互花米草入侵對(duì)濕地土壤微生物群落的影響

摘要：通過(guò)比較江蘇沿海灘涂相鄰區(qū)域互花米草（Spartina alterniflora）與鹽地堿蓬（Suaeda salsa）根區(qū)、非根區(qū)土壤的理化性質(zhì)和微生物活性差異，以確定植物根系對(duì)土壤環(huán)境和微生物群落的影響。結(jié)果表明，鹽地堿蓬土壤有機(jī)碳、微生物生物量碳、微生物數(shù)量及其活性均高于互花米草土壤；土壤微生物數(shù)量及其活性隨季節(jié)波動(dòng)，春季最低，隨后開(kāi)始逐漸提高，夏季達(dá)到最高值，之后降低；植物根系的分布有利于微生物的生長(zhǎng)及其活性的提高。研究結(jié)果還表明，植被的差異顯著影響土壤環(huán)境和微生物群落，因此應(yīng)重新考慮互花米草的引種策略。

關(guān)鍵詞：土壤微生物；微生物活性；微生物生物量碳；互花米草（Spartina alterniflora）；鹽地堿蓬（Suaeda salsa）

中圖分類號(hào)：S543；Q939.96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）20-4908-04

Effects of Invasive Species Spartina alternifora on Soil Microbial Community

of Wetland

CHEN Ai-hui，LIANG Hui-xing，LI Zhao-xia

（School of Chemical and Bioengineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224003， Jiangsu， China）

Abstract： The soil characteristics and microbial community of rhizosphere and non-rhizosphere soils of Spartina alterniflora and Suaeda salsa in areas adjacent to coastal beach of Jiangsu province were compared to determine the effects of plant roots on soil environment and microbial community. Results showed that organic carbon， microbial biomass carbon， microbial population and activities in S. salsa soil were higher than that in S. alterniflora soil. The total number of microorganisms and microbial activity showed seasonal fluctuation of increasing from spring through summer and then declining gradually to the lowest value in spring. The distribution of plant root was beneficial to microorganisms growth and its activity. It was concluded that difference in vegetation cover significantly affected soil environment and microbial community. It was suggested that importing S. alternifora into this area should be reconsidered.

Key words： soil microorganisms； microbial activity； microbial biomass carbon； Spartina alternifora； Suaeda salsa

入侵植物的生長(zhǎng)影響本地植物的生存，造成棲息地生物多樣性的改變，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注和爭(zhēng)論。許多學(xué)者認(rèn)為，物種入侵對(duì)棲息地質(zhì)量是有害的[1]；然而，最近的一些研究指出濕地植被的改變對(duì)濕地演化是無(wú)害甚至是有利的[2-4]。

江蘇省鹽城市擁有大面積的濕地，濕地在維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)平衡中起著至關(guān)重要的作用，其生態(tài)服務(wù)和社會(huì)價(jià)值[5，6]不容忽視?；セ撞荩⊿partina alterniflora）具有消浪緩流和促進(jìn)沉積的作用[7，8]，中國(guó)于1979年將該物種引進(jìn)到鹽城濕地[9]，它取代了鹽地堿蓬（Suaeda salsa），在潮間帶中下部形成了單種優(yōu)勢(shì)植被。周虹霞等[10，11]的研究指出互花米草的生長(zhǎng)增加了濕地土壤微生物的多樣性，有利于濕地生態(tài)系統(tǒng)的演化。然而，此研究只比較了互花米草濕地土壤和光灘土壤微生物多樣性的差異，并沒(méi)有和原生先鋒植物鹽地堿蓬的土壤進(jìn)行比較，因此研究具有一定的局限性。本研究通過(guò)比較互花米草濕地與鹽地堿蓬濕地土壤微生物群落的數(shù)量和活性，探討入侵種互花米草對(duì)鹽城濕地微生物生態(tài)系統(tǒng)的影響，為濕地保護(hù)和重建提供土壤微生物學(xué)方面的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況和取樣設(shè)置

江蘇省鹽城海岸帶處于暖溫帶向北亞熱帶過(guò)渡地區(qū)[12]，以季風(fēng)氣候?yàn)橹??？傒椛淞窟_(dá)500×104 kJ/（cm2·年）， 日照總時(shí)間2 000～2 650 h/年， 日照率達(dá)50%～55%。全年平均氣溫受海洋的調(diào)節(jié)，9月至翌年2月偏暖，3～8月偏涼，春季回暖遲、氣溫低，秋季降溫遲、明顯偏暖，無(wú)霜期較長(zhǎng)，氣溫年、日變化小。年平均降雨量850～1 000 mm，灘地?zé)o霜凍期230 d左右。所選互花米草濕地和鹽地堿蓬濕地位于東臺(tái)市海岸。

所選采樣的互花米草濕地和鹽地堿蓬濕地相距500 m。在所選樣地內(nèi)按向海梯度設(shè)置10 cm×10 cm小樣方各6個(gè)（圖1），小樣方間距10 m。分別于2009年10月（秋季）、2010年1月（冬季）、4月（春季）和7月（夏季）進(jìn)行樣地調(diào)查及相關(guān)取樣， 在如圖所示每個(gè)小樣方內(nèi)分別取5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm深的土壤樣品約200 g，裝入無(wú)菌封口袋， 帶回實(shí)驗(yàn)室于4 ℃下保存，作為土壤微生物分析用樣品。試驗(yàn)前分別將樣地中6個(gè)小樣方的樣品按取樣深度分別混合， 過(guò)2 mm篩，備用。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤鹽度的測(cè)定參照文獻(xiàn)[13]的方法；土壤pH的測(cè)定采用酸度計(jì)法（土水質(zhì)量比1.0∶2.5）；土壤有機(jī)碳的測(cè)定參照Walkley[14]的方法；土壤全氮的測(cè)定參照Bremner等[15]的方法；土壤微生物生物量碳的測(cè)定參照Vance等[16]的方法。各指標(biāo)均為干土測(cè)定值。

1.3 土壤微生物數(shù)量的測(cè)定

土壤微生物數(shù)量測(cè)定采用DAPI（4′，6-二脒基-2-苯基吲哚）染色計(jì)數(shù)的方法[17]，熒光顯微鏡隨機(jī)計(jì)數(shù)6個(gè)視眼中的微生物數(shù)量，換算成單位cells/g，為干土測(cè)定值。

1.4 土壤微生物活性的測(cè)定

微生物活性的測(cè)定采用FAD（熒光素二乙酸酯）水解法[18]，利用分光光度計(jì)讀取在490 nm下的吸光度（A490 nm），以吸光度值代表微生物的活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層土壤的理化性質(zhì)和微生物生物量碳的季節(jié)變化

表層（5～10 cm）土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。土壤鹽度變化顯著，最高鹽度出現(xiàn)在秋季的鹽地堿蓬濕地。秋季和冬季濕地鹽度要高于春季和夏季，同一季節(jié)互花米草濕地和鹽地堿蓬濕地之間不存在明顯差異。土壤pH為8.35～8.50，不存在季節(jié)和濕地類型的差異。

鹽地堿蓬濕地土壤中的有機(jī)碳含量的季節(jié)變化為2.17～5.23 g/kg；互花米草濕地土壤中的有機(jī)碳含量的季節(jié)變化為2.26～3.75 g/kg。互花米草濕地和鹽地堿蓬濕地土壤有機(jī)碳含量的季節(jié)變化趨勢(shì)類似，秋季到冬季有機(jī)碳含量增高，隨后有機(jī)碳含量逐漸降低，至夏季達(dá)到最低值。除夏季外，其他季節(jié)互花米草濕地和鹽地堿蓬濕地的有機(jī)碳含量均存在顯著差異。土壤全氮含量為0.07～0.34 g/kg，其在兩種濕地土壤間不存在差異。兩濕地土壤微生物生物量碳含量為36.25～63.79 mg/kg，其除在冬季差異顯著外，其余季節(jié)均不顯著。

2.2 表層土壤的微生物群落季節(jié)變化

表層土壤微生物群落的季節(jié)變化見(jiàn)圖2。由圖2可知，鹽地堿蓬濕地的土壤微生物數(shù)量為（2.17～3.45）×106 cells/g，從春季開(kāi)始微生物的數(shù)量逐漸增加，到夏季達(dá)到最高值，隨后微生物數(shù)量減少，春季微生物數(shù)量最少；土壤微生物活性的吸光度值為0.087～0.129，其變化趨勢(shì)和微生物數(shù)量的變化趨勢(shì)類似?；セ撞轁竦氐耐寥牢⑸飻?shù)量和微生物活性的吸光度值分別為（2.07～2.64）×106 cells/g和0.075～0.105，其變化趨勢(shì)和鹽地堿蓬濕地類似?？傮w來(lái)講，鹽地堿蓬濕地的土壤微生物數(shù)量和微生物活性均高于互花米草濕地。

2.3 土壤深度對(duì)微生物群落的影響

兩濕地的土壤微生物數(shù)量和活性隨采樣深度的變化見(jiàn)圖3。由圖3可知，兩濕地的土壤微生物數(shù)量隨著采樣深度的增加而減少。鹽地堿蓬濕地的土壤微生物數(shù)量從表層（5～10 cm）的3.45×106 cells/g降低到20～30 cm土層的1.57×106 cells/g；互花米草濕地土壤微生物數(shù)量從表層的2.64×106 cells/g降低到20～30 cm土層的1.07×106 cells/g。在不同深度的各采樣土層中，鹽地堿蓬濕地的土壤微生物含量均高于互花米草濕地的土壤微生物含量。土壤微生物活性的變化趨勢(shì)和微生物數(shù)量的變化趨勢(shì)一致，鹽地堿蓬濕地的土壤微生物活性的吸光度值從表層的0.129降低到20～30 cm土層的0.087，互花米草濕地從表層的0.105降低到20～30 cm土層的0.067?？傮w來(lái)講，表層土壤具有更高的微生物數(shù)量和活性。

2.4 植被對(duì)微生物群落的影響

由圖4可知，根區(qū)土壤比非根區(qū)土壤具有更高的微生物數(shù)量和活性，鹽地堿蓬和互花米草根區(qū)土壤微生物數(shù)量分別為10.83×106 cells/g和7.08×106 cells/g，明顯地高于相應(yīng)的非根區(qū)土壤的微生物數(shù)量。鹽地堿蓬濕地根區(qū)和非根區(qū)土壤微生物數(shù)量的差異要大于互花米草濕地土壤根區(qū)和非根區(qū)微生物數(shù)量間的差異。微生物活性也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)講，鹽地堿蓬根系對(duì)土壤微生物群落的影響要大于互花米草的根系。

2.5 微生物群落大小和微生物活性之間的關(guān)系

土壤微生物活性是自然界中有機(jī)物周轉(zhuǎn)的主要推動(dòng)者，土壤中90%以上的能量是由微生物分解產(chǎn)生的[19]。通過(guò)測(cè)定FDA的降解率推測(cè)土壤微生物的活性是一種簡(jiǎn)便、精準(zhǔn)的微生物活性測(cè)定的方法[20]。酯酶、脂肪酶和蛋白酶等多種土壤酶均可降解FDA[18]，因此FDA的降解率與土壤酶的濃度和活性呈正相關(guān)。

由圖5可知，微生物活性與微生物數(shù)量呈正相關(guān)（R2=0.836 2）。非植物根區(qū)土壤中土壤酶主要是由微生物分泌產(chǎn)生的，F(xiàn)DA的降解率反映了微生物群落的大小。因此，可以通過(guò)測(cè)定FDA的降解率來(lái)估計(jì)微生物群落的豐度。

3 討論

微生物數(shù)量和活性存在明顯的季節(jié)變化，夏季是最適宜微生物生長(zhǎng)和繁殖的季節(jié)[21]，因此最高值總是出現(xiàn)在夏季。最低值沒(méi)有出現(xiàn)在預(yù)期的冬季，而是出現(xiàn)在了春季，可能與鹽城濕地所處的區(qū)域有關(guān)。鹽城濕地位于亞熱帶、暖溫帶的過(guò)渡區(qū)域，盛行東南亞季風(fēng)氣候，冬季溫度相對(duì)較高。雖然冬季的低溫降低了土壤微生物的活性和繁殖力，但是由于能夠從降落的枯落物中獲得充足的能量供應(yīng)，得以不斷增殖，同時(shí)冬季溫度低、代謝弱，微生物能在較低的能量供給下生存下來(lái)[10]。

鹽地堿蓬和互花米草濕地土壤的鹽度呈季節(jié)性變化，秋季和冬季的鹽度要高于夏季和春季。鹽城地區(qū)夏季多雨、冬季干燥，超過(guò)50%的年降水量出現(xiàn)在多雨的夏季。秋、冬季的少雨和高的蒸發(fā)量導(dǎo)致了土壤鹽度的增加。夏季多雨沖刷了部分鹽分，但是更高的蒸發(fā)量導(dǎo)致了土壤鹽分上升至地表，因此夏季土壤的鹽度與春季相似。研究顯示土壤的鹽度與微生物活性相關(guān)性不顯著。

土壤的曝氣梯度（Aeration gradient）是決定土壤微生物活性的主要因素[22]。上層土壤具有更多的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素[23]，更適合好氧微生物的生長(zhǎng)。研究中5～30 cm的土層更適合好氧微生物的生長(zhǎng)，隨著深度的增加土壤含氧量降低，好氧微生物數(shù)量和活性也隨之降低。這種明顯的微生物群落分布特征與其他研究結(jié)果相一致[21，24]。

與非根區(qū)土壤相比，根區(qū)土壤具有更高的微生物數(shù)量和活性。植物的生長(zhǎng)可以改良土壤、提高土壤肥力，有助于提高土壤微生物的多樣性和活性。不同的植物根系向土壤中釋放的氨基酸、多糖和酶類等物質(zhì)有所不同，形成了差異的土壤環(huán)境，因此植被是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素。鹽地堿蓬濕地的土壤微生物數(shù)量和活性高于互花米草濕地，因此鹽地堿蓬更有利于土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，因此應(yīng)重新考慮互花米草的引種策略。

參考文獻(xiàn)：

[1] MOONEY H A， DRAKE J A. Ecology of Biological Invasions of North America and Hawaii[M]. New York： Springer，1986.

[2] SAYCE J R. Spartina in Willapa Bay： A case history[A]. Mumford T F， Peyton P， Sayce J R. Spartina Workshop Record [C]. Seattle： University of Washington，1991，27-29.

[3] FELL P E， WEISSBACH S P， JONES D A， et al. Does invasion of oligohaline tidal marshes by reed grass Phragmites australis （Cav.） Trin. ex Steud.， affect the availability of prey resources for the mummichog， Fundulus heteroclitus L.？[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology，1998， 222：59-77.

[4] LEONARD L A， WREN P A， BEAVERS R L. Flow dynamics and sedimentation in Spartina alterniflora and Phragmites australis marshes of the Chesapeake Bay[J]. Wetlands，2002，22（2）：415-424.

[5] COSTANZA R， ARGE R D， GROOT R D. The value of the world’s ecosystem services and natural capital[J]. Nature，1997，387：253-260.

[6] MITSCH W J， GOSSELINK J G. Wetlands[M]. The Third Edition. New York： Van Nostrand Reinhold，2000.

[7] KNUTSON P L， BROCHU R A， SEELIG W N， et al. Wave damping in Spartina alterniflora marshes[J]. Wetlands，1982， 2（1）：87-104.

[8] STUMPF R P. The processes of sedimentation on the surface of a salt marsh[J]. Estuarine， Coastal and Shelf Science，1983， 17（5）：495-508.

[9] 沈永明，劉詠梅，陳全站.江蘇沿?；セ撞荩⊿partina alterniflora Loisel）鹽沼擴(kuò)展過(guò)程的遙感分析[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2002， 11（2）：33-38.

[10] 周虹霞，劉金娥，欽 佩.外來(lái)種互花米草對(duì)鹽沼土壤微生物多樣性的影響——以江蘇濱海為例[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（9）：2304-2311.

[11] 周虹霞，劉金娥，欽 佩.外來(lái)種互花米草鹽沼土壤微生物16S rRNA特征分析——以江蘇省潮間帶為例[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，21（6）：799-805.

[12] 任美鍔，許廷官，朱季文，等.江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報(bào)告[M].北京：海洋出版社，1985.

[13] 魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[14] WALKLEY A. A critical examination of a rapid method for determining organic carbon in soils-Effect of variations in digestion conditions and of inorganic soil constituents[J]. Soil Science，1947，63（4）：251-264.

[15] PAGE A L. Methods of Soil Analysis. Part 2. Chemical and Microbiological Properties[M]. Washington， D C： American Society of Agronomy， Soil Science Society of America， 1982.595-624.

[16] VANCE E D， BROOKES P C， JENKINSON D S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J]. Soil Biology Biochemistry，1987，19（6）：703-707.

[17] PORTER K G， FEIG Y S. The use of DAPI for identifying and counting aquatic microfora[J]. Limnology Oceanography，1980，25：943-948.

[18] SCHN？譈RER J， ROSSWALL T. Fluorescein diacetate hydrolysis as a measure of total microbial activity in soil and litter[J]. Appl Environ Microbiol，1982，43（6）：1256-1261.

[19] GREEN V S， STOTT D E， DIACK M. Assay for fluorescein diacetate hydrolytic activity： Optimization for soil samples[J]. Soil Biol Biochem，2006，38（4）：693-701.

[20] ADAM G， DUNCAN H. Development of a sensitive and rapid method for the measurement of total microbial activity using fluorescein diacetate（FDA） in a range of soils[J]. Soil Biol Biochem，2001，33（7）：943-951.

[21] WANG Z Y， XIN， Y Z， GAO D M， et al. Microbial community characteristics in a degraded wetland of the Yellow River Delta[J]. Pedosphere，2010，20（4）：466-478.

[22] BOSSIO D A， FLECK J A， SCOW K M， et al. Alteration of soil microbial communities and water quality in restored wetlands[J]. Soil Biol Biochem，2006，38（6）：1223-1233.

[23] NIEMI R M， VEPS？魧L？魧INEN M， ERKOMAA K， et al. Microbial activity during summer in humus layers under Pinus silvestris and Alnus incana[J]. Forest Ecol Manag，2007，242（2-3）：314-323.

[24] 劉 芳，葉思源，湯岳琴，等.黃河三角洲濕地土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2007，13（5）：691-696.4908，