劉 潮， 韓利紅， 宋培兵， 張亞萍

(曲靖師范學(xué)院云南高原生物資源保護(hù)與利用研究中心/生物資源與食品工程學(xué)院/云南省高校云貴高原動(dòng)植物多樣性及生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南曲靖 655011)

土壤微生物是土壤中生理、生化等各種反應(yīng)的參與者和推動(dòng)者，在植物凋落物的降解、養(yǎng)分循環(huán)與平衡、土壤理化性質(zhì)改善中起重要作用。根際微生物的物質(zhì)轉(zhuǎn)化作用，直接促進(jìn)或抑制根的營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)，也影響根際土壤中碳、氮、磷、硫等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。不同植物根系分泌物的化學(xué)組成及根周轉(zhuǎn)速率的差異，導(dǎo)致土壤微生物多樣性的改變[1]；外來(lái)植物根系對(duì)土壤物質(zhì)輸入的改變，影響土壤微生物的種類和數(shù)量[2-3]；外來(lái)植物凋落物構(gòu)成的變化也會(huì)影響土壤微生物的結(jié)構(gòu)和功能[4]。此外，外來(lái)植物可通過(guò)改變?nèi)肭值赝寥赖乃譅顩r及土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等物理特性，間接地影響土壤微生物的多樣性[2]。外來(lái)種的入侵改變了土壤肥力、群落結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)，這些因素的改變又會(huì)作用于依賴其生長(zhǎng)的生物。因此，植物-土壤生物-土壤之間存在著相互依賴、相互作用的復(fù)雜關(guān)系。

紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)是我國(guó)危害最嚴(yán)重的外來(lái)入侵植物之一，對(duì)入侵地的生態(tài)系統(tǒng)以及農(nóng)、林、牧業(yè)造成嚴(yán)重危害。為了解紫莖澤蘭定植多年后，土壤中微生物對(duì)紫莖澤蘭生長(zhǎng)及其與我國(guó)西南當(dāng)?shù)刂参锔?jìng)爭(zhēng)的反饋?zhàn)饔茫狙芯客ㄟ^(guò)采集紫莖澤蘭入侵群落下土壤，分別對(duì)其進(jìn)行滅菌處理、添加殺真菌劑處理并設(shè)對(duì)照處理，采用紫莖澤蘭單種與其他3種伴生西南當(dāng)?shù)氐刂参锺R唐(Digitariasanguinalis)、拔毒散(Sidaszechuensis)和青蒿(Artemisiacarvifolia)分別混種的方式，來(lái)驗(yàn)證不同土壤微生物類群在紫莖澤蘭入侵過(guò)程中的作用，以期為紫莖澤蘭的控制管理和入侵地生態(tài)恢復(fù)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2005年6月從云南省瀾滄縣迷古嗎草場(chǎng)采集紫莖澤蘭群落下土壤，收集表層15 cm礦質(zhì)土，去掉所有的凋落物和植被，過(guò)5 mm篩(不會(huì)影響微生物群落)。土壤的pH值為 5.37，有機(jī)質(zhì)含量為118.37 g/kg，全氮含量為4.52 g/kg，全磷含量為1.73 g/kg，全鉀含量為8.45 g/kg，水解氮含量為345.6 mg/kg，有效磷含量為0.5 mg/kg，速效鉀含量為 95.2 mg/kg。選取紫莖澤蘭和3種伴生西南當(dāng)?shù)刂参锺R唐、拔毒散和青蒿為植物材料。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土壤分別設(shè)滅菌(Ⅰ)、對(duì)照(Ⅱ)、添加殺真菌劑(Ⅲ)3個(gè)處理。滅菌處理，土壤于121 ℃條件下高壓滅菌1 h；對(duì)照處理為2/3滅菌土壤和1/3對(duì)照土壤的混合物，以減少滅菌造成的肥力影響；添加殺真菌劑處理，土壤處理同對(duì)照，但定期向土壤中添加殺真菌劑。向所有處理土壤中添加活性炭以消除化感影響[5-6]。2005年7月，選取高度一致的單株實(shí)生幼苗，采用盆栽法栽培。為保持土壤濕潤(rùn)，每3 d澆無(wú)菌水1次，所有處理定期加Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液。在添加殺真菌劑處理的試驗(yàn)中，每20 d加1次殺真菌劑苯菌靈(Benomyl)。

每15 d用直尺(精確度1 mm)測(cè)定1次株高，計(jì)算株高相對(duì)生長(zhǎng)速率。4個(gè)月后分別收獲植株地上和地下部分，并于80 ℃條件下烘48 h，用電子天平(精確度0.000 1 g)分別稱根、莖、葉干質(zhì)量。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

使用SPSS 12.0(SPSS Inc. Chicago，Illinois，USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用Sigma Plot 8.0(SPSS Inc. Chicago，Illinois，USA)進(jìn)行繪圖分析。采用One-way ANOVA對(duì)不同單種、混種處理下植株生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行比較，使用S-N-K(Student Newman-Keuls)檢驗(yàn)進(jìn)行各均值的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 受試植物單種時(shí)株高相對(duì)生長(zhǎng)率比較

由圖1可知，處理Ⅰ中紫莖澤蘭在各生長(zhǎng)階段的相對(duì)生長(zhǎng)率均較高，馬唐、拔毒散和青蒿生長(zhǎng)緩慢，其中拔毒散有較嚴(yán)重的蟲(chóng)咬現(xiàn)象，且在105 d后全部死亡。與處理Ⅱ和Ⅲ相比，處理Ⅰ中各植物(除馬唐)相對(duì)生長(zhǎng)率均較低。與處理Ⅰ相比，處理Ⅱ和處理Ⅲ中青蒿的相對(duì)生長(zhǎng)率更高，拔毒散的相對(duì)生長(zhǎng)率也有所提高，處理Ⅱ、處理Ⅲ的青蒿生長(zhǎng)至75 d時(shí)的相對(duì)生長(zhǎng)率超過(guò)了紫莖澤蘭。馬唐在3種處理中的相對(duì)生長(zhǎng)率增長(zhǎng)得較慢。種植45 d后，處理Ⅱ的紫莖澤蘭表現(xiàn)出快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。各處理對(duì)拔毒散的影響明顯，處理Ⅱ和處理Ⅲ的拔毒散在種植60 d后，相對(duì)生長(zhǎng)率高于處理Ⅰ，且處理Ⅲ在種植105 d后明顯高于處理Ⅱ。處理Ⅱ和處理Ⅲ中青蒿的相對(duì)生長(zhǎng)率之間沒(méi)有明顯差異。

2.2 受試植物單種時(shí)生物量比較

由圖2可知，3種土壤處理方式對(duì)各植物根、莖、葉生物量影響不同。處理Ⅲ紫莖澤蘭的根、莖生物量顯著高于處理Ⅰ和處理Ⅱ，葉生物量顯著高于處理Ⅱ；處理Ⅲ馬唐的根、莖、葉生物量顯著高于處理Ⅰ和處理Ⅱ；處理Ⅲ拔毒散的莖生物量高于處理Ⅱ，而葉生物量卻相反，根生物量沒(méi)有明顯差別；處理Ⅱ和處理Ⅲ青蒿的根、莖生物量均顯著高于處理Ⅰ。

2.3 受試植物混種時(shí)株高相對(duì)生長(zhǎng)率比較

由圖3可知，處理Ⅰ中與拔毒散和青蒿混種的紫莖澤蘭相對(duì)生長(zhǎng)率在種植前90 d明顯高于與馬唐混種的紫莖澤蘭，而與馬唐混種的紫莖澤蘭在種植90 d后相對(duì)生長(zhǎng)率快速增加，至收獲前其相對(duì)生長(zhǎng)率達(dá)到最高值。處理Ⅱ中3種混種處理間紫莖澤蘭的相對(duì)生長(zhǎng)率差別不大。處理Ⅲ中，各混種處理的紫莖澤蘭在前60 d沒(méi)有明顯差異，之后與青蒿混種的紫莖澤蘭株高相對(duì)生長(zhǎng)率增加變緩，而與馬唐混種處理的明顯增加。

由圖4可知，混種種植60 d后處理Ⅲ中的青蒿和拔毒散快速生長(zhǎng)，而馬唐的相對(duì)生長(zhǎng)率仍較低。種植75 d后，3種土壤處理方式中混種條件下青蒿的相對(duì)生長(zhǎng)率表現(xiàn)為處理Ⅲ明顯大于處理Ⅰ和處理Ⅱ，拔毒散表現(xiàn)為處理Ⅲ與處理Ⅱ差異不大，但均明顯高于處理Ⅰ，馬唐在3種土壤中差異不大。

2.4 受試植物混種時(shí)生物量比較

由圖5可知，處理Ⅰ紫莖澤蘭根、莖、葉生物量均是與馬唐混種時(shí)最低；處理Ⅱ紫莖澤蘭根、莖、葉生物量均為與馬唐混種時(shí)最高，與青蒿混種次之，與拔毒散混種時(shí)最低；處理Ⅲ紫莖澤蘭根、莖、葉生物量均較處理Ⅰ、處理Ⅱ高，紫莖澤蘭與青蒿混種的根、莖、葉生物量均低于其他2種混種處理。與馬唐混種的紫莖澤蘭根、莖、葉生物量均表現(xiàn)為處理Ⅲ>處理Ⅱ>處理Ⅰ；與拔毒散混種的紫莖澤蘭根、莖、葉生物量均表現(xiàn)為處理Ⅲ>處理Ⅰ>處理Ⅱ；與青蒿混種的紫莖澤蘭根、莖、葉生物量在3種土壤處理下沒(méi)有顯著差異。

由圖6可知，在與紫莖澤蘭混種時(shí)，處理Ⅰ和處理Ⅲ馬唐根、莖、葉生物量沒(méi)有顯著差異，但顯著高于處理Ⅱ；處理Ⅱ拔毒散莖生物量顯著高于處理Ⅰ和處理Ⅲ；處理Ⅰ和處理Ⅱ青蒿根、莖、葉生物量沒(méi)有顯著差異，但顯著低于處理Ⅲ。

3 討論

植物的形態(tài)和生長(zhǎng)指標(biāo)可能與入侵性有關(guān)，研究土壤微生物對(duì)植物生長(zhǎng)速率的影響對(duì)探討植物入侵性具有重要的意義。在單種中，滅菌處理可明顯降低植物的相對(duì)生長(zhǎng)率，其中對(duì)青蒿和拔毒散生長(zhǎng)速率影響相對(duì)較大，對(duì)紫莖澤蘭和馬唐生長(zhǎng)的影響相對(duì)較小，說(shuō)明土壤中的微生物群落對(duì)植物的生長(zhǎng)存在較大的反饋?zhàn)饔肹7]。在混種中，滅菌處理下紫莖澤蘭早期生長(zhǎng)較慢，后期與對(duì)照處理相當(dāng)，添加殺真菌劑處理紫莖澤蘭相對(duì)生長(zhǎng)率略低于對(duì)照處理，說(shuō)明土壤微生物對(duì)紫莖澤蘭的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，且真菌可在一定程度上促進(jìn)紫莖澤蘭的生長(zhǎng)。紫莖澤蘭在入侵定植過(guò)程中，可改變土壤中真菌成分，影響當(dāng)?shù)刂参锏纳L(zhǎng)[3]。

研究表明，土壤微生物可提高外來(lái)植物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，影響外來(lái)植物和本地植物的種間關(guān)系[8-10]。外來(lái)植物可通過(guò)改變?nèi)肭值赝寥牢⑸锶郝鋪?lái)阻礙當(dāng)?shù)刂参锏纳L(zhǎng)和更新[3，8，11-12]，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)和地上植物群落組成的改變。在單種中，添加殺真菌劑處理下紫莖澤蘭根、莖生物量均顯著高于滅菌和對(duì)照處理；與滅菌處理相比，添加殺真菌劑處理的3種我國(guó)西南當(dāng)?shù)刂参锏南鄬?duì)生長(zhǎng)速率及其根、莖、葉生物量整體上較高，說(shuō)明土壤中的微生物對(duì)植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，但部分真菌類群可在一定程度上抑制我國(guó)西南當(dāng)?shù)刂参锏纳L(zhǎng)。土壤菌根真菌通過(guò)菌絲連接不同植物來(lái)促進(jìn)寄主植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，抑制伴生植物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)植物群落的演替[8-9]。添加殺真菌劑處理下，與馬唐混種的紫莖澤蘭生物量略高于與拔毒散和青蒿混種的紫莖澤蘭；對(duì)照處理下，與馬唐混種的紫莖澤蘭生物量高于滅菌處理，而對(duì)照處理下馬唐的生物量顯著低于滅菌處理，說(shuō)明土壤微生物可促進(jìn)紫莖澤蘭對(duì)馬唐的競(jìng)爭(zhēng)作用，但土壤中的真菌類群可能對(duì)紫莖澤蘭和馬唐的生長(zhǎng)有抑制作用。對(duì)照處理下，與拔毒散混種的紫莖澤蘭生物量明顯低于其他2種處理，拔毒散根生物量顯著高于滅菌處理，莖生物量顯著高于滅菌處理和添加殺真菌劑處理，說(shuō)明土壤微生物抑制了紫莖澤蘭對(duì)拔毒散的競(jìng)爭(zhēng)作用，可考慮將拔毒散選作紫莖澤蘭的替代植物。與對(duì)照處理相比，滅菌處理與青蒿混種的紫莖澤蘭生物量及青蒿生物量均無(wú)顯著差異，只是添加殺真菌劑處理下的青蒿生物量顯著高于滅菌和對(duì)照處理，說(shuō)明土壤微生物在紫莖澤蘭與青蒿的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)中作用不顯著，土壤中的真菌類群可抑制青蒿的生長(zhǎng)。本研究認(rèn)為，土壤中某些微生物類群可在紫莖澤蘭與我國(guó)西南當(dāng)?shù)刂参锏母?jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)中發(fā)揮了作用，但具體起作用的是哪些微生物，作用機(jī)制如何，還有待進(jìn)一步研究。

多種機(jī)制參與了外來(lái)入侵植物的擴(kuò)張過(guò)程[12-14]，紫莖澤蘭通過(guò)影響土壤化感物質(zhì)積累、微生物群落組成[15-17]和土壤肥力水平[18]，創(chuàng)造有利于其入侵的土壤環(huán)境，促進(jìn)了其快速占據(jù)生態(tài)位。紫莖澤蘭與土壤的正反饋?zhàn)饔每赡苁瞧涑晒θ肭值闹匾颉?/p>

致謝：中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園生物入侵生態(tài)學(xué)創(chuàng)新研究組為本研究提供了試驗(yàn)條件，在此謹(jǐn)表謝忱。

參考文獻(xiàn)：

[1]Coleman M D，Dickson R E，Isebrands J G. Contrasting fine-root production，survival and soil CO2efflux in pine and poplar plantations[J]. Plant and Soil，2000，225(1/2)：129-139.

[2]Kourtev P S，Ehrenfeld J G，Huang W Z. Enzyme activities during litter decomposition of two exotic and two native plant species in hardwood forests of New Jersey[J]. Soil Biology & Biochemistry，2002，34(9)：1207-1218.

[3]Niu H B，Liu W X，Wan F H，et al. An invasive aster (Ageratinaadenophora) invades and dominates forest understories in China：altered soil microbial communities facilitate the invader and inhibit natives[J]. Plant and Soil，2007，294(1/2)：73-85.

[4]Saggar S，Mcintosh P D，Hedley C B，et al. Changes in soil microbial biomass，metabolic quotient，and organic matter turnover underHieracium(H.pilosellaL.)[J]. Biology and Fertility of Soils，1999，30(3)：232-238.

[5]Callaway R M，Aschehoug E T. Invasive plants versus their new and old neighbors：a mechanism for exotic invasion[J]. Science，2000，290(5491)：521-523.

[6]Ridenour W M，Callaway R M. The relative importance of allelopathy in interference：the effects of an invasive weed on a native bunchgrass[J]. Oecologia，2001，126(3)：444-450.

[7]肖 博，周 文，劉萬(wàn)學(xué)，等. 紫莖澤蘭入侵地土壤微生物對(duì)紫莖澤蘭和本地植物的反饋[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2014，16(4)：151-158.

[8]Reinhart K O，Callaway R M. Soil biota facilitate exoticAcerinvasions in Europe and North America[J]. Ecological Applications，2004，14(6)：1737-1745.

[9]Callaway R M，Thelen G C，Rodriguez A，et al. Soil biota and exotic plant invasion[J]. Nature，2004，427(6976)：731-733.

[10]Klironomos J N. Feedback with soil biota contributes to plant rarity and invasiveness in communities[J]. Nature，2002，417(6884)：67-70.

[11]Marler M J，Zabinski C A，Callaway R M. Mycorrhizae indirectly enhance competitive effects of an invasive forb on a native bunchgrass[J]. Ecology，1999，80(4)：1180-1186.

[12]鐘軍弟，周宏彬，劉鍇棟，等. 3種菊科入侵植物白花鬼針草、勝紅薊和假臭草的種子生物學(xué)特性比較研究[J]. 雜草學(xué)報(bào)，2016，34(2)：7-11.

[13]丁 丹，陳 超. 紅毛草(Rhynchelytrumrepens)入侵特性、地理分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 雜草學(xué)報(bào)，2016，34(2)：29-33.

[14]張衛(wèi)華，陳 超，孫 寅. 斑地錦(Euphorbiamaculata)入侵特征、地理分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 雜草學(xué)報(bào)，2017，35(1)：42-47.

[15]楊 瓊，梁 羽，楊 劍，等. 入侵植物薇甘菊的根際土壤微生物特征[J]. 生態(tài)科學(xué)，2015，34(2)：148-155.

[16]趙曉紅，楊殿林，王 慧，等. 黃頂菊入侵對(duì)不同地區(qū)土壤氮循環(huán)及微生物量的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2015，24(2)：62-69.

[17]張麗娜，王桔紅，陳 文，等. 紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和部分理化指標(biāo)的比較及其相關(guān)性分析[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25(2)：33-40.

[18]劉 潮，馮玉龍，田耀華. 紫莖澤蘭入侵對(duì)土壤酶活性和理化因子的影響[J]. 植物研究，2007，27(6)：729-735.