入侵植物對洪澤湖濕地楊樹林土壤微生物特性和酶活性的影響

趙婧，曹磊

1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210015；2. 南京林業(yè)大學(xué)藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037

在入侵生物學(xué)研究領(lǐng)域中，外來種的入侵機制一直是入侵生態(tài)學(xué)者的關(guān)注焦點（褚延梅等，2014；閆小玲等，2014；邰鳳姣等，2016；許玥等，2016；嚴(yán)靖等，2017；皇甫超河等，2017）。外來入侵物種給當(dāng)?shù)貛砭薮蟮沫h(huán)境和經(jīng)濟損失。外來植物入侵改變了群落的物種組成和結(jié)構(gòu)，從而改變凋落物的量和成分，導(dǎo)致土壤肥力水平發(fā)生變化（嚴(yán)靖等，2017；邰鳳姣等，2016；胡亮等，2016）。外來植物也能通過釋放化感物質(zhì)影響土壤微生物群落，進而影響土壤酶活性和養(yǎng)分循環(huán)（孫備等，2016；蔣智林等，2017）。對于外來種而言，當(dāng)其擴散到新的棲息地后，能夠在適宜的環(huán)境條件下大量繁殖蔓延，通過生長競爭取代土著植物，改變?nèi)肭值氐闹参锶郝浣Y(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化（馬丁等，2015；羅文啟等，2017；李立青等，2016）。入侵地土壤性質(zhì)的變化可能有利于外來植物在與土著植物的競爭中占據(jù)優(yōu)勢，從而促進外來種自身的入侵?jǐn)U散。如千屈菜（Lythrum salicaria）入侵濕地寬葉香蒲（Typha latifolia）群落后，顯著提高了土壤的有機質(zhì)含量和氮礦化速率，氮素的供應(yīng)更加充足（馬丁等，2015；羅文啟等，2017）。外來植物蔥芥（Alliaria petiolata）能夠提高入侵地土壤的pH和氮、磷、鈣等養(yǎng)分的有效性，加快養(yǎng)分循環(huán)過程，以創(chuàng)造更好的土壤環(huán)境條件，促進入侵（嚴(yán)靖等，2017；邰鳳姣等，2016）。但外來植物的入侵暴發(fā)亦可能造成土壤養(yǎng)分的迅速下降，如入侵北美大草原的外來種冰草（Agropyron cristatum）顯著降低了土壤總碳、全氮和速效氮含量（馮玉龍等，2009；類延寶等，2010）。賈月月等（2015）比較研究發(fā)現(xiàn)薇甘菊（Mikania micrantha）、紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）、飛機草（Chromolaena odorata）、黃頂菊（Flaveria bidentis）4種主要菊科入侵植物對入侵地土壤理化性質(zhì)有不同程度的影響。張海霞（2014）發(fā)現(xiàn)紫莖澤蘭、飛機草、一年蓬（Erigeron annuus）、加拿大蓬（Conyza canadensis）入侵提高了土壤酶活性，改變了土壤養(yǎng)分，入侵植物根系分泌物（無機離子、有機物、活性物質(zhì)等）可能通過改變根際周圍土壤微生物種群結(jié)構(gòu)，影響土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與供應(yīng)，進而影響植物生長。

洪澤湖濕地是唯一分布于北亞熱帶與暖溫帶氣候過渡帶上的大型淺水淡水湖泊濕地，孕育著十分獨特的內(nèi)陸淡水濕地生態(tài)系統(tǒng)（王治良等，2007；翟水晶等，2005）。楊樹（Populus）是目前洪澤湖濕地最主要的樹種，其生長快，適應(yīng)性強，木材產(chǎn)量高，在濕地的分布面積最大，對濕地生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要影響。近年來，該生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)大量的植物入侵（南楠等，2011；李波等，2002），如飛機草、狗尾草（Setaria viridis）、黃頂菊和鬼針草（Bidens pilosa），其生態(tài)適應(yīng)性強、競爭能力大、傳播途徑廣、繁殖系數(shù)大、防除困難，隨著入侵程度的加深，一些本土植物如楊樹林的數(shù)量減少，這對生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)安全等均造成不同程度的危害，同時，入侵植物可能通過影響微生境小氣候而改變地表土壤動物群落結(jié)構(gòu)，并引起地表土壤動物多樣性的升高。本研究以洪澤湖濕地楊樹林入侵植物飛機草、狗尾草、黃頂菊和鬼針草為研究對象，對其土壤酶活性和土壤養(yǎng)分進行比較研究，旨在探尋洪澤湖濕地楊樹林入侵植物擴散規(guī)律性，為進一步了解入侵機理和科學(xué)管理生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于洪澤湖西南部淮河入湖口形成的河湖交匯區(qū)。該地區(qū)以老子山鎮(zhèn)為中心，由水面及灘涂濕地組成，面積約 1.47×104hm2（33.166°～33.188°N，118.454°～118.692°E），受洪澤湖水體調(diào)節(jié)，該地區(qū)四季分明，年平均氣溫為 14.8 ℃，無霜期為240 d，年平均風(fēng)速為3.7 m·s-1，有明顯的湖陸風(fēng)，多為偏東風(fēng)，多年年平均降水量為925.5 mm，雨季多集中在6—9月，降水量占全年65.5%，年蒸發(fā)量為1592.2 mm，土壤類型為黏壤土。試驗楊樹林位于六道溝地區(qū)，為4年生南林95楊無性系，造林密度為3 m×4 m，平均樹高為8.7 m，平均胸徑為7.2 cm。

1.2 土壤樣品采集

2017年8月上旬選擇楊樹林里的入侵植物飛機草、狗尾草、黃頂菊和鬼針草群落，每個群落設(shè)置5個重復(fù)樣地（50 m×50 m），每個樣地沿對角線隨機采取5點，清除枯枝落葉及表層土壤，用土鉆（直徑3 cm）采集距地表0～20 cm處的根際土，然后將同一小區(qū)的相同土層土壤進行混合。在對照區(qū)沿對角線隨機選取5個點采集土壤樣品，混種區(qū)采集對角線上2種植物的中心部位土壤進行混合。取樣時避光，去除石塊、植物根系和土壤動物等，將采集的土樣放入自封袋后進行編號，將取回的鮮土分成2份，1份立即過2 mm篩后儲存在-20 ℃冰箱內(nèi)，于2周內(nèi)完成土壤酶活性的測定；1份于室內(nèi)自然風(fēng)干、過篩，分裝用于養(yǎng)分測定。

1.3 測定方法

土壤酶活性的測定：使用分光光度計進行比色測定，測定酶活種類為纖維素酶（1 g土樣30 min內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg葡萄糖所需的酶量）、轉(zhuǎn)化酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg葡萄糖所需的酶量）、硝酸還原酶（1 g土樣1 min內(nèi)分解產(chǎn)生1 μg NO2-所需的酶量）、脲酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg氨基氮所需的酶量）和酸性磷酸酶（1 g土樣24 h內(nèi)分解產(chǎn)生1 mg P2O5所需的酶量）（孫瑞蓮等，2003；劉建新，2004）。

土壤微生物的數(shù)量測定：采用平板梯度稀釋法，其中細菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號瓊脂培養(yǎng)基（鮑士旦，2000）。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，其中氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳、氮被浸提出來的比例分別為 0.38、0.45（鮑士旦，2000）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2003和SPSS 17.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析結(jié)合LSD法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗，采用主成分分析法提取主要環(huán)境因子，并對各環(huán)境因子進行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同入侵植物對土壤理化性質(zhì)的影響

由圖1可知，4種入侵植物土壤含水量、電導(dǎo)率和總孔隙度基本呈一致的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為飛機草＞鬼針草＞狗尾草＞黃頂菊，其中飛機草和鬼針草差異不顯著（P＞0.05），狗尾草和黃頂菊差異不顯著（P＞0.05），飛機草和鬼針草顯著高于狗尾草和黃頂菊（P＜0.05）；與此同時，4種入侵植物土壤容重、pH值和全鹽含量基本呈一致的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為飛機草和鬼針草低于狗尾草和黃頂菊，其中飛機草和鬼針草差異不顯著（P＞0.05），狗尾草和黃頂菊草差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同入侵植物對土壤理化性質(zhì)的影響Fig. 1 Effects of different invasive plants on soil physical and chemical propertiesn=25；不同小寫字母表示差異顯著（P＜0.05）。下同n=25; Different lowercase letters mean significant differences at P＜0.05. The same belowA：飛機草 Chromolaena odorata；B：狗尾草 Setaria viridis；C：黃頂菊 Flaveria bidentis；D：鬼針草 Bidens pilosa

2.2 不同入侵植物對土壤微生物數(shù)量的影響

圖2 不同入侵植物對土壤微生物數(shù)量的影響Fig. 2 Effects of different invasive plants on soil microbial quantity

不同入侵植物對土壤微生物數(shù)量的影響如圖 2所示，結(jié)果表明，不同入侵植物土壤微生物數(shù)量以細菌最多，其次是放線菌，真菌最少；土壤細菌和放線菌數(shù)量表現(xiàn)出一致的變化趨勢，即飛機草和鬼針草差異不顯著（P＞0.05），狗尾草和黃頂菊差異不顯著（P＞0.05），飛機草和鬼針草顯著高于狗尾草和黃頂菊（P＜0.05）。真菌數(shù)量與細菌表現(xiàn)出相反的變化趨勢，其中狗尾草和黃頂菊差異不顯著（P＞0.05），二者顯著高于飛機草和鬼針草（P＜0.05）。對于微生物總數(shù)，飛機草顯著高于狗尾草、黃頂菊和鬼針草（P＜0.05），而狗尾草、黃頂菊和鬼針草差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同入侵植物對土壤酶活的影響

不同入侵植物土壤酶活性如圖3所示，結(jié)果表明，不同入侵植物土壤纖維素酶、硝酸還原酶、轉(zhuǎn)化酶和蔗糖酶活性表現(xiàn)出一致的變化趨勢，均表現(xiàn)為飛機草和鬼針草顯著高于狗尾草和黃頂菊（P＜0.05），飛機草和鬼針草土壤纖維素酶、硝酸還原酶、轉(zhuǎn)化酶和蔗糖酶活性差異不顯著（P＞0.05）；飛機草和鬼針草脲酶和酸性磷酸酶差異不顯著（P＞0.05），二者顯著高于狗尾草和黃頂菊（P＜0.05），而狗尾草和黃頂菊脲酶活性差異不顯著（P＞0.05）。

2.4 不同入侵植物對土壤微生物量的影響

不同植物入侵對土壤微生物量的影響如圖4所示，表現(xiàn)為：飛機草＞鬼針草＞黃頂菊＞狗尾草，其中飛機草和鬼針草差異不顯著（P＞0.05），二者顯著高于黃頂菊和狗尾草（P＜0.05）；不同入侵植物土壤微生物量氮含量表現(xiàn)為：飛機草＞鬼針草＞狗尾草＞黃頂菊，其中飛機草和鬼針草差異不顯著（P＞0.05），二者顯著高于黃頂菊和狗尾草（P＜0.05）；土壤微生物量磷含量表現(xiàn)為：飛機草＞鬼針草＞黃頂菊＞狗尾草，其中鬼針草、黃頂菊和狗尾草差異不顯著（P＞0.05）；土壤微生物量碳氮比表現(xiàn)為：飛機草＞鬼針草＞狗尾草＞黃頂菊，飛機草顯著高于其他3種植物（P＜0.05）；不同入侵植物土壤微生物量碳磷比差異不顯著（P＞0.05）；飛機草、鬼針草、狗尾草土壤微生物量碳磷比差異不顯著（P＞0.05），三者顯著高于黃頂菊（P＜0.05）。

2.5 土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

不同入侵植物土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)之間的Pearson相關(guān)分析顯示（表1），4種入侵植物土壤電導(dǎo)率、總孔隙度與土壤酶活性、微生物數(shù)量之間基本無顯著相關(guān)性，說明4種入侵植物土壤電導(dǎo)率及總孔隙度對土壤酶活性、微生物數(shù)量基本沒有影響；土壤含水量與纖維素酶、硝酸還原酶、脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和真菌數(shù)量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與放線菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），由此說明土壤水分含量的增加可顯著提高土壤酶活性以及微生物數(shù)量；土壤pH與土壤酶活性和微生物數(shù)量均呈極顯著負相關(guān)，說明土壤 pH適度降低有利于土壤酶活性的增強和微生物的繁殖。土壤微生物量碳與纖維素酶、脲酶、蔗糖酶、細菌和放線菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與硝酸還原酶和酸性磷酸酶呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；微生物量氮與硝酸還原酶、細菌和放線菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與脲酶和酸性磷酸酶呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明土壤微生物量是維持土壤酶活性、細菌和放線菌數(shù)量的關(guān)鍵因子。

圖3 不同入侵植物對土壤酶活性的影響Fig. 3 Effects of different invasive plants on soil enzyme activity

圖4 不同入侵植物對土壤微生物量的影響Fig. 4 Effects of different invasive plants on soil microbial biomass MBC：微生物量碳 Microbial biomass carbon；MBN：微生物量氮 Microbial biomass nitrogen；MBP：微生物量磷 Microbial biomass phosphorus

表1 土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table 1 Correlation between soil enzyme activity, soil microbial quantity and soil physical and chemical properties

2.6 土壤酶活性、微生物數(shù)量與土壤理化性質(zhì)的主成分分析

本研究選取的原變量有以下3個：土壤酶活性、微生物數(shù)量、土壤理化性質(zhì)；通過數(shù)據(jù)處理形成變量的方差及協(xié)方差矩陣，并對其特征值進行提取，再對變量開展相應(yīng)的降維處理，從而找出作用較為顯著的相關(guān)變量指標(biāo)。由表2可知，第一及第二主成分的特征值已達到91.4%，其中第一主成分特征值高達80%，說明這兩個成分起著主導(dǎo)作用，能夠成為主成分的分析指標(biāo)。表3所示為原變量對主成分的荷載值，代表的是主成分與變量之間存在的某種相關(guān)性，荷載越大說明相關(guān)性越強。由表3可知，含水量、微生物量碳、氮的荷載值分別為 0.623、0.758、0.677，是植物入侵過程中土壤微生物和酶活性變化的主要影響因子。

表2 觀測指標(biāo)總方差分解表Table 2 Total variance decomposition of the observation indicators

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Principal component load matrix

3 討論

由圖 1可知，不同入侵植物提高了本土植物土壤含水量、電導(dǎo)率，降低了土壤容重和pH，由于入侵植物根系的大量擴散和繁殖造成了土壤總孔隙度和容重較小，含水量的增加，可溶性離子數(shù)目較多，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率較高；pH值是土壤的重要指標(biāo)之一，適宜的pH值有利于土壤微生物活動和植物生長，pH的降低致使土壤酸化，從而增加土壤養(yǎng)分，提高酶活性，促進微生物的繁殖（鄧丹丹等，2015）。本研究表明，4種入侵植物土壤容重和pH較低，主要是由于根系對土壤的穿插和擴展，改善了土壤結(jié)構(gòu)，同時，入侵植物提高了土壤養(yǎng)分，陰陽離子溶解度增加，導(dǎo)致電導(dǎo)率和全鹽含量增加。

大量研究表明，植物入侵后生長迅速，積累大量養(yǎng)分，通過消耗大量土壤養(yǎng)分而阻礙本土植物的生長，從而形成生物入侵（馬丁等，2015；羅文啟等，2017；李立青等，2016）。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要驅(qū)動力，對土壤有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及循環(huán)等過程具有重要作用（邰鳳姣等，2016；閆靜等，2016；謝翠容等，2016）。土壤酶活性、微生物量和微生物數(shù)量在植物入侵過程中起著重要作用，入侵植物破壞了本土植物與土壤之間的平衡共生關(guān)系，影響種群的生長和更新，并且在繁殖過程中提高了土壤肥力，而土壤肥力的改變會對植物的入侵作出進一步的反饋調(diào)節(jié)（周方等，2017；梁雷等，2016；袁偉影等，2017；劉金娥等，2017）。本研究中，入侵植物對土壤微生物量產(chǎn)生了一定的影響，且飛機草和鬼針草對土壤微生物量的影響高于狗尾草和黃頂菊。土壤中微生物量既與植物的利用情況有關(guān)，也與土壤酶活性有關(guān)。脲酶是一種專性酶，它能分解有機物，其分解作用是土壤氮素的主要來源（Valliere et al.，2016；Yang et al.，2017；Stokdyk et al.，2016），脲酶活性升高或者無變化，而氮素含量降低，說明4種入侵植物對氮的吸收利用能力較強。同時，土壤酶活性能反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強度，具有同化和代謝外界進入土壤的物質(zhì)的能力，這種代謝與同化功能反過來會影響土壤的理化性質(zhì)，而土壤的理化性質(zhì)決定了土壤的質(zhì)地及肥力狀況（Malinich et al.，2017；Stefanowicz et al.，2018；Mcleod et al.，2016）。

本研究中，不同入侵植物中土壤微生物均以細菌最多，占微生物總數(shù)的90%以上，其次是放線菌和真菌，表明了入侵植物對于不同微生物菌落起著不同的效果。總體而言，4種入侵植物顯著提高了微生物總數(shù)。相關(guān)分析表明，土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性和微生物數(shù)量有著密切關(guān)系，土壤理化性質(zhì)在很大程度上制約著土壤微生物數(shù)量，但其作用機理并不一致，同時土壤酶活性和微生物數(shù)量又反過來影響土壤微生物量及理化性質(zhì)，它們之間相互協(xié)調(diào)和轉(zhuǎn)化（Rasool et al.，2016；Li et al.，2017；Perkins et al.，2016）。綜合分析表明，除土壤容重、電導(dǎo)率和總孔隙度外，其他土壤理化性質(zhì)均與土壤酶活性及微生物數(shù)量之間具有較強的相關(guān)性，說明土壤系統(tǒng)內(nèi)部因子處于動態(tài)變化和平衡中，植物入侵也改變了土壤養(yǎng)分利用策略，它們作為相互影響的整體表現(xiàn)出統(tǒng)一性和同步性。主成分分析表明：土壤含水量和微生物量碳、氮是植物入侵過程中土壤微生物和酶活性變化的主要影響因子。

不同植物入侵導(dǎo)致土壤酶活性及微生物數(shù)量的轉(zhuǎn)化和循環(huán)具有復(fù)雜性，其入侵機制和強度也難以定量和劃分，僅從土壤因素研究植物入侵機制是不完整的。此外，化感作用、擴散能力及大量的種子都是植物有效的入侵手段，植物入侵與其入侵機制和生物學(xué)特性聯(lián)系緊密，們應(yīng)從系統(tǒng)概念出發(fā)，研究生物入侵機制及其生態(tài)過程，并從多種角度分析入侵植物對土壤微生物造成的影響，進而更好地探析入侵植物對土壤微生物造成的影響及其適應(yīng)策略和響應(yīng)機制，從而揭示其入侵機制及過程。

4 結(jié)論

（1）不同入侵植物對洪澤湖濕地楊樹林土壤含水量、電導(dǎo)率和總孔隙度的影響基本呈一致的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為飛機草＞鬼針草＞狗尾草＞黃頂菊；入侵植物改變了洪澤湖濕地楊樹林土壤微生物結(jié)構(gòu)，不同入侵植物土壤微生物數(shù)量以細菌最多，其次是放線菌，真菌最少；不同入侵植物土壤纖維素酶、硝酸還原酶、轉(zhuǎn)化酶和蔗糖酶活性表現(xiàn)出一致的變化趨勢。

（2）相關(guān)性分析表明，除土壤容重、電導(dǎo)率和總孔隙度，其他土壤理化性質(zhì)均與土壤酶活性及微生物數(shù)量之間具有較強的相關(guān)性，表明不同入侵植物土壤系統(tǒng)內(nèi)部因子處于動態(tài)平衡，植物入侵也改變了土壤養(yǎng)分利用策略，它們作為相互影響的整體表現(xiàn)出統(tǒng)一性和同步性。

（3）主成分分析表明，土壤含水量和微生物量碳、氮是植物入侵過程中土壤微生物和酶活性變化的主要影響因子。綜合分析表明：不同入侵植物可以改變土壤微生物特性和酶活性，創(chuàng)造對自身生長有利的土壤環(huán)境，并借此增強其競爭能力。