不同扰动方式下加拿大一枝黄花对农业生产区土壤环境的影响

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　　摘 要：采用野外調查与样品分析法，探究了长沙县加拿大一枝黄花成片发生区、加拿大一枝黄花未入侵的水稻田（CK）、加拿大一枝黄花散生的灌木林地、化学防除加拿大一枝黄花后的试验田和加拿大一枝黄花发生区翻耕地5个样地在4种扰动方式（抛荒耕地、灌木林地、化学试验田、翻耕地）下加拿大一枝黄花对0～20 cm耕作层土壤的理化性质、主要微生物、养分和重金属含量的影响。结果表明：与CK相比，加拿大一枝黄花成片发生地土壤pH值明显偏低，而化学防除后的试验田土壤pH值最高。样地中加拿大一枝黄花成片发生区土壤含水率和有机质含量均最高，分别达36.34%和9.49%。5个样地中土壤微生物数量存在显著差异，加拿大一枝黄花入侵样地中土壤细菌数均高于CK，灌木林地和化学试验田土壤真菌数较高，均达到了6×106 CFU/g以上，而加拿大一枝黄花成片发生区土壤真菌数最低，仅为2.60×106 CFU/g;5个样地中土壤放线菌数也存在差异。加拿大一枝黄花的入侵可以提高土壤养分含量，增加土壤肥力，且与入侵程度密切相关。加拿大一枝黄花生长密度越大，土壤全N、全P、速效K含量越高，分别为CK土壤的1.86倍、1.08倍、1.33倍。5个样地中，加拿大一枝黄花成片发生区土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均为最高，土壤综合污染指数（Pzong）也最高。从污染程度上看，5个样地土壤中8种重金属元素单因子污染指数均低于1，均为无污染等级;综合污染指数（Pzong）为0.38～0.50，均为安全等级。说明不同扰动方式下加拿大一枝黄花对农业生产区土壤的理化性质、微生物量、养分和重金属含量的影响均存在明显差异。
　　关键词：加拿大一枝黄花;土壤;微生物;养分;理化性质;重金属
　　中图分类号：X825 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2020）03-0043-06
　　Abstract： Influence of Solidago canadensis L. on the physi-chemical properties of soil， main microorganisms， soil nutrients and heavy metal contents in 0-20 cm cultivated layer were studied by field investigation and sample analysis. Soil samples were collected under four disturbing modes （abandonment of cultivation， shrubbery， chemical control， ploughing） from 5 plots， i.e. Solidago canadensis L. massively invaded region， paddy field（CK）， shrubbery， chemical treated field after Solidago canadensis L. invasion and tillage soil of invaded region in Changsha County. The results showed that compared with paddy soil， the pH of Solidago canadensis L. massively invaded soil was significantly lower， whereas that of chemical treated field was the highest . The contents of soil moisture and organic matter of the massively invaded soil were the highest among the samples， reaching 36.34% and 9.49% ， respectively. Significant difference of microbial populations was observed. The numbers of bacteria in all the invaded soils were higher than in the paddy soil; the numbers of fungi in shrubbery and chemical treated soils were higher， reaching 6×106 CFU /g， however， the number of fungi in the massively invaded soil was the lowest， only 2.60×106 CFU /g. Numbers of Actinomycetes were also varied with different disturbing modes. The invasion of Solidago canadensis L. can increase nutrient contents and fertility of the invaded soil， which is closely related to the levels of invasion. The greater the growth density of Solidago canadensis L.， the higher the contents of total N， P and K in the massively invaded soil， which were 1.86， 1.08 and 1.33 times of those in CK soil respectively. The contents of Pb， Ni， Cu， Cd， Cr and Zn in the Solidago canadensis L. massively invaded soil were the highest among five sampling plots， so was the soil comprehensive pollution index （Pzong）. Single factor pollution indexes of 8 heavy metals in the five sampling plots were all lower than 1.0， belonging to non-pollution level; while their Pzong values were in the range of 0.38-0.50， belonging to security level. The results of this study showed that there were significant differences in the effects of Solidago canadensis L. on soil physi-chemical properties， soil microorganisms， soil nutrients and heavy metal contents under different disturbing modes in agricultural production areas. 　　Key words： Solidago canadensis L.; soil microorganisms; soil nutrients; soil physi-chemical properties; soil heavy metal
　　加拿大一枝黄花（Solidago canadensis L.）是我国第二批检疫性有害生物，为桔梗目菊科多年生宿根草本植物，具一年生地上茎和多年生地下水平生长的根状茎[1]。加拿大一枝黄花原产北美，于20世纪30年代作为庭院花卉引入中国上海、南京等地，随后逸生至野外，80年代开始迅速扩散蔓延成为恶性杂草。加拿大一枝黄花根状茎发达，繁殖力极强，传播速度迅猛。其危害主要表现在对入侵地生态平衡的破坏和严重威胁入侵地的生物多样性，造成入侵地的土壤质量受到不同程度影响[2-3]。
　　近年来，有关加拿大一枝黄花入侵后，对入侵地土壤理化性质、土壤养分和土壤微生物的影响成为了研究热点。徐文等[3]研究5个加拿大一枝黄花典型入侵区0～20 cm耕层土壤特性，发现加拿大一枝黄花入侵后土壤的pH值偏高，呈碱化趋势，土壤的有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等含量均明显降低。而梁雷[4]则从不同植物群落土壤角度分别研究加拿大一枝黄花群落、束尾草群落、白茅群落和芦苇群落土壤理化性质、土壤养分及与土壤养分代谢密切相关的土壤酶活性和活性有机碳组分含量的差异，结果发现，加拿大一枝黄花的入侵对土壤总有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷和速效钾含量没有显著影响，但是显著提高了土壤中碱解氮、铵态氮和硝态氮的含量。加拿大一枝黄花入侵地土壤与土著种一枝黄花生长地土壤中的养分含量也有明显差异。陆建忠等[5]检测了入侵加拿大一枝黄花和土著种一枝黄花生长后期不同种植株下土壤特性的差异。研究发现加拿大一枝黄花调节了土壤pH值， 增大了总碳、氮库及有机质库，减小了铵氮库和硝氮库，促进了微生物的矿化速率和铵化速率。另外，加拿大一枝黄花对入侵地土壤微生物也会产生显著影响。沈荔花等[6]研究了外来入侵杂草加拿大一枝黄花和土著种一枝黄花根部土壤中微生物区系和微生物生理类群的变化。发现与附近裸地5～10 cm土层土壤相比，加拿大一枝黄花入侵后其根部土壤中的细菌和放线菌增多，而真菌数量有所减少。加拿大一枝黄花的根系分泌物对土壤微生物生长也有影响，可促进好气性自生固氮菌、氨化细菌、亚硝酸细菌、好气性纤维素分解菌和硫化细菌的生长，抑制土壤中兼气性纤维素分解菌、反硫化细菌和反硝化细菌的生长。而土著种一枝黄花的根系分泌物对土壤微生物生长仅表现出抑制作用。
　　上述研究涉及了加拿大一枝黄花对入侵地土壤微生物、土壤理化性质及养分等的影响，但研究针对的土壤质量指标不全，同一指标出现相反的结果，不利于科学指导加拿大一枝黄花的综合治理。因此，笔者以长沙县郭公渡成片发生加拿大一枝黄花危害的农业生产区土壤为研究对象，比较了入侵地和未入侵地土壤理化性质、主要微生物、土壤养分和重金属含量之间的差异。旨在进一步揭示加拿大一枝黄花的入侵机制，为农业生产区加拿大一枝黄花的有效控制提供理论支撑。
　　1 材料与方法
　　1.1 研究区概况
　　采样地位于长沙县黄花镇郭公渡（北纬28.27°，东经113.20°），研究地加拿大一枝黄花危害严重，为6 a生加拿大一枝黄花成片发生区，发生面积约为20 hm2，其中有3块地已形成优势种群，面积约2 500 m2。研究地属中亚热带向北亚热带过渡的大陆性季风湿润气候，四季分明，寒冷期短，炎热期长。日平均气温17.6℃，年平均无霜期260 d，年平均日照1 510.9 h，年平均风速2.0 m/s。雨水充足，年均降水量1 472.9 mm，年平均蒸发量1 194.9 mm，平均相对湿度81%，年雾日23 d。采样地编号及基本情况详见表1。
　　1.2 土壤样品采集
　　于2019年1月8日在各采样区按照双对角线五点采样法采集0～20 cm耕层土样，每个采样区采集3份土壤样品。在采集土壤样品的各分点，先用铁铲挖出10 cm（长）×10 cm（宽）×20 cm（深）的表层垂直土方，再用竹签均匀去除铁铲接触面土壤至0.6 kg，且保持土方上下一致。各分点土壤量保持一致，最后将各采样区5分点的土壤混合成不少于3.0 kg土壤鲜样。用密封袋保存。
　　1.3 土壤样品检测
　　1.3.1 土壤样品制备 各采样区采集的土样分成3份，其中，一份置于4℃暗处冷藏，并在7 d内进行前处理，完成土壤理化性质、土壤三大类微生物数量的检测;一份除去土壤中的砖瓦石块、石灰结核与根茎动植物残体等，置阴凉处自然风干，用研磨机研磨后过20目筛保存，用于检测土壤养分;一份自然风干，手工研磨至全部通过孔径0.15 mm（100目）的尼龙筛，用于检测土壤中重金属含量。
　　1.3.2 土壤样品检测方法 按表2方法检测。
　　1.4 土壤重金属污染评价
　　采用单因子污染指数法（公式1）和内梅罗综合污染指数法（公式2）[7-8]，以《农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）为评价标准[9]，对5个采样区土壤中重金属污染进行评价，根据土壤重金属污染指数及分级标准进行污染等级的划分[10]。
　　1.5 数据处理与分析
　　利用Excel 2010、DPS 7.05和SPSS 21.0软件进行试验数据处理，分析不同扰动方式下加拿大一枝黄花对农业生产区土壤质量的影响。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同扰动方式下加拿大一枝黃花对入侵地土壤理化性质的影响
　　不同扰动方式下样地土壤基本理化性质见表3，由表3可知，与J2相比，J1土壤pH值明显偏低，而J4土壤pH值最高，5个样地土壤pH值高低顺序为：J4>J2>J5>J1>J3。5个样地中，J1土壤含水率和有机质含量均最高，分别为36.34%和9.49%。与J1相比，J2土壤含水率和有机质含量分别降低了16.29%和21.81%;其余3个样地中，J4土壤含水率为27.39%，显著低于J2，而土壤有机质含量与J2无显著差异;而J3和J5土壤含水率分别为21.27%和22.79%，二者无显著差异;J3土壤有机质含量最低，仅为J2土壤有机质含量的71.29%。 　　2.2 不同扰动方式下加拿大一枝黄花对入侵地土壤微生物的影响
　　不同扰动方式下样地土壤三大类微生物数见图1，由图1可知，加拿大一枝黄花的入侵显著提高了土壤中细菌数，入侵的4个样地中土壤细菌数均比J2高。5个样地中，J3土壤中细菌和真菌数均最多，分别达到2.39×107CFU/g和6.65×106CFU/g，分别为J2的2.3倍和1.3倍;而J4土壤放线菌数最多，达到9.37×106CFU/g，为J2的1.8倍。不同扰动方式下样地土壤细菌数量的高低顺序为：J3>J5>J1>J4>J2。不同扰动方式下5个样地土壤真菌数也有显著差异，其中J3和J4土壤真菌数较高，均达到了6×106CFU/g以上，而J1土壤真菌数最低，仅达到1.30×106CFU/g，与J3和J4土壤真菌数相比，分别降低了80.45%和79.13%。另外，不同扰动方式下5个样地土壤放线菌数也存在差异，其高低顺序为J4>J2>J1>J3>J5，其中J1与J3土壤放线菌数无显著差异，分别为3.00×106 CFU/g和2.90×106 CFU/g;J4和J2土壤放线菌数均较高，分别为J5土壤放线菌数的3.67倍和2.04倍，原因可能是J4和J2土壤pH值较高，更适合放线菌生长。从三类微生物总量上来看，J3土壤三类微生物总量最高，微生物生长最丰富，J4和J5次之;而J1和J2三类微生物总量最低，两者之间无显著差异。说明加拿大一枝黄花入侵地土地类型不同，对土壤微生物的影响就不同;人类活动如翻耕等能提高入侵地土壤微生物的总量。
　　2.3 不同扰动方式下加拿大一枝黄花对入侵地土壤养分的影响
　　由图2可知，不同扰动方式下加拿大一枝黄花对入侵地土壤养分的影响存在差异。J1土壤全N、全P含量均最高，分别为0.46%和0.27%，分别为J2土壤全N、全P含量的1.86倍和1.08倍。而J1土壤全K含量虽低于J2，但土壤速效K含量最高，为J2土壤速效K含量的1.33倍。J1是5个样地中（J2未长有加拿大一枝黄花）加拿大一枝黄花生长密度最大的区域，由此可见，加拿大一枝黄花的入侵可以提高入侵地土壤养分含量，增加土壤肥力。5个样地土壤全N含量高低顺序为（图2-A）：J1>J4>J2>J3>J5，J4土壤全N含量为0.27%，比J2的土壤全N含量高7.72%;其余2个样地中，J3土壤全N含量与J2土壤全N含量无显著差异，J5土壤全N含量显著低于J2，仅为J2土壤全N含量的91.46%。因扰动程度不同，5个样地的土壤全P含量也有差异（图2-A）。J4土壤全P含量与J2无明显差异，且均低于J1;J3和J5土壤全P含量均低于J2，分别比J2土壤全P含量低6.43%和12.05%。不同扰动方式下，5个样地土壤K含量差异较大，其中J2土壤全K含量最高，达到了1.20%，其余4个加拿大一枝黄花不同程度入侵地土壤全K含量高低顺序为（图2-B）：J5>J4>J1>J3;加拿大一枝黄花入侵的土地类型不同，对土壤中全K含量的影响也不同，加拿大一枝黄花入侵旱地（J3）土壤全K含量显著低于入侵水田成片发生区土壤全K含量。另外，虽然J2土壤全K含量最高，但速效K含量比J1低（图2-C）。土壤速效K含量，J5与J1无显著差异，说明翻耕方式不仅可以防除加拿大一枝黄花，对土壤速效K含量也无明显影响，而且J5和J3土壤速效K含量均高于J2，分别为J2的1.28倍和1.17倍。5个样地中，J4土壤速效K含量最低，仅为J1的47.92%，说明化学防治方式虽能有效防除加拿大一枝黄花，但会降低土壤中速效K含量，引起土壤中有效养分流失。
　　2.4 不同扰动方式下加拿大一枝黄花对入侵地土壤重金属含量的影响及其评价
　　由图3可知，不同扰动方式下加拿大一枝黄花对入侵地土壤重金属含量的影响具有明显差异。5个样地中，J1土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均为最高，分别为20.04、26.86、36.26、0.18、80.52、120.08 mg/kg，均高于J2对应重金属含量5.54%～20.06%。J2土壤As含量最高，达到了12.00 mg/kg，土壤Hg含量与J1土壤Hg含量无显著差异。另外，加拿大一枝黄花入侵地土地类型不同，对土壤重金属含量的影响也不同。J3土壤重金属Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn、As和Hg含量均显著低于J1，J3土壤中8种重金属含量比J1土壤中對应8种重金属含量低20.33%以上，其中As含量比J1低52.08%。J4土壤中Pb、Ni、Cu、As、Cd、Cr含量均低于J1和J2，但土壤Hg含量分别比上述2个样地高15.54%和14.77%;J4土壤Zn含量与J2无差异，但是比J1低12.50%，说明采用化学防治法不仅可以高效防除加拿大一枝黄花，还能降低土壤中重金属的污染。除了化学防治外，翻耕也能有效防除加拿大一枝黄花，而且J5土壤重金属除了As和Hg含量比未翻耕地分别高4.17%和12.16%外，Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均比未翻耕地低，以上结果表明，翻耕不仅能有效防除成片发生区的加拿大一枝黄花，还能降低其入侵地土壤重金属的污染。
　　以《农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）对不同扰动方式下样地土壤重金属含量进行单因子评价（见表4），由表4可知，土壤中8种重金属元素的单项污染指数范围分别为：PPb=0.15～0.20、PCd =0.28～0.46、PCr =0.29～0.38、PNi =0.26～0.38、PCu =0.19～0.54、PZn= 0.41～0.60、PAs =0.14～0.44、PHg =0.07～0.34。从污染程度上看，5个样地土壤中8种重金属元素单因子污染指数均低于1，均为无污染等级;5个样地8种重金属综合污染指数Pzong范围为0.38～0.50，均为安全等级。从数值上看，J1土壤重金属综合污染指数最高，达到了0.50，J3、J4和J5土壤重金属综合污染指数均低于J2。说明采用化学法、物理法不仅能防除入侵地加拿大一枝黄花，还能降低入侵地土壤重金属的污染。另外，加拿大一枝黄花入侵地土地类型不同，对入侵地土壤重金属污染的影响也不同。 　　3 小结与讨论
　　5个样地中加拿大一枝黄花成片发生区土壤含水率和有机质含量均最高。加拿大一枝黄花入侵样地中土壤细菌数均高于水稻土（CK）;灌木林地和化学试验田土壤真菌数较高，而加拿大一枝黄花成片发生区土壤真菌数最低;不同扰动方式下样地中土壤放线菌数也存在差异。加拿大一枝黄花的入侵可以提高入侵地土壤养分含量，增加土壤肥力，且与加拿大一枝黄花入侵程度密切相关。5个样地中，加拿大一枝黄花成片发生区土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均为最高，土壤综合污染指数（Pzong）也最高。从污染程度上看，5个样地8种重金属的Pzong均为安全等级，说明加拿大一枝黄花的入侵对土壤重金属污染无明显影响。表明加拿大一枝黄花对农业生产区的土壤理化性质、土壤微生物、土壤养分和重金属含量的影响受不同扰动方式的影响。
　　通过对不同扰动方式下加拿大一枝黄花入侵地土壤理化性质的分析，发现不同扰动方式下加拿大一枝黄花入侵地土壤理化性质存在显著差异。与CK相比，加拿大一枝黄花成片发生地土壤pH值明显偏低，而化学防除后的加拿大一枝黄花试验田土壤pH值最高。5个样地中，加拿大一枝黄花成片发生地土壤含水率和有机质含量均最高。这与裘伟等[5]野外调查加拿大一枝黄花的入侵增加了入侵地土壤的有机库、降低了土壤pH值结果一致，也与陈雯等[11]研究发现随着加拿大一枝黄花入侵程度的增大而入侵地土壤有机质含量增加结果一致。
　　对土壤三大类微生物检测结果发现，不同扰动方式下样地中土壤三大类微生物数量有显著差异。沈荔花等[6]研究发现加拿大一枝黄花根部土壤中的真菌数低于对照裸地，而细菌和放线菌的数量则有增多;李国庆[12]对加拿大一枝黄花入侵地土壤三大类微生物数检测结果发现，加拿大一枝黄花入侵地土壤细菌、真菌和放线菌数量均高于对照裸地。这与此试验结果中4个不同扰动方式下加拿大一枝黄花入侵地细菌数均高于CK一致，但真菌和放线菌数检测结果有差异，原因可能是此试验中检测对象为不同扰动方式下加拿大一枝黄花入侵地土壤微生物数量，入侵地土壤微生物数量变化除了受加拿大一枝黄花的入侵有关外，还受入侵地不同扰动方式的影响[13-16]。加拿大一枝黄花的入侵可以提高入侵地土壤养分含量，增加土壤肥力。裘伟等[5]通过加拿大一枝黄花对入侵地土壤特性的影响研究发现，加拿大一枝黄花增大了入侵地土壤总碳、氮库，此试验结果与其基本一致。而梁雷等[17]则从不同植物群落土壤角度分别研究了加拿大一枝黄花群落、束尾草群落、白茅群落和芦苇群落的土壤养分含量，发现加拿大一枝黄花的入侵对土壤全N、全P、全K、有效P和速效K含量没有显著影响，结果与此研究结果相矛盾，原因可能是梁雷等[17]的研究地为杭州，与此研究地为长沙，气候环境土壤类型均不同，从而导致了土壤养分部分指标结果的差异[18]。各样地中，加拿大一枝黄花成片发生区土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均为最高，土壤Pzong也为最高。黄华等[19]研究发现加拿大一枝黄花对入侵地土壤中的Zn、Cu、Pb等重金属耐性较高，与此研究结果基本吻合。不同的人为活动[20-26]对加拿大一枝黄花入侵地土壤重金属的含量也有影响，采用化学法[27-28]、物理法不仅能防除入侵地加拿大一枝黄花，还能降低加拿大一枝黄花入侵地土壤重金属的污染。另外，加拿大一枝黄花入侵地农业生产用地类型不同，对入侵地土壤重金属污染的影响也不同[29-30]。
　　不同入侵时期加拿大一枝黄花入侵地土壤相关指标还未见相关检测报道，有待进一步研究，以阐明当地加拿大一枝黄花入侵机制，制定更加有效的防控方案。
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　　（責任编辑：张焕裕）
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