伍鋼 肖順勇 戴金鵬 葉鈺 傅湘凌 陳蔚 楊海君

摘 要：采用野外調(diào)查與樣品分析法，探究了長沙縣加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)、加拿大一枝黃花未入侵的水稻田（CK）、加拿大一枝黃花散生的灌木林地、化學(xué)防除加拿大一枝黃花后的試驗田和加拿大一枝黃花發(fā)生區(qū)翻耕地5個樣地在4種擾動方式（拋荒耕地、灌木林地、化學(xué)試驗田、翻耕地）下加拿大一枝黃花對0～20 cm耕作層土壤的理化性質(zhì)、主要微生物、養(yǎng)分和重金屬含量的影響。結(jié)果表明：與CK相比，加拿大一枝黃花成片發(fā)生地土壤pH值明顯偏低，而化學(xué)防除后的試驗田土壤pH值最高。樣地中加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤含水率和有機質(zhì)含量均最高，分別達36.34%和9.49%。5個樣地中土壤微生物數(shù)量存在顯著差異，加拿大一枝黃花入侵樣地中土壤細菌數(shù)均高于CK，灌木林地和化學(xué)試驗田土壤真菌數(shù)較高，均達到了6×106 CFU/g以上，而加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤真菌數(shù)最低，僅為2.60×106 CFU/g;5個樣地中土壤放線菌數(shù)也存在差異。加拿大一枝黃花的入侵可以提高土壤養(yǎng)分含量，增加土壤肥力，且與入侵程度密切相關(guān)。加拿大一枝黃花生長密度越大，土壤全N、全P、速效K含量越高，分別為CK土壤的1.86倍、1.08倍、1.33倍。5個樣地中，加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均為最高，土壤綜合污染指數(shù)（Pzong）也最高。從污染程度上看，5個樣地土壤中8種重金屬元素單因子污染指數(shù)均低于1，均為無污染等級;綜合污染指數(shù)（Pzong）為0.38～0.50，均為安全等級。說明不同擾動方式下加拿大一枝黃花對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)土壤的理化性質(zhì)、微生物量、養(yǎng)分和重金屬含量的影響均存在明顯差異。

關(guān)鍵詞：加拿大一枝黃花;土壤;微生物;養(yǎng)分;理化性質(zhì);重金屬

中圖分類號：X825 文獻標識碼：A文章編號：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

加拿大一枝黃花（Solidago canadensis L.）是我國第二批檢疫性有害生物，為桔梗目菊科多年生宿根草本植物，具一年生地上莖和多年生地下水平生長的根狀莖[1]。加拿大一枝黃花原產(chǎn)北美，于20世紀30年代作為庭院花卉引入中國上海、南京等地，隨后逸生至野外，80年代開始迅速擴散蔓延成為惡性雜草。加拿大一枝黃花根狀莖發(fā)達，繁殖力極強，傳播速度迅猛。其危害主要表現(xiàn)在對入侵地生態(tài)平衡的破壞和嚴重威脅入侵地的生物多樣性，造成入侵地的土壤質(zhì)量受到不同程度影響[2-3]。

近年來，有關(guān)加拿大一枝黃花入侵后，對入侵地土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分和土壤微生物的影響成為了研究熱點。徐文等[3]研究5個加拿大一枝黃花典型入侵區(qū)0～20 cm耕層土壤特性，發(fā)現(xiàn)加拿大一枝黃花入侵后土壤的pH值偏高，呈堿化趨勢，土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀等含量均明顯降低。而梁雷[4]則從不同植物群落土壤角度分別研究加拿大一枝黃花群落、束尾草群落、白茅群落和蘆葦群落土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分及與土壤養(yǎng)分代謝密切相關(guān)的土壤酶活性和活性有機碳組分含量的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加拿大一枝黃花的入侵對土壤總有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量沒有顯著影響，但是顯著提高了土壤中堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。加拿大一枝黃花入侵地土壤與土著種一枝黃花生長地土壤中的養(yǎng)分含量也有明顯差異。陸建忠等[5]檢測了入侵加拿大一枝黃花和土著種一枝黃花生長后期不同種植株下土壤特性的差異。研究發(fā)現(xiàn)加拿大一枝黃花調(diào)節(jié)了土壤pH值， 增大了總碳、氮庫及有機質(zhì)庫，減小了銨氮庫和硝氮庫，促進了微生物的礦化速率和銨化速率。另外，加拿大一枝黃花對入侵地土壤微生物也會產(chǎn)生顯著影響。沈荔花等[6]研究了外來入侵雜草加拿大一枝黃花和土著種一枝黃花根部土壤中微生物區(qū)系和微生物生理類群的變化。發(fā)現(xiàn)與附近裸地5～10 cm土層土壤相比，加拿大一枝黃花入侵后其根部土壤中的細菌和放線菌增多，而真菌數(shù)量有所減少。加拿大一枝黃花的根系分泌物對土壤微生物生長也有影響，可促進好氣性自生固氮菌、氨化細菌、亞硝酸細菌、好氣性纖維素分解菌和硫化細菌的生長，抑制土壤中兼氣性纖維素分解菌、反硫化細菌和反硝化細菌的生長。而土著種一枝黃花的根系分泌物對土壤微生物生長僅表現(xiàn)出抑制作用。

上述研究涉及了加拿大一枝黃花對入侵地土壤微生物、土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分等的影響，但研究針對的土壤質(zhì)量指標不全，同一指標出現(xiàn)相反的結(jié)果，不利于科學(xué)指導(dǎo)加拿大一枝黃花的綜合治理。因此，筆者以長沙縣郭公渡成片發(fā)生加拿大一枝黃花危害的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)土壤為研究對象，比較了入侵地和未入侵地土壤理化性質(zhì)、主要微生物、土壤養(yǎng)分和重金屬含量之間的差異。旨在進一步揭示加拿大一枝黃花的入侵機制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)加拿大一枝黃花的有效控制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣地位于長沙縣黃花鎮(zhèn)郭公渡（北緯28.27°，東經(jīng)113.20°），研究地加拿大一枝黃花危害嚴重，為6 a生加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)，發(fā)生面積約為20 hm2，其中有3塊地已形成優(yōu)勢種群，面積約2 500 m2。研究地屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風濕潤氣候，四季分明，寒冷期短，炎熱期長。日平均氣溫17.6℃，年平均無霜期260 d，年平均日照1 510.9 h，年平均風速2.0 m/s。雨水充足，年均降水量1 472.9 mm，年平均蒸發(fā)量1 194.9 mm，平均相對濕度81%，年霧日23 d。采樣地編號及基本情況詳見表1。

1.2 土壤樣品采集

于2019年1月8日在各采樣區(qū)按照雙對角線五點采樣法采集0～20 cm耕層土樣，每個采樣區(qū)采集3份土壤樣品。在采集土壤樣品的各分點，先用鐵鏟挖出10 cm（長）×10 cm（寬）×20 cm（深）的表層垂直土方，再用竹簽均勻去除鐵鏟接觸面土壤至0.6 kg，且保持土方上下一致。各分點土壤量保持一致，最后將各采樣區(qū)5分點的土壤混合成不少于3.0 kg土壤鮮樣。用密封袋保存。

1.3 土壤樣品檢測

1.3.1 土壤樣品制備 各采樣區(qū)采集的土樣分成3份，其中，一份置于4℃暗處冷藏，并在7 d內(nèi)進行前處理，完成土壤理化性質(zhì)、土壤三大類微生物數(shù)量的檢測;一份除去土壤中的磚瓦石塊、石灰結(jié)核與根莖動植物殘體等，置陰涼處自然風干，用研磨機研磨后過20目篩保存，用于檢測土壤養(yǎng)分;一份自然風干，手工研磨至全部通過孔徑0.15 mm（100目）的尼龍篩，用于檢測土壤中重金屬含量。

1.3.2 土壤樣品檢測方法 按表2方法檢測。

1.4 土壤重金屬污染評價

采用單因子污染指數(shù)法（公式1）和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（公式2）[7-8]，以《農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）為評價標準[9]，對5個采樣區(qū)土壤中重金屬污染進行評價，根據(jù)土壤重金屬污染指數(shù)及分級標準進行污染等級的劃分[10]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010、DPS 7.05和SPSS 21.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理，分析不同擾動方式下加拿大一枝黃花對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)土壤質(zhì)量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤理化性質(zhì)的影響

不同擾動方式下樣地土壤基本理化性質(zhì)見表3，由表3可知，與J2相比，J1土壤pH值明顯偏低，而J4土壤pH值最高，5個樣地土壤pH值高低順序為：J4>J2>J5>J1>J3。5個樣地中，J1土壤含水率和有機質(zhì)含量均最高，分別為36.34%和9.49%。與J1相比，J2土壤含水率和有機質(zhì)含量分別降低了16.29%和21.81%;其余3個樣地中，J4土壤含水率為27.39%，顯著低于J2，而土壤有機質(zhì)含量與J2無顯著差異;而J3和J5土壤含水率分別為21.27%和22.79%，二者無顯著差異;J3土壤有機質(zhì)含量最低，僅為J2土壤有機質(zhì)含量的71.29%。

2.2 不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤微生物的影響

不同擾動方式下樣地土壤三大類微生物數(shù)見圖1，由圖1可知，加拿大一枝黃花的入侵顯著提高了土壤中細菌數(shù)，入侵的4個樣地中土壤細菌數(shù)均比J2高。5個樣地中，J3土壤中細菌和真菌數(shù)均最多，分別達到2.39×107CFU/g和6.65×106CFU/g，分別為J2的2.3倍和1.3倍;而J4土壤放線菌數(shù)最多，達到9.37×106CFU/g，為J2的1.8倍。不同擾動方式下樣地土壤細菌數(shù)量的高低順序為：J3>J5>J1>J4>J2。不同擾動方式下5個樣地土壤真菌數(shù)也有顯著差異，其中J3和J4土壤真菌數(shù)較高，均達到了6×106CFU/g以上，而J1土壤真菌數(shù)最低，僅達到1.30×106CFU/g，與J3和J4土壤真菌數(shù)相比，分別降低了80.45%和79.13%。另外，不同擾動方式下5個樣地土壤放線菌數(shù)也存在差異，其高低順序為J4>J2>J1>J3>J5，其中J1與J3土壤放線菌數(shù)無顯著差異，分別為3.00×106 CFU/g和2.90×106 CFU/g;J4和J2土壤放線菌數(shù)均較高，分別為J5土壤放線菌數(shù)的3.67倍和2.04倍，原因可能是J4和J2土壤pH值較高，更適合放線菌生長。從三類微生物總量上來看，J3土壤三類微生物總量最高，微生物生長最豐富，J4和J5次之;而J1和J2三類微生物總量最低，兩者之間無顯著差異。說明加拿大一枝黃花入侵地土地類型不同，對土壤微生物的影響就不同;人類活動如翻耕等能提高入侵地土壤微生物的總量。

2.3 不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤養(yǎng)分的影響

由圖2可知，不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤養(yǎng)分的影響存在差異。J1土壤全N、全P含量均最高，分別為0.46%和0.27%，分別為J2土壤全N、全P含量的1.86倍和1.08倍。而J1土壤全K含量雖低于J2，但土壤速效K含量最高，為J2土壤速效K含量的1.33倍。J1是5個樣地中（J2未長有加拿大一枝黃花）加拿大一枝黃花生長密度最大的區(qū)域，由此可見，加拿大一枝黃花的入侵可以提高入侵地土壤養(yǎng)分含量，增加土壤肥力。5個樣地土壤全N含量高低順序為（圖2-A）：J1>J4>J2>J3>J5，J4土壤全N含量為0.27%，比J2的土壤全N含量高7.72%;其余2個樣地中，J3土壤全N含量與J2土壤全N含量無顯著差異，J5土壤全N含量顯著低于J2，僅為J2土壤全N含量的91.46%。因擾動程度不同，5個樣地的土壤全P含量也有差異（圖2-A）。J4土壤全P含量與J2無明顯差異，且均低于J1;J3和J5土壤全P含量均低于J2，分別比J2土壤全P含量低6.43%和12.05%。不同擾動方式下，5個樣地土壤K含量差異較大，其中J2土壤全K含量最高，達到了1.20%，其余4個加拿大一枝黃花不同程度入侵地土壤全K含量高低順序為（圖2-B）：J5>J4>J1>J3;加拿大一枝黃花入侵的土地類型不同，對土壤中全K含量的影響也不同，加拿大一枝黃花入侵旱地（J3）土壤全K含量顯著低于入侵水田成片發(fā)生區(qū)土壤全K含量。另外，雖然J2土壤全K含量最高，但速效K含量比J1低（圖2-C）。土壤速效K含量，J5與J1無顯著差異，說明翻耕方式不僅可以防除加拿大一枝黃花，對土壤速效K含量也無明顯影響，而且J5和J3土壤速效K含量均高于J2，分別為J2的1.28倍和1.17倍。5個樣地中，J4土壤速效K含量最低，僅為J1的47.92%，說明化學(xué)防治方式雖能有效防除加拿大一枝黃花，但會降低土壤中速效K含量，引起土壤中有效養(yǎng)分流失。

2.4 不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤重金屬含量的影響及其評價

由圖3可知，不同擾動方式下加拿大一枝黃花對入侵地土壤重金屬含量的影響具有明顯差異。5個樣地中，J1土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均為最高，分別為20.04、26.86、36.26、0.18、80.52、120.08 mg/kg，均高于J2對應(yīng)重金屬含量5.54%～20.06%。J2土壤As含量最高，達到了12.00 mg/kg，土壤Hg含量與J1土壤Hg含量無顯著差異。另外，加拿大一枝黃花入侵地土地類型不同，對土壤重金屬含量的影響也不同。J3土壤重金屬Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn、As和Hg含量均顯著低于J1，J3土壤中8種重金屬含量比J1土壤中對應(yīng)8種重金屬含量低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含量分別比上述2個樣地高15.54%和14.77%;J4土壤Zn含量與J2無差異，但是比J1低12.50%，說明采用化學(xué)防治法不僅可以高效防除加拿大一枝黃花，還能降低土壤中重金屬的污染。除了化學(xué)防治外，翻耕也能有效防除加拿大一枝黃花，而且J5土壤重金屬除了As和Hg含量比未翻耕地分別高4.17%和12.16%外，Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均比未翻耕地低，以上結(jié)果表明，翻耕不僅能有效防除成片發(fā)生區(qū)的加拿大一枝黃花，還能降低其入侵地土壤重金屬的污染。

以《農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）對不同擾動方式下樣地土壤重金屬含量進行單因子評價（見表4），由表4可知，土壤中8種重金屬元素的單項污染指數(shù)范圍分別為：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。從污染程度上看，5個樣地土壤中8種重金屬元素單因子污染指數(shù)均低于1，均為無污染等級;5個樣地8種重金屬綜合污染指數(shù)Pzong范圍為0.38～0.50，均為安全等級。從數(shù)值上看，J1土壤重金屬綜合污染指數(shù)最高，達到了0.50，J3、J4和J5土壤重金屬綜合污染指數(shù)均低于J2。說明采用化學(xué)法、物理法不僅能防除入侵地加拿大一枝黃花，還能降低入侵地土壤重金屬的污染。另外，加拿大一枝黃花入侵地土地類型不同，對入侵地土壤重金屬污染的影響也不同。

3 小結(jié)與討論

5個樣地中加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤含水率和有機質(zhì)含量均最高。加拿大一枝黃花入侵樣地中土壤細菌數(shù)均高于水稻土（CK）;灌木林地和化學(xué)試驗田土壤真菌數(shù)較高，而加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤真菌數(shù)最低;不同擾動方式下樣地中土壤放線菌數(shù)也存在差異。加拿大一枝黃花的入侵可以提高入侵地土壤養(yǎng)分含量，增加土壤肥力，且與加拿大一枝黃花入侵程度密切相關(guān)。5個樣地中，加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均為最高，土壤綜合污染指數(shù)（Pzong）也最高。從污染程度上看，5個樣地8種重金屬的Pzong均為安全等級，說明加拿大一枝黃花的入侵對土壤重金屬污染無明顯影響。表明加拿大一枝黃花對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、土壤養(yǎng)分和重金屬含量的影響受不同擾動方式的影響。

通過對不同擾動方式下加拿大一枝黃花入侵地土壤理化性質(zhì)的分析，發(fā)現(xiàn)不同擾動方式下加拿大一枝黃花入侵地土壤理化性質(zhì)存在顯著差異。與CK相比，加拿大一枝黃花成片發(fā)生地土壤pH值明顯偏低，而化學(xué)防除后的加拿大一枝黃花試驗田土壤pH值最高。5個樣地中，加拿大一枝黃花成片發(fā)生地土壤含水率和有機質(zhì)含量均最高。這與裘偉等[5]野外調(diào)查加拿大一枝黃花的入侵增加了入侵地土壤的有機庫、降低了土壤pH值結(jié)果一致，也與陳雯等[11]研究發(fā)現(xiàn)隨著加拿大一枝黃花入侵程度的增大而入侵地土壤有機質(zhì)含量增加結(jié)果一致。

對土壤三大類微生物檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同擾動方式下樣地中土壤三大類微生物數(shù)量有顯著差異。沈荔花等[6]研究發(fā)現(xiàn)加拿大一枝黃花根部土壤中的真菌數(shù)低于對照裸地，而細菌和放線菌的數(shù)量則有增多;李國慶[12]對加拿大一枝黃花入侵地土壤三大類微生物數(shù)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加拿大一枝黃花入侵地土壤細菌、真菌和放線菌數(shù)量均高于對照裸地。這與此試驗結(jié)果中4個不同擾動方式下加拿大一枝黃花入侵地細菌數(shù)均高于CK一致，但真菌和放線菌數(shù)檢測結(jié)果有差異，原因可能是此試驗中檢測對象為不同擾動方式下加拿大一枝黃花入侵地土壤微生物數(shù)量，入侵地土壤微生物數(shù)量變化除了受加拿大一枝黃花的入侵有關(guān)外，還受入侵地不同擾動方式的影響[13-16]。加拿大一枝黃花的入侵可以提高入侵地土壤養(yǎng)分含量，增加土壤肥力。裘偉等[5]通過加拿大一枝黃花對入侵地土壤特性的影響研究發(fā)現(xiàn)，加拿大一枝黃花增大了入侵地土壤總碳、氮庫，此試驗結(jié)果與其基本一致。而梁雷等[17]則從不同植物群落土壤角度分別研究了加拿大一枝黃花群落、束尾草群落、白茅群落和蘆葦群落的土壤養(yǎng)分含量，發(fā)現(xiàn)加拿大一枝黃花的入侵對土壤全N、全P、全K、有效P和速效K含量沒有顯著影響，結(jié)果與此研究結(jié)果相矛盾，原因可能是梁雷等[17]的研究地為杭州，與此研究地為長沙，氣候環(huán)境土壤類型均不同，從而導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分部分指標結(jié)果的差異[18]。各樣地中，加拿大一枝黃花成片發(fā)生區(qū)土壤中Pb、Ni、Cu、Cd、Cr、Zn含量均為最高，土壤Pzong也為最高。黃華等[19]研究發(fā)現(xiàn)加拿大一枝黃花對入侵地土壤中的Zn、Cu、Pb等重金屬耐性較高，與此研究結(jié)果基本吻合。不同的人為活動[20-26]對加拿大一枝黃花入侵地土壤重金屬的含量也有影響，采用化學(xué)法[27-28]、物理法不僅能防除入侵地加拿大一枝黃花，還能降低加拿大一枝黃花入侵地土壤重金屬的污染。另外，加拿大一枝黃花入侵地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地類型不同，對入侵地土壤重金屬污染的影響也不同[29-30]。

不同入侵時期加拿大一枝黃花入侵地土壤相關(guān)指標還未見相關(guān)檢測報道，有待進一步研究，以闡明當?shù)丶幽么笠恢S花入侵機制，制定更加有效的防控方案。

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（責任編輯：張煥裕）