外来植物入侵对乡土植物土壤氮素及其代谢酶活性的影响

翟元杰, 梁佩芳

(1.河南开封科技传媒学院, 河南 开封 475001; 2.开封大学, 河南 开封 475001)

在入侵生态学的研究领域中，植物外来种的入侵机制一直是各界学者关注的焦点[1-3]。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，通过快速生长而取代本土植物，改变入侵地的植物群落结构，进而导致土壤生物多样性与生态系统发生变化[4-5]。入侵地土壤性质的变化很可能有利于外来植物在与本土植物的竞争中占据优势，从而促进外来种自身的入侵扩散[6]。另一方面，外来植物入侵改变了植物群落的物种组成和结构，进而改变了凋落物的量和成分，改变了土壤养分水平。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。有研究[7]表明，外来植物入侵能改变土壤有机质、氮等含量，土壤生物组成和土壤酶活性。氮代谢是植物的基本生理过程之一，也是参与地球化学循环的重要组成部分。植物氮素同化的主要途径是经过硝酸盐还原为氨后直接参与氨基酸的合成与转化[8-9]。土壤中的氮素绝大部分都是以有机形态存在的，有机态氮只有在微生物的作用下矿化后，才能被植物吸收利用。而土壤中的一切生化过程都是在酶的参与下进行的，土壤酶活性直接影响着土壤有效养分的释放[10]。因此，本文通过对外来入侵植物硝态氮、硝酸还原酶活性及根际土壤蛋白酶、脲酶活性、土壤总氮、NH4-N和NO3-N含量等指标的测定，探讨外来入侵植物的氮代谢和土壤氮特征，为科学地认识外来植物入侵机理以及更好地开展外来入侵植物的防治以及生态系统管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域位于河北省廊坊市植物研究基地，该基地属于农科院植物保护研究所，位于广阳区九州镇炊庄，所选择的研究对象包括独行菜(Lepidiumapetalum)、紫茎泽兰(Ageratinaadenophora)、小飞蓬(Conyzacanadensis)和黄顶菊(Flaveriabidentis)，以矮牵牛(Petuniahybrida)乡土植物作为对比；随机小区排列，小区长、宽均达到4 m，中间设置的隔离带宽1 m。并在其中进行入侵植物与乡土植物的混种小区。为了尽最大可能降低试验误差，各处理采取6次重复的方式，播种时间选在6月中旬，试验开始于2014年，通过连续5 a的观测研究来对入侵植被加以研究，其中各个小区间苗植株为59棵，为了避免发生种子扩散的情况，各区之间通过尼龙网隔离。

1.2 土壤和植被样品采集

在每个小区采集0—20 cm的根系土壤，每个采样点采用5点混合采样法，4分法采集大概500 g左右的土壤，同时将石块及根系等杂物去除，之后进行装袋编号，并对所取的鲜土进行分成2份：其中一份进行过2 mm筛处理，并在-20 ℃冰箱内存放，两周内开展土壤活性测定；另一份首先在室内风干，并过筛后分装，以备养分测定。另外，在每个小区采集3株植被的少许根茎叶，杀青后烘干(65 ℃)至恒重。

1.3 测定方法

土壤蛋白酶活性用福林—酚试剂法测定；土壤脲酶活性用二氯异氰尿酸钠显色法测定；硝酸盐在硝酸还原酶的催化作用下转化成氨，利用反应前后硝态氮的变化反应土壤硝酸还原酶的活性大小[12]。

土壤微生物量碳、氮和磷采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[13]。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 17进行数据统计和分析，所有数据均为5 a试验的平均值，单因素方差分析检验各处理之间的差异显著性，通过主成分分析法提取主要影响因子。

2 结果与分析

2.1 植物营养器官氮含量变化

不同植物入侵对植物营养器官氮含量的影响如图1所示。由图1可以看出，植物入侵降低了叶片氮含量，其大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>小飞蓬>黄顶菊，其中矮牵牛、紫茎泽兰、独行菜显著高于小飞蓬和黄顶菊(p<0.05)；植物入侵降低了茎氮含量，其大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>黄顶菊>小飞蓬，其中矮牵牛、紫茎泽兰、独行菜显著高于小飞蓬和黄顶菊(p<0.05)；植物入侵降低了根氮含量，其大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>黄顶菊>小飞蓬。

2.2 不同入侵植物对土壤氮素的影响

不同植物入侵对土壤氮素的影响如图2所示。由图2可知，植物入侵降低了土壤氮素含量(全氮、硝态氮、铵态氮)，其大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>黄顶菊>小飞蓬，其中矮牵牛、紫茎泽兰、独行菜显著高于小飞蓬和黄顶菊(p<0.05)；而土壤pH值呈相反的变化趋势，植物入侵增加了土壤pH值，其大小依次表现为矮牵牛<独行菜<紫茎泽兰<小飞蓬<黄顶菊，其中小飞蓬、黄顶菊和紫茎泽兰差异不显著(p>0.05)。

注：不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

图2 研究区不同入侵植物对土壤氮素和pH值的影响

2.3 土壤氮代谢酶活性变化

不同入侵植物土壤氮代谢关键酶如图3所示。结果表明，不同入侵植物土壤蛋白酶、脲酶和硝酸还原酶活性表现出一致的变化趋势，其中土壤蛋白酶大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>小飞蓬>黄顶菊，矮牵牛、紫茎泽兰、独行菜显著高于小飞蓬和黄顶菊(p<0.05)，小飞蓬和黄顶菊差异不显著(p>0.05)。土壤脲酶、硝酸还原酶活性大小均表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>小飞蓬>黄顶菊，不同植物差异均显著(p<0.05)。

图3 研究区不同入侵植物对土壤酶活性的影响

2.4 不同入侵植物对土壤微生物量的影响

不同入侵植物土壤微生物量的影响如图4所示。结果表明，不同入侵植物土壤微生物量碳和氮表现出一致的变化趋势，其中土壤微生物量碳和氮大小依次表现为：矮牵牛>紫茎泽兰>独行菜>小飞蓬>黄顶菊，矮牵牛、紫茎泽兰、独行菜显著高于小飞蓬和黄顶菊(p<0.05)，小飞蓬和黄顶菊差异不显著(p>0.05)。土壤微生物量磷大小依次表现为：矮牵牛>独行菜>紫茎泽兰>黄顶菊>小飞蓬，不同植物差异均不显著(p>0.05)。

2.5 主成分分析

通过对原始数据处理，形成了变量的方差及协方差矩阵，并对其特征值进行提取，之后对其开展相应的降维处理，找出作用较为显著的相关变量指标。从变量方差分析(表1)可以看出，第一及第二主成分的特征值已经达到90%以上，说明这两个成分起着主导作用，能够影响到大多数的指标，其中第一主成分特征值高达80%，前两个成分的贡献率高达92.98%，因此前两个因子能够成为主成分的分析指标。表2表示的是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1可知，硝态氮、铵态氮和pH值的荷载值分别达到了0.677，0.734，0.788。

表1 研究区主成分观测指标的方差分析

表2 研究区第一和第二主成分载荷因子矩阵

3 讨 论

氮素循环是生态系统物质循环的重要过程之一，而土壤中的氮素是植物生长必需的元素，因此，土壤氮素营养供应状况直接影响到植物的生产力水平[14-15]。本研究[16]表明，不同外来入侵植物均显著地提高了被入侵土壤中的氮素的可获得性，进而加速了入侵生态系统中的土壤氮循环，这一结果与前人的报道结果相一致。外来植物入侵对土壤酸碱度的影响并不一致性，一些研究表明外来植物入侵显著地提高了土壤pH值，另一些研究表明外来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，这可能与特定植物根际分泌物或凋落物分解程度有关。

蛋白酶和脲酶是土壤氮素循环中的关键性酶，其活性的高低在一定程度上反映了土壤氮水平状况和植物对有效氮源的利用[17-18]。通过长期的观测试验可知，植物入侵显著影响了土壤酶活性(p<0.05)，从土壤蛋白酶活性来看，酶活性最高的是矮牵牛，其次是紫茎泽兰、独行菜，黄顶菊最低，而小飞蓬和黄顶菊土壤蛋白酶活性差异并不显著(p>0.05)。这主要是由于不同植物入侵过程中根系分泌物不同所导致的，酶活性的大小取决于入侵过程中是否对土壤养分和微生物等形成资源竞争等。通过进一步的分析得知，在外来植被入侵的作用下，土壤的氮素代谢进程明显加快，对于土壤有机氮的利用水平进一步提升，由此说明植被入侵对氮素吸收能力的增强，尽管我们没有测定土壤有效养分含量，由此可以推测植物入侵也增加了土壤有效养分含量，进而对土壤微生物以及养分的有效性形成了进一步的资源竞争。

土壤硝酸还原酶活性对氮素的代谢起着重要的调控作用[18-19]，土壤硝酸盐被植物根系吸收以后合成大量的氨基酸，被称为土壤的调节酶、限速酶[20]。本研究中不同入侵植物土壤中硝酸还原酶活性低于本土植物，说明入侵植物对土壤氮素的同化能力强，因此生长迅速，能够快速的大量繁殖，这也是植物入侵以后能够快速生长的主要原因。

4 结 论

本研究中，物种入侵降低了植物叶片、茎和根的氮含量，以及土壤氮素含量(包括全氮、硝态氮、铵态氮)；不同入侵植物土壤蛋白酶、脲酶、硝酸还原酶活性表现出一致的变化趋势；不同入侵物种的土壤硝酸还原酶活性低于本土物种，说明入侵植物对土壤氮素的同化能力较强。主成分分析表明，土壤硝态氮、铵态氮和pH值是入侵植物主要影响因子。综合来看，外来入侵植被具有更高的氮素利用水平；受入侵的影响，土壤氮素的转化过程加快，进而促进了土壤—植被体内的氮素循环；这也是外来植物能够成功入侵的关键因素。