外來植物入侵對(duì)鄉(xiāng)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(xué)院, 河南 開封 475001; 2.開封大學(xué), 河南 開封 475001)

在入侵生態(tài)學(xué)的研究領(lǐng)域中，植物外來種的入侵機(jī)制一直是各界學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。對(duì)于外來種而言，當(dāng)其擴(kuò)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，通過快速生長(zhǎng)而取代本土植物，改變?nèi)肭值氐闹参锶郝浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化[4-5]。入侵地土壤性質(zhì)的變化很可能有利于外來植物在與本土植物的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)外來種自身的入侵?jǐn)U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(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了凋落物的量和成分，改變了土壤養(yǎng)分水平。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(jìn)而影響土壤酶活性和養(yǎng)分循環(huán)。有研究[7]表明，外來植物入侵能改變土壤有機(jī)質(zhì)、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(xué)循環(huán)的重要組成部分。植物氮素同化的主要途徑是經(jīng)過硝酸鹽還原為氨后直接參與氨基酸的合成與轉(zhuǎn)化[8-9]。土壤中的氮素絕大部分都是以有機(jī)形態(tài)存在的，有機(jī)態(tài)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(jìn)行的，土壤酶活性直接影響著土壤有效養(yǎng)分的釋放[10]。因此，本文通過對(duì)外來入侵植物硝態(tài)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(biāo)的測(cè)定，探討外來入侵植物的氮代謝和土壤氮特征，為科學(xué)地認(rèn)識(shí)外來植物入侵機(jī)理以及更好地開展外來入侵植物的防治以及生態(tài)系統(tǒng)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于河北省廊坊市植物研究基地，該基地屬于農(nóng)科院植物保護(hù)研究所，位于廣陽區(qū)九州鎮(zhèn)炊莊，所選擇的研究對(duì)象包括獨(dú)行菜(Lepidiumapetalum)、紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)、小飛蓬(Conyzacanadensis)和黃頂菊(Flaveriabidentis)，以矮牽牛(Petuniahybrida)鄉(xiāng)土植物作為對(duì)比；隨機(jī)小區(qū)排列，小區(qū)長(zhǎng)、寬均達(dá)到4 m，中間設(shè)置的隔離帶寬1 m。并在其中進(jìn)行入侵植物與鄉(xiāng)土植物的混種小區(qū)。為了盡最大可能降低試驗(yàn)誤差，各處理采取6次重復(fù)的方式，播種時(shí)間選在6月中旬，試驗(yàn)開始于2014年，通過連續(xù)5 a的觀測(cè)研究來對(duì)入侵植被加以研究，其中各個(gè)小區(qū)間苗植株為59棵，為了避免發(fā)生種子擴(kuò)散的情況，各區(qū)之間通過尼龍網(wǎng)隔離。

1.2 土壤和植被樣品采集

在每個(gè)小區(qū)采集0—20 cm的根系土壤，每個(gè)采樣點(diǎn)采用5點(diǎn)混合采樣法，4分法采集大概500 g左右的土壤，同時(shí)將石塊及根系等雜物去除，之后進(jìn)行裝袋編號(hào)，并對(duì)所取的鮮土進(jìn)行分成2份：其中一份進(jìn)行過2 mm篩處理，并在-20 ℃冰箱內(nèi)存放，兩周內(nèi)開展土壤活性測(cè)定；另一份首先在室內(nèi)風(fēng)干，并過篩后分裝，以備養(yǎng)分測(cè)定。另外，在每個(gè)小區(qū)采集3株植被的少許根莖葉，殺青后烘干(65 ℃)至恒重。

1.3 測(cè)定方法

土壤蛋白酶活性用福林—酚試劑法測(cè)定；土壤脲酶活性用二氯異氰尿酸鈉顯色法測(cè)定；硝酸鹽在硝酸還原酶的催化作用下轉(zhuǎn)化成氨，利用反應(yīng)前后硝態(tài)氮的變化反應(yīng)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(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS 17進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，所有數(shù)據(jù)均為5 a試驗(yàn)的平均值，單因素方差分析檢驗(yàn)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(jié)果與分析

2.1 植物營(yíng)養(yǎng)器官氮含量變化

不同植物入侵對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)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(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>小飛蓬>黃頂菊，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨(dú)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(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>黃頂菊>小飛蓬，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨(dú)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(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>黃頂菊>小飛蓬。

2.2 不同入侵植物對(duì)土壤氮素的影響

不同植物入侵對(duì)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(tài)氮、銨態(tài)氮)，其大小依次表現(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>黃頂菊>小飛蓬，其中矮牽牛、紫莖澤蘭、獨(dú)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(shì)，植物入侵增加了土壤pH值，其大小依次表現(xiàn)為矮牽牛<獨(dú)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(qū)不同入侵植物對(duì)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(guān)鍵酶如圖3所示。結(jié)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(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，其中土壤蛋白酶大小依次表現(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>小飛蓬>黃頂菊，矮牽牛、紫莖澤蘭、獨(dú)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(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)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(qū)不同入侵植物對(duì)土壤酶活性的影響

2.4 不同入侵植物對(duì)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(jié)果表明，不同入侵植物土壤微生物量碳和氮表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)，其中土壤微生物量碳和氮大小依次表現(xiàn)為：矮牽牛>紫莖澤蘭>獨(dú)行菜>小飛蓬>黃頂菊，矮牽牛、紫莖澤蘭、獨(dú)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(xiàn)為：矮牽牛>獨(dú)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(duì)原始數(shù)據(jù)處理，形成了變量的方差及協(xié)方差矩陣，并對(duì)其特征值進(jìn)行提取，之后對(duì)其開展相應(yīng)的降維處理，找出作用較為顯著的相關(guān)變量指標(biāo)。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(jīng)達(dá)到90%以上，說明這兩個(gè)成分起著主導(dǎo)作用，能夠影響到大多數(shù)的指標(biāo)，其中第一主成分特征值高達(dá)80%，前兩個(gè)成分的貢獻(xiàn)率高達(dá)92.98%，因此前兩個(gè)因子能夠成為主成分的分析指標(biāo)。表2表示的是原變量對(duì)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(qiáng)。由表1可知，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和pH值的荷載值分別達(dá)到了0.677，0.734，0.788。

表1 研究區(qū)主成分觀測(cè)指標(biāo)的方差分析

表2 研究區(qū)第一和第二主成分載荷因子矩陣

3 討 論

氮素循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要過程之一，而土壤中的氮素是植物生長(zhǎng)必需的元素，因此，土壤氮素營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)狀況直接影響到植物的生產(chǎn)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(jìn)而加速了入侵生態(tài)系統(tǒng)中的土壤氮循環(huán)，這一結(jié)果與前人的報(bào)道結(jié)果相一致。外來植物入侵對(duì)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(guān)。

蛋白酶和脲酶是土壤氮素循環(huán)中的關(guān)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(duì)有效氮源的利用[17-18]。通過長(zhǎng)期的觀測(cè)試驗(yàn)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(dú)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(dǎo)致的，酶活性的大小取決于入侵過程中是否對(duì)土壤養(yǎng)分和微生物等形成資源競(jìng)爭(zhēng)等。通過進(jìn)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(jìn)程明顯加快，對(duì)于土壤有機(jī)氮的利用水平進(jìn)一步提升，由此說明植被入侵對(duì)氮素吸收能力的增強(qiáng)，盡管我們沒有測(cè)定土壤有效養(yǎng)分含量，由此可以推測(cè)植物入侵也增加了土壤有效養(yǎng)分含量，進(jìn)而對(duì)土壤微生物以及養(yǎng)分的有效性形成了進(jìn)一步的資源競(jìng)爭(zhēng)。

土壤硝酸還原酶活性對(duì)氮素的代謝起著重要的調(diào)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(diào)節(jié)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(duì)土壤氮素的同化能力強(qiáng)，因此生長(zhǎng)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(zhǎng)的主要原因。

4 結(jié) 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(tài)氮、銨態(tài)氮)；不同入侵植物土壤蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶活性表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)；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(duì)土壤氮素的同化能力較強(qiáng)。主成分分析表明，土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)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(zhuǎn)化過程加快，進(jìn)而促進(jìn)了土壤—植被體內(nèi)的氮素循環(huán)；這也是外來植物能夠成功入侵的關(guān)鍵因素。