外来入侵植物空心莲子草根系分泌物对土壤微生物和酶活性的影响研究

彭雪梅，敖检玲，郝守鲜，赵艳雪，曹远方，江倩，龙爱香

(贵州师范学院生物科学学院，贵州 贵阳 550018)

0 引言

植物生态系统与土壤生态系统之间相互交叉形成的特殊区域就是根际[1]。在植物生长过程中，由于其根系不断分泌代谢产物到根际土壤中，因此根际微生物的种类组成和结构将发生变化，土壤环境也随之发生变化；反之，根际微生物群落受到的影响对根际环境中的物质循环和能量流动有着直接或间接的作用，最终反过来影响植物的生长发育[2-3]。这些复杂的互动变化使植物与根际微生物间的关系成为了生态学研究热点之一[4]。土壤动物、土壤微生物和植物根系等生命活动造成了土壤中各种酶的积累。土壤酶参与并催化了许多重要的生物化学反应，贯穿了土壤的整个发生和发育过程，并参与了有效肥力的形成[5]。同时，土壤酶对土壤环境变化敏感，酶活性直接反应各种生物化学过程的强度和方向，因此，对生态系统的变化起着重要的指示作用[6]。

外来入侵植物扩散到新的生境，与土著植物竞争各种资源，最终排斥本地种，造成入侵地生物多样性丧失。经对多种入侵植物研究发现，其入侵机制复杂多样。其中，外来入侵植物与土壤微生物群落之间的互作关系引起了研究者的广泛重视[7-8]。外来入侵植物能改变土壤有机质和有效营养成分的含量，同时也对土壤生物群落结构组成、功能及土壤酶活性有着重要影响[9-10]。外来植物入侵导致的土壤微生物群落、土壤酶活性和土壤物理化学性质等的变化反过来作用于外来种和本地种的竞争关系，进而往往促进了外来植物的入侵[11-13]。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)是苋科(Amaranthaceae)莲子草属(Alternanthera)多年生草本植物。起源于南美洲，现在广泛分布于世界各地，已成为一种全球性的恶性杂草[14-15]。空心莲子草是匍匐茎型克隆植物，在入侵地无有性生殖；匍匐茎和肉质根的无性繁殖能力极强，营养繁殖速度极快；在不同的水分和养分供应条件下展现出极强的可塑性[16-18]。研究发现，空心莲子草地下部分浸提液和粉碎液对水稻、高羊茅和黑麦草种子萌发和幼苗生长具有抑制作用[19]。国内外对其根系分泌物与土壤微生物数量之间关系的研究未见报道。本研究采用水培法收集空心莲子草根系分泌物，初步研究根系分泌物对土壤微生物数量和酶活性的影响，以期从地下土壤部分来揭示空心莲子草入侵机制。

1 材料与方法

1.1 根系分泌物的收集

选取根长为1 cm的空心莲子草1个节的匍匐茎段300个灭菌后放入烧杯中25 ℃ 培养7 d待根系生长，用蒸馏水收集根系分泌物，共收集含空心莲子草根系分泌物的水溶液250 mL。

1.2 土壤样品的处理

在野外挖取无空心莲子草生长的土壤(深度为1～10 cm)5000 g装入密封袋中带回实验室，去除土壤中的粗杂质后过2 mm筛备用。在250 mL烧杯中装入100 g土壤样品和12 mL不同浓度的空心莲子草根系分泌物水溶液，在25 ℃恒温箱中培养7 d。溶液中根系分泌物的浓度梯度设置为CK：0 mL；T1：1.5 mL；T2：3 mL；T3：6 mL；T4：12 mL，每种浓度统一用去离子水将体积补至12 mL。每种浓度梯度设置3次重复。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤微生物数量的测定

将培养后的土壤风干，用稀释平板涂布法分离土壤中的细菌、真菌和放线菌，并对其菌落进行计数。培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、加入孟加拉红的马铃薯培养基和高氏一号培养基。

1.3.2 土壤酶活性的测定

土壤脲酶活性用靛酚蓝比色法测定，酶活性以每天每克土样中产生1μg NH3-N为一个酶活力单位；中性磷酸酶用对硝基酚比色法测定，37 ℃每克土样每天释放1 nmol酚为1个酶活力单位；过氧化氢酶用紫外分光光度法测定，每天每克土样催化1μmol H2O2降解为一个酶活力单位；土壤蔗糖酶活性用DNS比色法测定，每天每克土样中产生1 mg还原糖为一个酶活力单位[20]。

1.4 数据处理

采用软件Excel 2013进行数据整理和作图，利用SPSS 20.0进行统计分析。对不同浓度处理下微生物数量和酶活性采用单因素方差分析，并用LSD法对差异显著的指标进行多重比较。图中数据为平均值+标准误差。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物数量

不同浓度根系分泌物处理间，细菌、真菌和放线菌的数量表现出不同的差异，如图1所示。不同浓度根系分泌物处理下，细菌数量大小表现为T4> CK > T3> T2> T1，不同处理间无显著差异(P≥0.05)；真菌数量大小表现为T1> T3> CK > T2> T4，不同处理间变化无规律，且无显著差异(P≥0.05)；放线菌数量大小表现为T4> T3> T1> T2> CK，T4、T3、T1间无显著差异，但显著大于CK、T2处理(P<0.05)。

图1 空心莲子草根系分泌物对土壤微生物数量的影响

2.2 土壤酶活性

如图2所示，不同浓度根系分泌物处理下，土壤四种酶的活性差异不同。脲酶活性表现为有根系分泌物的处理显著大于无根系分泌物的处理(CK)；在不同浓度的根系分泌物处理下，低浓度处理(T1)显著大于其他浓度处理(P<0.05)。中性磷酸酶活性表现为有根系分泌物的处理显著高于无根系分泌物的处理，且中性磷酸酶活性随着根系分泌物浓度的增加而增大(P<0.05)。蔗糖酶活性表现为高浓度根系分泌物处理(T2、T3、 T4)显著大于低浓度处理(T1)和无根系分泌物处理(CK)(P<0.05)。过氧化氢酶活性在不同根系分泌物浓度处理间无显著差异(P≥0.05)。

图2 空心莲子草根系分泌物对土壤酶活性的影响

3 讨论

根系分泌物是植物分泌的化学物质，是联系植株与根际土壤之间的重要物质，起着物质交换和信息传递的作用，同时也是植物对外界环境变化反应的主要途径，是决定不同根际微生态特征的重要因素，对根际对话起着调控作用[21-23]。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际土壤微生态调控、植物生长发育等均具有重要意义[2，24]，在调控根际微生态系统组成与功能方面具有非常重要的作用，调节着植物与植物之间、植物与微生物之间、微生物与微生物之间复杂的互作关系[25]。

王纳纳等[26]对内蒙古草原典型植物根际和非根际土壤研究表明，细菌和真菌的数量及菌群结构组成在根际土壤与非根际土壤间存在显著差异。根系分泌物为根际微生物提供能源，植物不同，根系分泌物成分和构成也会不同，对根际微生物及其数量的影响也不同[27-28]。沈凤英[29]发现夹竹桃(Neriumoleander)根系分泌物对根际土壤中细菌、真菌、放线菌数量均有显著影响。陶波[30]发现，假苍耳(Ivaxanthifolia)的根系分泌物对根际土壤中细菌、真菌和放线菌的数量具有不同程度的抑制作用。周慧杰[31]发现棉花(Gossypiumspp)根系分泌物能使土壤中细菌的数量显著增加，而对土壤放线菌数量没有显著影响[31]。本研究表明，空心莲子草根系分泌物提取液对土壤中微生物具有不同程度的影响：对真菌数量没有显著影响；会促进放线菌数量显著增加，但这种影响与提取液浓度无关；高浓度处理会增加细菌数量，但影响并没有达到显著水平。有研究表明，土壤中微生物数量和比例的变化，将影响土传病害发生的概率，当土壤中真菌数量及其组成比例增加时，土传病害发生的概率将增加；相反，细菌和放线菌数量及其组成比例增加时，土传病害发生概率下降[32，33]。本研究中，放线菌数量显著增加，说明空心莲子草根系分泌物能有效抑制细菌型土壤向真菌型土壤转化，减少土传病害发生的几率。

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白质，它参与了土壤中很多生物化学过程的完成和能量转化，是土壤生态系统中物质循环和能量转化的生物催化剂[34， 35]。土壤肥力、物质转化等土壤环境变化在一定程度上可以通过土壤酶活性来反映[34]。土壤酶的来源主要是土壤中动、植物及微生物的分泌物及其残体的分解物。Gramss等[36]的研究显示，近90%的土壤酶是来源于植物根系的分泌物，而且由根系分泌的酶的活性会伴随化肥的施用、干旱和水分胁迫而增加。因此，植物根系分泌物是土壤酶的主要来源之一，不同植物根系分泌物会改变土壤酶的组成、活性、功能属性及作用强度和方向[35]。外来入侵植物豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)根际土壤蔗糖酶活性显著高于对照，脲酶和磷酸酶活性显著高于本地植物马塘(Digitariasanguinalis(L.) Scop)和空白对照[37]。本研究发现外来入侵植物空心莲子草根系分泌物可显著提高土壤脲酶、中性磷酸酶、蔗糖酶活性，这与外来入侵植物豚草的研究结果一致，进一步证明了外来入侵植物根系分泌物可以改变某些土壤酶的活性，进而增强其对环境的适应性，达到对新生境的入侵。

Moorhcad等[38]研究发现，脲酶影响着生物地球化学循环中氮素转化的关键过程，它能分解有机物，促进土壤中氮素的转化，使其更好地被植物吸收。本研究发现空心莲子草根系分泌物可以使土壤中脲酶的活性显著增加，因此可加速土壤中氮素的转化，增加植物对氮的吸收。另外，磷酸酶决定了土壤中有机磷的活化[38]。这是因为土壤有机磷不能被植物直接吸收利用，在磷酸酶作用下有机磷可转化为无机磷，促进植物根系吸收利用和土壤磷循环。因此，土壤磷酸酶活性的高低可以直接反映土壤速效磷的供给状况[37]。本研究中土壤酶活性分析显示，随着空心莲子草根系分泌物浓度的增加，土壤中性磷酸酶活性增强，这势必促进土壤中有机磷向无机磷的转化，增加植物对磷的吸收并促进土壤磷的循环。蔗糖酶可以促进土壤中有机碳转化，提高土壤肥力，增加土壤中可溶性糖含量，为微生物的生长繁殖提供碳源。因此，蔗糖酶代表土样肥力熟化程度，土壤的肥力水平可用蔗糖酶活性反映[37]。本研究中空心莲子草根系分泌物处理(T2、T3、T4)的蔗糖酶活性均高于空白，因此空心莲子草根系分泌物可改变土壤肥力，使土壤肥力增加。

4 结论

空心莲子草的根系分泌物显著增加了土壤中的放线菌数量，这说明空心莲子草根系分泌物能有效抑制细菌型土壤向真菌型土壤转化，减少土传病害发生的几率。空心莲子草根系分泌物可以使土壤中脲酶活性显著增加，从而加速土壤中氮素的转化；并使土壤中性磷酸酶活性增强，促进土壤中有机磷向无机磷的转化；同时增加蔗糖酶的活性，提高土壤肥力。因此，空心莲子草根系分泌物对根际土壤微生态的调控具有一定的促进作用，进而更有利于植物的生长发育和种群的扩张。