南美蟛蜞菊、蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊土壤磷組分特征及其影響因素*

孫 鋒，曾令達，彭長連，趙夢欣

（1. 植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100000；2. 華南師范大學生命科學學院，廣州 510631；3. 惠州學院生命科學學院，廣東惠州 516001）

生物入侵是一個影響深遠的全球性生態(tài)安全問題，嚴重威脅生物多樣性[1]。我國是遭受生物入侵威脅最為嚴重的國家之一，闡明外來植物入侵機制是控制其擴張的重要前提。

入侵植物具有耐貧瘠和養(yǎng)分利用效率高等特點[2-3]，這使外來植物相對于本地植物在一定的環(huán)境中獲得相對的競爭優(yōu)勢[4]。近年來，大量的研究工作致力于揭示入侵植物耐土壤貧瘠的機理。例如入侵植物增加土壤氨氧化古菌生物量，加快土壤硝化速率[5]；榕果舌（Carpobrotus edulis）通過根系分泌物抑制硝化細菌活性，降低土壤硝化速率，抑制本地植物氮吸收，而自身則可以在低氮水平下正常生長[6]，因此，前人大部分研究主要關注入侵植物對氮素的利用機制，很少開展磷的研究[7]。

一項Meta分析發(fā)現(xiàn)，入侵植物葉片磷含量顯著高于土著植物[8]。因此，磷利用是影響入侵植物快速擴張的重要因素之一。我國華南地區(qū)土壤有效磷含量極低，是初級生產(chǎn)力的主要限制因子[9]。但是，華南地區(qū)卻是外來植物入侵危害最嚴重的地區(qū)之一，以南美蟛蜞菊為代表的入侵植物快速擴張。外來植物為何能成功入侵土壤缺磷的華南地區(qū)，土壤磷組分轉(zhuǎn)化過程與驅(qū)動機制是什么？

在濕熱氣候區(qū)，土壤微生物增加有機磷分子的吸收，并在細胞中水解，顯著影響土壤磷循環(huán)[10]。而且，土壤微生物生物量磷通過礦化作用也能轉(zhuǎn)變成速效磷被植物吸收利用，是土壤有效磷的重要部分[11]。最近研究表明，我國亞熱帶植物通過分解土壤有機磷顯著提高土壤有效磷含量[12]。土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶能水解大量磷酸酯，而且堿性磷酸酶能水解90%以上的有機磷[13]。因此，土壤有機磷分解可能是我國亞熱帶地區(qū)土壤有效磷的重要來源之一。

入侵植物通過改變土壤微生物活性、群落結(jié)構(gòu)和酶活性顯著影響土壤物理和化學性質(zhì)[1]。例如，植物入侵顯著增加了土壤固氮菌，進而增加了土壤硝態(tài)氮含量[14]；入侵植物改變了土壤細菌群落，進而增加了蛋白酶活性和土壤銨態(tài)氮含量[15]；Han等[16]從入侵植物薇甘菊根際土壤分離的放線菌（Streptomyces rochei）能分泌次生代謝物質(zhì)溶解鉀礦物質(zhì)，為薇甘菊提供鉀養(yǎng)分；最近研究[17]表明入侵植物顯著降低了土壤總磷含量，然而，參與磷分解的酶活性并不清楚。

南美蟛蜞菊（Wedelia trilobata（L.）Hitchc.）為菊科蟛蜞菊屬多年生草本植物，起源于中南美洲，20世紀70年代作為地被植物引入中國。南美蟛蜞菊生長迅速，已被列為“世界最有害的100種外來入侵種”之一[18]。其同屬植物蟛蜞菊（Wedelia chinensis（Osbeck）Merr.）亦為多年生草本植物，匍匐狀，自然分布于我國東南部，與南美蟛蜞菊有相同的生活史特征，但生長緩慢[19]。同時，南美蟛蜞菊和蟛蜞菊的自然雜交種也被證實[20]。國內(nèi)外學者對南美蟛蜞菊入侵機理的研究主要集中在生理生態(tài)方面[19-20]，但對南美蟛蜞菊能快速活化貧瘠土壤養(yǎng)分的過程與驅(qū)動機制未知，這在很大程度上制約了對外來植物入侵機制的深刻理解。

基于此，本研究擬結(jié)合土壤酶學和化學計量學，深入解析南美蟛蜞菊土壤磷組分活化過程和驅(qū)動機制，為揭示南美蟛蜞菊在土壤缺磷的華南地區(qū)成功入侵提供新見解，為控制南美蟛蜞菊擴張?zhí)峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點位于廣東省惠州野外控制試驗地，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫22℃，年降水量2 000 mm，土壤類型為老成土[21]。

1.2 試驗設計與取樣

試驗開始于2016年7月，在棄荒地中設置樣方（22°52′N，114°22′E），去除地表植物后，采用完全隨機試驗設計，包括南美蟛蜞菊、蟛蜞菊、雜交蟛蜞菊三個處理，每個處理5個重復，每個樣方大小為2.6 m×2.6 m，樣方之間間隔1 m，樣方邊緣插入15 cm深的聚氯乙烯塑料板，防止三種植物根蔓延生長至另一樣方，三種植物以相同密度（25 m-2）種植于樣地中，每個處理最初的土壤全磷含量分別為0.55 mg·kg-1、0.53 mg·kg-1、0.56 mg·kg-1，土壤pH為4.21±0.14、4.32±0.21和4.16±0.17。2019年1月（914 d后）采用五點法采取0～10 cm土壤樣品混合為1個土壤樣品，土鉆直徑為3 cm。

1.3 土壤樣品測定方法

土壤全碳和全氮用元素分析儀（Elementar Vario ELIII，德國）測定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用連續(xù)流動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，德國）測定；可溶性有機碳和有機氮采用TOC/TN分析儀（Multi N/C? 2100（S），Analytik Jena AG，德國）測定；稱取10 g風干土壤置于50 mL離心管中，加入25 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液，搖勻并靜止30 min后測定土壤pH。采用Hedley等[22]連續(xù)浸提法測定土壤中不同形態(tài)的磷組分，稱取0.5 g過100目篩土壤，依次加入陰離子樹脂膜、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1HCl，提取出土壤中穩(wěn)定性由弱到強的各級土壤磷素組分，最后用濃硫酸和高氯酸高溫消煮測定土壤中的殘余磷[22]。主要分為以下磷組分：1）速效磷（resin-Pi、NaHCO3-Pi），即生物最容易吸收利用的無機磷組分；2）鐵/鋁磷（NaOH-Pi），是與長期磷轉(zhuǎn)化有關的強烈吸附在鋁鐵化合物上的無機磷磷酸鹽；3）鈣磷（HCl-Pi），比較難溶性的無機磷組分；4）有機磷（NaHCO3-Po、NaOH-Po），易礦化且對植物有效的有機磷組分；5）殘余態(tài)磷（residual-P），閉蓄態(tài)無機磷，植物難以利用。

采用氯仿熏蒸法測定土壤微生物生物量磷[23]。土壤磷酸酶活性測定的原理是磷酸酶水解對-硝基酚磷酸鈉產(chǎn)生對-硝基酚，其生成量與磷酸酶活性在一定范圍內(nèi)呈線性關系；具體為稱取1.00 g 新鮮土壤（＜ 2 mm）于50 mL 離心管中，加0.25 mL甲苯、4.00 mL 通用緩沖劑儲備液（酸性磷酸酶用pH 6.5，堿性磷酸酶用pH 11.0）和1.00 mL 用相同緩沖液配制的對-硝基酚磷酸鈉溶液，37℃下培養(yǎng)1 h后，加入1.00 mL 氯化鈣溶液和1.00 mL 氫氧化鈉溶液終止反應，充分混勻后過濾，用紫外分光光度計（UV-2450，日本島津）在400 nm 處比色[24]，結(jié)果表示為μg·g-1·h-1（以p-nitrophenol計）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19單因素方差分析不同植物處理對土壤理化性質(zhì)、磷酸酶活性、微生物生物量磷和磷組分含量的影響；采用Origin 8.5軟件制圖，圖和表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結(jié) 果

2.1 不同植物土壤化學性質(zhì)差異

不同植物處理間土壤化學性質(zhì)存在顯著差異（表1），其中，南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊土壤全氮含量顯著低于蟛蜞菊，南美蟛蜞菊土壤可溶性有機碳含量顯著高于蟛蜞菊，全碳、銨態(tài)氮、可溶性有機氮和pH在三個植物處理間無顯著差異。

表1 不同植物處理土壤化學性質(zhì)Table 1 Chemical properties of the soil relative to treatment

2.2 不同植物土壤磷組分差異

南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊土壤易分解磷和鐵/鋁磷含量顯著高于蟛蜞菊（表2），而有機磷、殘余態(tài)磷和全磷含量顯著低于蟛蜞菊。此外，全碳︰有機磷（C︰OP）在三種植物處理中的范圍為271～660，且由高到低依次為南美蟛蜞菊、雜交蟛蜞菊和蟛蜞菊。

表2 不同植物處理下土壤磷組分Table 2 Phosphorus fractions in the soil relative to treatment

2.3 不同植物土壤微生物生物量磷和磷酸酶活性差異

南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊處理中土壤微生物生物量磷顯著低于蟛蜞菊處理（圖1a），蟛蜞菊、南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊三個處理中微生物生物量磷占全磷的41.2%、14.3%和25.7%。蟛蜞菊、南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊三個處理中酸性磷酸酶活性無顯著差異（圖1b），而堿性磷酸酶活性在蟛蜞菊土壤中顯著低于南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊（圖1c）。

2.4 土壤磷酸酶活性與磷組分的相關性

相關分析表明：酸性磷酸酶活性與各磷組分和全磷相關性不顯著（表3），而堿性磷酸酶活性與易分解磷、鐵/鋁磷、鈣磷顯著正相關，與有機磷、殘余態(tài)磷、全磷顯著負相關（表3）。

表3 土壤磷酸酶活性與磷組分間相關系數(shù)Table 3 Correlation analysis of soil phosphatase activity and phosphorus fractions

3 討 論

3.1 不同植物土壤磷組分狀況

土壤磷轉(zhuǎn)化的受控因素主要來自三個方面：1）地球化學作用釋放鈣結(jié)合磷，2）有機酸和H+溶解無機磷，3）微生物分解有機磷；此三者的相互作用形成了土壤磷轉(zhuǎn)化過程在入侵植物和土著植物間的差異性格局[25]。本研究中，入侵植物和本地植物土壤磷組分差異顯著（表2），南美蟛蜞菊土壤易分解態(tài)磷（labile-P）含量最高，蟛蜞菊土壤最低。先前的研究[26]也表明入侵植物Solidago gigantea通過根際酸化作用顯著增加了易分解磷組分（resin-Pi，NaHCO3-Pi，NaOH-Pi）。本研究中，南美蟛蜞菊并未顯著改變土壤pH，土壤微生物和磷酸酶活性可能是影響磷素礦化的重要因素。由于微生物生物量磷周轉(zhuǎn)速度快，是土壤有效磷庫的重要來源之一，其含量在南美蟛蜞菊土壤中最低，可能是微生物生物量磷轉(zhuǎn)化為Labile-P導致的結(jié)果，因為較低的微生物生物量磷表明土壤有效磷相對缺乏[12]。表明微生物生物量磷對入侵植物土壤磷循環(huán)過程中具有重要意義。盡管化學固定作用對磷素的影響較大，在入侵植物南美蟛蜞菊土壤中難溶性磷（Residual-P）仍有顯著降低，進而較易分解的磷組分（Fe/Al-P）也出現(xiàn)不同程度的減少，總磷隨之降低。

本研究中全碳與有機磷比大于200，表明土壤受到磷限制[27]。本研究中，土壤有機磷含量占全磷比例為17.6%～28.7%，表明土壤有機磷礦化為無機磷是土壤有效磷的重要部分[12-13]。蟛蜞菊土壤有機磷含量顯著高于南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊，這可能因為入侵植物磷吸收和歸還模式與本地植物存在顯著差異，進而導致土壤磷平衡的改變和磷組分的變化[28]。

3.2 磷酸酶活性調(diào)控土壤有機磷分解

當土壤無機磷缺乏時，會刺激微生物釋放各種磷酸酶，包括酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、植酸酶和核苷酸酶，酸性磷酸酶和堿性磷酸酶均能水解多種磷酸酯類[13]。先前的研究[29]表明，薇甘菊入侵顯著增加了土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性，進而增加了土壤有效磷含量。在本研究中，三種植物處理中土壤酸性磷酸酶活性并無顯著差異，而南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊土壤堿性磷酸酶顯著高于蟛蜞菊（圖1），因此，堿性磷酸酶在磷轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用。酸性磷酸酶主要由植物根和真菌分泌，而堿性磷酸酶主要由細菌分泌[13]。因此，解磷細菌能夠分泌堿性磷酸酶作為獲取磷的策略之一[30]。

前人研究[13]表明，堿性磷酸酶能礦化土壤90%的有機磷[13]。本研究中，堿性磷酸酶是影響土壤有機磷礦化的主要因子，供應植物所需的有效磷，且與有機磷含量顯著負相關，從而降低土壤中有機磷含量（表2）。南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊所吸收利用的有效磷主要來源于有機磷的礦化。堿性磷酸酶主要由微生物分泌，其活性與微生物活性密切相關，南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊土壤可溶性有機碳含量高于蟛蜞菊（表1），為微生物提供更多碳源，微生物活性較強[27]。微生物能分泌更多的堿性磷酸酶，促進有機磷的礦化，增加土壤有效磷的含量。這可能是本研究中南美蟛蜞菊和雜交蟛蜞菊驅(qū)動土壤有機磷礦化的主要原因。因此，在土壤缺磷的華南地區(qū)，堿性磷酸酶促進有機磷的礦化對緩解土壤磷限制具有重要意義[31]。

4 結(jié) 論

在亞熱帶地區(qū)土壤高度風化，且不同植物處理中易分解態(tài)磷（labile-P）占全磷比例均較少，全碳與有機磷比大于200，表明土壤受到磷限制。但土壤有機磷含量及其占全磷的比例均較高，是土壤有效磷庫的重要部分。此外，堿性磷酸酶是影響土壤有機磷礦化的主要因素，與有機磷顯著負相關。入侵植物主要通過提高土壤堿性磷酸酶活性來礦化有機磷，從而增加土壤有效磷含量，供植物吸收利用。這可能是該地區(qū)入侵植物對磷限制的適應機制。