外來植物入侵對鄉土植物土壤氮素及其代謝酶活性的影響

翟元杰, 梁佩芳

(1.河南開封科技傳媒學院, 河南 開封 475001; 2.開封大學, 河南 開封 475001)

在入侵生態學的研究領域中，植物外來種的入侵機制一直是各界學者關注的焦點[1-3]。對于外來種而言，當其擴散到新的棲息地后，能夠在適宜的環境條件下大量繁殖蔓延，通過快速生長而取代本土植物，改變入侵地的植物群落結構，進而導致土壤生物多樣性與生態系統發生變化[4-5]。入侵地土壤性質的變化很可能有利于外來植物在與本土植物的競爭中占據優勢，從而促進外來種自身的入侵擴散[6]。另一方面，外來植物入侵改變了植物群落的物種組成和結構，進而改變了凋落物的量和成分，改變了土壤養分水平。外來植物也能通過釋放化感物質影響土壤微生物群落，進而影響土壤酶活性和養分循環。有研究[7]表明，外來植物入侵能改變土壤有機質、氮等含量，土壤生物組成和土壤酶活性。氮代謝是植物的基本生理過程之一，也是參與地球化學循環的重要組成部分。植物氮素同化的主要途徑是經過硝酸鹽還原為氨后直接參與氨基酸的合成與轉化[8-9]。土壤中的氮素絕大部分都是以有機形態存在的，有機態氮只有在微生物的作用下礦化后，才能被植物吸收利用。而土壤中的一切生化過程都是在酶的參與下進行的，土壤酶活性直接影響著土壤有效養分的釋放[10]。因此，本文通過對外來入侵植物硝態氮、硝酸還原酶活性及根際土壤蛋白酶、脲酶活性、土壤總氮、NH4-N和NO3-N含量等指標的測定，探討外來入侵植物的氮代謝和土壤氮特征，為科學地認識外來植物入侵機理以及更好地開展外來入侵植物的防治以及生態系統管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域位于河北省廊坊市植物研究基地，該基地屬于農科院植物保護研究所，位于廣陽區九州鎮炊莊，所選擇的研究對象包括獨行菜(Lepidiumapetalum)、紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)、小飛蓬(Conyzacanadensis)和黃頂菊(Flaveriabidentis)，以矮牽牛(Petuniahybrida)鄉土植物作為對比；隨機小區排列，小區長、寬均達到4 m，中間設置的隔離帶寬1 m。并在其中進行入侵植物與鄉土植物的混種小區。為了盡最大可能降低試驗誤差，各處理采取6次重復的方式，播種時間選在6月中旬，試驗開始于2014年，通過連續5 a的觀測研究來對入侵植被加以研究，其中各個小區間苗植株為59棵，為了避免發生種子擴散的情況，各區之間通過尼龍網隔離。

1.2 土壤和植被樣品采集

在每個小區采集0—20 cm的根系土壤，每個采樣點采用5點混合采樣法，4分法采集大概500 g左右的土壤，同時將石塊及根系等雜物去除，之后進行裝袋編號，并對所取的鮮土進行分成2份：其中一份進行過2 mm篩處理，并在-20 ℃冰箱內存放，兩周內開展土壤活性測定；另一份首先在室內風干，并過篩后分裝，以備養分測定。另外，在每個小區采集3株植被的少許根莖葉，殺青后烘干(65 ℃)至恒重。

1.3 測定方法

土壤蛋白酶活性用福林—酚試劑法測定；土壤脲酶活性用二氯異氰尿酸鈉顯色法測定；硝酸鹽在硝酸還原酶的催化作用下轉化成氨，利用反應前后硝態氮的變化反應土壤硝酸還原酶的活性大小[12]。

土壤微生物量碳、氮和磷采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]。

1.4 數據分析

采用Excel 2003和SPSS 17進行數據統計和分析，所有數據均為5 a試驗的平均值，單因素方差分析檢驗各處理之間的差異顯著性，通過主成分分析法提取主要影響因子。

2 結果與分析

2.1 植物營養器官氮含量變化

不同植物入侵對植物營養器官氮含量的影響如圖1所示。由圖1可以看出，植物入侵降低了葉片氮含量，其大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>小飛蓬>黃頂菊，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨行菜顯著高于小飛蓬和黃頂菊(p<0.05)；植物入侵降低了莖氮含量，其大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>黃頂菊>小飛蓬，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨行菜顯著高于小飛蓬和黃頂菊(p<0.05)；植物入侵降低了根氮含量，其大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>黃頂菊>小飛蓬。

2.2 不同入侵植物對土壤氮素的影響

不同植物入侵對土壤氮素的影響如圖2所示。由圖2可知，植物入侵降低了土壤氮素含量(全氮、硝態氮、銨態氮)，其大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>黃頂菊>小飛蓬，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨行菜顯著高于小飛蓬和黃頂菊(p<0.05)；而土壤pH值呈相反的變化趨勢，植物入侵增加了土壤pH值，其大小依次表現為矮牽牛<獨行菜<紫莖澤蘭<小飛蓬<黃頂菊，其中小飛蓬、黃頂菊和紫莖澤蘭差異不顯著(p>0.05)。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

圖2 研究區不同入侵植物對土壤氮素和pH值的影響

2.3 土壤氮代謝酶活性變化

不同入侵植物土壤氮代謝關鍵酶如圖3所示。結果表明，不同入侵植物土壤蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性表現出一致的變化趨勢，其中土壤蛋白酶大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>小飛蓬>黃頂菊，矮牽牛、紫莖澤蘭、獨行菜顯著高于小飛蓬和黃頂菊(p<0.05)，小飛蓬和黃頂菊差異不顯著(p>0.05)。土壤脲酶、硝酸還原酶活性大小均表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>小飛蓬>黃頂菊，不同植物差異均顯著(p<0.05)。

圖3 研究區不同入侵植物對土壤酶活性的影響

2.4 不同入侵植物對土壤微生物量的影響

不同入侵植物土壤微生物量的影響如圖4所示。結果表明，不同入侵植物土壤微生物量碳和氮表現出一致的變化趨勢，其中土壤微生物量碳和氮大小依次表現為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨行菜>小飛蓬>黃頂菊，矮牽牛、紫莖澤蘭、獨行菜顯著高于小飛蓬和黃頂菊(p<0.05)，小飛蓬和黃頂菊差異不顯著(p>0.05)。土壤微生物量磷大小依次表現為：矮牽牛>獨行菜>紫莖澤蘭>黃頂菊>小飛蓬，不同植物差異均不顯著(p>0.05)。

2.5 主成分分析

通過對原始數據處理，形成了變量的方差及協方差矩陣，并對其特征值進行提取，之后對其開展相應的降維處理，找出作用較為顯著的相關變量指標。從變量方差分析(表1)可以看出，第一及第二主成分的特征值已經達到90%以上，說明這兩個成分起著主導作用，能夠影響到大多數的指標，其中第一主成分特征值高達80%，前兩個成分的貢獻率高達92.98%，因此前兩個因子能夠成為主成分的分析指標。表2表示的是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性，荷載越大說明相關性越強。由表1可知，硝態氮、銨態氮和pH值的荷載值分別達到了0.677，0.734，0.788。

表1 研究區主成分觀測指標的方差分析

表2 研究區第一和第二主成分載荷因子矩陣

3 討 論

氮素循環是生態系統物質循環的重要過程之一，而土壤中的氮素是植物生長必需的元素，因此，土壤氮素營養供應狀況直接影響到植物的生產力水平[14-15]。本研究[16]表明，不同外來入侵植物均顯著地提高了被入侵土壤中的氮素的可獲得性，進而加速了入侵生態系統中的土壤氮循環，這一結果與前人的報道結果相一致。外來植物入侵對土壤酸堿度的影響并不一致性，一些研究表明外來植物入侵顯著地提高了土壤pH值，另一些研究表明外來植物入侵降低了土壤pH值。本研究中，植物入侵增加了土壤pH值，這可能與特定植物根際分泌物或凋落物分解程度有關。

蛋白酶和脲酶是土壤氮素循環中的關鍵性酶，其活性的高低在一定程度上反映了土壤氮水平狀況和植物對有效氮源的利用[17-18]。通過長期的觀測試驗可知，植物入侵顯著影響了土壤酶活性(p<0.05)，從土壤蛋白酶活性來看，酶活性最高的是矮牽牛，其次是紫莖澤蘭、獨行菜，黃頂菊最低，而小飛蓬和黃頂菊土壤蛋白酶活性差異并不顯著(p>0.05)。這主要是由于不同植物入侵過程中根系分泌物不同所導致的，酶活性的大小取決于入侵過程中是否對土壤養分和微生物等形成資源競爭等。通過進一步的分析得知，在外來植被入侵的作用下，土壤的氮素代謝進程明顯加快，對于土壤有機氮的利用水平進一步提升，由此說明植被入侵對氮素吸收能力的增強，盡管我們沒有測定土壤有效養分含量，由此可以推測植物入侵也增加了土壤有效養分含量，進而對土壤微生物以及養分的有效性形成了進一步的資源競爭。

土壤硝酸還原酶活性對氮素的代謝起著重要的調控作用[18-19]，土壤硝酸鹽被植物根系吸收以后合成大量的氨基酸，被稱為土壤的調節酶、限速酶[20]。本研究中不同入侵植物土壤中硝酸還原酶活性低于本土植物，說明入侵植物對土壤氮素的同化能力強，因此生長迅速，能夠快速的大量繁殖，這也是植物入侵以后能夠快速生長的主要原因。

4 結 論

本研究中，物種入侵降低了植物葉片、莖和根的氮含量，以及土壤氮素含量(包括全氮、硝態氮、銨態氮)；不同入侵植物土壤蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶活性表現出一致的變化趨勢；不同入侵物種的土壤硝酸還原酶活性低于本土物種，說明入侵植物對土壤氮素的同化能力較強。主成分分析表明，土壤硝態氮、銨態氮和pH值是入侵植物主要影響因子。綜合來看，外來入侵植被具有更高的氮素利用水平；受入侵的影響，土壤氮素的轉化過程加快，進而促進了土壤—植被體內的氮素循環；這也是外來植物能夠成功入侵的關鍵因素。