入侵植物对洪泽湖湿地杨树林土壤微生物特性和酶活性的影响

赵婧，曹磊

1. 南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210015；2. 南京林业大学艺术设计学院，江苏 南京 210037

在入侵生物学研究领域中，外来种的入侵机制一直是入侵生态学者的关注焦点（褚延梅等，2014；闫小玲等，2014；邰凤姣等，2016；许玥等，2016；严靖等，2017；皇甫超河等，2017）。外来入侵物种给当地带来巨大的环境和经济损失。外来植物入侵改变了群落的物种组成和结构，从而改变凋落物的量和成分，导致土壤肥力水平发生变化（严靖等，2017；邰凤姣等，2016；胡亮等，2016）。外来植物也能通过释放化感物质影响土壤微生物群落，进而影响土壤酶活性和养分循环（孙备等，2016；蒋智林等，2017）。对于外来种而言，当其扩散到新的栖息地后，能够在适宜的环境条件下大量繁殖蔓延，通过生长竞争取代土著植物，改变入侵地的植物群落结构，导致土壤生物多样性与生态系统发生变化（马丁等，2015；罗文启等，2017；李立青等，2016）。入侵地土壤性质的变化可能有利于外来植物在与土著植物的竞争中占据优势，从而促进外来种自身的入侵扩散。如千屈菜（Lythrum salicaria）入侵湿地宽叶香蒲（Typha latifolia）群落后，显著提高了土壤的有机质含量和氮矿化速率，氮素的供应更加充足（马丁等，2015；罗文启等，2017）。外来植物葱芥（Alliaria petiolata）能够提高入侵地土壤的pH和氮、磷、钙等养分的有效性，加快养分循环过程，以创造更好的土壤环境条件，促进入侵（严靖等，2017；邰凤姣等，2016）。但外来植物的入侵暴发亦可能造成土壤养分的迅速下降，如入侵北美大草原的外来种冰草（Agropyron cristatum）显著降低了土壤总碳、全氮和速效氮含量（冯玉龙等，2009；类延宝等，2010）。贾月月等（2015）比较研究发现薇甘菊（Mikania micrantha）、紫茎泽兰（Ageratina adenophora）、飞机草（Chromolaena odorata）、黄顶菊（Flaveria bidentis）4种主要菊科入侵植物对入侵地土壤理化性质有不同程度的影响。张海霞（2014）发现紫茎泽兰、飞机草、一年蓬（Erigeron annuus）、加拿大蓬（Conyza canadensis）入侵提高了土壤酶活性，改变了土壤养分，入侵植物根系分泌物（无机离子、有机物、活性物质等）可能通过改变根际周围土壤微生物种群结构，影响土壤氮、磷、钾等养分的转化与供应，进而影响植物生长。

洪泽湖湿地是唯一分布于北亚热带与暖温带气候过渡带上的大型浅水淡水湖泊湿地，孕育着十分独特的内陆淡水湿地生态系统（王治良等，2007；翟水晶等，2005）。杨树（Populus）是目前洪泽湖湿地最主要的树种，其生长快，适应性强，木材产量高，在湿地的分布面积最大，对湿地生态系统平衡具有重要影响。近年来，该生态系统出现大量的植物入侵（南楠等，2011；李波等，2002），如飞机草、狗尾草（Setaria viridis）、黄顶菊和鬼针草（Bidens pilosa），其生态适应性强、竞争能力大、传播途径广、繁殖系数大、防除困难，随着入侵程度的加深，一些本土植物如杨树林的数量减少，这对生物多样性、生态系统安全等均造成不同程度的危害，同时，入侵植物可能通过影响微生境小气候而改变地表土壤动物群落结构，并引起地表土壤动物多样性的升高。本研究以洪泽湖湿地杨树林入侵植物飞机草、狗尾草、黄顶菊和鬼针草为研究对象，对其土壤酶活性和土壤养分进行比较研究，旨在探寻洪泽湖湿地杨树林入侵植物扩散规律性，为进一步了解入侵机理和科学管理生态环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于洪泽湖西南部淮河入湖口形成的河湖交汇区。该地区以老子山镇为中心，由水面及滩涂湿地组成，面积约 1.47×104hm2（33.166°～33.188°N，118.454°～118.692°E），受洪泽湖水体调节，该地区四季分明，年平均气温为 14.8 ℃，无霜期为240 d，年平均风速为3.7 m·s-1，有明显的湖陆风，多为偏东风，多年年平均降水量为925.5 mm，雨季多集中在6—9月，降水量占全年65.5%，年蒸发量为1592.2 mm，土壤类型为黏壤土。试验杨树林位于六道沟地区，为4年生南林95杨无性系，造林密度为3 m×4 m，平均树高为8.7 m，平均胸径为7.2 cm。

1.2 土壤样品采集

2017年8月上旬选择杨树林里的入侵植物飞机草、狗尾草、黄顶菊和鬼针草群落，每个群落设置5个重复样地（50 m×50 m），每个样地沿对角线随机采取5点，清除枯枝落叶及表层土壤，用土钻（直径3 cm）采集距地表0～20 cm处的根际土，然后将同一小区的相同土层土壤进行混合。在对照区沿对角线随机选取5个点采集土壤样品，混种区采集对角线上2种植物的中心部位土壤进行混合。取样时避光，去除石块、植物根系和土壤动物等，将采集的土样放入自封袋后进行编号，将取回的鲜土分成2份，1份立即过2 mm筛后储存在-20 ℃冰箱内，于2周内完成土壤酶活性的测定；1份于室内自然风干、过筛，分装用于养分测定。

1.3 测定方法

土壤酶活性的测定：使用分光光度计进行比色测定，测定酶活种类为纤维素酶（1 g土样30 min内分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量）、转化酶（1 g土样24 h内分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量）、硝酸还原酶（1 g土样1 min内分解产生1 μg NO2-所需的酶量）、脲酶（1 g土样24 h内分解产生1 mg氨基氮所需的酶量）和酸性磷酸酶（1 g土样24 h内分解产生1 mg P2O5所需的酶量）（孙瑞莲等，2003；刘建新，2004）。

土壤微生物的数量测定：采用平板梯度稀释法，其中细菌培养基为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌培养基为马丁氏培养基，放线菌培养基为高氏一号琼脂培养基（鲍士旦，2000）。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定，其中氯仿熏蒸杀死的微生物体中的碳、氮被浸提出来的比例分别为 0.38、0.45（鲍士旦，2000）。

1.4 数据处理

运用Excel 2003和SPSS 17.0对数据进行统计分析，采用单因素方差分析结合LSD法对数据进行差异显著性检验，采用主成分分析法提取主要环境因子，并对各环境因子进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同入侵植物对土壤理化性质的影响

由图1可知，4种入侵植物土壤含水量、电导率和总孔隙度基本呈一致的变化规律，均表现为飞机草＞鬼针草＞狗尾草＞黄顶菊，其中飞机草和鬼针草差异不显著（P＞0.05），狗尾草和黄顶菊差异不显著（P＞0.05），飞机草和鬼针草显著高于狗尾草和黄顶菊（P＜0.05）；与此同时，4种入侵植物土壤容重、pH值和全盐含量基本呈一致的变化规律，均表现为飞机草和鬼针草低于狗尾草和黄顶菊，其中飞机草和鬼针草差异不显著（P＞0.05），狗尾草和黄顶菊草差异不显著（P＞0.05）。

图1 不同入侵植物对土壤理化性质的影响Fig. 1 Effects of different invasive plants on soil physical and chemical propertiesn=25；不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。下同n=25; Different lowercase letters mean significant differences at P＜0.05. The same belowA：飞机草 Chromolaena odorata；B：狗尾草 Setaria viridis；C：黄顶菊 Flaveria bidentis；D：鬼针草 Bidens pilosa

2.2 不同入侵植物对土壤微生物数量的影响

图2 不同入侵植物对土壤微生物数量的影响Fig. 2 Effects of different invasive plants on soil microbial quantity

不同入侵植物对土壤微生物数量的影响如图 2所示，结果表明，不同入侵植物土壤微生物数量以细菌最多，其次是放线菌，真菌最少；土壤细菌和放线菌数量表现出一致的变化趋势，即飞机草和鬼针草差异不显著（P＞0.05），狗尾草和黄顶菊差异不显著（P＞0.05），飞机草和鬼针草显著高于狗尾草和黄顶菊（P＜0.05）。真菌数量与细菌表现出相反的变化趋势，其中狗尾草和黄顶菊差异不显著（P＞0.05），二者显著高于飞机草和鬼针草（P＜0.05）。对于微生物总数，飞机草显著高于狗尾草、黄顶菊和鬼针草（P＜0.05），而狗尾草、黄顶菊和鬼针草差异不显著（P＞0.05）。

2.3 不同入侵植物对土壤酶活的影响

不同入侵植物土壤酶活性如图3所示，结果表明，不同入侵植物土壤纤维素酶、硝酸还原酶、转化酶和蔗糖酶活性表现出一致的变化趋势，均表现为飞机草和鬼针草显著高于狗尾草和黄顶菊（P＜0.05），飞机草和鬼针草土壤纤维素酶、硝酸还原酶、转化酶和蔗糖酶活性差异不显著（P＞0.05）；飞机草和鬼针草脲酶和酸性磷酸酶差异不显著（P＞0.05），二者显著高于狗尾草和黄顶菊（P＜0.05），而狗尾草和黄顶菊脲酶活性差异不显著（P＞0.05）。

2.4 不同入侵植物对土壤微生物量的影响

不同植物入侵对土壤微生物量的影响如图4所示，表现为：飞机草＞鬼针草＞黄顶菊＞狗尾草，其中飞机草和鬼针草差异不显著（P＞0.05），二者显著高于黄顶菊和狗尾草（P＜0.05）；不同入侵植物土壤微生物量氮含量表现为：飞机草＞鬼针草＞狗尾草＞黄顶菊，其中飞机草和鬼针草差异不显著（P＞0.05），二者显著高于黄顶菊和狗尾草（P＜0.05）；土壤微生物量磷含量表现为：飞机草＞鬼针草＞黄顶菊＞狗尾草，其中鬼针草、黄顶菊和狗尾草差异不显著（P＞0.05）；土壤微生物量碳氮比表现为：飞机草＞鬼针草＞狗尾草＞黄顶菊，飞机草显著高于其他3种植物（P＜0.05）；不同入侵植物土壤微生物量碳磷比差异不显著（P＞0.05）；飞机草、鬼针草、狗尾草土壤微生物量碳磷比差异不显著（P＞0.05），三者显著高于黄顶菊（P＜0.05）。

2.5 土壤酶活性、微生物数量与土壤理化性质的相关性

不同入侵植物土壤酶活性、微生物数量与土壤理化性质之间的Pearson相关分析显示（表1），4种入侵植物土壤电导率、总孔隙度与土壤酶活性、微生物数量之间基本无显著相关性，说明4种入侵植物土壤电导率及总孔隙度对土壤酶活性、微生物数量基本没有影响；土壤含水量与纤维素酶、硝酸还原酶、脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和真菌数量呈显著正相关（P＜0.05），与放线菌数量呈极显著正相关（P＜0.01），由此说明土壤水分含量的增加可显著提高土壤酶活性以及微生物数量；土壤pH与土壤酶活性和微生物数量均呈极显著负相关，说明土壤 pH适度降低有利于土壤酶活性的增强和微生物的繁殖。土壤微生物量碳与纤维素酶、脲酶、蔗糖酶、细菌和放线菌数量呈极显著正相关（P＜0.01），与硝酸还原酶和酸性磷酸酶呈显著正相关（P＜0.05）；微生物量氮与硝酸还原酶、细菌和放线菌数量呈极显著正相关（P＜0.01），与脲酶和酸性磷酸酶呈显著正相关（P＜0.05），表明土壤微生物量是维持土壤酶活性、细菌和放线菌数量的关键因子。

图3 不同入侵植物对土壤酶活性的影响Fig. 3 Effects of different invasive plants on soil enzyme activity

图4 不同入侵植物对土壤微生物量的影响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、微生物数量与土壤理化性质的相关性Table 1 Correlation between soil enzyme activity, soil microbial quantity and soil physical and chemical properties

2.6 土壤酶活性、微生物数量与土壤理化性质的主成分分析

本研究选取的原变量有以下3个：土壤酶活性、微生物数量、土壤理化性质；通过数据处理形成变量的方差及协方差矩阵，并对其特征值进行提取，再对变量开展相应的降维处理，从而找出作用较为显著的相关变量指标。由表2可知，第一及第二主成分的特征值已达到91.4%，其中第一主成分特征值高达80%，说明这两个成分起着主导作用，能够成为主成分的分析指标。表3所示为原变量对主成分的荷载值，代表的是主成分与变量之间存在的某种相关性，荷载越大说明相关性越强。由表3可知，含水量、微生物量碳、氮的荷载值分别为 0.623、0.758、0.677，是植物入侵过程中土壤微生物和酶活性变化的主要影响因子。

表2 观测指标总方差分解表Table 2 Total variance decomposition of the observation indicators

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Principal component load matrix

3 讨论

由图 1可知，不同入侵植物提高了本土植物土壤含水量、电导率，降低了土壤容重和pH，由于入侵植物根系的大量扩散和繁殖造成了土壤总孔隙度和容重较小，含水量的增加，可溶性离子数目较多，导致土壤电导率较高；pH值是土壤的重要指标之一，适宜的pH值有利于土壤微生物活动和植物生长，pH的降低致使土壤酸化，从而增加土壤养分，提高酶活性，促进微生物的繁殖（邓丹丹等，2015）。本研究表明，4种入侵植物土壤容重和pH较低，主要是由于根系对土壤的穿插和扩展，改善了土壤结构，同时，入侵植物提高了土壤养分，阴阳离子溶解度增加，导致电导率和全盐含量增加。

大量研究表明，植物入侵后生长迅速，积累大量养分，通过消耗大量土壤养分而阻碍本土植物的生长，从而形成生物入侵（马丁等，2015；罗文启等，2017；李立青等，2016）。土壤微生物是土壤生态系统物质循环和能量流动的主要驱动力，对土壤有机质的分解、腐殖质的形成、养分的转化及循环等过程具有重要作用（邰凤姣等，2016；闫静等，2016；谢翠容等，2016）。土壤酶活性、微生物量和微生物数量在植物入侵过程中起着重要作用，入侵植物破坏了本土植物与土壤之间的平衡共生关系，影响种群的生长和更新，并且在繁殖过程中提高了土壤肥力，而土壤肥力的改变会对植物的入侵作出进一步的反馈调节（周方等，2017；梁雷等，2016；袁伟影等，2017；刘金娥等，2017）。本研究中，入侵植物对土壤微生物量产生了一定的影响，且飞机草和鬼针草对土壤微生物量的影响高于狗尾草和黄顶菊。土壤中微生物量既与植物的利用情况有关，也与土壤酶活性有关。脲酶是一种专性酶，它能分解有机物，其分解作用是土壤氮素的主要来源（Valliere et al.，2016；Yang et al.，2017；Stokdyk et al.，2016），脲酶活性升高或者无变化，而氮素含量降低，说明4种入侵植物对氮的吸收利用能力较强。同时，土壤酶活性能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度，具有同化和代谢外界进入土壤的物质的能力，这种代谢与同化功能反过来会影响土壤的理化性质，而土壤的理化性质决定了土壤的质地及肥力状况（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细菌最多，占微生物总数的90%以上，其次是放线菌和真菌，表明了入侵植物对于不同微生物菌落起着不同的效果。总体而言，4种入侵植物显著提高了微生物总数。相关分析表明，土壤理化性质与土壤酶活性和微生物数量有着密切关系，土壤理化性质在很大程度上制约着土壤微生物数量，但其作用机理并不一致，同时土壤酶活性和微生物数量又反过来影响土壤微生物量及理化性质，它们之间相互协调和转化（Rasool et al.，2016；Li et al.，2017；Perkins et al.，2016）。综合分析表明，除土壤容重、电导率和总孔隙度外，其他土壤理化性质均与土壤酶活性及微生物数量之间具有较强的相关性，说明土壤系统内部因子处于动态变化和平衡中，植物入侵也改变了土壤养分利用策略，它们作为相互影响的整体表现出统一性和同步性。主成分分析表明：土壤含水量和微生物量碳、氮是植物入侵过程中土壤微生物和酶活性变化的主要影响因子。

不同植物入侵导致土壤酶活性及微生物数量的转化和循环具有复杂性，其入侵机制和强度也难以定量和划分，仅从土壤因素研究植物入侵机制是不完整的。此外，化感作用、扩散能力及大量的种子都是植物有效的入侵手段，植物入侵与其入侵机制和生物学特性联系紧密，们应从系统概念出发，研究生物入侵机制及其生态过程，并从多种角度分析入侵植物对土壤微生物造成的影响，进而更好地探析入侵植物对土壤微生物造成的影响及其适应策略和响应机制，从而揭示其入侵机制及过程。

4 结论

（1）不同入侵植物对洪泽湖湿地杨树林土壤含水量、电导率和总孔隙度的影响基本呈一致的变化规律，均表现为飞机草＞鬼针草＞狗尾草＞黄顶菊；入侵植物改变了洪泽湖湿地杨树林土壤微生物结构，不同入侵植物土壤微生物数量以细菌最多，其次是放线菌，真菌最少；不同入侵植物土壤纤维素酶、硝酸还原酶、转化酶和蔗糖酶活性表现出一致的变化趋势。

（2）相关性分析表明，除土壤容重、电导率和总孔隙度，其他土壤理化性质均与土壤酶活性及微生物数量之间具有较强的相关性，表明不同入侵植物土壤系统内部因子处于动态平衡，植物入侵也改变了土壤养分利用策略，它们作为相互影响的整体表现出统一性和同步性。

（3）主成分分析表明，土壤含水量和微生物量碳、氮是植物入侵过程中土壤微生物和酶活性变化的主要影响因子。综合分析表明：不同入侵植物可以改变土壤微生物特性和酶活性，创造对自身生长有利的土壤环境，并借此增强其竞争能力。