意大利蒼耳入侵對土壤酶活與土壤肥力的影響

李 喬，王 月，張玉曼，賈月月，張風娟*

(1河北科技師范學院生命科技學院，河北秦皇島，066600;2河北大學生命科學學院)

意大利蒼耳(Xanthium italicum Moretti)是雙子葉植物綱菊科蒼耳屬植物。原產(chǎn)地為北美洲，現(xiàn)主要分布在加拿大南部、美國、墨西哥、澳大利亞、烏克蘭、地中海等地區(qū)，1991年首次發(fā)現(xiàn)北京有分布［1，2］，現(xiàn)已擴散至河北、山東、深圳等地。該植物根系發(fā)達，入土較深，不易清除。一旦侵入農(nóng)作物地區(qū)，不僅與當?shù)刂参餇帄Z生存資源，大肆排擠本地植物，影響當?shù)刂参锷L;而且其果實易混入糧食作物中，影響產(chǎn)量及質(zhì)量，且種子會隨農(nóng)產(chǎn)品傳播，尤其棉田、豆類作物受害較為嚴重，現(xiàn)已被列為我國3類檢疫性雜草之一。

目前，有關(guān)意大利蒼耳入侵對土壤生態(tài)的影響方面的研究還未見報道，因此，筆者對入侵雜草意大利蒼耳與本地草本植物群落根際土壤酶活性和土壤肥力進行比較研究，旨在揭示可能影響土壤肥力變化的主導(dǎo)因素，為進一步了解意大利蒼耳的入侵機理和科學管理生態(tài)環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 試驗方法

1．1 試驗樣地與土壤采集

研究地區(qū)位于中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所廊坊實驗基地。在實驗區(qū)分別設(shè)置外來入侵植物意大利蒼耳單種小區(qū)、蒼耳狗尾草混種小區(qū)、狗尾草單種小區(qū)和空白對照區(qū)。其中，意大利蒼耳單種小區(qū)中意大利蒼耳的蓋度為95%;蒼耳狗尾草混種區(qū)意大利蒼耳和狗尾草處于競爭生長，其中意大利蒼耳的蓋度為80%，本地植物狗尾草的蓋度為20%;狗尾草單種區(qū)狗尾草蓋度為100%;同時設(shè)置沒有任何植物的空白對照區(qū)。

清除地面凋落物后，在每個小區(qū)采用對角線采樣法采集土樣，每個小區(qū)對角采集5至10個點。意大利蒼耳單種區(qū)在主根周圍向下垂直取5～20 cm土壤混合，混種區(qū)選取對角線上距兩種植物的中心部位土壤混合，同時需要去除石塊、植物根系和土壤動物等，取好土樣裝袋并立即放入冰盒內(nèi)，帶回實驗室過0．83 mm篩(國家標準篩)，保存于－80℃冰箱備用。

1．2 試驗方法

1．2．1 土壤酶活的測定 根際土壤酶活的測定采用分光光度計進行比色法測定。蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，酶活性以37℃培養(yǎng)24 h，以單位質(zhì)量土壤(g)生成的葡萄糖質(zhì)量(mg)表示;脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，酶活性以38℃培養(yǎng)3 h后，單位質(zhì)量土壤(g)中氨態(tài)氮(NH3-N)的質(zhì)量(mg)表示;蛋白酶采用茚三酮比色法，以30℃培養(yǎng)24 h后以單位質(zhì)量土壤(g)中的氨基氮(NH2-N)的質(zhì)量(mg)表示酶活;酸性磷酸酶和堿性磷酸酶都采用磷酸苯二鈉比色法，酶活以37℃培養(yǎng)24 h后，單位質(zhì)量土壤(g)中磷(P)的質(zhì)量(mg)表示;多酚氧化酶和過氧化物酶均采用鄰苯三酚比色法，酶活均以30℃培養(yǎng)2 h后，單位質(zhì)量土壤(g)中生成紫色沒食子素的質(zhì)量(mg)表示。

1．2．2 土壤肥力的測定 土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀法;以單位質(zhì)量土壤(kg)中有機質(zhì)的質(zhì)量(g)表示;水解性氮采用堿解擴散法測定，結(jié)果以單位質(zhì)量土壤(g)中水解氮(N)的質(zhì)量(μg)表示;速效鉀采用1 mol·L－1中性醋酸銨(NH4OAC)浸提，浸提劑用量10 mL/g，用原子分光光度計測定，結(jié)果以單位質(zhì)量土壤(g)中速效鉀(K)的質(zhì)量(μg)表示;有效磷采用0．5 mol·L－1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，結(jié)果以單位質(zhì)量土壤(g)中有效磷(P)的質(zhì)量(μg)表示。

1．3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均運用SPSS 13．0軟件。對土壤酶活、土壤肥力采用單因素方差分析;然后對土壤作酶活與肥力相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 意大利蒼耳入侵對土壤肥力的影響

與狗尾草單種相比，意大利蒼耳入侵顯著提高了土壤中速效鉀、有效磷、有機質(zhì)和水解性氮的含量(表1)。與蒼耳狗尾草混種相比，意大利蒼耳單種小區(qū)中土壤中速效鉀、水解性氮、有機質(zhì)和有效磷的含量顯著降低。

表1 意大利蒼耳入侵對土壤肥力的影響 μg·g－1

2．2 意大利蒼耳入侵對土壤酶活的影響

與狗尾草單種相比，意大利蒼耳入侵提高了其入侵域土壤脲酶和蔗糖酶的活性，降低了土壤蛋白酶的活性(表2);蒼耳狗尾草混種小區(qū)土壤中酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化物酶的活性均顯著高于意大利蒼耳單種和狗尾草單種小區(qū)的土壤酶活;意大利蒼耳入侵對堿性磷酸酶活性沒有影響。

表2 意大利蒼耳入侵對土壤酶活的影響 mg·g－1

2．3 土壤酶活與土壤肥力之間的相關(guān)性

意大利蒼耳入侵過程中，土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析結(jié)果表明，蔗糖酶與速效鉀、水解性氮的相關(guān)性分別達到顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0．966，0．950(表3);與有機質(zhì)、有效磷也呈不同程度的相關(guān)性，但相關(guān)性不明顯，說明蔗糖酶活性高時，速效鉀和水解性氮的含量也高;脲酶與速效鉀、有機質(zhì)、水解性氮呈不同程度的正相關(guān)，與有效磷呈負相關(guān)，說明脲酶活性增高時速效鉀、有機質(zhì)、水解氮含量增高，而有效磷含量降低;蛋白酶與4種養(yǎng)分均呈不同程度負相關(guān)，說明蛋白酶活性的提高會導(dǎo)致4種養(yǎng)分含量的降低;堿性磷酸酶、酸性磷酸酶均與有效磷呈不同程度負相關(guān);多酚氧化酶與有效磷呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0．972，與有機質(zhì)呈不太顯著的負相關(guān);過氧化物酶與有機質(zhì)、有效磷均呈一定負相關(guān)，但相關(guān)性不大，與速效鉀、水解氮無顯著相關(guān)性。

表3 意大利蒼耳入侵對土壤酶活與土壤肥力的相關(guān)性影響

3 結(jié)論與討論

土壤養(yǎng)分的提高通常有利于植物的生長競爭［3，4］，微環(huán)境土壤養(yǎng)分的高低與植物間的競爭和演替有著非常緊密的關(guān)系［5］。本次試驗通過對意大利蒼耳入侵區(qū)、蒼耳狗尾草混種區(qū)、本地植物狗尾草單種區(qū)、裸土對照區(qū)等4個區(qū)域的土壤性質(zhì)比較，發(fā)現(xiàn)意大利蒼耳入侵打破了土壤中不同養(yǎng)分之間原有的平衡，除有效磷外，有機質(zhì)、速效鉀、水解性氮含量均較裸土對照區(qū)和狗尾草單種區(qū)高，推測有機質(zhì)、速效鉀、水解性氮含量的增加有利于意大利蒼耳的快速生長，從而提高其在植物間競爭力;土壤磷素養(yǎng)分的降低可能是意大利蒼耳植株對磷素的強吸收作用所引起的［6］，對周圍植物生長可能產(chǎn)生不利影響。相關(guān)研究表明，入侵植物紫莖澤蘭(Ageratina adenophora)、加拿大一枝黃花(Solidago canadens)［7］、小檗(Berberis thunbergii)［8］和糖蜜草(Melinis minutiflora)［9］等通過提高根際土壤無機氮的供給而大大增加其對本地植物的相對競爭力;而土壤磷素養(yǎng)分含量的降低也將抑制其他需磷植物的生長，使其在競爭中逐步被淘汰［10］?？梢?，意大利蒼耳與本地植物狗尾草對群落根際土壤養(yǎng)分影響的巨大差異可能是意大利蒼耳排擠狗尾草的原因，由此可推測意大利蒼耳可能通過改變?nèi)肭钟蛲寥鲤B(yǎng)分來促進自身的快速生長并降低本地物種的競爭力，但此結(jié)論尚需進一步試驗證明。

土壤酶是土壤的重要組成成分，主要來源于土壤微生物代謝過程，土壤中動物、植物殘體分解和微生物的細胞分泌物。土壤酶參與土壤發(fā)生、發(fā)育以及土壤肥力的形成和演化的全過程，與土壤中的一切生物化學反應(yīng)相關(guān)［11］。土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強度。土壤具有同化和代謝外界進入土壤的物質(zhì)的能力，這種代謝與同化功能反過來會影響土壤的理化性質(zhì)，而土壤的理化性質(zhì)決定了土壤的質(zhì)地及肥力狀況［12］。本次試驗結(jié)果表明，除蛋白酶和堿性磷酸酶外，與狗尾草單種相比，意大利蒼耳入侵顯著增強了土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶和過氧化物酶的活性。由土壤酶活與肥力相關(guān)性分析結(jié)果知:蔗糖酶與速效鉀、水解性氮分別達到顯著正相關(guān)，蛋白酶與4種養(yǎng)分均呈不同程度負相關(guān)，脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶均與有效磷呈不同程度負相關(guān)，多酚氧化酶與有效磷達到顯著正相關(guān)，本次試驗結(jié)果說明不同植物群落根際土壤酶活性在土壤養(yǎng)分的變化中發(fā)揮著重要的作用，土壤酶活性可能是導(dǎo)致不同種群根際土壤養(yǎng)分變化的重要動力機制之一。蔗糖酶酶活的強弱反映了土壤熟化程度，脲酶與土壤中可利用的氮素含量有關(guān)，相對于空白小區(qū)和狗尾草單種小區(qū)，意大利蒼耳入侵明顯增強了土壤蔗糖酶和脲酶的酶活，脲酶活性的增強加快了土壤中氮素的轉(zhuǎn)化，這可能是意大利蒼耳入侵域意大利蒼耳瘋狂生長而本地植物狗尾草逐步衰落的間接原因。

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