编译：余涵霞，编辑：小菌菌、江舜尧。

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目前入侵植物被认为是对自然生态系统最严峻的威胁之一，生态学家提出了多个用于解释外来植物成功入侵的机制假说，主要包括3个方面：

（1）解释外来植物的入侵性，如繁殖体压力假说和内禀优势假说等；

（2）解释易入侵生境的敏感性，如物种多样性阻抗假说、空缺生态位假说和生态系统干扰假说等；

（3）用于解释入侵种与本地种的相互作用，如竞争力增强的进化假说、天敌逃逸假说和新型武器假说等。

而在入侵刚开始发生时，入侵植物面对的是一个土著植物占优势的生境，入侵植物首先要与土著植物竞争资源和空间，取得不对称竞争结果，才能占据新生境。因此，入侵种与本地种之间的竞争关系在入侵植物成功定殖和迅速扩张中扮演着重要作用。

竞争可能通过地上生长、地下根系及其相互作用来调节。但是上述假说主要聚焦于入侵物种地上部分的生理生态学特性，而忽略了地下部分特别是植物-土壤反馈作用在植物入侵中所扮演的角色。很显然，在这个过程中土壤微生物群落对入侵植物竞争力的影响是不容忽视的。有研究表明，土壤微生物群落能够直接影响入侵植物对土壤养分的获取，特别是土壤氮养分。氮元素是植物生长过程中最重要的限制性养分，并且自然界中大多数生态系统都是氮限制型。土壤中可被植物直接吸收利用的主要是铵态氮和硝态氮，只占全氮的1% - 5%，这些底物的可利用性取决于不同的氮转化反应，如氨化作用、硝化作用或固氮作用。有研究表明，豆科植物主要通过固氮作用来获取氮素。但是有关固氮过程与非固氮过程（即氨化作用、硝化作用）对非豆科植物可利用氮素的贡献尚不清楚。

薇甘菊是被世界自然保护联盟（IUCN）列为危害性最高的100种外来入侵生物之一，是菊科多年生草质藤本，原产于中、南美洲，现已广泛分布于世界各地，对本地生态系统造成了巨大破坏，经济损失严重。有研究表明薇甘菊成功入侵后显著改变了土壤条件和土壤微生物群落，例如增加了根际土壤中的有效氮含量和硝化速率。但是，目前人们对薇甘菊入侵对土壤氮循环过程及其相关氮循环功能菌的影响尚不清楚，这在很大程度上制约了我们对薇甘菊入侵的地下生态系统机制的深刻理解。

我们采用盆栽控制实验和野外取样验证的方法来探究薇甘菊入侵影响氮循环和氮养分吸收的土壤微生物学机制。在本实验中，基于前期的野外调查结果和相似性限制原则（具有相似生态位的物种对相同资源竞争激烈），我们选取了华南地区危害最严重的入侵杂草薇甘菊及其两个本地伴生植物火炭母和鸡矢藤作为对照进行单种和混种实验。盆栽实验中，我们是将薇甘菊与两个本地种分别单种以及薇甘菊与火炭母和鸡屎藤分别混种；野外验证实验则是采集三种植物的根际土壤以及薇甘菊种群的近邻裸土进行原地取样验证。我们测试了三种植物的生物量、植物组织含氮量、根际土壤养分、氮循环速率、微生物生物量和活性以及氮循环功能菌菌群多样性，从而探究入侵种对本地植物的氮素竞争机制，提出以下假设：

（1）薇甘菊可能通过富集氮循环功能菌来影响土壤氮素的转化，受薇甘菊影响的土壤微生物多样性、氮循环速率可能与本地植物土壤显著不同；

（2）作为一种非豆科植物，我们还假设，在薇甘菊入侵土壤中，土壤氮素有效性的提高主要是由硝化作用而非固氮作用所驱动。

1 植物生物量、组织N含量与竞争力指数（RII）

薇甘菊单种时的地上部分、地下部分和总生物量以及地上部分和地下部分的组织氮含量均显著高于两个伴生种（图1）。并且混种时薇甘菊地上部分生物量的竞争力指数也显著高于两种本地种，但地下部分生物量的竞争力指数则表现相反（图1）。

图1 入侵植物薇甘菊（Mm）及其伴生种火炭母（Pc）和鸡屎藤（Ps）生长12周后生物量（a，b）和植株组织氮（c，d）的相对互作指数（RII）（平均值± 标准误, n = 6）。Mm（Pc）：在与薇甘菊竞争条件下生长的火炭母的RII；Pc（Mm）：在与火炭母竞争条件下生长的薇甘菊的RII；Mm（Ps）：在与薇甘菊竞争条件下生长的鸡屎藤的RII；Ps（Mm）：在与鸡屎藤竞争条件下生长的薇甘菊的RII。柱状图上的不同字母表示显著性差异（邓肯检验，P < 0.05）。

2 土壤化学性质和氮循环速率

与其它处理相比，薇甘菊单种时pH、铵态氮和硝态氮显著增加，总氮含量显著下降，同时植物生物量和植物组织氮含量与土壤总氮呈负相关，但与有效氮呈正相关。此外，总体来看，与本地种相比，薇甘菊提高了土壤氮循环速率（图2）。

图2 入侵植物薇甘菊（Mm）及其伴生种火炭母（Pc）和鸡屎藤（Ps）根际土壤的氮循环（固氮a；氨化b；总硝化c；反硝化d）速率的变化（平均值 ± 标准误, n = 6）。Mm、Pc、Ps：薇甘菊、火炭母和鸡屎藤分别单独种植；Mm+Pc：薇甘菊和火炭母混种；Mm+Ps：薇甘菊和鸡屎藤混种。柱状图上的不同字母表示显著性差异（邓肯检验，P < 0.05）。

3 土壤微生物生物量和活性

土壤环境中微生物群落可以通过影响植物根际养分的可利用性，从而导致植物之间的非对称性竞争。因此我们进一步研究了土壤中的微生物群落。结果发现，与其他土壤相比，薇甘菊显著增加了土壤微生物的生物量C、N以及微生物的活性。相关分析表明，三种植物的根际土壤微生物量活性与土壤氮循环速率或者有效氮的的含量呈正相关。

 4 野外验证

上述结果表明无论薇甘菊是否与两个本地种共生，薇甘菊根际土壤中的有效氮含量、土壤氮循环速率以及土壤微生物生物量和活性均显著升高。这一结果得到了野外实验的支持。野外取样中，薇甘菊根际土壤氮素含量、土壤氮循环速率以及土壤微生物活性均显著高于两个伴生种及裸土。

5 氮循环功能基因的丰度及微生物群落的组成与多样性

基于上述的盆栽和野外实验结果，我们认为薇甘菊对本地种的高竞争力与参与土壤氮转化过程的微生物密切相关。因此我们进一步采用高通量测序技术对土壤氮循环过程中的关键功能基因进行了深入分析。Alpha-多样性表明，薇甘菊土壤固氮基因nifH、AOB、AOA以及反硝化基因narG的Chao1和ACE丰富度指数均显著大于两个伴生种，其中AOB和AOA的Shannon和Simpson多样性指数也显著高于两个伴生种。此外，薇甘菊及其两个伴生种根际土壤五个功能基因在属水平上的微生物群落结构具有显著差异（图3）。与两个本地种相比，薇甘菊根际土壤富集了较多的固氮菌-除硫单胞菌属Desulfuromonas（27.02%）和地杆菌属Geobacter（26.32%），氨氧化细菌-亚硝化弧菌属Nitrosovibrio（12.19%）和氨氧化古菌-亚硝化细杆菌属Nitrosotalea（49.92%）。AQ-PCR测序分析对功能基因的表达量做了进一步验证，结果检测到薇甘菊单种土壤中nifH基因和AOA基因的丰度均显著高于两个本地种。

图3 薇甘菊（Mm）、火炭母（Pc）和鸡屎藤（Ps）根际土壤中基于5个功能基因（nifH（a）；bacteria-amoA（b）；archaeal-amoA（c）；narG（d）；nirK（e）；n = 3个基因区）微生物属的平均相对丰度。

6 结构方程模型分析（SEM）

以上结果证实了我们的第一个假设，薇甘菊确实是通过富集氮循环功能菌影响了土壤氮素的转化，其根际土壤微生物多样性、氮循环速率与本地植物土壤显著不同。为了验证第二个假设，我们使用结构方程模型（SEM）探究了薇甘菊入侵过程中有效氮生成的主要途径。从图5可以看出，χ²检验的P值为0.113（> 0.05），模型隐含协方差矩阵与原始协方差矩阵之间不存在显著差异，因此该结构模型成立。结果表明，与固氮作用相比，AOA介导的硝化作用与有效氮的生成的相关性更强。显然，薇甘菊主要通过硝化作用来获得更多的有效氮，并且AOA在这一硝化过程中起关键作用。

图5 薇甘菊入侵通过固氮和非固氮作用对有效氮（AN）产生影响的结构方程模型（SEM）。nifH，固氮酶基因拷贝丰度；archaea-amoA，氨氧化古细菌基因拷贝丰度；N-fixation，固氮速率；nitrification，总硝化速率。效应值是标准化的，箭头旁边的数字是标准化的回归系数。用绿色实线和虚线表示的箭头分别表示正的和不显著的路径系数，它们的宽度表示路径系数的大小。星号表示通径路径系数的显著性（*，P<0.05；***，P<0.001）。R²值仅适用于直接通向可用N的路径。由于模型隐含协方差矩阵与原始协方差矩阵之间不存在显著差异，因此不能拒绝该模型（χ²检验，P >0.05）。

综上所述，本文提出的假设得到验证，主要结论如下：

（1）薇甘菊比其本地伴生种具有更高的竞争力，部分原因在于其较高的植物氮吸收能力和土壤氮矿化能力；

（2）薇甘菊通过富集根际土壤N循环功能菌加速了土壤氮循环过程，其生长所需的土壤有效氮主要来自氨氧化古菌所介导的硝化作用而非固氮作用。

外来入侵植物对生态系统的威胁越来越大，根际微生物类群在入侵植物成功定殖和迅速扩张中起着重要作用。氮是植物生长过程中最重要的限制性养分，并且自然界中大多数生态系统都是氮限制型。然而，在竞争的背景下，土壤微生物在入侵植物获取氮素过程中的作用尚不清楚。本文探索了外来植物薇甘菊入侵影响氮循环过程和氮养分吸收的土壤微生物学机制。通过室内盆栽实验和野外取样发现，薇甘菊根际土壤中具有更高的有效氮含量、土壤氮循环速率以及土壤微生物生物量和活性；此外，薇甘菊通过富集根际土壤N循环功能菌加速了土壤氮循环过程，并且AOA介导的硝化作用是其获取有效氮的主要途径。这说明土壤微生物类群是影响外来植物成功入侵的一个重要决定因素，特别是与氮循环相关的功能菌群可能会通过矿化更多的有效氮来促进入侵。

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