外来植物豚草入侵对土壤碳氮转化的影响

刘小文，何福林，齐成媚，全沁果，敖　艳，李　园，骆　鹰，颜冬冬，曹坳程，*

(1. 湖南科技学院 化学与生物工程学院，湖南 永州 425199；2. 湘南优势植物资源综合利用湖南省重点实验室，湖南 永州 425199；3. 中国农业科学院 植物保护研究所，北京 100193)



外来植物豚草入侵对土壤碳氮转化的影响

刘小文1，2，3，何福林1，2，齐成媚1，2，全沁果1，敖艳1，李园3，骆鹰1，2，颜冬冬3，曹坳程3，*

(1. 湖南科技学院 化学与生物工程学院，湖南 永州 425199；2. 湘南优势植物资源综合利用湖南省重点实验室，湖南 永州 425199；3. 中国农业科学院 植物保护研究所，北京 100193)

选取撂荒田地为试验样地，以入侵植物豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)为对象，以土著优势物种窃衣(TorilisscabraThunb.)为参照，通过对入侵植物和土著植物根际土壤的采样分析，研究了入侵植物对入侵地土壤特性及土壤碳氮转化的影响。结果表明，与土著物种窃衣相比，豚草入侵使土壤有机质含量增加89.13%，全氮含量增加42.15%，铵态氮含量增加43.69%，硝态氮含量增加35.36%，微生物量碳增加52.08%，微生物量氮增加61.26%，氮净矿化速率增加1.41倍，氮净氨化速率增加2.06倍，但硝化速率和反硝化速率变化不明显。由此可见，豚草显著改变了入侵地土壤的理化特性，加速了土壤碳氮转化过程。

豚草；入侵植物；碳氮转化

近年来，外来植物入侵已发展成为生态环境领域的棘手问题。国际贸易自由化的扩大及人类活动日益密集，使得外来植物入侵频率逐年提高[1-3]。外来植物对当地生态系统的影响十分显著，入侵后可改变生态系统的初级生产力、群落结构与动态[4-5]、群落稳定性和扰动[6]，以及土壤水分[7]、养分[8]、微生物[9-10]等。这些影响直接作用于生态系统的物质循环，尤其与土壤碳氮循环过程密切相关。外来植物入侵对土壤碳氮循环过程的影响，尤其是对土壤氮矿化、反硝化作用的影响，国内外现有的研究相对较少。但氮矿化、反硝化作用对土壤肥力具有重要的影响，其作用强弱是评价土壤物质转化过程中C，N损失严重程度的重要指标之一[11]。

豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)系菊科豚草属一年生恶性入侵杂草，具有发生量大、繁殖周期短、扩散快等特点，可对当地物种产生很强的拮抗作用，迅速形成单种优势群落。豚草现已扩散到我国23个省(市)，仅湖南省入侵达10多个县市，并呈继续蔓延之势， 且根除困难[12-14]，已对我国的生态环境造成了严重危害。目前，对入侵植物豚草的研究主要集中在综合治理[15-17]、化感[18-19]、入侵生理生态[20-21]等方面。外来植物入侵首先作用于当地土壤环境，除对土壤基本理化性质产生显著影响外，对当地土壤微生物的群落结构和功能亦有明显改变，打破了土壤物质循环原有的相对稳定的状态。豚草入侵对土壤碳氮过程的变化的影响尚不明确，鉴于此，本文以豚草入侵地生态系统中的土壤为对象，分析入侵地土壤碳氮转化过程的变化，尝试从土壤碳氮循环角度来探讨豚草对当地生态系统的影响及其机制，可为准确预测和全面评价其生态后果，制定合适的引种策略和有效的控制措施提供参考。

1　材料与方法

1.1供试材料

试验研究对象为豚草，属试验入侵地主要外来物种，以试验地优势物种窃衣(TorilisscabraThunb.)为对照，裸土(没有任何植物生长且在豚草轻度分布区周围)为空白。研究区位于湖南省永州市零陵区西山豚草重发生区(26°12′43.31″N，111°35′48.71″E)，海拔122.45 m，该地区属亚热带季风气候，境内气候温和，雨量充沛，土地肥沃，物产丰富，年降水量1 290～1 900 mm，全年平均日照时数1 873.7 h，无霜期年均285～311 d，年均气温17.6～18.6 ℃。土壤类型为花岗岩母质发育的赤红壤。入侵地主要伴生窃衣、狗牙根(CynodondactylonL)、鬼针草(BidenspilosaL)、反枝苋(AmaranthusretroflexusL)等。该样地为豚草长期入侵地及窃衣优势生长地。于2013年8月中旬植物生长旺季，在样地内每个物种选取3个种群斑块，分别对豚草斑块、窃衣斑块、裸土的根际土壤采用抖根法进行多点采样，同时将土壤样品的可见动植物残体除去，碾磨过2 mm筛，混匀。取适量混匀的样品，用自然风干法干燥后磨细过筛，测定土壤的理化常数，剩余样品保存在4 ℃冰箱中冷藏，备用。

1.2试验方法

1.2.1土壤氮矿化速率

称取2份土壤样品，每份15 g，转移至培养瓶中，向一份样品中直接加入100 mL 2 mol·L-1KCl溶液进行提取，另一份用保鲜膜封住瓶口，用电子天平准确称取样品质量，每7 d重复称取1次，用超纯水补充土壤散失的水分，维持土壤水分恒定，样品温度保持在(25±2)℃，在黑暗环境下培养，此期间要维持培养环境的稳定，保证样品不受干扰。培养21 d以后，向土壤样品中加入100 mL 2 mol·L-1KCl进行提取，连续流动分析仪SAN++测定，按培养后的无机氮浓度减去培养前的无机氮浓度、培养后的氨态氮浓度减去培养前的氨态氮浓度和培养后的硝态氮浓度减去培养前的硝态氮浓度分别计算净氮矿化速率、净氨化速率、净硝化速率。

1.2.2土壤反硝化速率

准确称取15 g过2 mm筛的土壤样品于培养瓶中，再向培养瓶中加入15 mL(1 mmol·L-1葡萄糖+硝酸钾溶液)培养液，氮气吹干4 min，盖紧瓶塞。随后将30 mL高纯乙炔气注入培养瓶内，振荡10 min后用注射器针头插入培养瓶内平衡气压。用注射器准确抽取瓶内混合气体10 mL，作为培养前N2O样气，同时向培养瓶中补充相应体积的高纯氮，置于恒温摇床上培养1 h。用同样方法准确抽取培养瓶内混合气体10 mL，作为培养后N2O样气。取适量样气用高纯氮稀释5倍后上气相色谱仪-ECD(6890N)进行检测。用培养后N2O减去培养前N2O的值表示反硝化速率。

1.3分析方法

采用比重计测定土壤质地；用pH计测定土壤的pH(土水比1∶2.5)；利用重铬酸钾容量法检测土壤中有机质含量；用半微量开式滴定法检测和计算土壤全氮含量；铵态氮和硝态氮含量分别采用靛酚蓝比色法和紫外分光光度法进行分析；将样品经氯仿重蒸浸提后，分别采用容量分析法和消煮—碱化蒸馏法分析土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮；脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶和蔗糖酶依次用奈氏比色法、高锰酸钾滴定法、磷酸苯二钠比色法和靛酚蓝比色法测定[22-24]。

1.4数据统计处理

采用Microsoft Office Excel 2003整理数据和作图，试验数据统计采用SAS 8.0软件进行，开展单因素方差分析，并在有显著差异的处理间进行Duncan’s多重比较。

2　结果与分析

2.1豚草入侵对土壤特性的影响

2.1.1豚草入侵对土壤理化性质的影响

由表1可知，豚草入侵后根际土壤的pH没有发生显著变化(P>0.05)，但外来植物入侵使根际土壤有机质含量和全N含量显著(P<0.05)增加，豚草根际土壤的有机质和全N含量分别是窃衣(对照)根际土壤的1.89和1.42倍。豚草入侵显著(P<0.05)提高了根际土壤铵态氮和硝态氮的含量，分别较窃衣根际土壤(对照)增加了43.69%和35.36%。除全N外，裸土(空白)的土壤有机质、铵态氮和硝态氮含量与豚草根际土壤差异显著(P<0.05)，但与窃衣(对照)根际土壤差异不显著(P>0.05)。此外，豚草入侵相较裸土(空白)与窃衣(对照)，明显提高了根际土壤的碳氮比。

2.1.2豚草入侵对土壤微生物特性的影响

微生物量碳氮能直观反映土壤微生物的分布量与活性，土壤物质转化的结果取决于土壤中微生物的数量和酶的活性[25]。由表2可知，入侵植物豚草较土著物种窃衣根际土壤中微生物量碳和微生物量氮均显著(P<0.05)增加，分别增加了52.08%和61.26%，但土著物种土壤(对照)与裸土(空白)间差异不显著(P>0.05)。表明豚草入侵对微生物量产生了显著影响。与窃衣(对照)根际土壤酶活进行比较(图1)，豚草根际土壤的过氧化氢酶和磷酸酶活性均显著(P<0.05)增加，但对蔗糖酶和脲酶活性无显著(P>0.05)影响。

2.2豚草入侵对土壤氮转化过程的影响

从表3可以看出，豚草入侵显著(P<0.05)地增加了土壤的净矿化速率、净氨化速率，豚草入侵地的净矿化速率分别是窃衣土壤(对照)和裸土(空白)的1.41和1.54倍，净氨化速率分别是窃衣土壤(对照)和裸土(空白)的2.06和2.47倍，表明豚草入侵后土壤矿化作用得到加强。硝化培养21 d后，豚草入侵地的净硝化速率与窃衣土壤(对照)差异不显著(P<0.05)，与裸土(空白)相比显著增加(P>0.05)，但要特别指出的是，此时豚草根际土壤的硝化率已高达95.23%，硝化过程趋于完成，而窃衣根际土壤的硝化率为87.22%。在无氧条件下，豚草根际土壤与窃衣根际土壤(对照)和裸土(空白)的反硝化率均无显著差异(P>0.05)，说明豚草入侵对土壤反硝化进程影响不大。

表1不同处理土壤的pH、有机质及养分含量

Table 1Soil pH， organic matter and nutrients content under different treatments

处理pH有机质/(g·kg-1)全N/(mg·kg-1)铵态氮/(mg·kg-1)硝态氮/(mg·kg-1)碳氮比(C/N)豚草6.0219.31±1.12a1.72±0.03a14.11±0.03a21.13±1.13a11.3窃衣(对照)6.8210.21±0.79b1.21±0.02c9.82±0.69b15.61±0.78b8.44裸土(空白)6.5610.16±0.95b1.55±0.02b9.25±0.77b14.33±0.96b6.55

注：同列数据后无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

表2不同处理的微生物量碳、氮和C/N

Table 2Microbial carbon， nitrogen and C/N under different treatments

处理微生物量C/(μg·kg-1)微生物量N/(μg·kg-1)微生物C/N豚草312.26±21.23a55.12±4.89a5.6±0.77a窃衣(对照)205.32±15.74b34.18±3.21b6.0±0.84a裸土(空白)197.32±16.33b31.25±2.97b6.3±0.75a

各酶活性均以裸土标准化为1。同一酶下各处理间无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。图1　各处理下土壤酶活性比值Fig.1　Relative soil enzyme activity under different treatments

3　结论与讨论

植物生长与土壤的相互关系是影响植物扩张强度的重要因素。植物入侵后，若与土壤之间的相互作用对入侵植物形成正相关机制，便会不断扩大外来植物的种群优势；若此相互作用对本地植物具有拮抗效应，则会危及本地物种的正常生长[26]。研究证实，外来植物之所以能够成功入侵，正在于其与土壤的相互作用大都促进土壤产生更多有利于其生长的营养状况，从而提升其与当地植被的竞争力[27-28]。相对于土著物种，外来植物入侵后利用种群优势和拮抗效应积累较高的净初级生产力，并向土壤中输入更多的植物残体量，激发土壤微生物的生理活性，促进其代谢活动，土壤碳氮过程的速率明显提高，不断扩张土壤碳库和氮库的容量；土壤碳库和氮库容量扩张后反作用于入侵植物，又进一步促进了外来物种的入侵强度，呈现出一种正反馈机制[29-30]。在此作用下，入侵植物的生长与扩张使土壤物质循环不断加快，加剧了外来植物的入侵强度，使外来植物建立的种群优势愈加明显，当地生态系统失衡度逐步扩大，甚至可能导致土壤对外输出大量温室气体，加剧全球气候变暖。豚草作为一种典型的入侵植物，已对入侵地的生态平衡造成了严重的负面影响，通过研究其对土壤理化特性和碳氮过程的影响，可为揭示豚草入侵对土壤碳氮过程的影响规律提供科学依据，有助于进一步评价其生态后果，并相应制定防控措施。

表3各处理土壤氮转化情况

Table 3Soil nitrogen transition status under different treatments

处理净矿化速率/(μg·g-1)净氨化速率/(μg·g-1)净硝化速率/(μg·g-1)硝化率/%反硝化率/%豚草79.12±5.14a0.37±0.04a68.31±4.98a95.23±9.95a85.36±8.79a窃衣(对照)56.23±4.56b0.18±0.01b52.32±5.03ab87.22±7.93a82.19±7.75a裸土(空白)51.23±4.54b0.15±0.02b48.16±4.83b89.15±7.93a79.17±7.55a

本研究发现，豚草入侵后，通过促进土壤中有机碳库、氮库和有机质含量的增加，刺激土壤微生物的代谢作用，使土壤中微生物的生物量显著增加，提高了土壤中微生物的繁殖效率，微生物群落结构随之不断复杂和丰富；同时，豚草入侵加速了土壤中的碳氮转化过程，碳氮转化过程的加快促进了土壤硝态氮的供应，从而不断创造对外来植物生长和竞争更有利的土壤环境，这也成为豚草成功入侵和快速扩张的主要原因之一。本研究不仅为豚草入侵后果的评估提供了部分理论依据，而且为进一步深入揭示其成功入侵的正反馈机制提供了思路。

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(责任编辑高峻)

Effect of invasive plants Ambrosia artemisiifolia L. on soil carbon and nitrogen transition

LIU Xiao-wen1，2，3， HE Fu-lin1，2， QI Cheng-mei1，2， QUAN Qin-guo1， AO Yan1， LI Yuan3， LUO Ying1，2， YAN Dong-dong3， CAO Ao-cheng3，*

(1.SchoolofChemicalandBiologicalEngineering，HunanUniversityofScienceandTechnology，Yongzhou425199，China; 2.KeyLaboratoryofComprehensiveUtilizationofAdvantagePlantsResourcesinSouthernHunan，Yongzhou425199，China; 3.InstituteofPlantProtection，ChineseAcademyofAgriculturalSciences，Beijing100193，China)

To examine the effects of alien plants invasion on soil properties and soil carbon and nitrogen transition， the rhizosphere soil samples were collected under invasive plants，AmbrosiaartemisiifoliaL.， and the neighboring indigenous species，TorilisscabraThunb. in a deserted paddy field. It was shown that contents of soil organic carbon， total nitrogen， nitrate and ammonium were increased by 89.13%， 42.15%， 43.69% and 35.36%， respectively， with the invasive plants，Ambrosiaartemisiifoliacompared to those with indigenous species. Similarly， soil microbial carbon and nitrogen biomass were increased by 52.08% and 61.26%， respectively， with the invasive plants. Under similar laboratory incubation conditions， soil mineralization and ammonification rates were increased by 141% and 206%， respectively， due toAmbrosiaartemisiifoliainvasion as compared to that of indigenous species. However， the effects ofAmbrosiaartemisiifoliainvasion on soil nitrification and denitrification were not obvious. In conclusion， the present study revealed a significant shift in soil properties due to alien plants invasion. Soil carbon and nitrogen process was substantially facilitated， which may create a positive feedback as a consequence of alien plants invasion.

AmbrosiaartemisiifoliaL.; invasive plants; carbon and nitrogen transition

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.02.19

2015-06-02

湖南省自然基金项目(13JJ6080)；湖南省教育厅优秀青年项目(14B071)；中国博士后科学基金资助项目(2014M561110)；湖南省重点实验室开放基金项目(XNZW15C16)；公益性行业(农业)科技专项(201103027)；湖南省高校科技创新团队支持计划(2012-318)；湖南省重点学科建设项目(2011-76)

刘小文(1983—)，男，湖南耒阳人，博士，副教授，主要从事生物安全和环境毒理学方面的研究。E-mail：lxw1110@126.com

，曹坳程，E-mail: caoac@vip.sina.com

S154.4; Q143

A

1004-1524(2016)02-0297-05

刘小文，何福林，齐成媚，等.外来植物豚草入侵对土壤碳氮转化的影响[J].浙江农业学报，2016，28(2)： 297-301.