張麗娜, 王桔紅, 陳　文, 陳學(xué)林, 陳曉蕓

(1. 西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070;2. 韓山師范學(xué)院: a. 生命科學(xué)與食品科技學(xué)院， b. 旅游管理與烹飪學(xué)院， 廣東 潮州 521041)

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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

張麗娜1, 王桔紅2a，①, 陳文2b, 陳學(xué)林1, 陳曉蕓2a

(1. 西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070;2. 韓山師范學(xué)院: a. 生命科學(xué)與食品科技學(xué)院， b. 旅游管理與烹飪學(xué)院， 廣東 潮州 521041)

摘要:采用磷脂脂肪酸(PLFAs)分析法比較了紅毛草〔Rhynchelytrum repens (Willd.) C. E. Hubb.〕非入侵區(qū)、輕度入侵區(qū)和重度入侵區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異，并對(duì)不同程度入侵區(qū)土壤部分理化指標(biāo)的差異進(jìn)行比較；在此基礎(chǔ)上，對(duì)土壤中不同類型微生物含量與部分理化指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明:在不同程度入侵區(qū)土壤中共檢測(cè)到37種微生物，包括28種細(xì)菌、4種放線菌、4種真菌和1種原生動(dòng)物，其中，細(xì)菌含量最高。6種微生物的PLFAs含量較高，且它們?cè)?類入侵區(qū)均有分布；27種微生物的PLFAs含量較低，且它們?cè)?類入侵區(qū)也均有分布；4種微生物的PLFAs含量較低，且它們僅分布在個(gè)別入侵區(qū)。隨紅毛草入侵程度加劇，土壤中細(xì)菌、 真菌和原生動(dòng)物的含量均逐漸升高， 且它們?cè)谥囟热肭謪^(qū)土壤中的含量分別較非入侵區(qū)增高11.34%、 19.60%和13.95%；并且，土壤中的微生物種類也逐漸升高。隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤的過氧化氫酶活性逐漸下降，蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量均逐漸升高，而纖維素酶活性變化較?。慌c非入侵區(qū)相比，重度入侵區(qū)土壤的過氧化氫酶活性下降59.27%， 而蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量分別升高73.71%、 68.60%、 15.09%和32.95%。相關(guān)性分析結(jié)果表明：土壤中的細(xì)菌含量與過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量均存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.909、0.864、0.868、0.836和0.889；土壤中的真菌含量與過氧化氫酶活性存在顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)， 與蔗糖酶活性和pH值存在極顯著正相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)分別為-0.739、 0.868和0.832。研究結(jié)果顯示：紅毛草能夠改變土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)，使土壤條件更利于紅毛草的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：紅毛草； 入侵程度； 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)； 土壤理化指標(biāo)； 磷脂脂肪酸(PLFAs)； 相關(guān)性分析

外來植物(alien plants)是指在某一特定區(qū)域無自然分布但由于人類活動(dòng)而引入并成功繁殖的植物。部分外來植物具有較強(qiáng)的適應(yīng)力、競(jìng)爭(zhēng)力和繁殖力，能夠在引入地的自然或半自然生態(tài)系統(tǒng)或生境中快速定居、繁衍，并進(jìn)一步擴(kuò)散蔓延，改變引入地的生物群落組成和物種多樣性，還可能對(duì)引入地的生態(tài)系統(tǒng)及人類的生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重影響和危害[1]，這些植物又被稱為“入侵植物(invasive plants)”。

明確各地區(qū)的入侵植物種類及其入侵方式和特點(diǎn)已經(jīng)成為入侵生物學(xué)研究的核心課題[2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)外來植物的入侵特性等開展了深入研究，并提出多種入侵理論[3-7]。此外，還有一些學(xué)者從地上植物群落與地下土壤微生態(tài)互作的角度對(duì)外來植物的入侵機(jī)制開展研究，認(rèn)為外來植物可能改變土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)、提高土壤中功能菌種群的數(shù)量和酶活性，從而促進(jìn)土壤的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，創(chuàng)造出有利于外來植物生存、競(jìng)爭(zhēng)和擴(kuò)張的土壤微環(huán)境，最終促使外來植物成功入侵[8-12]。一些入侵植物也能夠顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分循環(huán)[13-15]。植物可通過根系分泌物及地上凋落物等向土壤中的微生物提供生長(zhǎng)和繁殖所需營(yíng)養(yǎng)，外來植物定居到新生境后很可能會(huì)改變土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性及與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的酶活性，同時(shí)，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化也會(huì)影響外來植物的入侵進(jìn)程。因此，研究不同程度入侵區(qū)土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)差異性可進(jìn)一步明確外來植物在入侵過程中的生態(tài)作用及其與土壤微生物的互作關(guān)系，對(duì)于揭示外來植物入侵機(jī)制具有重要意義。

紅毛草〔Rhynchelytrumrepens(Willd.) C. E. Hubb.〕為禾本科(Poaceae)多年生草本植物，原產(chǎn)于南非熱帶地區(qū)，曾作為觀賞植物和牧草被引入中國(guó)，并逃逸為野生種。由于紅毛草耐熱性強(qiáng)、種子萌發(fā)快，近年來已經(jīng)在中國(guó)臺(tái)灣、福建、香港、廣東和海南等地大面積入侵[16]。然而，迄今為止，關(guān)于紅毛草入侵機(jī)制的研究甚少，關(guān)于其對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究更是未見報(bào)道，僅見其種子壽命及萌發(fā)特性[17]的相關(guān)研究報(bào)道。

鑒于此，作者通過磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acids，PLFAs)分析法對(duì)紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)和部分理化指標(biāo)的差異進(jìn)行了比較，并對(duì)不同類型土壤微生物含量與理化指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行了分析，以期揭示紅毛草對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的影響，為外來植物入侵機(jī)制研究及其預(yù)測(cè)和防控提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考資料。

1研究地概況和研究方法

1.1研究地概況

研究地位于廣東省潮州市的市郊，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均降水量1 300～2 400 mm，年均空氣相對(duì)濕度達(dá)到80%以上， ≥10 ℃年積溫7 300 ℃～ 7 890 ℃， 年日照時(shí)數(shù)1 900～2 400 h， 年平均氣溫21.4 ℃，極端最高溫39.6 ℃，極端最低溫-0.5 ℃。土壤為酸性磚紅壤， 腐殖質(zhì)較少， 有機(jī)質(zhì)含量24.6～27.0 g·kg-1、全氮含量1.67～2.04 g·kg-1、速效磷含量26.00～27.99 mg·kg-1、速效鉀含量111.00～116.44 mg·kg-1[18]。

在潮州市東北方向約20 km處(地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°42′、北緯23°39′)選擇紅毛草競(jìng)爭(zhēng)演替明顯且長(zhǎng)勢(shì)較好的區(qū)域作為研究區(qū)。根據(jù)紅毛草和其他植物蓋度情況將研究區(qū)劃分為紅毛草的重度入侵區(qū)、輕度入侵區(qū)和非入侵區(qū)，每個(gè)區(qū)的面積為400～600 m2，植物總蓋度均在90%以上。重度入侵區(qū)內(nèi)，紅毛草為優(yōu)勢(shì)種群，蓋度為80%～90%，其他植物總蓋度低于20%，區(qū)內(nèi)散生有鴨跖草(CommelinacommunisLinn.)和芒(MiscanthussinensisAnderss.)等植物種類；輕度入侵區(qū)內(nèi)，紅毛草蓋度為30%～60%，其他植物總蓋度低于30%，區(qū)內(nèi)同樣有鴨跖草和芒等植物分布，且紅毛草與鴨跖草和芒等植物處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)；非入侵區(qū)(緊靠輕度入侵區(qū)域但無紅毛草生長(zhǎng))內(nèi)，紅毛草蓋度為0%，其他植物總蓋度在90%以上，混生有少量鴨跖草、芒及小型灌木和草本植物。

1.2研究方法

1.2.1土壤樣品的采集于2014年10月，采用五點(diǎn)取樣法在不同程度入侵區(qū)內(nèi)各選取5個(gè)面積2 m×2 m的樣方，樣方間距3～5 m，且各樣方的光照和土壤質(zhì)地等微生境基本相同。在每個(gè)重度和輕度入侵區(qū)樣方內(nèi)各挑選10～12株生長(zhǎng)良好的紅毛草植株，清除樣株周圍的地面植物和凋落物，挖出樣株根部，輕輕抖落與根系粘附程度較小的大塊土粒，收集緊密附著在根系上的土壤；在每個(gè)非入侵區(qū)樣方中，收集靠近輕度入侵區(qū)但并無紅毛草生長(zhǎng)的非植物根際土壤，并去除土壤中的石塊、植物根系和動(dòng)物等雜物。將同一程度入侵區(qū)的5份土樣混勻并置于無菌取樣袋中，粉碎并過篩(孔徑0.833 mm)，將每個(gè)區(qū)的土樣分成2份：一份約200 g，置于-70 ℃冰箱中保存，用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分析； 另一份約400 g， 置于4 ℃冰箱中保存，用于土壤理化指標(biāo)測(cè)定。

1.2.2土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的測(cè)定采用PLFAs分析法[19]測(cè)定土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)，使用Agilent GC6890N氣相色譜儀(美國(guó)安捷倫科技有限公司)和Sherlock MIS 4.5微生物自動(dòng)鑒定系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System，美國(guó)MIDI公司) 對(duì)土壤中的微生物類型進(jìn)行鑒定[20]，并記錄各入侵區(qū)土壤中每種微生物的PLFAs含量。將氣相色譜圖信息進(jìn)行量化處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)形式。根據(jù)張秋芳等[21]的研究結(jié)果確認(rèn)特定生物標(biāo)記指示的微生物類型。

1.2.3土壤理化指標(biāo)的測(cè)定對(duì)土壤中的過氧化氫酶、蔗糖酶、纖維素酶和脲酶活性進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)土壤pH值和含水量進(jìn)行測(cè)定。過氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[22],[23]323-324，酶活性采用1 g土壤消耗0.1 mol·L-1KMnO4溶液的體積表示，即mL·g-1。蔗糖酶和纖維素酶活性測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[23]274-276， 其中， 蔗糖酶活性采用培養(yǎng)24 h后1 g土壤中的蔗糖酶質(zhì)量表示，即mg·g-1；纖維素酶活性采用培養(yǎng)72 h后1 g土壤中的纖維素酶質(zhì)量表示，即mg·g-1。脲酶活性測(cè)定采用苯酚-次氯酸鈉比色法[23]294-297，酶活性采用培養(yǎng)24 h后1 g土壤中的NH3-N質(zhì)量表示，即mg·g-1。參照郭治興等[24]的方法將蒸餾水與土樣按照2.5∶1.0(m∶m)的比例混勻后，采用METTLER FE20K臺(tái)式酸度計(jì)〔梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司〕測(cè)定土壤pH值；采用烘干法[25]測(cè)定土壤含水量，即稱取10 g土樣，40 ℃烘干至恒質(zhì)量后，使用BSA224S萬分之一電子天平〔賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司〕精確稱量，根據(jù)公式“含水量=〔(干燥前質(zhì)量-干燥后質(zhì)量)/干燥前質(zhì)量〕×100%”計(jì)算土壤含水量。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0軟件對(duì)不同入侵區(qū)土壤的理化指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析，并對(duì)其與不同類型微生物含量進(jìn)行相關(guān)性分析。

2結(jié)果和分析

2.1不同程度入侵區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的比較

從紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中共檢測(cè)到37種PLFAs生物標(biāo)記(表1)，即37種土壤微生物。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[26-31]確定， 細(xì)菌有28種， 放線菌和真菌各有4種，原生動(dòng)物有1種，并且革蘭氏陽性細(xì)菌有13種，革蘭氏陰性細(xì)菌有8種。

由表1還可見：不同程度入侵區(qū)土壤中的微生物可分成3類。第1類含量高且在不同程度入侵區(qū)土壤中均有分布， 包括16∶0 (指示細(xì)菌)、 15∶0 iso (指示革蘭氏陽性細(xì)菌)、 18∶1 w7c(指示革蘭氏陰性細(xì)菌)、16∶0 10-methyl(指示放線菌)、18∶1 w9c(指示真菌)和19∶0 cyclo w8c(指示伯克霍爾德菌)共6種微生物；第2類含量較低但在不同程度入侵區(qū)土壤中均有分布，共27種微生物；第3類含量較低且僅分布在個(gè)別入侵區(qū)土壤中，其中，14∶0 anteiso(指示革蘭氏陽性細(xì)菌)和16∶0 2OH(指示革蘭氏陽性細(xì)菌)僅出現(xiàn)在重度入侵區(qū)土壤中，16∶1 iso G(指示雷爾氏菌屬)出現(xiàn)在重度和輕度入侵區(qū)土壤中，而16∶1 w9c(指示革蘭氏陰性細(xì)菌)則僅出現(xiàn)在非入侵區(qū)土壤中。

表1紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中各類型磷脂脂肪酸(PLFAs)生物標(biāo)記的含量

Table 1Content of different types of phospholipid fatty acids (PLFAs) biomarkers in soil of invasive zone ofRhynchelytrumrepens(Willd.) C. E. Hubb. with different degrees

PLFAs生物標(biāo)記類型PLFAsbiomarkertype微生物類型1)Typeofmicrobe1)不同入侵區(qū)土壤的PLFAs含量/%PLFAscontentinsoilofdifferentinvasivezones非入侵區(qū)Non-invasivezone輕度入侵區(qū)Mild-invasivezone重度入侵區(qū)Severe-invasivezone16∶0細(xì)菌Bacterium15.320016.276715.993319∶0iso細(xì)菌Bacterium0.16330.15670.156720∶0細(xì)菌Bacterium0.56330.54000.573314∶0iso細(xì)菌Bacterium(G+)0.56670.65000.650015∶1isow9c細(xì)菌Bacterium(G+)0.15000.11000.133315∶1isoG細(xì)菌Bacterium(G+)0.24330.32670.393315∶0anteiso細(xì)菌Bacterium(G+)3.84003.55673.533315∶0iso細(xì)菌Bacterium(G+)9.20008.19007.923314∶0anteiso細(xì)菌Bacterium(G+)0.00000.00000.080016∶0iso細(xì)菌Bacterium(G+)3.96334.07674.476716∶0anteiso細(xì)菌Bacterium(G+)0.20000.17000.140017∶0iso細(xì)菌Bacterium(G+)3.11002.72002.766717∶0anteiso細(xì)菌Bacterium(G+)2.02671.97332.033318∶0iso細(xì)菌Bacterium(G+)0.27000.26670.246716∶12OH細(xì)菌Bacterium(G+)1.57331.32331.303316∶02OH細(xì)菌Bacterium(G+)0.00000.00000.090012∶0細(xì)菌Bacterium(G-)0.21000.15330.230014∶0細(xì)菌Bacterium(G-)1.10330.98330.873316∶1w9c細(xì)菌Bacterium(G-)0.75000.00000.000017∶1w8c細(xì)菌Bacterium(G-)0.38670.47000.430017∶0cyclo細(xì)菌Bacterium(G-)2.25002.55002.240018∶1w7c11-methyl細(xì)菌Bacterium(G-)0.68670.67330.730018∶1w7c細(xì)菌Bacterium(G-)5.41006.19006.100018∶1w5c細(xì)菌Bacterium(G-)1.44001.26671.383317∶0放線菌Actinomycete0.78330.71330.873316∶010-methyl放線菌Actinomycete6.33006.23676.496717∶010-methyl放線菌Actinomycete0.65670.76000.830018∶010-methyl,TBSA放線菌Actinomycete3.80333.60673.526718∶3w6c(6,9,12)真菌Fungus0.30000.36000.340018∶2w6,9c/18∶0anteiso真菌Fungus2.53333.65004.810018∶1w9c真菌Fungus5.30336.18676.376716∶1w5c真菌Fungus(AMF)3.13003.71673.313320∶4w6,9,12,15c原生動(dòng)物Protozoan1.23001.15331.166716∶1isoG細(xì)菌Bacterium(R)0.00000.37670.423319∶0cyclow8c細(xì)菌Bacterium(B)6.25005.40676.310018∶0細(xì)菌Bacterium(H)4.38004.33334.580020∶1w9c細(xì)菌Bacterium(H)0.39670.45330.3400

1)G+: 革蘭氏陽性細(xì)菌 Gram-positive bacteria; G-: 革蘭氏陰性細(xì)菌 Gram-negative bacteria； AMF： 叢枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizal fungi; R: 雷爾氏菌屬Ralstonia; B: 伯克霍爾德菌Burkholderiasp.; H: 嗜熱解氫桿菌Hydrogenobacterthermophilus.

總體來看，在紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中均表現(xiàn)為細(xì)菌含量最高，真菌和放線菌次之，原生動(dòng)物含量最低。其中，16∶0(指示細(xì)菌)和15∶0 iso(指示細(xì)菌)的含量最高，分別為15.320 0%～16.276 7%和7.923 3%～9.200 0%。

對(duì)紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌和原生動(dòng)物含量進(jìn)行比較分析，結(jié)果(圖1)表明：隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中的細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物的含量均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。與非入侵區(qū)相比，重度入侵區(qū)土壤中的細(xì)菌含量提高了11.34%，真菌含量提高了19.60%，原生動(dòng)物含量提高了13.95%。差異顯著性分析結(jié)果顯示：與非入侵區(qū)相比，重度入侵區(qū)土壤中的細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物含量均顯著提高(P<0.05)，但土壤中的放線菌含量無顯著變化(P>0.05)。

對(duì)紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中PLFAs含量高于1 nmol·g-1的各類型PLFAs生物標(biāo)記的含量進(jìn)行分析。結(jié)果(表2)顯示：非入侵區(qū)土壤中有6種PLFAs生物標(biāo)記， 分別為16∶0、 15∶0 iso、 18∶1 w7c、 19∶0 cyclo w8c、16∶0 10-methyl和18∶1 w9c。與非入侵區(qū)相比，輕度入侵區(qū)土壤中增加2種PLFAs生物標(biāo)記，分別為16∶0 iso和18∶2 w6, 9c/18∶0 anteiso；重度入侵區(qū)土壤中增加4種PLFAs生物標(biāo)記，分別為16∶1 w5c、16∶0 iso、15∶0 anteiso和18∶0。說明隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中的微生物種類增加，即紅毛草入侵可能提高了土壤微生物的多樣性。

不同的小寫字母表示同一類型微生物含量在不同入侵區(qū)間差異顯著(P<0.05) Different small letters indicate the significant difference in content of the same microbe among different invasive zones (P<0.05).

圖1紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中各類型微生物含量的比較

Fig. 1Comparison on content of different types of microbes in soil of invasive zone ofRhynchelytrumrepens(Willd.) C. E. Hubb. with different degrees

表2紅毛草不同程度入侵區(qū)土壤中各類型磷脂脂肪酸(PLFAs)生物標(biāo)記的含量(PLFAs含量高于1 nmol·g-1)

Table 2Content of different types of phospholipid fatty acids (PLFAs) biomarkers in soil of invasive zone ofRhynchelytrumrepens(Willd.) C. E. Hubb. with different degrees (PLFAs content above 1 nmol·g-1)

PLFAs生物標(biāo)記類型 TypeofPLFAsbiomarker含量/nmol·g-1Content 非入侵區(qū)Non-invasivezone 16∶03.4485 15∶0iso2.1842 18∶1w7c1.1108 19∶0cyclow8c1.2253 16∶010-methyl1.7850 18∶1w9c1.0889 輕度入侵區(qū)Mild-invasivezone 16∶03.8232 15∶0iso1.9976 18∶1w7c1.3301 19∶0cyclow8c1.3138 16∶010-methyl1.3140 18∶1w9c1.3904 18∶2w6,9c/18∶0anteiso1.0560 16∶0iso1.0701 重度入侵區(qū)Severe-invasivezone 16∶04.3727 15∶0iso2.3206 18∶1w7c1.5169 19∶0cyclow8c1.2651 16∶010-methyl1.6755 18∶1w9c1.5161 16∶1w5c1.0060 18∶01.0548 15∶0anteiso1.0078 16∶0iso1.0952

2.2不同程度入侵區(qū)土壤理化指標(biāo)的比較

對(duì)不同程度入侵區(qū)土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、纖維素酶和脲酶活性的分析結(jié)果(表3)表明：隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中過氧化氫酶活性不斷下降，表現(xiàn)為非入侵區(qū)最高、重度入侵區(qū)最低；土壤中蔗糖酶和脲酶活性不斷升高，表現(xiàn)為重度入侵區(qū)最高、非入侵區(qū)最低；土壤中纖維素酶活性則先升高后降低，表現(xiàn)為輕度入侵區(qū)最高、重度和非入侵區(qū)均較低。與非入侵區(qū)相比，重度入侵區(qū)土壤中過氧化氫酶活性降低了59.27%，蔗糖酶和脲酶活性分別提高了73.71%和68.60%，纖維素酶活性基本無變化。不同程度入侵區(qū)土壤的過氧化氫酶活性有顯著差異；非入侵區(qū)土壤的蔗糖酶活性與輕度和重度入侵區(qū)有顯著差異， 但后兩者間差異不顯著(P>0.05)；重度入侵區(qū)土壤的脲酶活性與非入侵區(qū)和輕度入侵區(qū)有顯著差異，但后兩者間差異不顯著；各入侵區(qū)土壤的纖維素酶活性無顯著差異。

入侵區(qū)1)Invasivezone1)過氧化氫酶活性/mL·g-1Catalaseactivity蔗糖酶活性/mg·g-1Sucraseactivity纖維素酶活性/mg·g-1Cellulaseactivity脲酶活性/mg·g-1UreaseactivitypH值pHvalue含水量/%WatercontentNZ9.60±0.77a1.94±0.31a0.22±0.004a0.86±0.04a5.83±0.02a8.80±0.21aMZ7.44±0.37b2.82±0.24b0.23±0.01a0.97±0.04a6.33±0.07b10.10±0.15bSZ3.91±0.58c3.37±0.12b0.22±0.01a1.45±0.10b6.71±0.07c11.70±0.26c

1)同列中不同的小寫字母表示差異顯著(P<0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P<0.05).

2)NZ: 非入侵區(qū) Non-invasive zone; MZ: 輕度入侵區(qū) Mild-invasive zone; SZ: 重度入侵區(qū) Severe-invasive zone.

由表3還可以看出：隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤的pH值和含水量均不斷升高。與非入侵區(qū)相比，重度入侵區(qū)土壤的pH值提高了15.09%，含水量提高了32.95%。差異顯著性分析結(jié)果表明：3個(gè)不同程度入侵區(qū)土壤中的過氧化氫酶活性存在顯著差異。

2.3土壤微生物含量與土壤理化指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)顯示：土壤的細(xì)菌、放線菌、真菌和原生動(dòng)物含量與過氧化氫酶活性呈負(fù)相關(guān)，其中，細(xì)菌含量與過氧化氫酶活性極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.909；真菌含量與過氧化氫酶活性顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.739。細(xì)菌、放線菌、真菌和原生動(dòng)物含量與蔗糖酶和脲酶活性均呈正相關(guān)，其中，細(xì)菌和真菌含量均與蔗糖酶活性極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.864和0.868；細(xì)菌含量還與脲酶活性極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.868。細(xì)菌、放線菌、真菌和原生動(dòng)物含量與纖維素酶活性均無顯著相關(guān)性(P>0.05)，其中，細(xì)菌和放線菌含量與纖維素酶活性呈負(fù)相關(guān)，而真菌和原生動(dòng)物含量則與纖維素酶活性呈正相關(guān)。

由表4還可以看出：土壤中的細(xì)菌和真菌含量與pH值呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.836和0.832。土壤中的細(xì)菌、放線菌、真菌和原生動(dòng)物含量與含水量存在不同程度正相關(guān)，但僅細(xì)菌含量與含水量呈極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.889。

表4紅毛草入侵區(qū)土壤中不同類型微生物含量與部分理化指標(biāo)間的相關(guān)性分析

Table 4Correlation analysis on content of different types of microbes with part of physicochemical indexes in soil of invasive zone ofRhynchelytrumrepens(Willd.) C. E. Hubb.

微生物類型Typeofmicrobe相關(guān)系數(shù)1) Correlationcoefficient1)過氧化氫酶活性Catalaseactivity蔗糖酶活性Sucraseactivity纖維素酶活性Cellulaseactivity脲酶活性UreaseactivitypH值pHvalue含水量Watercontent細(xì)菌Bacterium-0.909**0.864**-0.0490.868**0.836**0.889**真菌Fungus-0.739*0.868**0.2010.6660.832**0.646放線菌Actinomycete-0.3180.052-0.3430.4990.1070.209原生動(dòng)物Protozoan-0.6420.3980.1000.6660.5300.658

1)**:P<0.01; *:P<0.05.

3討論和結(jié)論

通常，外來植物在入侵地成功定居后，其種群數(shù)量迅速擴(kuò)張，從而形成單優(yōu)群落，不僅造成入侵地植物群落結(jié)構(gòu)改變和生物多樣性喪失，而且改變植物進(jìn)入土壤的時(shí)間、數(shù)量、質(zhì)量和空間結(jié)構(gòu)，并改變根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能，打破地上和地下生態(tài)系統(tǒng)的原有關(guān)系，增強(qiáng)外來植物的競(jìng)爭(zhēng)力并加速其入侵進(jìn)程[32]。本研究結(jié)果表明：紅毛草大量定居后土壤中的微生物種類及含量均增加，與部分研究者[13,33-34]的相關(guān)研究結(jié)果相似，說明外來植物大量定居可以改變其根際土壤的微生物種類和含量，尤其是能夠增加一些具有特殊功能細(xì)菌的數(shù)量。土壤中的細(xì)菌是植物生長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一，外來植物大量定居后可通過增加與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的細(xì)菌數(shù)量來加速土壤的養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)而提高植物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率，促進(jìn)其自身的生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)和擴(kuò)散[13]。真菌具有耐酸性，可形成網(wǎng)狀菌絲并與植物根系結(jié)合形成共生體，促使植物獲得更多的土壤養(yǎng)分，利于植物生長(zhǎng)[35]。紅毛草入侵對(duì)其根際土壤中真菌的生長(zhǎng)也有一定的促進(jìn)作用;然而，一年蓬〔Erigeronannuus(Linn.) Pers.〕和加拿大蓬〔Conyzacanadensis(Linn.) Cronq.〕的大量定居卻顯著抑制了土壤中的真菌數(shù)量[15]。推測(cè)這可能是因?yàn)椴煌肭种参锔档姆置谖锊煌?，并且這些分泌物可能對(duì)不同土壤微生物有不同的影響。因此，外來植物定居到新生境后，在一定條件下快速蔓延生長(zhǎng)，導(dǎo)致本土生物逐漸單一化，這一過程可能會(huì)引起土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，從而對(duì)地上植物的生長(zhǎng)發(fā)育有較大影響。

土壤中的微生物通過分泌酶的方式參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)，因此，土壤酶活性變化可反映土壤中各種生化過程的強(qiáng)度和方向[36]。由于土壤中的蔗糖酶絕大部分由植物根際土壤微生物分泌，與土壤中微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度有關(guān)，其酶促作用產(chǎn)生的葡萄糖是植物和微生物的營(yíng)養(yǎng)源，因此，土壤中的蔗糖酶活性直接影響植物生長(zhǎng)[37]。隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中的蔗糖酶活性不斷增強(qiáng)，與非入侵區(qū)相比，其活性升高了73.71%，說明紅毛草的定居極大地提高了土壤中蔗糖酶的活性，使土壤熟化程度明顯升高，進(jìn)而加劇了紅毛草的入侵進(jìn)程。過氧化氫酶則能夠反映土壤的氧化強(qiáng)度，其活性還能夠顯示土壤的氧化還原能力[38]；當(dāng)土壤中的過氧化氫酶活性降低時(shí)，植物根部受到的氧化脅迫加劇，根部組織的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被破壞，使根部組織更易受病原菌侵染，最終可能導(dǎo)致植物發(fā)生病害[39]。紅毛草重度入侵區(qū)土壤的過氧化氫酶活性較非入侵區(qū)降低了59.27%，這很可能是導(dǎo)致紅毛草入侵區(qū)本地植物大量減少的主要因素。脲酶活性與土壤的全氮和速效氮含量等肥力因子關(guān)系密切，可以表征土壤的肥力水平，反映土壤的養(yǎng)分狀況。隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中的脲酶活性逐漸升高，其中重度入侵區(qū)脲酶活性較非入侵區(qū)增加了68.60%，脲酶活性升高可能影響土壤正常的生化過程，進(jìn)而使土壤的養(yǎng)分及結(jié)構(gòu)向有利于紅毛草生長(zhǎng)與擴(kuò)散的方向轉(zhuǎn)變。

楊江山等[40]認(rèn)為土壤中的酶活性與土壤中不同類型微生物的含量存在一定相關(guān)性，一切導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量變化的因素都能夠直接或間接影響土壤中的酶活性。本研究結(jié)果表明：紅毛草根際土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌和原生動(dòng)物含量均與過氧化氫酶、蔗糖酶、纖維素酶和脲酶活性存在一定相關(guān)性。推測(cè)致使紅毛草根際土壤中的微生物和酶活性發(fā)生變化的根本原因很可能是紅毛草自身可分泌一些特殊的化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)改變了其根際土壤的性質(zhì)，使其微生物群落結(jié)構(gòu)、酶活性和pH值等更適合紅毛草生長(zhǎng)而不利于當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)，但關(guān)于其根系分泌物的具體情況還需要進(jìn)一步研究。隨著紅毛草入侵程度的加劇，根際土壤的pH值明顯升高，并且土壤pH值與細(xì)菌和真菌含量存在極顯著正相關(guān)，而與放線菌和原生動(dòng)物含量呈不顯著正相關(guān)，說明土壤pH值能夠影響不同類型土壤微生物的分布和活動(dòng)。隨著紅毛草入侵程度的加劇，其根際土壤的含水量也有所提高，但總體偏低，并且土壤含水量?jī)H與細(xì)菌含量呈極顯著正相關(guān)，與真菌、放線菌和原生動(dòng)物含量的相關(guān)性均不顯著，據(jù)此推測(cè)紅毛草可能具有較強(qiáng)的抗旱能力，但其具體抗旱機(jī)制仍需深入研究。

綜上所述，紅毛草大量定居能夠改變土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)。隨著紅毛草入侵程度的加劇，土壤中的微生物種數(shù)增加、蔗糖酶和脲酶活性增強(qiáng)、過氧化氫酶活性降低。土壤中細(xì)菌含量與過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性以及pH值和含水量均呈極顯著相關(guān)性，真菌含量與過氧化氫酶和蔗糖酶活性以及pH值呈顯著或極顯著相關(guān)性，而放線菌和原生動(dòng)物含量與土壤理化指標(biāo)間的相關(guān)性均不顯著。

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(責(zé)任編輯： 佟金鳳)

收稿日期：2015-10-13

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470021)

作者簡(jiǎn)介：張麗娜(1990—)，女，甘肅張掖人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹参飳W(xué)。 ①通信作者E-mail: wjuh1918@163.com

中圖分類號(hào)：Q948.12+2.3； S154

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-7895(2016)02-0033-08

DOI:10.3969/j.issn.1674-7895.2016.02.04

Comparisons on microbial community structure and part of physicochemical indexes in soil ofinvasivezoneofRhynchelytrumrepenswithdifferentdegreesand theircorrelationanalysis

ZHANG Li’na1, WANG Juhong2a，①, CHEN Wen2b, CHEN Xuelin1, CHEN Xiaoyun2a

(1. College of Life Sciences, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China; 2. Hanshan Normal University: a. School of Life Sciences and Food Technology, b. School of Tourism Management and Culinary Arts, Chaozhou 521041, China),J.PlantResour. &Environ., 2016, 25(2): 33-40

Abstract:Difference in microbial community structure in soil of non-, mild- and severe-invasive zones of Rhynchelytrum repens (Willd.) C. E. Hubb. was compared by phospholipid fatty acids (PLFAs) analysis method, and difference in part of physicochemical indexes in soil of invasive zone with different degree was compared. On the basis, correlations of content of different types of microbes in soil with part of physicochemical indexes were analyzed. The results show that there are 37 species of microbes in soil of invasive zone with different degrees, which include 28 species of bacteria, 4 species of actinomyces, 4 species of fungi and 1 species of protozoan, in which, content of bacterium is the highest. PLFAs content of 6 species of microbes is high, and they distribute in all of three invasive zones; that of 27 species of microbes is low, and they also distribute in all of three invasive zones; and PLFAs content of 4 species of microbes is low, and they distribute in individual invasive zones. With aggravation of invasive degree of R. repens, contents of bacterium, fungus and protozoan in soil all increase gradually, and their content in soil of severe-invasive zone is higher by 11.34%, 19.60% and 13.95% than that in non-invasive zone with a value of, respectively. And species of microbes in soil also increases gradually. With aggravation of invasive degree of R. repens, activity of catalase in soil decreases gradually, activities of sucrase and urease, pH value and water content of soil all increase gradually, while change in activity of cellulase of soil is small. Compared with non-invasive zone, activity of catalase in soil of severe-invasive zone decreases by 59.27%, while activities of sucrase and urease, pH value and water content in soil increase by 73.71%, 68.60%, 15.09% and 32.95%, respectively. The correlation analysis result shows that there is extremely significant correlation (P<0.01) of content of bacterium in soil with activities of catalase, sucrase and urease, pH value and water content in soil, their correlation coefficient is -0.909, 0.864, 0.868, 0.836 and 0.889, respectively. There is significantly negative correlation (P<0.05) of content of fungus in soil with catalase activity of soil, and extremely significantly positive correlation with sucrase activity and pH value of soil, their correlation coefficient is -0.739, 0.868 and 0.832, respectively. It is concluded that R. repens can change microbial community structure and physicochemical property of soil, which make soil condition more beneficial to R. repens growth.

Key words:Rhynchelytrum repens (Willd.) C. E. Hubb.; invasive degree; microbial community structure in soil; physicochemical indexes in soil; phospholipid fatty acids (PLFAs); correlation analysis