紫莖澤蘭的化感物質(zhì)對(duì)土壤有效磷含量和巨大芽孢桿菌生長的影響

楊國慶 郭嬌 桂富榮

摘要：紫莖澤蘭是我國重要的入侵雜草，在室內(nèi)條件下研究了紫莖澤蘭根際的4種化感物質(zhì)[鄰苯二甲酸（2-乙基）己酯（DEH）、鄰苯二甲酸二丁酯（DB）、澤蘭二酮（DTD）和羥基澤蘭酮（HHO）]對(duì)其根際土壤有效磷含量和巨大芽孢桿菌種群生長的影響。結(jié)果表明：4種化感物質(zhì)均可促進(jìn)解磷細(xì)菌巨大芽孢桿菌的生長，主要表現(xiàn)在種群環(huán)境容量和內(nèi)稟增長力的增加；無化感物質(zhì)處理時(shí)，紫莖澤蘭入侵地土壤的有效磷含量高于未入侵地。用4種化感物質(zhì)處理紫莖澤蘭入侵地土壤后，其有效磷含量又有不同程度的增加，其中DB在低濃度、DTD在中高濃度下的促進(jìn)作用與對(duì)照相比達(dá)顯著水平。結(jié)果說明紫莖澤蘭的化感物質(zhì)具有“雙面性”作用，除了可以抑制排擠本地伴生植物外，還能促進(jìn)解磷細(xì)菌生長以提高入侵地土壤的有效磷含量；研究結(jié)果為深入闡釋紫莖澤蘭入侵后土壤營養(yǎng)環(huán)境變化的機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紫莖澤蘭；化感物質(zhì)；有效磷；巨大芽孢桿菌；土壤營養(yǎng)

中圖分類號(hào)： S45文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：002-302（204）2-037-04[HS）][HT9SS]

紫莖澤蘭（Ageratina adenophora Spreng）是我國重要的入侵雜草，可造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞[-3]。紫莖澤蘭入侵?jǐn)U張的機(jī)理成為了該雜草控制基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)問題之一[4]，其中一些研究指出，化感作用在紫莖澤蘭入侵成為單種優(yōu)勢種群的過程中起著非常重要的作用[5-7]，并且紫莖澤蘭的主要化感物質(zhì)及其作用機(jī)理已被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)[7-0]。一般來說，入侵植物對(duì)本地植物不利的化感作用主要表現(xiàn)為直接和間接作用，即一方面通過化感物質(zhì)對(duì)受體植物的直接接觸而產(chǎn)生的抑制效應(yīng)；另一方面也通過改變土壤環(huán)境而不利于本地植物生長，且后者在植物群落演替中的作用更為持久。相關(guān)研究表明，紫莖澤蘭重度入侵地根際土壤營養(yǎng)和微生物群落均發(fā)生了明顯變化，且改變后的土壤環(huán)境對(duì)紫莖澤蘭自身的生長有利，而對(duì)伴生植物生長不利，呈現(xiàn)入侵的“反饋促進(jìn)效應(yīng)”[2]，在其他一些外來植物的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)論[3-4]。但是，關(guān)于紫莖澤蘭入侵后土壤環(huán)境的改變是否由于其化感物質(zhì)所造成還不得而知。因此，筆者假設(shè)，紫莖澤蘭的化感物質(zhì)具有生態(tài)功能的“雙面性”，即化感物質(zhì)在抑制排擠本地伴生植物的同時(shí)，還可以活化土壤營養(yǎng)以促進(jìn)自身種群生長。研究結(jié)果對(duì)揭示類似紫莖澤蘭的很多外來植物入侵的后適應(yīng)性機(jī)制將起到一定的理論指導(dǎo)意義。

磷是植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素之一，在細(xì)胞內(nèi)的代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過程中具有重要作用，其含量高低對(duì)一些入侵植物與伴生植物之間的競爭平衡有著明顯的影響[5]。如上所述，紫莖澤蘭入侵后土壤營養(yǎng)和微生物群落發(fā)生了明顯的變化，尤其是解磷細(xì)菌和有效磷含量明顯增加[6，2，6]，類似的現(xiàn)象在北美入侵植物矢車菊中也存在[7]。實(shí)際上，土壤中能夠分解磷素的微生物很多，其中芽孢桿菌屬中的巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）被發(fā)現(xiàn)是一種高效的解磷細(xì)菌，且在一些地區(qū)土壤中含量豐富，包括紫莖澤蘭入侵的地區(qū)[8-20]。如果紫莖澤蘭的化感物質(zhì)有利于該細(xì)菌的生長，將為闡明紫莖澤蘭入侵后土壤營養(yǎng)環(huán)境變化的機(jī)理提供一條科學(xué)線索。為此，本研究探討了紫莖澤蘭的4種化感物質(zhì)對(duì)其根際土壤有效磷含量和巨大芽孢桿菌種群生長的影響。

材料與方法

試驗(yàn)材料

化感物質(zhì)：試驗(yàn)選擇的4種紫莖澤蘭化感物質(zhì)分別為鄰苯二甲酸（2-乙基）己酯（DEH）、鄰苯二甲酸二丁酯（DB）、澤蘭二酮（DTD）、羥基澤蘭酮（HHO）。其中前3種為紫莖澤蘭根系分泌的化感物質(zhì)[0]，DTD和HHO為紫莖澤蘭淋溶途徑的化感物質(zhì)[7]，且它們在紫莖澤蘭根際土壤中均被有效檢測到。DEH和DB購自西格瑪公司，DTD和HHO根據(jù)Yang等的方法[7]從紫莖澤蘭植株中提取獲得。

土壤采自云南省昆明市北郊黑龍?zhí)豆珗@附近山坡摞荒地（25°08′N，02°45′E），主要土壤類型為紅壤。選擇紫莖澤蘭覆蓋率達(dá)90%以上地點(diǎn)，采集 kg紫莖澤蘭根際土壤作為入侵土，同時(shí)選擇周邊無紫莖澤蘭生長的地區(qū)采集 kg土壤作為未入侵土，將采集的土樣陰干并過20目篩除去雜物和植物根系，放在-20 ℃冰箱備用。

巨大芽孢桿菌購自河南省鶴壁市百惠生物科技有限公司。

24種化感物質(zhì)對(duì)2種類型土壤有效磷含量的影響

將4種化感物質(zhì)用甲醇配成3個(gè)濃度：0、50、00 mg/L，分別加 mL到培養(yǎng)皿（直徑0 cm）中，對(duì)照僅加 mL甲醇，待培養(yǎng)皿內(nèi)甲醇揮發(fā)干后，分別加入30 g入侵土和未入侵土，再添加 mL水?dāng)嚢?，后用arafilm膜封住培養(yǎng)皿，在室溫下置于黑暗處。每個(gè)處理5次重復(fù)，處理后4 d（2周），采用Na2HCO3法[2]對(duì)土壤內(nèi)有效磷進(jìn)行測定。

34種化感物質(zhì)對(duì)巨大芽孢桿菌增長的影響

參考王金玲等的方法[22]，將巨大芽孢桿菌培養(yǎng)待用。分別從溶于甲醇的母液（ 000 mg/L）中取一定量的4種化感物質(zhì)，添加到50 mL發(fā)酵培養(yǎng)液（含2%菌種）中，配置成3個(gè)處理濃度2、0、50 mg/L，以添加甲醇為對(duì)照，每個(gè)處理5次重復(fù)?；靹蚝?，分別從處理液中取300 μL加入全自動(dòng)生長曲線分析儀（芬蘭Bioscreen）蜂窩板內(nèi)，在30 ℃下培育48 h，每 3 h測定次讀數(shù)，檢測波長為600 nm。

4數(shù)據(jù)分析

采用DS v705軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，組內(nèi)多重比較采用Fishers LSD 法。應(yīng)用Sigmalot 00軟件對(duì)巨大芽孢桿菌生長數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯斯蒂模型擬合。

2結(jié)果與分析

24種化感物質(zhì)對(duì)2種類型土壤有效磷含量的影響

由圖可見，沒有化感物質(zhì)處理時(shí)，紫莖澤蘭入侵土壤的有效磷含量顯著高于未被入侵土壤的。而幾種化感物質(zhì)在不同濃度下分別處理2種類型土壤2周后，未入侵土壤中有效磷含量稍有變化，但與對(duì)照相比均差異不顯著。在紫莖澤蘭的入侵根際土中，DB處理在低濃度（0 mg/L）下顯著促進(jìn)了土壤有效磷含量的增加，而在高濃度（00 mg/L）處理中有效磷含量明顯下降；DTD處理入侵土中，隨著處理濃度增加，有效磷含量呈明顯上升趨勢。[FL）]

[FK（W22][TYGQtif][FK）]

[FL（2K2]224種化感物質(zhì)對(duì)巨大芽孢桿菌增長的影響

用4種紫莖澤蘭化感物質(zhì)處理后，巨大芽孢桿菌均出現(xiàn)了不同程度的增長（圖2），并且菌量在不同處理時(shí)間和處理濃度之間差異顯著，在DEH處理中處理時(shí)間和濃度的交互作用影響極顯著（表）。數(shù)學(xué)模型分析表明，巨大芽孢桿菌的種群增長均符合邏輯斯蒂生長模型（表2），對(duì)幾種處理下的模型方程比較可見，與對(duì)照相比，除了DB的高濃度（50 mg/L）和低濃度（2 mg/L）處理外，其余處理中巨大芽孢桿菌種群增長的環(huán)境容量均有所增加，其中DEH和HHO高濃度處理后的環(huán)境容量比對(duì)照分別增加了235%、200%，且在大部分低、中濃度化感物質(zhì)處理中，巨大芽孢桿菌增長的內(nèi)稟增長力均高于對(duì)照?？梢姵擞行〥B濃度條件外，4種化感物質(zhì)的處理大多明顯促進(jìn)了巨大芽孢桿菌的增長。

3結(jié)論與討論

由本研究結(jié)果可知，紫莖澤蘭入侵地相比其周圍未入侵地的有效磷含量明顯要高，這與近年來的一些報(bào)道結(jié)果[5，2，23-24]相符，且有研究證實(shí)，紫莖澤蘭重度入侵地區(qū)的解磷細(xì)菌含量顯著高于未被入侵地區(qū)[6]，這應(yīng)該是入侵地土壤比未入侵地土壤有效磷含量高的一個(gè)主要原因。在被紫莖澤蘭幾種化感物質(zhì)處理后，未入侵地區(qū)土壤中有效磷含量變化不明顯，而紫莖澤蘭入侵的土壤中有些處理出現(xiàn)了有效磷含量的明顯增加，如DB和DTD處理。同時(shí)，本研究中巨大芽孢桿菌測定結(jié)果表明，4種化感物質(zhì)的大部分處理顯著促進(jìn)了該解磷細(xì)菌的增長。這形成了很好的對(duì)映，即紫莖澤蘭的化感物質(zhì)在較高解磷細(xì)菌含量的土壤中更能明顯促進(jìn)有效磷含量的增加。入侵地相對(duì)高含量的解磷菌也將消耗更多的化

感物質(zhì)，而這對(duì)于減少入侵地紫莖澤蘭種群內(nèi)部的自毒作用明顯是有利的。筆者最近的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，重度入侵地土壤中紫莖澤蘭的化感物質(zhì)降解速率明顯高于輕度入侵地土壤（數(shù)據(jù)待發(fā)表），說明紫莖澤蘭的這些根際化感物質(zhì)確實(shí)起到了入侵后活化土壤營養(yǎng)的功能，這為闡釋紫莖澤蘭入侵后種群的自我密度調(diào)控和營養(yǎng)活化機(jī)制的分析提供了依據(jù)。

實(shí)際上，外來植物入侵后土壤營養(yǎng)成分的增加應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)漫長的過程。本研究所用化感物質(zhì)處理的中高濃度應(yīng)該高于土壤實(shí)際含量，這應(yīng)該是短期內(nèi)（2周）土壤有效磷含量顯著增加的原因之一，其中的內(nèi)在機(jī)制除了本研究所證實(shí)的巨大芽孢桿菌的增加以外，還涉及到很多因素。一方面，入侵植物根際有效磷含量的增加與根系分泌物的螯合作用有關(guān)，如矢車菊根系化感物質(zhì)兒茶素可以通過對(duì)鈣的螯合作用限制鈣磷化合物的沉積而促進(jìn)有效磷的增加[7]，是否紫莖澤蘭的化感物質(zhì)也存在此螯合效應(yīng)有待于進(jìn)一步研究；另一方面，土壤中能夠分解磷的微生物很多，包括細(xì)菌、真菌和放線菌，其中以解磷細(xì)菌所占比例最大[25]，已有報(bào)道的解磷細(xì)菌如芽孢桿菌、假單胞菌屬、土壤桿菌等。除本研究的巨大芽孢桿菌外，可能這幾種化感物質(zhì)對(duì)其他解磷細(xì)菌也有促進(jìn)或者抑制效應(yīng)。結(jié)合本研究結(jié)果，雖然4種化感物質(zhì)對(duì)巨大芽孢桿菌都呈現(xiàn)出不同的促進(jìn)作用，但從土壤有效磷含量變化的結(jié)果來看，僅有2種化感物質(zhì)表現(xiàn)出顯著的促進(jìn)作用，另外2種化感物質(zhì)（DEH、HHO）處理雖然也一定程度上有促進(jìn)有效磷增加的現(xiàn)象，但并不明顯。這表明在自然環(huán)境條件下，幾種化感物質(zhì)對(duì)巨大芽孢桿菌的促進(jìn)生長并非如室內(nèi)培育條件下那么持續(xù)和明顯，而且其他解磷微生物可能在這一過程中起著不同的作用，這些內(nèi)在聯(lián)系的機(jī)制還需要進(jìn)一步野外監(jiān)測和檢驗(yàn)。

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