土荆芥不同发育期根际土壤养分、酶活及微生物数量的变化

李睿玉，王 煜，王亚男，何 兵，张 红，马丹炜

四川师范大学生命科学学院，四川 成都 610101

土荆芥不同发育期根际土壤养分、酶活及微生物数量的变化

李睿玉，王 煜，王亚男，何 兵，张 红，马丹炜*

四川师范大学生命科学学院，四川 成都 610101

采用盆栽试验，通过比较土荆芥营养期和果期根际土壤中养分、土壤酶活和微生物数量的变化规律，明确土荆芥入侵对土壤生态系统的影响效应，为进一步了解土荆芥入侵机理和制定防控措施提供理论依据。结果表明：（1）土荆芥入侵对土壤养分具有一定的影响。与对照相比，除了土荆芥营养期根际土壤总钾的含量增加了12.26%外，所测其它土壤养分指标均不同程度下降。其中，果期总钾含量降低3.27%，营养期和果期的有机质含量分别降低20.41%和1.22%、总氮含量分别降低27.87%和16.39%、总磷含量分别降低29.41%和14.71%、速效磷含量分别降低49.24%和34.69%、速效钾含量分别降低76.65%和57.22%；（2）土荆芥的生长对土壤胞外酶具有一定的影响。与对照相比，营养期和果期土壤硝酸还原酶活性显著升高（P＜0.05），分别升高了87.23%和137.23%；营养期的脲酶活性降低了45.92%，与对照差异显著（P＜0.05）；营养期和果期根际土壤的蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性的变化均未达到显著程度（P＞0.05）；(3)土壤微生物数量随着土荆芥生长而增加，但只有真菌数量与对照的差异达到显著水平（P＜0.05），营养期和果期真菌数量分别增加32.11%和86.18%；（4）与果期相比，营养期土壤养分含量、土壤酶活性和微生物数量普遍较低，推测土荆芥生长初期通过降低土壤营养水平，抑制其周围对营养水平要求较高的植物生长，以获得竞争优势，而果期则通过释放根系分泌物增加了土壤微生物数量和土壤酶活，使土壤养分回升，从而为其繁殖提供有利条件。

土荆芥；土壤养分；土壤酶活性；土壤微生物；发育期

土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)又名臭草、杀虫芥、鹅脚草，为藜科藜属一年生或多年生草本植物，原产热带美洲，现广布于世界热带及温带地区。1864年在我国台湾省台北的淡水首次被采集，现已扩展至我国绝大多数省市，呈现出非常迅猛的扩张态势，已成为我国危害极严重的入侵植物（徐海根和强胜，2004）。本研究室前期研究发现，土荆芥可以通过多条途径向周围环境释放化感物质，影响根细胞的有丝分裂过程，导致受体根细胞凋亡和氧化损伤，从而抑制了周围植物的生长发育(王晶蓉等，2009；胡琬君等，2011；胡琬君等，2012）。微生物是土壤生态系统中最具活力的组成部分，土壤微生物数量直接影响土壤的生物化学活性及土壤养分的组成与转化，是土壤肥力的重要指标之一(Nannipieri等，2003；Rajkumar等，2010)。土壤酶活性常被作为土壤质量的重要指标，其活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度（侯玉平等，2013），土壤酶主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌物（刘苹等，2013）。植物的生长对土壤生物的影响反过来又会影响植物的特性，这种植物–土壤反馈效应在外来植物入侵过程中起着重要的作用（Suding等，2013）。入侵植物通过调节根际土壤养分的有效性，营造一个新的环境是物种竞争取胜的有效策略之一(Perry等，2004)。相对而言，人们对土荆芥入侵地土壤生态系统的影响关注较少。本研究采用盆栽试验，研究了土荆芥不同发育期根际土壤营养成分、土壤酶活性、土壤微生物数量的变化，并采用综合隶属函数值全面地分析不同发育期土荆芥对土壤的综合影响。旨在探讨不同发育期土荆芥对土壤生态系统的入侵效应，为深入研究土荆芥的入侵机制及防止其蔓延提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 盆栽试验与土壤样品的采集

供试土壤采集于四川师范大学第三实验大楼附近的撂荒地，土壤类型为紫色土。将土壤混匀后分装于花盆（盆口直径为24 cm，盆底直径17 cm，高21 cm）中，然后将采自成都市双流县西南民族大学附近荒地、长势一致的土荆芥幼苗（约高20 cm）移植到花盆中，每个花盆定植1棵幼苗，共10盆。以未栽植土荆芥幼苗的空白土壤为对照，共1盆。将以上花盆置于阳光充足的温室中培养，每天定时浇水。

在供试植株的营养期（定植90 d左右），选取土荆芥植株长势一致的花盆3盆，将土荆芥挖出，去掉非根际土，采用“抖根法”分别将根际土收集到3个灭菌的自封袋中，并做好标记。每份土样再分成2份，1份自然风干后过100目筛，室温保存用于土壤养分测定，另1份装入无菌自封袋，4 ℃保存，用于土壤酶活性测定（一周内测定完毕）及可培养微生物培养（收集土样当天即培养）。待土荆芥生长到果期（定植120 d左右）时，按照上述方法采集、保存和分析果期土荆芥根际土壤。

1.2 土壤养分含量的测定

参考鲍士旦（鲍士旦，2000）的方法测定土壤养分含量。土壤有机质含量测定采用K2Cr2O7-H2SO4法；总氮测定采用凯氏定氮法；全磷和全钾测定采用NaOH-熔融预处理，全磷含量测定用钼锑抗比色法，全钾含量测定用原子吸收分光光度计法；速效磷和速效钾用TFC系列土壤化肥速测仪测定。

1.3 土壤酶活性的测定

脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的测定参考关松荫（关松荫，1986）的方法并稍加改进，用离心（5000 r·min-1，5 min）代替过滤。脲酶活性用苯酚钠比色法测定，以24 h后100 g干土中NH4+–N的毫克数表示；蔗糖酶活性采用3,5–二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后1 g干土生成葡萄糖毫克数表示；酸性磷酸酶的活性采用对硝基苯磷酸二钠比色法，以1 g干土中的对硝基苯酚的微克数表示；硝酸还原酶活性测定采用武志杰（武志杰等，2008）的方法，以24 h后100 g干土生成NO2-N的毫克数表示；过氧化氢酶活性测定采用陈利军（陈利军等，2008）的方法，以1 h后1 g干土中水解的过氧化氢的毫克数表示。

1.4 土壤微生物数量的测定

稀释平板计数法测定根际土壤中细菌、放线菌和真菌的数量。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基在37 ℃下培养2 d，放线菌采用高氏1号琼脂培养基在28 ℃下培养7 d，真菌采用马丁氏培养基28 ℃下培养3 d。统计、记录菌落数量并计算每克干土中的微生物数量（CFU·g-1干土）。

1.5 数据处理

数据用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析和LSD检验。应用Fuzzy数学隶属函数的方法对土荆芥不同发育期的影响进行综合分析，用SPSS 17.0进行因子分析确定权重系数，然后在因子分析中对各指标求因子载荷矩阵。各指标的公因子方差百分比反映了其对总体变异的贡献，作为各项指标的权重值（董文涛等，2011）。用主成分分析方法筛选综合指标，由于土壤因子变化具有连续性质，各评价指标采用连续性质的隶属度函数，计算公式（张庆费等，1999）为：

其中，Q(xi)表示各土壤因子的隶属度值，xij表示各因子值分别表示第i项因子中的最大值和最小值。

土荆芥对根际土壤养分、酶活性及微生物群落的综合影响指数公式（何兵等，2013）为:

其中SQI代表土壤养分、土壤酶活性及微生物群落的综合影响指数；iQ为各个评价指标的隶属函数值；iW为第i个评价指标的权重；n为评价指标数。

表1 土荆芥不同发育期对根际土壤养分的影响Table1 Effect of Chenopodium ambrosioides L. at different development stages on soil nutrient in the rhizosphere soil

2 结果与分析

2.1 不同发育期土荆芥根际土壤养分的特征

不同发育期土荆芥根际土壤养分状况有所差异（表1），其中，有机质、总氮、总磷、速效磷及速效钾含量的变化趋势为对照＞果期＞营养期。与对照相比，土荆芥根际土壤中有机质的含量在营养期降低20.41%，而在果期降低了1.22%；总氮含量在营养期降低27.87%，在果期降低16.39%；总磷含量在营养期降低29.41%，在果期降低14.71%；速效磷含量在营养期降低49.24%，在果期降低34.69%；速效钾含量在营养期降低76.65%，在果期降低57.22%。而总钾含量的变化趋势为营养期＞对照＞果期，即相对于对照组，总钾含量在营养期增加12.26%，在果期降低3.27%；营养期根际土壤中，除总钾水平显著高于对照外（P＜0.05），其余养分水平均显著低于对照（P＜0.05），果期根际土壤中，除有机质和总钾含量与对照差异不显著外（P＞0.05），其余养分水平均显著低于对照（P＜0.05）。整体来看，土荆芥的生长降低了土壤养分水平，营养期的这种降低土壤养分水平的效应大于果期。

2.2 不同发育期土荆芥对根际土壤酶活性的影响

表2显示，土荆芥的生长对根际土壤中蔗糖酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶影响不显著（P＜0.05）。与对照相比，脲酶的活性在营养期显著降低（P＜0.05），硝酸还原酶在果期和营养期都显著增加（P＜0.05），营养期脲酶的活性仅仅为对照的54.08%，而果期和营养期的硝酸还原酶活性分别是对照的232.73%和187.23%。由此可见，土荆芥的生长对土壤N代谢影响明显。

2.3 不同发育期的土荆芥根际土壤微生物数量的影响

随着土荆芥生长进程，其根际土壤细菌、真菌和放线菌的数量逐渐增加（表3），其中，细菌和放线菌数量变化不显著（P＞0.05），只有果期根际土壤中真菌的数量明显高于对照和营养期（P＜0.05），分别是营养期和对照的1.41倍和1.86倍。

表2 土荆芥不同发育期对根际土壤酶活性的影响Table 2 Effect of Chenopodium ambrosioides L. at different development stages on soil enzymes activities in the rhizosphere soil

表3 土荆芥不同发育期对根际土壤微生物数量的影响Table 3 Effect of Chenopodium ambrosioides L. at different development stages on soil microbial communities in the rhizosphere soil

表4 土荆芥不同发育期对根际土壤影响的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of effect of Chenopodium ambrosioides L. at different development stages on soil ecosystem by Subordinative function value

3 不同发育期的土荆芥对根际土壤综合影响的比较

不同的测定指标反映了土荆芥对土壤的影响，但一种指标反映的土荆芥对土壤生态系统的影响具有片面性，并且每个指标表示出的结果不尽一致。而采用综合隶属函数值能较全面地反映不同发育期土荆芥对土壤的综合影响。从表4可见，对照和土荆芥分别在营养期和果期对土壤养分的综合影响指数为：0.316、0.087和0.150，说明土荆芥入侵导致根际土壤养分含量的减少。其中，在营养期土壤养分含量最低，在果期含量稍有回升，但仍低于对照组。另外，对照和土荆芥分别在营养期和果期对土壤微生物数量和土壤酶活的影响指数均为：对照＜营养期＜果期。说明土荆芥入侵增加了微生物的数量，提高了土壤酶活，且在果期时微生物数量和土壤酶活性达最大值。综合3个指标，对照和土荆芥分别在营养期和果期对土壤生态系统的综合影响指数分别为：0.396、0.389和0.681。说明土荆芥在营养期使土壤质量退化，然而在果期又在一定程度上改善了土壤质量。

4 讨论

研究表明，成功入侵的外来植物会改变入侵地的土壤养分平衡、土壤微生物群落和土壤酶活性，土壤环境的变化反过来会影响入侵种和土著种之间的竞争关系，从而增强了自身的竞争优势而成为优势种群。如黄顶菊(Flaveria bidentis)入侵显著提高了有机质、全氮、硝态氮和铵态氮的含量以及脲酶和酸性磷酸酶的活性，降低全磷和速效磷的含量，其影响程度随着入侵程度而增强（张天瑞等，2010）；五爪金龙（Ipomoea cairica）的入侵明显提高了其入侵地的全氮、碱解氮、全钾及速效钾含量，降低了总磷、速效磷及有机质含量，且与土壤肥力密切相关的土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶及硝酸还原酶4种酶活性均明显升高（朱慧和吴双桃，2012）；紫茎泽兰（Ageratina adenophora）显著提高了土壤有效氮、有效磷和有效钾含量，显著增加了细菌和真菌数量（李会娜等，2009）。并且随着入侵植物的生长发育阶段不同，对其根际土壤特性的影响有一定的差异；随着刺萼龙葵(Solanum rostratum)的生长，其根际土壤真菌多样性及土壤酶活性均发生改变，从生长初期到开花期土壤真菌多样性显著增加，蛋白酶、过氧化氢酶、转化酶、脲酶和脱氢酶活性由生长初期到开花期均呈上升趋势，多酚氧化酶活性呈下降趋势，过氧化物酶活性先下降后升高(祝明炜等，2011)。本研究结果表明，土荆芥对土壤也具有上述入侵植物类似的影响。土荆芥入侵从营养期到果期生长阶段整体降低了根际土壤中有机质、总氮、全磷、速效磷和速效钾的含量，且营养期根际土壤养分水平整体低于果期的。然而在营养期时显著增加了总钾含量；与土壤含氮化合物转化有关的脲酶和硝酸还原酶（关松荫，1986）活性在土荆芥不同发育期发生变化。营养期和果期的硝酸还原酶活性显著高于对照。果期时脲酶活性显著高于营养期，营养期脲酶活性仅为果期的53%，脲酶直接参与土壤中含氮有机化合物的转化，在一定程度上反应了土壤供氮水平状况（孙艳艳等，2010），因此，土荆芥不同发育期对土壤氮代谢的影响存在差异；土荆芥入侵整体上增加了微生物数量，果期时真菌数量显著增加。根据野外观察土荆芥往往生长在贫瘠的荒地上，表明其利用营养物质的能力较强。故推测土荆芥可能在入侵地生长的营养期阶段通过降低土壤营养水平、分泌化感物质改变土壤微生物群落结构和土壤酶活性，使土壤质量趋于贫瘠化。使环境变得不利于周围植物的生长，从而压制、排挤周围对营养水平要求较高的植物。一旦占据生态位后，在果期时土荆芥便释放一些根系分泌物为根际微生物提供营养物质(吴林坤等，2014)，从而提高了根际土壤中微生物数量和土壤酶活性，使根际土壤养分得以逐步回升，确保了自身繁殖对养分的需求。由此可见，土荆芥在不同发育期的生态策略是不同的。目前普遍认为化感作用是外来植物成功入侵的机制之一（Cipollini等，2012），当入侵植物扩展到一个新的领域时，可以通过挥发、根系分泌、残株分解、淋溶等途径向周围环境释放化感物质，这些化感物质绝大多数最终会进入土壤中（王朋等，2008；侯玉平等，2013）。土荆芥对土壤生态系统的影响，是否是其化感作用的结果，尚待本研究室后续研究进一步证实。

5 结论

土荆芥入侵过程中，改变了土壤微生物群落结构和土壤酶活性，降低土壤营养水平。土荆芥营养生长期可能通过降低土壤养分水平，从而排挤周围对营养水平较高的植物，但当其占据生态位后，便释放根系分泌物为根际微生物提供营养物质，提高了根际土壤中微生物数量和土壤酶活，使根际土壤养分得以逐步回升，以满足自身繁殖对养分的需求。

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Changes of Soil Nutrient, Soil Enzymes Activities and Microbial Communities in Rhizosphere Soil of Chenopodium Ambrosioides L. at Different Development Phases

LI Ruiyu, WANG Yu, WANG Yanan, HE Bing, ZHANG Hong, MA Danwei*
College of Life Science, Sichuan Normal University, Chengdu 610101, China

A pot experiment was used to study the effects of Chenopodium ambrosioides L. on soil ecosystem, through the variations of soil nutrient, soil extracellular enzymes activities and microbial communities in rhizosphere soil at its nutrient phase and fruiting stage. The results may help us further understand the invasion mechanism of C. ambrosioides and provide theoretical basis for the prevention and control measures. The results showed that：(1) The invasion of C. ambrosioides had certain effects on soil nutrients. Compared with the control group, except that the content of total K in rhizosphere soil of C. ambrosioides at nutrient phase was increased by 12.26%, the other soil nutrient indexes were decreased in varying degrees. Of which, the content of total K were decreased 3.27% at fruit phase; total organic matter at nutrient phase and fruit phase were decreased by 20.41% and 1.22%, respectively; total nitrogen at nutrient phase and fruit phase were decreased by 27.87% and 16.39%, respectively; total P at nutrient phase and fruit phase were decreased by 29.41% and 14.71%, respectively; available P at nutrient phase and fruit phase were decreased by 49.24% and 34.69%, respectively; available K at nutrient phase and fruit phase were decreased by 76.65% and 57.22%, respectively; (2)The invasion of C. ambrosioides also had influences on the soil extracellular enzymes. Compared with the control group, the activity of soil nitrate reductase at nutrient phase and fruit phase had a significant increase (P＜0.05) that were increased by 87.23% and 137.23% respectively; Urease activity at nutrient phase reduced by 45.92% compared with the control group, which was a dramatic drop (P＜0.05); The variations of activities of invertase, acid phosphatase and catalase in rhizosphere soil at nutrient phase and fruit phase did not have obvious differences (P＞0.05); (3) The soil microbial population was increasing along with the growth of C. ambrosioides, but only the amount of fungi had significant difference with the control group (P＜0.05). The amount of fungi at nutrient phase and fruit phase increased by 32.11% and 86.18% respectively; (4) Soil nutrient content, soil enzyme activity and the microbial population at nutrient phase were generally lower compared with the fruit phase. We speculated that at the early growth stage of C .ambrosioides, it inhibited the growth of surrounding plants which needs higher nutrition by reducing the soil nutrient, to improve its competitive advantage. Later at the fruit phase, the root exudates of C. ambrosioides may release into the soil to enhance the amount of soil microbe and activities of soil enzyme, which caused the recovery of rhizosphere soil nutrient and therefore provided favorable conditions for its breeding.

Chenopodium ambrosioides L.; soil nutrient; soil enzymes activities; soil microbial communities; development phase

Q948

A

1674-5906（2014）09-1526-05

李睿玉，王煜，王亚男，何兵，张红，马丹炜. 土荆芥不同发育期根际土壤养分、酶活及微生物数量的变化[J]. 生态环境学报, 2014, 23(9): 1526-1530.

LI Ruiyu, WANG Yu, WANG Yanan, HE Bing, ZHANG Hong, MA Danwei. Changes of Soil Nutrient, Soil Enzymes Activities and Microbial Communities in Rhizosphere Soil of Chenopodium Ambrosioides L. at Different Development Phases [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1526-1530.

国家自然科学基金项目（31370549）；四川省教育厅重点项目（13ZA0143；13ZA0144）

李睿玉（1989年生），女，硕士研究生，主要从事细胞生物学和入侵植物化感作用的研究。Email：liruiyu2012@126.com *通信作者：马丹炜，教授，硕士生导师，主要从事入侵植物化感作用的研究。Email：danwei10ma@163.com

2014-07-15