土壤微生物對不同種源烏桕生長的影響

張 令，王 泓，陳楠楠，鄒建文

南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，江蘇南京210095

外來生物入侵已成為嚴重危害生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性的全球性問題之一。入侵植物對新生境的入侵能力受其本身的生物學特性、入侵地的可入侵性及外來種與本地種的相互作用共同影響。在對以上影響因素的研究中，國內(nèi)外學者對外來物種的成功入侵機理提出了眾多假說。其中，天敵逃逸假說(enemy release hypothesis)是有關(guān)外來入侵植物及其天敵相互作用的理論假說，闡述了專食性昆蟲對外來植物成功入侵的影響(Keane＆Crawley，2002)。該假說認為外來植物成功入侵是由于其逃避了本地專食性昆蟲的危害，在新生長環(huán)境中能夠在缺乏天敵控制的情況下迅速生長，進而建立種群并擴散蔓延(Keane＆Crawley，2002)。

近年來，對外來植物入侵機理的研究逐步深入，天敵逃逸假說的驗證也由單純的地上天敵發(fā)展到土壤微生物等地下生物群落(Callaway et al.，2011;Reinhart＆ Callaway，2006) 。目前，地下生物群落對外來植物成功入侵的影響受到越來越多的生態(tài)學者的關(guān)注。該類研究多采用不同種源植物為試驗材料，對比其在不同處理的土壤或者不同來源的土壤中的生長表現(xiàn)，研究土壤生物對植物入侵的影響。土壤微生物是否有利于外來種成功入侵目前尚無定論，研究土壤微生物在植物入侵中的作用有助于理解植物入侵的機理，為預測和控制入侵植物提供理論依據(jù)。

烏桕Triadica sebifera L.，大戟科烏桕屬落葉喬木，為中國特有的經(jīng)濟樹種，已有1400多年的栽培歷史。18世紀末，烏桕作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物首次引入喬治亞州，并于20世紀初由美國政府引入德克薩斯州(Siemann＆Rogers，2003)。目前，烏桕已經(jīng)成為美國東南部的一種嚴重入侵種，許多本地生物群落被單一優(yōu)勢種烏桕替代。

本文以成功入侵北美東南沿海地區(qū)的中國本地種烏桕為研究對象，研究土壤微生物對烏桕幼苗生長的影響，以此探究入侵種和本地種烏桕對本地非根際土壤微生物的響應(yīng)差異。

1 材料與方法

1.1 土壤采集

土壤采集于南京農(nóng)業(yè)大學校園自然地，距離附近烏桕根際20 m以上。土壤采集時移除地表的枯枝落葉層，去除石塊和其他雜物，陰涼處風干后過篩，混合均勻。將處理后的土壤樣品等分成2份，1份置于高壓蒸汽滅菌鍋中進行高溫滅菌，121℃以上維持40 min(滅菌土);1份直接使用(非滅菌土)。分別取滅菌土和非滅菌土約1000 mL置于生長容器內(nèi)(容器為規(guī)則圓柱形塑料制品，高25 cm，直徑10 cm)。

1.2 烏桕種子采集及育苗

烏桕種子于2009年12月采集于中國本地和入侵地美國東南部(表1)，試驗中各種源均采用4個種群，每個種群種子采集于3棵樹以上。2010年4月進行育苗，待種子生長至出現(xiàn)平展開真葉時選擇株高相近的各種群幼苗移栽于生長容器內(nèi)。移栽前記錄烏桕幼苗的株高和葉片數(shù)目等生物學指標。

表1 不同種群烏桕的地理分布信息Table 1 Locations of native and invasive populations of T.sebifera used in the study

1.3 試驗方法

試驗于溫室內(nèi)進行，設(shè)置新鮮土壤與滅菌土壤2個處理，每個處理16個重復。試驗進行過程中每月測量1次株高和葉片數(shù)，根據(jù)土壤水分狀況統(tǒng)一澆水(滅菌去離子水)，且每2周移動1次烏桕位置，以減少光照、溫度等環(huán)境異質(zhì)性的影響。土壤—烏桕反饋試驗大約持續(xù)120 d，于11月中旬收獲烏桕樹苗，并分別測定地上、地下和葉片等各部分生物量。

通過烏桕株高計算相對株高生長速度(relative height growth rate，RHR)。移栽時的株高為 H1，收獲時的株高為H2，間隔時間為t，計算公式為:RHR=(H2-H1)×10/H1/t，式中 H 的單位為 cm，t為 d，當H的單位由cm轉(zhuǎn)換為mm時，RHR單位則為mm·cm-1·d-1。

植株收獲后測定總?cè)~片數(shù)(total leaf number，TLN)、總?cè)~片面積(total leaf area，TLA)、總生物量(total biomass，TB)、葉片生物量(leaf biomass，LB)、地上生物量(aboveground biomass，AB)、地下生物量(root biomass，RB)等指標，通過以上指標進行比葉面積(specific leaf area，SLA)、葉面積比(leaf area ratio，LAR)、根冠比(root shoot ratio，RSR)等的換算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析和圖表制作采用軟件JMP 7.0與EXCEL 2003完成。土壤處理對烏桕生物學特性的影響，以烏桕種源、種群、土壤處理為三因素進行三因子方差分析;交互效應(yīng)顯著的處理進行多重比較進一步分析各因子效應(yīng);其中，種群作為種源內(nèi)部的嵌套因子進行分析。非正態(tài)數(shù)據(jù)進行平方根轉(zhuǎn)換以達到方差分析的數(shù)據(jù)分布要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量分析

三因子方差分析結(jié)果顯示，土壤處理對烏桕生物量指標AB與TB具有極顯著效應(yīng)(P＜0.001)，但是其RB無顯著變化(P=0.56);對植物競爭能力具有重要作用的RSR在土壤處理下變化顯著(P＜0.001);同時，烏桕種源對 RSR 影響顯著(P ＜0.05，表2)。多重比較結(jié)果顯示，在新鮮土壤中入侵種烏桕RSR顯著小于本地種，而在滅菌土壤中結(jié)果相反(表2、圖1);土壤處理和烏桕種源之間交互作用顯著(P＜0.0001);種源和土壤處理交互對AB、TB與RSR效應(yīng)顯著，種群對RB、AB和TB等指標影響顯著(P＜0.05，表2)。新鮮土壤中入侵種烏桕AB和TB均高于本地種(圖2)。對各生物量指標而言，土壤微生物去除顯著降低了入侵種烏桕的地上生物量和總生物量，從而導致入侵種根冠比增加，在滅菌土壤中本地種和入侵種根冠比無顯著差異(圖1～2)。

2.2 形態(tài)學指標分析

相對高度生長速度在種源、土壤處理和兩者交互影響下變化顯著(P＜0.001，表2)，而種群對RHR無顯著影響。在新鮮土壤中，入侵種烏桕RHR顯著高于本地種，土壤滅菌對RHR產(chǎn)生了明顯抑制作用，且對入侵種烏桕的抑制強度更大(圖1)。

入侵種烏桕TLA顯著高于本地種(P＜0.001)，而土壤滅菌顯著抑制了入侵種烏桕與本地種烏桕的TLA(P＜0.001);在種源與土壤處理交互效應(yīng)中，土壤滅菌顯著抑制了2種烏桕的TLA(P＜0.001)，而種源之間TLA無顯著差異。土壤滅菌顯著抑制了2種烏桕的SLA和LAR，且種源之間SLA和LAR均差異顯著(P ＜0.001，表2)。

表2 種源、種群和土壤處理對烏桕生物學指標影響方差分析Table 2 Effect of T.sebifera ecotype，populations(nested within ecotype)and soil biota manipulations on its seedlings performance

圖1 不同種源烏桕RSR與RHR對土壤處理的效應(yīng)分析Fig.1 Effect of ecotype and soil sterilization and their interactions on growth traits(RSR，RHR)of T.sebifera seedlings

圖2 不同種源烏桕AB與TB對土壤處理的效應(yīng)分析Fig.2 Soil sterilization effects on aboveground biomass(AB)and total biomass(TB)of native and invasive T.sebifera

3 討論

研究結(jié)果表明，土壤微生物對入侵種烏桕具有正效應(yīng);與本地種相比，入侵種烏桕幼苗總生物量、相對生長速度、根冠比以及總?cè)~面積、葉面積比、比葉面積等生物學指標均在新鮮土壤中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。入侵植物生態(tài)學研究中，與本地相比，入侵地土壤微生物群落多對植物入侵具有促進作用(Callaway et al.，2004、2011;Reinhart ＆ Callaway，2006)，說明部分植物的成功入侵與土壤微生物息息相關(guān)，而入侵物種在其起源地的溫馴表現(xiàn)可能也與土壤微生物的抑制作用有關(guān)。但入侵植物烏桕對本地土壤微生物的響應(yīng)尚無報道。本研究結(jié)果證實，本地土壤微生物對入侵種烏桕的生長具有明顯促進作用，土壤微生物的去除顯著抑制了入侵種烏桕幼苗的生長，而對本地種烏桕的影響較小。Nijjer et al.(2007)研究表明，入侵種烏桕根際能夠迅速積累大量有害病原菌，對其伴生種具有抑制作用。本研究采用本地非根際土壤作為試驗基質(zhì)，結(jié)合Nijjer et al.(2007)的研究結(jié)果得出，烏桕可能通過累積根際土壤致病菌群，對其競爭者產(chǎn)生強烈抑制作用，也可能通過進化產(chǎn)生較強的土壤微生物利用能力，為其在新生境中迅速建群和擴散提供保證。因此，根際累積有害微生物群落，同時迅速獲取非根際新生境中的有益微生物從而提高對土壤資源的有效利用可能是烏桕成功入侵的機制之一(Zou et al.，2006)。

當土壤具備完整的生物群落時，與本地種相比，入侵種烏桕的RSR、TLA、LAR、SLA等均具有明顯優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在具有較小的RSR，較高的TLA、LAR、SLA等利于其迅速生長的生物學特性，與Zou et al.(2007)關(guān)于烏桕的研究一致。但在土壤滅菌處理后，入侵種烏桕的生物學優(yōu)勢明顯受到抑制，甚至比本地種受到的抑制程度更為顯著(圖1～2)。除進化獲得的形態(tài)和生理特征可塑性之外，與本地種相比，入侵種烏桕在新鮮土壤中的良好表現(xiàn)足以說明其更能有效利用本地新鮮土壤中具備的某種微生物群落或者該微生物群落所影響的土壤養(yǎng)分。在新鮮土壤中，入侵種烏桕RHR顯著高于本地種;土壤滅菌處理后RHR受到顯著抑制，入侵種與本地種達到同一水平，說明土壤滅菌對入侵種烏桕的抑制作用更為明顯。這也再次證明，入侵種烏桕在入侵過程中對土壤微生物的利用能力遠遠高于本地種可能是其成功入侵的機理之一。

滅菌處理可能消除了土壤中存在的有益微生物或者菌根等共生體，進而使烏桕生物學指標受到限制(Nijjer et al.，2008)。已有研究證實，土壤微生物促進了烏桕對土壤有機氮的快速礦化和吸收，但該過程與哪類土壤微生物群落有關(guān)尚無報道。Blumenthal et al.(2009)研究表明，入侵植物更能有效利用菌根獲取土壤養(yǎng)分，但起源地的環(huán)境狀況對入侵植物獲取養(yǎng)分更為重要。養(yǎng)分對入侵植物是否能夠逃避土壤天敵以及逃避了何種土壤天敵起到?jīng)Q定作用。因此，對烏桕入侵機理的研究有必要結(jié)合本地和入侵地的土壤養(yǎng)分狀況進行討論。

本研究證實土壤微生物對入侵種烏桕的生長具有一定的促進作用，可以為入侵植物的成功預測和有效管理提供理論支持，從而減少外來物種入侵造成的經(jīng)濟損失和生態(tài)系統(tǒng)功能破壞。本研究于烏桕原產(chǎn)地進行，而進一步探究土壤微生物對烏桕入侵的作用需要結(jié)合入侵地土壤微生物以及根際和非根際土壤微生物的相關(guān)研究。

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