黃頂菊對不同入侵地植物群落及土壤微生物群落的影響

祁小旭,張思宇,林 峰,張玲玲,楊殿林,皇甫超河,王 慧,*

1 農業農村部環境保護科研監測所,農業農村部產地環境污染防控重點實驗室/天津市農業環境與農產品安全重點實驗室,天津 300191 2 沈陽農業大學植物保護學院,沈陽 110866 3 安徽大學資源與環境工程學院,合肥 230000

植物群落、土壤養分、土壤微生物有密不可分的關系。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分,是土壤養分循環和植物對養分利用過程中重要參與者,對維持土壤肥力和植物的生長有重要的作用[1],因此土壤微生物多樣性能夠作為生態系統功能的敏感指標,指示生態環境變化和生態系統功能的變化[2]。植物群落的變化將會影響土壤微生物的群落結構和多樣性、土壤理化性質(C、N、P)和其他生物學指標[3-5]。外來物種對棲息地的入侵是造成全球生物多樣性減少的重要威脅之一。外來物種由于其快速的繁殖能力、較強的化感作用、強的生理生態適應性在入侵地迅速繁殖,形成單一優勢種群,減少土著植物的競爭力,從而減少生物多樣性、改變土壤微生物的結構和功能多樣性、影響區域經濟發展和威脅公共健康等。例如：銀荊(Acaciadealbata)、豚草(Ambrosiatrifida)等通過自身的化感作用,從而改變土壤微生物的群落結構,使土壤養分向有利于自身生長的方向改變,從而增加自身的競爭能力,改變入侵地的植物群落構成,嚴重減少當地的物種多樣性[6-7]。

黃頂菊(Flaveriabidentis)屬菊科(Asteraceae)萬壽菊族(Tageteae)黃菊屬(Flaveria),一年生惡性雜草,原產于南美洲。2001年首次在我國天津、河北省衡水湖地區被發現,后在河南省、山東省也發現有黃頂菊的生長,于2010年被列入國家環?？偩止嫉摹吨袊诙鈦砣肭治锓N名單》,后于2013年被列入《國家重點管理外來入侵物種名錄(第一批)》[8]。已有研究表明,黃頂菊在入侵過程中對入侵地的養分有較強的利用能力,對鹽堿和干旱等脅迫條件有較強的適應能力,通過化感作用對入侵地土著植物產生抑制作用,降低入侵地植物群落多樣性[9-10]。黃頂菊入侵還能夠改變土壤微生物的群落結構,使入侵地土壤的細菌群落多樣性降低,改變入侵地土壤中放線菌和真菌的含量,且隨時間的變化而變化,生長前期表現為減少,生長盛期達到峰值后下降,衰老期數量最低[11]。Montserrat等[12]在研究劍葉花屬(Carpobrotusspp)和臭椿(Ailanthusaltissima)對不同入侵島嶼的植物群落組成和土壤理化的影響存在地區特異性。以往對黃頂菊入侵地植物群落和土壤微生物群落的研究只關注同一地點,單一的地上部分或地下部分的研究,對于不同緯度入侵地植物群落和土壤微生物群落的綜合影響鮮有報道。因此,本研究通過野外調查試驗,通過分析4個不同緯度黃頂菊入侵地和非入侵地的植物群落多樣性、土壤微生物群落結構、土壤理化性質等的變化,以期探求黃頂菊對不同入侵地植物群落和土壤生態系統的影響規律及相關性。該研究能夠豐富黃頂菊的入侵機制,為入侵植物生態控制提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本試驗選取天津市靜?？h(Jinghai,JH)、河北省滄州市(Cangzhou,CZ)、河北省衡水市(Hengshui,HS)、河南省安陽市(Anyang,AY)4個不同的黃頂菊入侵典型樣地作為取樣點,各樣地概況見表1。

表1 各樣地概況Table 1 General situation of study regions

1.2 試驗設計與樣品采集

于2018年7月30日—8月10日采集四個地區入侵地(invaded)和非入侵地(native)的供試土壤(其中靜海、滄州、衡水入侵年限15年以上,安陽入侵年限5年),入侵地和非入侵地中間距離10 m或更少,確保兩種土壤主要差異為是否有黃頂菊生長,取樣點距離植物群落邊緣至少有3 m。每個樣地按照S型設置4個樣方,每個樣方大小1 m×1 m,因此,四個樣地中總共劃定32個樣方。在每一個樣方中記錄物種數據(即物種名稱和株數),物種的命名和本地種/入侵種的定義遵循USDA Plants (USDA NRCS 2017),匯總數據,采用α物種多樣性指數[13-14]表示植物群落特征,如下所示:

Simpson 多樣性指數:

Ds= 1 -ΣPi2

Shannon-Wiener 多樣性指數:

λ= -ΣPilnPi

Pielou 均勻度指數:

E= (-ΣPilnPi)/lnS

Margalef 豐富度指數:

D=(S-1)/lnN

式中,S是一個種植小區內的物種數,Pi是某一個物種的相對豐度,N為個體總數。

在每個樣方中用直徑5 cm的土鉆按照梅花五點取樣法收集土壤,每個小區內選取5個取樣點,入侵地和非入侵地每個取樣樣方土樣單獨混勻,取樣深度20 cm,在取樣前去除地面植物和凋落物等有機雜質,裝入冰盒并保持冰盒內溫度4℃條件下帶回實驗室,用于土壤理化、土壤微生物的測定。

1.3 土壤理化性質的測定

土壤有機質測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱氧化法；土壤全氮采用濃硫酸消煮法,之后采用流動分析儀(AA3,Bran+Luebbe Crop,德國)測定；土壤硝態氮、土壤銨態氮采用氯化鈣浸提法,之后采用流動分析儀測定,土壤全磷采用鉬銻抗比色法；土壤pH采用玻璃電極法(MP511 pH計)按土水比 1∶2.5 測定。

1.4 土壤微生物的測定

采用PLFA法測定土壤中的土壤微生物群落結構。稱取 3 g 冷凍干燥的土壤樣品于50 mL特氟隆離心管中,單相提取劑(氯仿∶甲醇∶檸檬酸比為1∶2∶0.8)提取總脂,經 SPE 柱收集磷脂,磷脂通過溫和堿性甲酯化為磷脂脂肪酸甲酯,加入十九烷酸甲酯(19:0)用安捷倫氣相色譜-質譜儀聯用 GC-MC(6890-5973N)分析磷脂脂肪酸的種類及含量[15]。磷脂脂肪酸的命名采用Frostegard等[16]方法命名,PLFA 含量用nmol/g表示,PLFA的生物表征見表2[17-18]。并計算真菌/細菌、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌、微生物群落多樣性指數[12-13]等指標。

1.5 數據分析

試驗數據用SPSS 21.0 軟件處理,對入侵地和非入侵地的植物群落多樣性指數和微生物群落多樣性指數(Patrick豐富度指數、Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數)、微生物類群(真菌、總PLFA、真菌/細菌、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌)等差異顯著性分析采用獨立樣本t檢驗,差異顯著性水平設為α=0.05,用相關性分析分析植物群落多樣性與微生物群落多樣性的相關關系,用冗余分析植物群落和土壤微生物群落結構與土壤理化的相關關系,用SPSS 21.0和Canoco5.0分析,結果圖表用OriginPro 9.1、WPS Excel 2019繪制,數據為平均值±標準誤。

表2 PLFAs生物表征Table 2 PLFAs characterizing microbes

2 結果與分析

2.1 黃頂菊入侵對不同地區植物群落多樣性的影響

JH、CZ、HS、AY入侵地和非入侵地植物物種組成見表3。由圖1可以看出,黃頂菊入侵改變入侵地的植物群落多樣性,但對不同地區的影響不同。黃頂菊入侵顯著降低了JH、CZ、HS三個地區的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數和Margalef豐富度指數(P<0.05),HS地區四個多樣性指數的減少程度最大,安陽地區的影響沒有顯著差異(P>0.05)。

表3 不同地區植物物種組成Table 3 Plant composition in different region

表中數據為不同地區各樣地類型中每個物種總株數

圖1 黃頂菊入侵對不同地區植物群落多樣性的影響Fig.1 The effect of Flaveria bidentis invasion on plant community variables of different region其中標*為不同處理達到顯著性差異(P<0.05)

2.2 黃頂菊入侵對不同地區土壤理化性質的影響

黃頂菊入侵顯著改變了四個地區的土壤理化性質(表4),但存在地區差異。黃頂菊入侵顯著增加了四個地區的銨態氮和有機質含量(P<0.05),顯著降低了全磷的含量(P<0.05),例如：JH地區的銨態氮含量從4.1mg/kg升高到了5.07 mg/kg,升高了23.7%,CZ地區的銨態氮含量從2.2 mg/kg升高到了3.25 mg/kg,升高了47.7%。JH、CZ、AY三個地區的硝態氮含量顯著增高(P<0.05),而HS地區可能由于本地土壤的硝態氮含量較高,因此顯著降低(P<0.05),JH、CZ地區的全氮含量顯著增加、pH顯著降低(P<0.05),而HS、AY兩地區的全氮含量和pH的變化規律與前兩個地區相反,全氮含量顯著減少、pH顯著增加(P<0.05)。

表4 黃頂菊入侵對不同地區土壤理化性質的影響(平均值±標準誤)Table 4 The effect of Flaveria bidentis invasion on soil physical and chemical factors in different region (means±SE)

同一地區同一列中,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 黃頂菊入侵對不同地區土壤微生物群落結構特征的影響

黃頂菊提高了4個入侵地區真菌PLFA的含量、總PLFA的含量、真菌/細菌、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌(圖2),JH、CZ、HS、AY地區的真菌PLFA的含量、總PLFA的含量、真菌/細菌、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌均達到顯著性差異(P<0.05),但HS和AY地區的革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌差異不顯著顯著(P>0.05),但增加量分別達到了37%和54%;由表5可以看出,黃頂菊入侵顯著提升了四個地區土壤微生物的Margalef豐富度指數(P<0.05),除HS地區入侵地和非入侵地的Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數差異達到顯著水平(P<0.05)外,JH、CZ、AY地區的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數差異不顯著(P>0.05)。

表5 黃頂菊入侵對不同地區土壤微生物群落多樣性的影響(平均值±標準誤)Table 5 The effect of Flaveria bidentis invasion on soil microbial communities variables in different region (means±SE)

同一地區同一列中,不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖2 黃頂菊對不同入侵地土壤PLFAs的影響Fig.2 The effect of Flaveria bidentis invasion on soil PLFAs of different region其中標*為不同處理達到顯著性差異(P<0.05)

2.4 土壤理化、土壤微生物群落、植物群落的相關性分析

對土壤理化和植物群落多樣性指數進行冗余分析可知(圖3A),排序軸1明顯區分了黃頂菊入侵地和非入侵地的植物群落多樣性指數、土壤理化性質、土壤微生物群落結構,CCA1和CCA2解釋了排序軸變異的38.1%和6.8%,其中,硝態氮、全氮的含量對植物群落的影響較大；對土壤理化和土壤PLFAs進行冗余分析可知(圖3B),CCA1和CCA2解釋了排序軸變異的45.4%和8.7%,其中,銨態氮的含量對土壤微生物群落結構的影響較大。

圖3 土壤理化與植物群落多樣性指數和土壤微生物群落的相關關系 Fig.3 The correlation between soil physical and chemical factors wth plant communities diversity indices or soil microbial community

對植物群落多樣性與土壤微生物群落多樣性進行相關性分析可知(表6),植物群落的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數與土壤微生物群落的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數有顯著的負相關關系(P<0.05),而豐富度指數沒有顯著相關關系。

表6 土壤微生物群落多樣性與植物群落多樣性相關性分析Table 6 The correlation analysis between soil microbial community diversity indices and plant community diversity indices

3 討論

外來植物入侵能夠改變自然群落生態系統基本生物學特征[14,19],降低入侵地植物群落的豐富度和多樣性,改變入侵地的土壤養分[11],外來植物的入侵過程與土壤微生物群落和植物群落的反饋變化密切相關,這一過程可以提高入侵生物在新生態系統中成功定植的可能性[20],研究土壤微生物群落特征與植物群落和土壤理化因子的相關性是揭示黃頂菊入侵機制的重要途徑。本文研究了黃頂菊入侵對4個不同地區植物群落、土壤理化性質、土壤微生物群落特征的影響,結果表明：黃頂菊入侵改變了入侵地的植物群落特征,減少了入侵地植物群落的多樣性指數；改變了入侵地的理化性質；改變了土壤微生物的群落結構特征,但存在地區差異。

3.1 黃頂菊入侵對不同地區植物群落多樣性的影響

“天敵逃逸假說[21]”和“增強競爭力假說[22]”認為入侵植物在新的生境中由于缺少原有生境的競爭對象(病原菌、取食對象),在新的生境中可以不受控制的增長,競爭入侵地光資源和土壤養分,促使入侵植物形成單一優勢群落,從而減少入侵地的植物群落多樣性。Wang等在研究加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)的入侵影響中表明[20],加拿大一枝黃花對入侵地的植物群落的影響隨入侵程度的變化而不同,對中度和重度入侵地的植物群落多樣性影響較大,對輕度入侵地植物群落多樣性的影響不大；李會娜等[23]研究表明,黃頂菊分別與馬唐和小藜混合種植時,混合種植馬唐的生物量是馬唐單獨種植的61%,抑制了馬唐的生長,且顯著抑制了小藜的生長。本研究結果表明(圖1)：黃頂菊入侵顯著減少了JH、CZ、HS三個地區的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數和Margalef豐富度指數(P<0.05),HS地區四個多樣性指數的減少程度最大,對AY地區的影響沒有顯著差異(P>0.05)。黃頂菊由于在入侵地缺少原生境競爭對象,對資源的利用能力較強,有利于自身的生長發育,從而增強自身對入侵地土著植物的競爭力,且黃頂菊出苗期較早,且植株高大,對入侵地土著植株產生蔭蔽作用,使土著植物所獲得的光資源減少,從而減少入侵地植物群落的多樣性；HS地區入侵地植物群落多樣性指數較非入侵地較少程度最大,可能是由于HS地區硝態氮含量較高(表4),有利于黃頂菊的生長,因此黃頂菊物種優勢度較高,對土著植物的競爭力較強所致；AY地區由于入侵年限較短,對入侵地植物群落的影響不明顯,也可能是安陽地區緯度較低,土著植物可獲取的光資源較JH、CZ、HS地區更為較為豐富,物種豐富度較高,對黃頂菊入侵的抵御能力較強所致。

3.2 黃頂菊對不同入侵地土壤理化性質的影響

土壤養分是維持植物生長的重要條件,不同植物對養分的利用也不盡相同,有研究表明[24-25],入侵植物通過對土壤養分的選擇性或化感作用等方式對土壤理化特性產生影響,而這種影響又有利于入侵植物的生長,從而增加入侵植物在入侵地的優勢度,有利于入侵植物的進一步入侵,但Dassonville、Santoro等[26-27]的研究表明,同種植物對不同地域入侵后,對入侵地營養成分的改變不盡相同。本研究中(表4),黃頂菊入侵顯著增加了四個地區的銨態氮和有機質含量(P<0.05),JH、CZ、AY三個地區的硝態氮含量顯著高于非入侵地(P<0.05),而HS地區的硝態氮含量顯著低于非入侵地(P<0.05),有研究表明[28-29],入侵植物通過增加入侵地速效氮、有機質的含量增加入侵植物的相對競爭力,黃頂菊入侵后通過提高銨態氮、硝態氮和有機質的含量,促進自身形成單一優勢群落,增加自身的競爭力；而HS地區的硝態氮含量減少可能是由于本地土壤硝態氮含量較高,黃頂菊對硝態氮的吸收增強,從而導致硝態氮含量減少。JH、CZ地區的全氮含量顯著增加、pH顯著降低(P<0.05),而HS、AY兩地區的全氮含量和pH的變化規律與前兩個地區相反,全氮含量顯著減少、pH顯著升高(P<0.05),說明黃頂菊對土壤養分的利用與土壤本底養分有關(靜海和滄州地區的全氮含量較低,pH較高),對入侵地養分的利用有均一化的特點[30],且有一定的地域特異性。

3.3 黃頂菊入侵對不同地取區土壤微生物群落結構特征的影響

土壤微生物在植物生長發育過程中有重要的作用,外來植物在入侵過程中會改變原有生境的土壤微生物群落結構和多樣性,打破入侵地的土壤生態平衡,影響入侵地植物群落的生長和群落更替,使外來植物實現進一步的入侵[31-32]。鄭潔等[33]在研究互花米草(Spartinaalterniflora)的入侵過程中發現,互花米草改變了入侵地的土壤微生物群落特征,顯著提高了土壤中革蘭氏陽性細菌、真菌的含量,降低了革蘭氏陰性細菌、放線菌的含量,降低了土壤微生物群落多樣性指數,從而有利于互花米草的生長,進而實現進一步入侵。李會娜[23]等的研究表明,黃頂菊入侵區域在黃頂菊生長盛期增加了真菌和放線菌的含量,細菌的含量在整個生育期內處于絕對優勢地位。本研究結果表明：黃頂菊顯著增加了JH、CZ、HS、AY地區的真菌PLFA的含量、總PLFA的含量、真菌/細菌、革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌(P<0.05)(圖2),此部分結果和李會娜等的研究結果一致；顯著降低了四個地區土壤微生物群落的Margalef豐富度指數(P<0.05)(表5)。有研究表明[34]土壤中氮含量的增加可以增加土壤中真菌的數量,因此本研究中四個地區土壤真菌PLFA含量的增加可能是由于黃頂菊增加了入侵地土壤氮含量所致,從而導致總PLFA含量和真菌/細菌的增加；革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌表征土壤的營養狀況,其值越高表征土壤中受到營養脅迫越小[34],本研究中黃頂菊入侵顯著增加了革蘭氏陰性菌/革蘭氏陽性菌,說明黃頂菊入侵地受到的營養脅迫較小,通過土壤理化的變化可知(表4),黃頂菊增加了入侵地的銨態氮含量,而這銨態氮是土壤營養的主要組成部分,因此增加了入侵地的營養成分,從而較少了入侵地的營養脅迫。利用PLFA法表征土壤微生物群落多樣性指數Margalef豐富度指數隨總PLFA的升高而降低,黃頂菊入侵地土壤微生物群落Margalef豐富度指數的減少主要是由于土壤總PLFA的升高所致。

3.4 土壤理化、土壤微生物群落、植物群落的相關性分析

土壤理化性質與植物群落和土壤微生物群落結構有重要的關系,土壤理化的性質的改變會影響植物的生長狀況和土壤微生物群落的結構組成[1],由冗余分析(圖3)可知,排序軸1明顯區分了黃頂菊入侵地和非入侵地的植物群落多樣性指數、土壤理化性質、土壤微生物群落結構,說明黃頂菊對入侵地的植物群落多樣性指數、土壤理化性質、土壤微生物群落結構產生了較大的影響,對土壤理化和植物群落多樣性指數進行冗余分析可知,硝態氮、全氮的含量對植物群落的影響較大；對土壤理化和土壤PLFAs進行冗余分析可知銨態氮的含量對土壤微生物群落結構的影響較大,而硝態氮、銨態氮、全氮是土壤營養成分的重要組成部分,說明黃頂菊入侵主要改變入侵地土壤的氮營養水平,從而對入侵地的植物群落和土壤微生物群落產生進一步影響；由植物群落多樣性與土壤微生物群落多樣性的相關性分析可知(表6),植物群落的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數與土壤微生物群落的Simpson 多樣性指數、Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou均勻度指數有顯著的負相關關系(P<0.05),說明硝態氮、銨態氮、全氮含量的變化,改變了土壤真菌含量和某些細菌含量(革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌等)的變化,影響土壤微生物群落結構和多樣性的變化,從而有利于黃頂菊在入侵地的生長,進而影響入侵地植物群落多樣性的變化。

綜上所述,本文選取4個黃頂菊入侵地從植物群落多樣性和土壤微生物群落方面研究了黃頂菊入侵對入侵地群落結構和土壤生態系統的影響,結果表明黃頂菊顯著改變了四個入侵地的土壤理化性質,從而改變土壤微生物群落結構和多樣性,有利于黃頂菊的生長,促使其形成優勢群落,影響入侵地土著植物區的生長,進而影響入侵地植物群落多樣性的變化,但對不同地區的影響存在地區差異,本研究豐富了黃頂菊對入侵地土壤生態系統的影響機制,為理解入侵種對群落結構和土壤生態系統的影響提供理論依據。本研究采用的土壤微生物分析方法為PLFA法,不能分析土壤微生物的種群和數量,需要采用更為先進的土壤微生物分析方法,如高通量測序、同位素示蹤技術等,且本研究為一年的研究,不同年份的環境變化可能對研究結果產生影響,因此要深入研究黃頂菊的入侵機制,還需要做長期的監測研究。