【毕业学位论文】外来植物紫茎泽兰入侵的土壤微生物学机制硕士论文

密级: 论文编号: 中国农业科学院 学位论文 外来植物紫茎泽兰入侵的土壤微生物学机制 士 研 究 生 ：牛红榜 指 导 教 师：万方浩 研究员 申 请 学 位 类 别：农学硕士 专 业：生物安全 研 究 方 向：外来生物入侵 培 养 单 位：植物保护研究所 研究生院 提交日期 2007 年 6月 2007 研究为国家重点基础研究发展计划“农林危险生物入侵机理与控制基础研究” （973 计划，2002部分内容。所有实验在“中国农业科学院植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室”以及“农业部外来入侵生物预防与控制研究中心”完成。 摘 要 入侵植物与 入侵地土壤 微生物的互 作关系是外 来入侵植物 与入侵地生 境互作关系 的重 要 内容， 土壤微生物是影响外来植物入侵力和生态系统可入侵性的一个重要因素。 外来植物入侵可以引起土壤微生物群落及土壤生态过程发生改变， 反过来这种改变可能有利于外来植物的生长及与当地植物的竞争， 这是外来植物入侵的一种新机制土壤微生物学机制。 因此， 外来入侵植物对入侵地土壤养分循环和土壤微生物群落的影响不仅是入侵效应问题， 更 与外来植物的入侵机制联系紧密。 紫茎泽兰 （ R. H. ） 是一种典 型的恶性入侵杂草， 已对许多国家和地区造成了严重的经济和生态损失。在综述国内外外来植物的入侵机理和紫茎泽兰种群扩张研究的基础上， 本研究从紫茎泽兰与土壤微生物的互作关系出发， 通过野外取样和温室盆栽实验， 分别 从紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响 、紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价、 紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落结构的影响和入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、 与当地 植物竞争的影响等方面研究了紫茎泽兰入侵的土壤微生物学机制。主要结果如下： 1. 紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响 通过对紫茎泽兰入侵后不同演替阶段中 （重度入侵区、 轻度入侵区、 未入侵区和当地植物生长区） 的土壤微生物群落和土壤理化性质的比较， 发现紫茎泽兰入侵显著改变了入侵地的土壤微生物群落结构， 在重度入侵区土壤真菌、 自生固氮菌、 氨氧化细菌数量均较高， 分别是轻度入侵区对应菌数量的 、 和 ， 是未入侵区对应菌数量的 、 和 ， 是当地植物区对应菌数量的 、 和 。 同 时提高了土壤中植物可直接吸收的硝态氮、 铵态氮、 有效磷、 速效钾和有机碳含量， 其中土壤硝态氮和铵态氮的含量分别为 32.5 9.3 别是未入侵区对应含量的 和 ，是当地 植物区对应含量的 和 。土壤微生物各生理功能类群的变化与土壤理化性质的变化相关显著， 土 壤微生物群落的变化可能导致了土壤养分水平的升高。 结果表明随着紫茎泽兰的不断入侵扩张， 显著改变了土壤微生物群落和土壤养分； 重度入侵区丛枝菌根真菌和真菌 /细菌比率显著高于其它区， 这可能与紫茎泽兰形成菌根真菌共生体有关。 2. 紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价 通 过 分 离 、 筛 选 、 鉴 定 紫 茎 泽 兰 根 际 土 壤 中 优 势 细 菌 及 其 拮 抗 性 能 测 定 ， 发 现 紫茎泽兰根际土壤 中存 着丰富 的芽 孢杆菌 和假 单胞菌 ，其 中枯草 芽孢 杆菌和 巨大 芽孢杆 菌数 量最多 ，共 占鉴定细菌总数的 这些优势细菌类群对番茄枯萎病菌和青枯病菌有不同程度的拮抗作用，以枯草芽孢杆菌 苏云金芽孢杆 番 茄枯萎病菌的拮抗效果最为明显，其代谢产物的抑菌率分别为 优 势细菌代谢液比菌体对病原菌的拮抗作用更强。 结果表明紫茎泽兰 根际 丰富的 具有 强拮抗 性能 的细菌 类群 可能是 紫茎 泽兰不 受土 传病害 侵扰 的原因 ；通 过这种根 际有 益微生 物的 反馈作 用， 紫茎泽 兰直 接或间 接的 在与当 地植 物竞争 中处 于有利 地位 ，从而有利于其排挤当地植物。 3. 紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落的影响 1利用紫茎泽兰根系和茎叶浸提液培育入侵地土壤微生物群落， 发现紫茎 泽兰根系浸提液和茎叶浸提液分别处理轻度入侵土壤 2 周和 3 周后 ， 土壤微生物群落发生显著变化， 且随着浸提液浓度的增大微生物群落结构向重度入侵靠拢， 但茎叶浸提液的作用效果小于根系。 试验同时测定了紫茎泽兰根系和茎叶浸提液对已分离鉴定的 8 株紫茎泽兰根际优势细菌生长的影响， 发现根系 和茎叶浸提液都显著地促进了细菌的生长， 且随着浸提液浓度的增大促进作用增强。 结果表明紫茎泽兰可以通过茎叶淋溶物和根系分泌物改变土壤微生物的群落结构， 它 们间可能存在营养关系或化学通信联系。 4. 入侵地土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、竞争的影响 温室盆栽试验测定了被紫茎泽兰改变了的土壤微生物群落对紫茎泽兰生长、 与当地 植物竞争的影响， 发现被紫茎泽兰入侵改变了的土壤微生物群落抑制了当地植物的生长， 却增强了紫茎泽兰的竞争能力。重度入侵地土壤微生物群落对当地植物生长的抑制强度极显著地高于紫茎泽兰，灭菌处理使黑麦草生物量提高了 23%， 佩兰提高了 93%， 紫 花苜蓿提高了 73%， 而 紫茎泽兰仅提高了 11%。 与此相反， 空白地土壤微生物对紫茎泽兰的抑制强度则显著地高于当地植物。 当地植物区土壤微生物群落抑制了 3 种当 地植物的生长， 却促进了紫茎泽兰的生长。 四种不同来源的土壤微生物群落都提高了紫茎泽兰相对优势度， 重 度入侵地土壤微生物群落提高紫茎泽兰相对优势度最为显著， 比未入侵区土壤微生物群落对紫茎泽兰相对优势度的影响平均高出 24%。 结果表 明紫茎泽兰入侵改变了的土壤微生物群落促进了紫茎泽兰生长和竞争。 5. 总结 紫茎泽兰入侵改变了土壤微生物群落， 提高土壤自生固氮菌、 氨氧化细菌和真菌数量， 也提高了土壤的有效磷、 速效钾、 硝态氮、 氨态氮含量； 同时其根际存在丰富的具有拮抗性能的细菌类群， 可能是 紫茎泽兰不受土传病害侵扰的原因； 其根系和茎叶浸提液可以改变土壤微生物群落 ，促进根际细菌的生长； 通过这些途径， 紫茎泽兰获得了土壤微生物的有益反馈， 为自身生长创造有利条件。 这是一个自我促进 （ 式的入侵机制： 紫茎泽兰改变入侵地土壤微生物群落，创造了对自身生长有利的土壤环境。 关键词 : 紫茎 泽兰，外来植物入侵，土壤微生物群落，入侵机制，土壤微生物反馈，促进作用，抑制作用 2he of in is by is of in of is of R. H. is a of A. of in To . on . to of of . as 1. . on in in . as as N, in as to of It . to 2. . 5 of . of of in . of of at . . a to 3. . on by . to . 00% A. to . . on in of A. 4. of of . he in on . in of . In 3%, 3%, 3%, . 1%. in of . as to of in . 24% on in to 5. . is by in or it in it in a . be an of is as an to of 目 录 第一章 绪论 . 1 来植物入侵机制的研究进展 . 外来入 侵植物的生物生态学特征 . 1 入侵 生境的可入侵性 . 2 种 多样性阻抗假说（ . 3 余 生态位假说（ . 4 态 系统干扰假说（ . 4 来入 侵植物与入侵地生境的互作关系 . 5 敌 逃避假说（ . 5 侵 进化假说（ . 6 秘 武器假说（ . 8 来植物入侵的土壤微生物学机制研究 . 土壤微 生物对植物生长、竞争和群落演替的作用 . 9 来植 物入侵对土壤生态过程的影响 . 10 来 植物入侵对土壤养分的影响 . 10 来 植物入侵对土壤微生物群落和功能的影响 . 11 来 植物入侵对土壤生态过程影响的途径 . 12 壤微 生物群落对入侵植物生长、竞争的反馈及其机制 . 13 来植 物入侵的土壤微生物学机制对入侵植物生态替代的指导意义 . 14 结 . 15 壤微生物群落结构的研究方法 . 土壤微 生物的传统培养的研究方法 . 16 磷脂 脂肪酸（ 代表的生物标志物（ . 17 茎泽兰种群入侵扩展机理研究 . 紫茎泽 兰生物生态学特征 . 19 茎泽 兰入侵扩张的分子机理 . 20 茎泽 兰与本地植物的资源竞争 . 20 茎泽 兰化感作用研究 . 21 研究的总体思路、主要内容和技术路线 . 总体思 路 . 22 究内 容和意义 . 22 术路 线 . 22 第二章 紫茎泽兰入侵对土壤生态的影响 . 24 料与方法 . 研究区 的自然概况 . 24 验设 计 . 24 样的 采集与保存 . 25 样的 测定与方法 . 25 壤 理化性质的测定 . 25 壤 微生物群落的磷脂脂肪酸 (析 . 25 培 养土壤微生物类群的分析 . 26 据分 析 . 26 I 果 . 不同入 侵区的植物群落特征 . 26 同入 侵区土壤理化性质的差异 . 27 同入 侵区土壤微生物群落结构的差异 . 27 同入 侵区可培养土壤微生物类群的差异 . 28 壤微 生物可培养类群变化与土壤理化性质变化的联系 . 28 论 .论 .三章 紫茎泽兰根际土壤中优势细菌的筛选鉴定及拮抗性能评价 . 35 料与方法 . 紫茎泽 兰根际土壤采集 . 35 壤细 菌的分离培养和优势细菌的筛选 . 35 势细 菌的脂肪酸（ 定 . 36 养 基与脂肪酸提取试剂 . 36 肪 酸的提取 . 36 肪 酸的检测 . 36 势细 菌对土传病原菌的拮抗作用 . 37 试 拮抗菌和病原菌 . 37 番 茄枯萎病菌拮抗性能的测定 . 37 青 枯菌拮抗性能的测定 . 37 菌代 谢产物拮抗性能的测定 . 37 计分 析 . 37 果与分析 . 细菌的 分离与鉴定 . 37 势芽 孢杆菌的多态性聚类分析 . 38 势细 菌对番茄枯萎病菌和青枯菌的拮抗作用 . 40 论 .论 .四章 紫茎泽兰浸提液对土壤微生物群落结构的影响 . 43 料与方法 . 紫茎泽 兰根系和茎叶浸提液的制备 . 43 壤微 生物的培育 . 43 据分 析 . 43 果与分析 . 紫