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入侵植物紫茉莉根系分泌物对土壤微生态环境的影响



全 文 :第42卷 第3期
2014年5月
河南师范大学学报(自然科学版)
Journal of Henan Normal University(Natural Science Edition)
  Vol.42 No.3
  May.2014
  文章编号:1000-2367(2014)03-0095-05
入侵植物紫茉莉根系分泌物对
土壤微生态环境的影响
赵金莉,程春泉,顾晓阳,刘 斌
(河北大学 生命科学学院,河北 保定071002)
摘 要:水培紫茉莉幼苗收集根系分泌物,用3种不同浓度的根系分泌物(低浓度 LC,中浓度 MC,高浓度
HC)处理麦田土,测定其对土壤养分含量、酶活性和微生物群落的影响.结果表明,紫茉莉根系分泌物降低了土壤碱
解 N、有效P和 K的含量,在高浓度处理下分别下降37.10%、46.71%和23.85%,达显著水平,而土壤有机质含量
显著提高,增加了43.25%;土壤尿酶、碱性磷酸酶和纤维素酶活性均呈下降趋势,在中浓度处理下已达显著水平,而
蛋白酶活性与此相反;随着根系分泌物浓度的提高,土壤细菌和放线菌数量表现出降—升—降的变化趋势,而土壤
真菌则先升后降.紫茉莉根系分泌物改变了土壤微生物群落结构和土壤养分的供求平衡,实现自身生物量快速增
长,提高竞争能力,从而实现成功入侵.
关键词:紫茉莉;根分泌物;土壤养分;酶活性;微生物种群
中图分类号:X171.1;S154 文献标志码:A
紫茉莉是一年生或多年生观赏植物,原产南美热带地区,具有生态适应性广、生长速度快、繁殖力强及抗
氯气等特性.紫茉莉还是一种重要药用植物,其功用主要是利尿、泻热、活血散瘀.作为观赏植物引入我国多
年来,已表现出明显的野生性和入侵性[1].
外来植物入侵机制的问题是生态学和保护生物学的研究热点.外来植物成功入侵后,在适宜的环境条件
下进行大量繁殖扩散,并通过各种途径给入侵地生态系统结构与功能造成极大的影响[2,3].土壤是生态系统
的重要组成部分,其特性的改变可以影响整个生态系统的结构和功能,因此外来植物入侵对土壤特性的影响
已越来越受到广大研究者的关注[4-6].植物入侵不但改变土壤的养分平衡和土壤酶活性[7],并且其根系分泌
物能够对土壤微生物种类、微生物区系及其生理特性产生影响[8].同时外来植物入侵导致的土壤环境变化反
过来影响外来种和本地种的竞争关系,进而影响外来种的入侵性[9].因此,外来植物对入侵地土壤微生物群
落和土壤肥力的影响不但是入侵效应问题,更与外来植物的入侵机制联系紧密.
目前国内外对紫茉莉的研究主要集中在药用价值、化学成分及其生物活性以及利用紫茉莉进行环境监
测等方面[10,11],有关紫茉莉入侵机制的研究仅有紫茉莉生物学特性和紫茉莉不同部位浸提物对植物生长的
化感作用方面的报道[12-14].根系分泌物是入侵植物通过根系释放到侵入地土壤的复杂化合物,直接影响土
壤生物活性,改变入侵地的土壤生境.本研究利用低、中、高3种不同浓度紫茉莉根系分泌物处理土壤(模拟
紫茉莉入侵程度),从土壤肥力、土壤酶活和土壤微生物三方面结合起来揭示紫茉莉入侵机制,旨在为有效控
制其生态入侵、合理对其开发利用提供科学借鉴.
1 材料与方法
1.1 土壤样品
在小麦返青期采集河北省保定市东郊(115°48'N,38°87'E)麦田表层土(0~20cm),土壤类型为褐土.土
收稿日期:2014-02-28;修回日期:2014-05-12
基金项目:河北大学博士基金项目(2009-166)
作者简介:赵金莉(1973-),女,河北景县人,河北大学副教授,博士,研究方向为土壤生态学,E-mail:plant@hbu.edu.cn.
DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2014.03.011
壤速效P和速效K含量分别为3.63mg·kg-1和49.87mg·kg-1,碱解N含量为1312.50mg·kg-1,有机
质含量为33g·kg-1.
1.2 紫茉莉根分泌物
当紫茉莉幼苗株高15cm时,从土壤中拔出,用自来水把根冲洗干净,再用去离子水清洗后移植到盛有
400mL去离子水(pH=7)的玻璃瓶中,每瓶10株,共三瓶,瓶体用黑色塑料袋包裹.玻璃温室中培养4d
后,合并瓶中液体,在真空35℃下浓缩至120mL,经0.20μm滤膜过滤除菌,每1mL相当于每株紫茉莉每
天的根系分泌物量.
1.3 试验设计
参照孙磊等的方法进行土壤的处理[15].根系分泌物设4个水平:CK(12mL去离子水);LC(4mL根系
分泌物加8mL去离子水);MC(8mL根系分泌物加4mL去离子水);HC(12mL根系分泌物).每皿土量
相当于50g干土,将上述溶液均匀地点滴入土样中,使土壤湿度保持在田间持水量的80%,置于25℃恒温
培养箱黑暗培养15d,每天称重,并用相应处理液补足损失的水分.每处理4次重复.
1.4 指标测定及数据处理
土壤碱解N用碱解扩散法测定;土壤速效P用碳酸氢钠-钼锑抗比色法测定;有机质采用重铬酸钾容量
法;土壤脲酶用改进的 Hoffmann和Teicher比色法[16]测定,活性以每g风干土中的脲酶在1h内转化尿素
产生NH4+-N的质量(μg)表示;蛋白酶用茚三酮显色法测定,活性以每g风干土培养1h蛋白酶转化蛋白
产生甘氨酸Gly的质量(μg)表示;酸性磷酸酶用改进的Tarafdar和 Marschner方法
[17]测定,活性以每g风
干土培养1h酸性磷酸酶转化对硝基苯磷酸二钠(pNPP)的量(μmol)表示;纤维素酶活性通过3,5-二硝基水
杨酸(DNS)比色法测定;微生物群落采用平板计数法;微生物生物量碳(MBC)和N(MBN)的确定,采用熏蒸
提取法(熏蒸48h).
1.5 数据处理
采用SPSS 13.0统计软件进行数据分析.土壤养分、酶活性、土壤微生物数量先作单因子方差分析
(Fisher's LSD test),再对2组数据作相关分析(Pearson 2-tailed test).
2 结果与分析
2.1 紫茉莉根分泌物对土壤养分的影响
紫茉莉根系分泌物会导致土壤养分的改变.经紫茉莉根系分泌物处理,土壤碱解N、速效P和K含量均
降低,在高浓度根系分泌物处理下达到显著水平,土壤碱解 N、速效P和 K 含量分别下降了37.10%、
46.71%和23.85%(图1A-D).而土壤有机质含量随着根系分泌物浓度的增加而升高,在高浓度根系分泌物
处理下达显著水平,其含量增加了43.25%.
2.2 紫茉莉根系分泌物对土壤酶活性的影响
紫茉莉根系分泌物会导致土壤酶活性的改变(表1).随着紫茉莉根系分泌物浓度的提高,土壤脲酶、碱
性磷酸酶和纤维素酶活性降低,在中浓度根系分泌物处理下均达显著水平,经高浓度根系分泌物处理后,土
壤脲酶、磷酸酶和纤维素酶活性与CK相比分别下降了94.88%、57.53%和73.86%.而紫茉莉根系分泌物
提高了土壤蛋白酶活性,并在高浓度下达显著差异,与CK相比提高了43.22%.
表1 紫茉莉根系分泌物处理的土壤酶活性
处理 脲酶/(μg·g-1·h-1) 蛋白酶/(μg·g-1·h-1) 碱性磷酸酶/(μg·g-1·h-1) 纤维素酶/(μg·g-1·d-1)
CK  196.50±2.43a 100.00±2.18b  219.08±5.28a 55.36±1.26a
LC  188.25±1.95a 100.25±1.96b  212.52±4.97a 42.65±1.21a
MC  25.52±0.89b  108.48±2.21ab  165.97±4.13b  14.73±0.62b
HC  10.06±0.25b  143.22±1.86a 93.05±1.96b  14.47±0.49b
注:数据为平均值±标准误差(n=4),表中同一参数同列数据后的相同字母表示在0.05水平上经LSD检验差异不显著.
69 河南师范大学学报(自然科学版)                2014年
2.3 紫茉莉根分泌物对微生物种群的影响
由图2可知,紫茉莉根系分泌物对土壤细菌、放线菌和真菌的影响不同.土壤中含有丰富的细菌和放线
菌群落,根系分泌物处理降低了土壤细菌和放线菌数量,且随着根系分泌物的增加呈降—升—降的变化,其
中土壤细菌对紫茉莉根系分泌物非常敏感;而在低浓度和中浓度紫茉莉根系分泌物处理下,土壤真菌数量呈
上升趋势,且在中浓度时显著高于对照,在高浓度紫茉莉根系分泌物处理下又急剧下降,但与对照差异不
显著.
79第3期           赵金莉,等:入侵植物紫茉莉根系分泌物对土壤微生态环境的影响
2.4 紫茉莉根系分泌物对土壤微生物生物量的影响
土壤微生物生物量可以指示土壤生物过程.由表2可以看出,紫茉莉根系分泌物降低了土壤微生物生物
量,在低浓度紫茉莉根系分泌物处理下,土壤微生物C与CK相比已达显著差异;在中浓度紫茉莉根系分泌
物处理下,土壤微生物N与CK有显著差异减低;施入高浓度紫茉莉根系分泌物时,土壤微生物C下降了
76.17%,土壤微生物N下降了73.54%.
2.5 土壤有效养分和酶活性的关系
由表3可得,土壤有效养分含量与酶活性密切相关.土壤脲酶和碱性磷酸酶与土壤碱解N、有效P和有
机质均有极显著正相关,与有效K显著正相关;蛋白酶与土壤碱解N和有机质呈极显著正相关(P<0.01);
纤维素酶与土壤有机质有显著正相关,但与有效P呈负相关.
表2 紫茉莉根系分泌物处理的土壤微生物生物量
处理
微生物生物量C/
(mg·kg-1)
微生物生物量N/
(mg·kg-1)
CK  303.26±19.62a 7286±5.12a
LC  188.28±12.35b 6539±491a
MC  150.25±9.81b 4847±4.26b
HC  72.16±8.63c 19.28±362c
表3 土壤有效养分和酶活性的相关性分析
指标 脲酶 蛋白酶 碱性磷酸酶 纤维素酶
碱解N  0.876**   0.903** 0.893**  0.306
有效P  0.860** 0.562  0.962** -0.176
有效 K  0.628* 0.572  0.645* 0.239
有机质 0.897** 0.896** 0.804** 0.579*
3 讨 论
植物通过影响生境土壤对自身产生积极作用是植物竞争演替的重要机制之一.研究表明,许多外来植物
因改变了新生环境的土壤养分而实现成功入侵,但外来植物入侵对土壤营养循环过程的影响有增加、减少和
无影响3种不同的效应[18].陆建忠等[19]分析了加拿大一枝黄花的侵入对土壤有机质及不同形态N素含量
的影响,发现它的入侵提高了土壤氮矿化速率,增强土壤无机氮的供给,创造更有利于自身生长的土壤条件;
Windham和Ehrenfeld报道[20],外来植物入侵后土壤有机碳和全氮含量没有发生变化.本研究表明,随着紫
茉莉根系分泌物浓度的增加,土壤碱解N、速效P和K含量均呈下降趋势,而土壤有机质含量增加.土壤养
分的变化打破了本地植物与土壤生态系统之间的平衡,而紫茉莉耐贫瘠仍能茁壮迅速的生长,这可能是其入
侵机制的一部分.
土壤酶催化土壤生态系统中生物化学过程,在土壤养分的转化中起着非常重要的作用,因而酶活性的变
化可以反映土壤的生态功能,间接表明某些营养物质的转化情况[21],同时其变化也受多种因素影响.李会娜
等[22]对紫茎泽兰的研究表明,紫茎泽兰入侵提高了脲酶和磷酸酶的活性.Li等[23]报道薇甘菊入侵可显著提
高β-D-葡萄糖苷酶、转化酶、蛋白酶、脲酶、酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、多酚氧化酶的活性,但却降低了CM-纤
维素酶的活性.本研究表明,高浓度紫茉莉根系分泌物显著增加了蛋白酶活性,而脲酶、碱性磷酸酶和纤维素
酶活性在中浓度紫茉莉根系分泌物处理下就显著下降.土壤脲酶是催化土壤有机态氮转化为无机态氮的酶
类,与土壤氮素养分具有显著的正相性,磷酸酶与速效P和K呈极显著正相关.另外,磷酸酶的活性与土壤
各种微生物密切相关,外来植物对土壤微生物一些生理功能类群的改变,可能促进了土壤中养分形态和含量
的变化.紫茉莉根系分泌物对土壤磷素养分的降低是否存在以土壤微生物为桥梁的养分转化、利用机制,仍
需进一步的研究.
土壤微生物是土壤生态系统中物质循环和能量流动的主要驱动力,外来植物可以通过改变入侵地土壤
微生物群落[24],破坏当地植物与土壤微生物之间的平衡共生关系,影响本地种的生长和种群的更新.根际土
壤生物活性与植物根系分泌物有关,根系分泌物不仅为根际微生物提供所需的能源,同时直接影响着根际微
生物的数量和种群结构[25].根系分泌物介导下的土壤微生物群落结构与功能多样性变化对其他植物或植物
自身的生长发育都产生重要的影响[26-27].土壤微生物与根系分泌物也是土壤酶的重要来源.相同地貌的土
壤微生物数量与酶活性随着地上植被的不同而改变.本文研究结果发现紫茉莉根系分泌物使土壤细菌和放
线菌数量明显减少,而真菌数量在中浓度处理下显著增加.土壤微生物的数量、种类及其变化在一定程度反
89 河南师范大学学报(自然科学版)                2014年
映了土壤有机质的矿化速率及各种养分的存在状态,因此,微生物区系的改变必然影响土壤中养分的转化和
土壤有效养分的含量[28].土壤养分的改变反过来又促进土壤微生物数量和结构发生变化,这样周而复始形
成了适合入侵植物自身生长的微环境.本研究从土壤肥力、土壤酶活、土壤微生物三方面结合起来考虑紫茉
莉入侵机制,认为紫茉莉根系分泌物可以较强的改变入侵地土壤状态,从而形成有利于自身生长的微环境,
抑制当地植物的生长.
参 考 文 献
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(下转第147页)
99第3期           赵金莉,等:入侵植物紫茉莉根系分泌物对土壤微生态环境的影响
composition of Mount Qionglai tea changes in a smal controled by the geological environmental,Which mostly run from
northwest to southeast is linear distribution.The water extract,tea polyphenols,catechins,ester type catechins and non ester
catechin from northwest to southeast is linear increasing relation;and the amino acid and CAF from northwest from southeast is
linearly descending relation.Constant linear equation as the biochemical components of tea standard value is scientific,not only
can be used as a basis for making tea standards,but also can be used as a biochemical index of Qionglai mountain tea geograph-
ical indications protection products.The geological background,ecological environment,varieties and production process wil
affect the biochemical components of tea,thus affecting the quality of tea.
Key words:Qionglai Mountains;Geological background;Biochemical composition;Linear relationship;Tea
(上接第99页)
Effects of Root Exudates from Mirabilis Jalapa on Soil Microenvironment
ZHAO Jinli,CHENG Chunquan,GU Xiaoyang,LIU Bin
(Colege of Life Sciences,Hebei University,Baoding 071002,China)
Abstract:Mirabilis jalapa seedlings were cultured in hydroponics,root exudates(RE)were colected by concentrating
the deionized water,in which the M.jalapa seedlings transferring to.Colected root exudates were subjected to the soil with
winter wheat cultivation.Soil available nutrition contents,enzyme activities and microorganism population were determined.
The results showed that the root exudates of M.jalapa could significantly reduce the contents of the alkali-hydrolyzable N,a-
vailable P and K in soil under the high input,respectively decreased by 37.1%,46.71%and 23.85%But high input of M.ja-
lapa root exudates significantly improved(P<0.05)the organic matter in soil,increased by 43.25%.The exudates could re-
duce the soil enzyme activities except for protease,and which was declining along with the raising input.The difference was
significant when the input of root exudates was middle level.But high input of M.jalapa root exudates significantly enhanced
(P<0.05)the activity of protease in soil.The amount of bacteria and actinomycetes in treatment LC and HC showed an evi-
dent reduction in the population of living microorganisms.However,the population of fungi increased under treatment LC and
MC,which was almost twice as much as that in corresponding control when the root exudates was middle concentration.But
the fungi population in treatment HC was significantly lower than in corresponding control Conclusively,the root exudates of
M.jalapa imposed a prominent influence on soil micro-ecology environment in wheat field.
Key words:Mirabilis jalapa;root exudates;soil nutrition;enzyme activity;microorganism population
741第3期            曾其国,等:邛崃山脉不同地质背景茶叶的生化成份研究