]。為進一步探索優質牧草對少花蒺藜草的替代作用，明確優質牧草對少花蒺藜草的競爭機制，本研究以少花蒺藜草為研究對象，利用3種優質牧草(紫花苜蓿、羊草、草木樨)對其進行替代競爭，分析替代競爭下少花蒺藜草根際與非根際土土壤中脲酶、磷酸酶、蔗糖酶與過氧化氫酶的活性變化，探討在不同替代作用下不同生長時期少花蒺藜草生存策略，以期對遏制少花蒺藜草在科爾沁沙地的傳播提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區設在內蒙古民族大學科技示范園區(N 43°19′～43°55′，E 120°55′～122°55′)，海拔高度178 m，年平均氣溫6.4 ℃，年有效積溫3 184 ℃，極端低溫-30.9 ℃。無霜期為145 d，年平均降水量為399.1 mm，土壤為沙壤土。

1.2 試驗設計與土樣采集

于2020年4月15日，選擇試驗地生長狀況良好一致，種植年限為1年的紫花苜蓿、羊草和草木樨進行采集，采集后將根際剪至同一長度并移栽到預先整好的試驗地小區，以試驗地土壤為基質進行一個月的適應性生長，小區面積2 m×3 m，移栽采用穴栽方式，植株間距40 cm，于5月15日將少花蒺藜草播種在各穴牧草之間(每穴2粒，出苗后定苗至1株)，少花蒺藜草與各穴牧草間距為20 cm，并以單播少花蒺藜草為對照組，少花蒺藜草株行距均為20 cm，分別記為少花蒺藜草單種(S)、少花蒺藜草與紫花苜?；旆N(SM)、少花蒺藜草與羊草混種(SY)、少花蒺藜草與草木樨混種(SC)，共計4個處理，每個處理3次重復，試驗期間進行正常灌溉，所有牧草不進行刈割。土樣采集時間開始于2020年6月15日，按照5點取樣法每隔30 d取土1次(分別為少花蒺藜草的苗期、分蘗期和開花結實期)，采集方法為Riley和Barber的抖落法[20-21]，用鐵鍬挖取少花蒺藜草地下根系(0～20 cm)，抖去大塊不含根系的土壤作為非根際土壤，然后用細毛刷刷取根系表層黏貼的土壤，去除雜質后作為根際土壤，按照四分法選取適當土樣裝入自封袋，在4 ℃下保存帶回實驗室進行試驗分析。

1.3 土樣指標測定及其方法

用pH計測定土壤pH值。土壤酶活性主要參考關松蔭等[22]的測定方法。土壤脲酶的測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24 h內1 g土壤中NH3-N的毫克數表示土壤脲酶活性；土壤磷酸酶的測定采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h內1 g土壤中釋放出的酚的質量(mg)表示土壤磷酸酶活性；土壤蔗糖酶的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法，以24 h內1 g干土生成的葡萄糖毫克數表示；土壤過氧化氫酶的測定采用高錳酸鉀滴定法，以每g干土1 h內消耗的0.1 mol/L KMnO4體積數表示。

1.4 數據統計與分析

本試驗所有數據均使用Microsoft Office Excel 2013進行統計、計算和制作圖表，使用SPSS 23.0對試驗數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)及相關分析，顯著度水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 混播處理下少花蒺藜草根際和非根際土壤的pH

少花蒺藜草無論是根際土還是非根際土土壤pH值都大于7，土壤偏堿性且各土壤樣本之間的pH值沒有顯著差異(P>0.05)(表1)。

表1 少花蒺藜草不同生育時期土壤pH值

2.2 混播處理下少花蒺藜草苗期土壤酶活性的變化

不同混播模式下少花蒺藜草苗期根際土壤脲酶活性無顯著性差異(P>0.05)(圖1-A)，與草木樨競爭時，少花蒺藜草根際土中磷酸酶和蔗糖酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)(圖1-B，圖1-C)；與對照相比，紫花苜蓿競爭條件下少花蒺藜草根際土過氧化氫酶活性提高了6%(P<0.05)(圖1-D)。在少花蒺藜草苗期同一替代處理下根際土壤酶活性大于非根際土壤。

圖1 不同混播處理下少花蒺藜草苗期土壤的酶活性Fig.1 Changes of soil enzyme activities at seedling stage of C.pauciflorusunder different competitive conditions注：不同大寫字母表示在0.05水平上根際土壤酶的差異顯著性，不同小寫字母表示在0.05水平上非根際土壤酶的差異顯著性。下同

2.3 不同混播處理下少花蒺藜草分蘗期土壤酶活性變化

少花蒺藜草在分蘗期時與不同牧草混播對其根際土壤脲酶和過氧化氫酶活性無顯著性影響(P>0.05)(圖2-A,圖2-D)。草木樨處理下根際土土壤磷酸酶和蔗糖酶酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)，而其他處理組之間沒有顯著性差異(P>0.05)(圖2-B,圖2-C)。在同一處理條件下少花蒺藜草根際土壤的4種酶活性均高于非根際土壤。

圖2 不同混播處理下少花蒺藜草分蘗期土壤的酶活性Fig.2 Changes of soil enzyme activities at tillering stage of C.pauciflorusunder different competitive conditions

2.4 不同混播處理下少花蒺藜草開花期土壤酶活性的變化

開花期時，不同混播處理下少花蒺藜草的脲酶活性均顯著高于對照組(P<0.05)，變化趨勢為SY>SM>SC(圖3-A)。在羊草與草木樨處理下，少花蒺藜草根際土壤磷酸酶活性顯著高于對照組和紫花苜蓿處理(P<0.05)(圖3-B)。在草木樨處理下少花蒺藜草根際土壤蔗糖酶活性最高，其他兩組處理之間無顯著性差異(P<0.05)，且3組組處理的蔗糖酶活性顯著高于對照組S(P<0.05)(圖3-C)。少花蒺藜草過氧化氫酶活性變化趨勢處理為S>SC>SY>SM，其中對照組過氧化氫酶活性顯著高于紫花苜蓿與羊草處理(P<0.05)，與草木樨處理之間無顯著性差異(P>0.05)，不同處理之間過氧化氫酶活性無顯著性差異(P>0.05)(圖3-D)。在相同處理條件下少花蒺藜草根際土壤的4種酶活性均高于非根際土壤。

圖3 不同混播處理下少花蒺藜草開花期土壤的酶活性Fig.3 Changes of soil enzyme activities at flowering stage of C.pauciflorusunder different competitive conditions

3 討論

土壤酶是植物、土壤動物和微生物代謝向土壤中釋放的活性物質，用酶活性可以表征土壤的生態功能強度、各種生物化學過程的反應速率和方向[23]。本研究中少花蒺藜草在不同替代作用下根際土壤的4種酶活性均高于非根際土，表現出一定的根際正效應(根際土/非根際土>0)，可能是因為少花蒺藜草在生長過程中通過根系吸收水分以及無機物質，同時又向周圍土壤釋放出根系分泌物如糖類、氨基酸、酚類和有機酸等物質，再加上凋落物的分解和土壤中形成腐殖質等因素，提高了少花蒺藜草根際土壤中微生物的活性，進而提高了根際土壤中的養分和酶活性。而非根際土壤受到植物根系活動的影響較小，從而導致少花蒺藜草的根際與非根際之間的土壤酶活性具有較大差異。這與楊玉海等[24]及羅明等[25]的結論相一致。說明入侵植物-土壤-微生物所組成生態微域向穩態的方向發展，從而提高了自身的入侵性[17]。

與少花蒺藜草單種相比，3種替代牧草均不同程度地提高了少花蒺藜草根際土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性，造成這一結果的原因一是可能因為少花蒺藜草根系在受到競爭脅迫時會啟動自我防御系統，產生根系分泌物，提高對土壤肥力的吸收利用以增強自身的競爭能力，這與趙燕娜等對某種入侵植物的研究結果相似[26]；二是可能因為替代植物根系在發育過程中會產生不同種類的化感物質并對其他植物根際的微環境形成影響，這與張海霞等[16]及杜鄂巍等[27]的研究結果一致。本研究結果表明，與草木樨混播下，少花蒺藜草根際土土壤酶活性提高最為顯著，說明草木樨與少花蒺藜草之間的競爭最為激烈，而紫花苜蓿和羊草也在一定程度上刺激了少花蒺藜草脲酶與磷酸酶活性的增長，但關于二者是否可以作為替代少花蒺藜草的最佳牧草還有待對植物地上部分進一步研究。

本試驗中相同處理下少花蒺藜草的根際土壤酶活性均在開花結果期最高，其原因可能是不同生長期少花蒺藜草對土壤養分的需求不同，產生的根系分泌物不同，導致土壤中酶活性發生變化，這與羅雪晶等[8]的結論一致，都表明了植物根際土壤酶活性會隨著不同生長時期發生改變。

4 結論

不同牧草與少花蒺藜草競爭混播，少花蒺藜草會向根際分泌出更多的化學物質，提高土壤中的酶活性，增強其自身的競爭能力。本研究中與草木樨混播下少花蒺藜草根際土脲酶、磷酸酶與蔗糖酶活變化最為顯著，未達到競爭抑制效果。