賈 璇， 皇甫超河，?安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥3003； 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津3009

生物入侵是目前威脅全球生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的全球性問題之一。 入侵植物自身的生理特性對于其種群的入侵、生存和擴展至關(guān)重要(張曉亞等，2015)。 入侵植物相對于本地植物通常具有更高的葉片N 含量(Nmass)，比葉面積(specific leaf area，SLA)和光飽和速率(Pnmax)越高，Nmass就越高，有助于提高入侵植物生物量，從而獲得相對于本地植物更高的競爭優(yōu)勢。 Feng et al. (2007)的“N 分配的進化假說”認為入侵植物的入侵機制與植物的光合作用有很大關(guān)系，相對于原產(chǎn)地種群，入侵到中國的入侵種群有著較高的光合氮利用效率(photosynthetic nitrogen use efficiency，PNUE)、光合能量利用效率(photosynthetic energy use efficiency，PEUE)以及更高的能量利用返還策略(a quicker return energy-use strategy)。 另外，入侵植物增加了對光合機制的N 分配，減少了對細胞壁等防御結(jié)構(gòu)的N 分配，導(dǎo)致光飽和速率的增加，可能也增加了PEUE等(Liu et al.，2017)。 在我國現(xiàn)有的入侵植物中菊科植物所占的種數(shù)最多，我國已經(jīng)確定的230 種入侵植物中有59 種隸屬于菊科(羅雪晶等，2017)。由于具有相同的進化歷史和生長策略，開展同科屬近緣入侵種和土著種比較研究有助于解釋入侵物種快速擴散的生理生態(tài)學(xué)機制(John ＆ John，2011)。

黃頂菊Flaveria bidentis (L.) Kuntze 屬菊科黃頂菊屬，一年生草本植物，原產(chǎn)于南美洲，分布在西印度群島、墨西哥和美國的南部，后來又傳播到歐洲的英國、法國，澳大利亞，非洲的埃及和南非以及亞洲的日本等地(劉全儒，2005)。 黃頂菊于2001年在我國天津南開和河北衡水市首次被發(fā)現(xiàn)，傳入年份及傳入途徑不清楚(皇甫超河等，2009)。 黃頂菊入侵我國后，憑借其旺盛的繁殖能力和廣泛的適應(yīng)性迅速得到傳播，并通過與本地物種的競爭或占據(jù)本地物種的生態(tài)位來排擠本地植物，降低入侵地物種多樣性水平和生態(tài)系統(tǒng)的功能(劉寧，2013)。目前，小飛蓬Conyza canadensis (L.) Cronq(王曉紅和紀明山，2013)、少花蒺藜草Cenchrus pauciflorus Benth(王坤芳等，2016)、馬纓丹Lantana camara L.(朱慧和馬瑞君，2009)與其伴生物種的光合特性均有報道，研究認為，入侵種有較高的光合速率和物質(zhì)積累能力以及較高的生產(chǎn)力。 皇甫超河等(2009)初步研究了黃頂菊及其4 種伴生雜草的光合特性。 前人的研究均在人工種植條件下開展，缺乏在自然生境下入侵種與本土近緣物種光合特性的報道，且關(guān)于黃頂菊對外部光強環(huán)境響應(yīng)模式尚無研究。 基于此，本文推測黃頂菊能夠在河北地區(qū)成功入侵與其光合特性有重要關(guān)系，黃頂菊相對本地種具有較高的氣體交換參數(shù)、光合能量利用效率等，從而具有對環(huán)境資源的利用效率更高、捕獲能力與利用能力更高等特點。 本研究選取河北邯鄲、衡水和滄州地區(qū)黃頂菊的典型重發(fā)生區(qū)，以共生的菊科本地植物蒼耳Xanthium sibiricum Patrin ex Widder 為對照，測定二者相關(guān)光合參數(shù)，比較分析二者的光合特性及葉片特性之間幾種重要指標的差異。 蒼耳亦為菊科一年生草本植物，在黃頂菊入侵區(qū)是具有代表性的土著共生種(屠臣陽等，2013)。 因此，探討二者對光強變化的響應(yīng)模式和揭示黃頂菊環(huán)境適應(yīng)性的生理生態(tài)學(xué)機制具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料

分別于2014 年9 月7、8、9 日在河北3 個地區(qū)進行數(shù)據(jù)測定和樣品采集。 所選生境均為黃頂菊和蒼耳混生，其他伴生植物包括灰綠黎Chenopodium glaucum L.、反枝莧Amaranthus retroflexus L.、狗尾草Setaria viridis (L.) Beauv.等。

在河北省邯鄲市永年縣臨洺關(guān)鎮(zhèn)洺河灘(36°47′51″N， 114°28′48″E，海拔60 m)進行邯鄲地區(qū)的植物數(shù)據(jù)測定和采樣，此地為黃頂菊重發(fā)生區(qū)。 此區(qū)域有比較典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥。 年平均溫度13.5 ℃，全年無霜期200 d，年均日照時數(shù)2557 h。 土壤理化性質(zhì)為：土壤pH 值7.61，有機質(zhì)14.66 g·kg-1，全N 1.63 g·kg-1，全P 0.70 g·kg-1，土壤類型為鹽漬土。

在河北省衡水市衡水湖畔(37°33′29″N， 115°34′49″E， 海拔20 m)進行衡水地區(qū)的數(shù)據(jù)測定和植物采樣，此地區(qū)為黃頂菊重發(fā)生區(qū)。 此區(qū)域冷暖干濕差異較大，屬于暖溫半干旱型大陸性季風(fēng)氣候。 年平均溫度13.0 ℃，年平均降水量518.9 mm，年平均日照時數(shù)2197 h，四季分明。 土壤理化性質(zhì)為：土壤pH 值8.30，有機質(zhì)6.92 g·kg-1，全N 0.78 g·kg-1，全P 0.60 g·kg-1，土壤類型為潮土。

在河北省滄州市獻縣陌南村邊(38°15′2″N，115°58′17″E，海拔10 m)進行滄州地區(qū)的數(shù)據(jù)測定和植物采樣，同樣為黃頂菊重發(fā)生區(qū)。 該區(qū)氣候特點是四季分明，光照充足，屬于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，年平均溫度12.5 ℃，年平均降水581 mm。 年積溫4785 ℃，無霜期181 d。 土壤理化性質(zhì)為：土壤pH 值8.31，有機質(zhì)10.42 g·kg-1，全N 1.10 g·kg-1，全P 0.58 g·kg-1，土壤類型為鹽漬土。

1.2 方法

在邯鄲、衡水、滄州3 個試驗區(qū)域都以蒼耳和黃頂菊分別隨機設(shè)置一個面積為10 m×10 m 的試驗區(qū)組，同一采樣時間，在各地區(qū)設(shè)置的區(qū)組內(nèi)設(shè)置5 個1 m×1 m 的小樣方，此5 個樣方必須均勻分布在每個區(qū)組內(nèi)部；同時在這5 個小樣方內(nèi)隨機抽取10 株生長較好并且大小、長勢均高度一致的具有代表性的植株，在此10 株植株上分別采集30 片健康完整且大小、顏色相一致的成熟葉片。 2 種植物均采用一致的取樣方法，并且在各地區(qū)各試驗區(qū)組內(nèi)的5 個小樣方中2 種樣品的采集都設(shè)置5 次的重復(fù)采樣。 采樣的同時將采樣植物根圍0 ～10 cm 的土壤用土壤采樣器進行采集，保存好帶回實驗室之后進行土壤的物理化學(xué)性質(zhì)分析。 采用Li-3100A 葉面積儀(Li-Cor， Lincoln， Nebraska， USA)測定樣品的葉片面積，然后將葉片放在冰盒中進行低溫保存，用于測定葉片中的葉綠素含量以及葉片N、P 含量等理化指標。

光合—光強(Pn-PAR)響應(yīng)測定：在樣方中選取處于營養(yǎng)生長期生長狀況良好的植株，選取完全展開、生長成熟的葉片，用Li-6400 便攜式光合測定儀(Li-Cor Inc.， Lincoln， NE， USA)測定葉片的凈光合速率(net photosynthetic rate， Pn)、蒸騰速率(transpiration rate， Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance， Gs) 等指標(吳彥瓊和胡玉佳，2004)。 由于河北3 個地區(qū)的年光輻射量在1630 ～1860 kw·h·m-1范圍內(nèi)，因此本研究將有效光合輻射梯度分別設(shè)置為2000、1500、1000、800、500、300、100、50 和0 μmol·m-1·s-1，利用自動測量程序分別進行光合—光強響應(yīng)的測定(朱慧和馬瑞君，2009)。 測定時室溫均設(shè)置為25 ℃，CO2濃度控制在400 μmol·mol-1，測定時保持葉片自然生長角度不變，重復(fù)3 次，每區(qū)組葉片測定重復(fù)5 次，最終結(jié)果以測定結(jié)果的平均值為準。

葉綠素含量的測定：用去離子水清洗采取的葉片，清洗過后的葉片再用打孔器取片之后切成長細絲狀，用80%的丙酮浸葉片至其完全變?yōu)榘咨笕〕?，分別在波長為663、645 nm 處讀取光密度(記為D663nm、D645nm)。

葉片元素含量的測定：植物樣品于105 ℃下殺青30 min，然后在65 ℃下烘干直到其質(zhì)量不再發(fā)生變化，將烘干后的植物葉片粉碎過篩，混合均勻后保存?zhèn)溆谩?分別用開氏消煮法和鉬銻抗比色法測定植物葉片的全N 和全P(顧大形等，2011； 魯如坤，2000； Sparks et al.，1996)。

葉片灰分含量的測定：將葉片放在馬弗爐中，在500 ℃下灼燒6 h 后，稱量剩余殘渣重量并記錄。干重?zé)嶂档臏y定采用氧彈式熱量計(HWR-15E，上海上立檢測儀器廠)：取0.5 g 植物樣品粉末，將樣品完全燃燒同時測定熱值，5 個重復(fù)，以其平均值作為最終測定的干重?zé)嶂?Williams et al.，1987)。

將帶回實驗室的土壤樣品自然風(fēng)干后，去除土壤之外的雜物后進行研磨，研磨充分后分別過孔徑為0.149 和0.841 mm 的孔篩，將過篩后保留的土壤采用水合熱重鉻酸鉀氧化—比色法進行有機碳測定；土壤中的和采用流動注射分析儀(QC8000， Lachat， USA)測定；土壤中全N 和全P 的測定與上述葉片全N 和全P 的測定方法相同。

1.3 數(shù)據(jù)處理

參考魏子上等(2017)的數(shù)據(jù)處理方法，光合—光強響應(yīng)曲線采用直角雙曲線修正模型進行擬合(葉子飄和于強，2008； Ye，2007)：Pn=αI(1-βI)/(1+γI)-Rd。 式中：Pn為凈光合速率(μmol·m-2·s-1) ；I 為光合有效輻射(μmol·m-2·s-1)；α 為表觀量子效率；β 和γ 為系數(shù)； Rd為暗呼吸速率(mg·h-1·g-1)。

水分利用率(water use efficiency，WUE)(高麗等，2009)：Pr=Pn+Tr，WUE=Pr/Tr。 式中：Pr為光合速率(μmol·m-2·s-1)；Tr為蒸騰速率(mmol·m-2·s-1)。

葉綠素含量(舒展等，2010)：ρ(Chla)= 12.7D665nm- 2. 69D645nm，ρ(Chlb) = 22. 9D645nm- 4.68 D663nm，ρ(Chl)=ρ(Chla)+ρ(Chlb)。 式中：ρ(Chla)為葉綠素a 的含量(mg·L-1)；ρ(Chlb)為葉綠素b的含量(mg·L-1)；ρ(Chl)為葉綠素總含量(mg·L-1)。

葉片灰分含量：Hc= CV/(1-Ash)，CCmass=[(0.06968 Hc- 0.065) × 1 -Ash) + 7.5(k ×ON/14.0067]/EG(屠 臣 陽 等，2013； Williams et al.，1987)。 式中：Hc為去灰分熱值(kJ·g-1)；Ash為灰分含量(%)；CV 為干重?zé)嶂?kJ·g-1)；CCmass為葉片單位質(zhì)量建成成本(gglucose·g-1)；ON 為有機N含量(%)；EG為生長效率。 不同植物的平均葉片生長效率為0.87(Penning et al.， 1974)。

葉片比葉面積：SLA = ULA/DW，Harea= Nmass/SLA，CCarea=CCmass/SLA，PEUE=Pnmax/CCarea(Funk＆ Vitousek，2007)，PNUE=Pnmax/Narea(Field ＆ Mooney，1986)。 式中：SLA 為葉片比葉面積(cm2·g-1)；ULA 為單位葉片面積(cm2)；DW 為葉片干質(zhì)量(g)；CCarea為葉片單位面積建成成本(gglucose·m-2)；Nmass為葉片單位質(zhì)量N 含量(mg·g-1)；Narea為葉片單位面積N 含量(g·m-2)；PEUE 為光合能量利用效率(μmol·gglucose-1·s-1)；PNUE 為光合氮利用效率(μmol·g-1·s-1)。

以上所有數(shù)據(jù)采用SPSS l6.0 和Excel 2007 進行統(tǒng)計分析，用Origin 8.0 進行圖形制作。 用Pearson 相關(guān)系數(shù)分析法進行相關(guān)性分析，并進行雙尾顯著性檢驗。 葉片特性指標的比較中得到的數(shù)據(jù)為配對t 檢驗的結(jié)果。 采用單因素方差分析法進行2 個物種間均值的方差分析，并且采用最小顯著差數(shù)法對實驗結(jié)果進行差異顯著性比較(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北3 個地區(qū)黃頂菊與蒼耳對有效光合輻射的響應(yīng)

2.1.1 邯鄲地區(qū)黃頂菊與蒼耳對有效光合輻射的響應(yīng) 邯鄲地區(qū)的2 種植物隨著有效光合輻射的增加，其Pn、Gs、Tr和WUE 均呈增加趨勢，且除Tr之外，黃頂菊氣體交換參數(shù)的最大值顯然高于蒼耳，而蒼耳的Tr曲線上升趨勢要高于黃頂菊；但在有效光合輻射大于1000 μmol·m-2·s-1時，蒼耳的Gs、Tr和WUE 趨于一個穩(wěn)定值，并沒有繼續(xù)隨著有效光合輻射的增強而增加；而黃頂菊的Pn、Tr和WUE 在有效光合輻射達到1000 μmol·m-2·s-1時依然有持續(xù)增加的現(xiàn)象(圖1)。

2.1.2 衡水地區(qū)黃頂菊與蒼耳對有效光合輻射的響應(yīng) 衡水地區(qū)的2 種菊科植物隨著有效光合輻射的增加，其Pn、Gs、Tr和WUE 均表現(xiàn)為增加的趨勢，同時黃頂菊的各項指標在同樣的有效光合輻射下均明顯大于蒼耳，且Pn差異最為顯著；當(dāng)有效光合輻射到達約1000 μmol·m-2·s-1時，除Tr之外，隨著有效光輻射的繼續(xù)增強，蒼耳的Pn、Gs和WUE也呈現(xiàn)了與邯鄲地區(qū)相同的趨勢，即趨于一個穩(wěn)定值(圖2)。

2.1.3 滄州地區(qū)黃頂菊與蒼耳對有效光合輻射的響應(yīng) 滄州地區(qū)的2 種植物隨著有效光合輻射的增加，其Pn、Gs、Tr和WUE 也均呈增加趨勢，且蒼耳的Pn、Gs、Tr和WUE 曲線趨勢和衡水地區(qū)相同；兩者的Gs差異顯著，黃頂菊有著較高的Gs，Tr曲線趨勢卻近似一條直線，與前2 個地區(qū)不大相同，說明此時黃頂菊的蒸騰速率較高，推測可能是因為測定時外界溫度過高引起的(圖3)。

如圖所示，3 個地區(qū)黃頂菊和蒼耳的Pn、Gs、Tr和WUE 雖然都隨著有效光輻射的增加而增高，但黃頂菊的Pn、Gs、Tr和WUE 在同一有效光輻射的條件下始終大于蒼耳。 除邯鄲地區(qū)的Tr-PAR 曲線之外，河北3 個地區(qū)黃頂菊的氣體交換參數(shù)Pn、Gs、Tr和WUE 隨有效光合輻射的增加幅度要高于蒼耳。 由此可見，黃頂菊的氣體交換參數(shù)高于蒼耳。

2.1.4 3 個地區(qū)2 種植物的光合響應(yīng)參數(shù) 采用直角雙曲線修正模型計算出河北3 個地區(qū)中黃頂菊和蒼耳的光合響應(yīng)參數(shù)(表1)。 邯鄲和衡水地區(qū)的黃頂菊光飽和點(light saturation point，LSP)均顯著高于蒼耳；這2 種菊科植物的LSP 均大于1200 μmol·m-2·s-1。 3 個地區(qū)黃頂菊的光補償點(light compensation point，LCP)均顯著低于蒼耳，除衡水地區(qū)外，其他2 個地區(qū)的黃頂菊的表觀量子效率(apparent quantum yield，AQY)也均顯著低于蒼耳；3 個地區(qū)黃頂菊的Pnmax均顯著高于蒼耳，分別高出各自本地種的42.8%、221.8%和122.9%。

圖1 邯鄲地區(qū)2 種植物光合—光響應(yīng)曲線的比較Fig.1 Comparison of Pn-PAR curve of F. bidentis and X. sibiricum in Handan

圖2 衡水地區(qū)2 種植物光合—光響應(yīng)曲線的比較Fig.2 Comparison of Pn-PAR curve of F. bidentis and X. sibiricum in Hengshui

圖3 滄州地區(qū)2 種植物光合—光響應(yīng)曲線的比較Fig.3 Comparison of Pn-PAR curve of F. bidentis and X. sibiricum in Cangzhou

表1 河北3 個地區(qū)黃頂菊與蒼耳的光合響應(yīng)特征參數(shù)Table 1 Photosynthetic parameters of F. bidentis and X. sibiricum in three areas in Hebei Province

2.2 黃頂菊與蒼耳葉片特性指標的比較

對3 個地區(qū)的黃頂菊及其蒼耳的葉片特性指標進行測定(表2)，3 個地區(qū)的入侵植物黃頂菊和蒼耳葉綠素含量差異不顯著；除邯鄲之外，其他2個地區(qū)黃頂菊的SLA、PNUE 均要顯著高于蒼耳(P＜0.05)，且3 個地區(qū)黃頂菊的Nmass、Pmass、PEUE 均顯著高于蒼耳(P＜0.05)。

2.3 黃頂菊與蒼耳最大凈光合速率與葉片特性指標的相關(guān)性分析

對3 個地區(qū)2 種植物的氣體交換參數(shù)和葉片特性指標進行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果表明，植物Pnmax與葉片CCmass呈顯著正相關(guān)(P ＜0.05)，與Nmass、Pmass、PEUE、PNUE 呈 極 顯 著 正 相 關(guān)(P ＜0.01)；Nmass與SLA、CCmass、Pmass呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；SLA 與PEUE 呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，與PNUE 呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。

3 討論

分析河北3 個地區(qū)的黃頂菊和蒼耳對有效光輻射的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)3 個地區(qū)的黃頂菊的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和水分利用率均大于蒼耳，氣孔不但是CO2進出的通道，也控制O2和水蒸汽的擴散。 所以，植物氣孔的開閉不僅與植物的光合作用有關(guān)，也影響植物的呼吸作用和蒸騰作用(陳新微等，2016)。 相對于蒼耳，黃頂菊較高的氣孔導(dǎo)度表明在相同的日照環(huán)境條件下，黃頂菊能夠固定更多的CO2，具有更高的光合利用效率。 且隨著有效光輻射的增加，黃頂菊的凈光合速率、蒸騰速率和水分利用率均增長。 而當(dāng)有效光輻射到達一定數(shù)值后，蒼耳的凈光合速率、蒸騰速率和水分利用率逐漸趨于平緩，未繼續(xù)上升。 本研究顯示，河北3個地區(qū)的黃頂菊的LSP 均大于蒼耳，且Pnmax也顯著高于蒼耳。 因此，黃頂菊對于高的光照強度具有更強的適應(yīng)性，這可能是其能夠在河北地區(qū)成功入侵的原因之一。

表2 河北3 個地區(qū)2 種植物葉片特性的比較Table 2 Comparison of leaf traits of F. bidentis and X. sibiricum in three areas in Hebei Province

表3 2 種植物Pnmax與葉片特性指標之間的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficient among Pnmax and leaf characteristics of F. bidentis and X. sibiricum

N 可以提高植物對C 的同化效率，提高其光合作用能力。 高N 能夠增加植物光合過程中的最大羧化和電子傳遞速率、增大Pnmax，從而提高對光合有效輻射的利用和適應(yīng)能力。 N 也是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分，對莖葉生長、果實發(fā)育起重要作用，尤其在結(jié)果期，植物對N 的吸收達到高峰。 因此，高N 能夠為自身提供競爭優(yōu)勢。 本研究中，除邯鄲地區(qū)之外，其他2 個地區(qū)黃頂菊的PNUE 顯著高于蒼耳，3 個地區(qū)黃頂菊的Nmass顯著高于本地種，表明黃頂菊對于N 的利用能力高于蒼耳，具有較高的光合N 利用效率。 CCmass是衡量植物葉片建成所需能量的重要指標，入侵植物較低的CCmass可能會增加其競爭優(yōu)勢(屠臣陽等，2013)。 本研究中，河北3個地區(qū)的黃頂菊的CCmass均低于蒼耳，體現(xiàn)了黃頂菊更高的能量利用策略。 而SLA 較高的植物能將更多的N 分配到光合作用中，進而影響植株的相對生長速率、CCmass和Pnmass等(Callaway et al.，2004)。研究表明，黃頂菊能夠憑借較高的SLA 和較低的CCmass，將N 更多地分配到光合作用中去，從而提高其光合N 利用效率，這也是黃頂菊能夠成功入侵的重要原因。

綜合以上分析，在河北地區(qū)，相比本地種蒼耳，黃頂菊均有著較高的光合特性和能量利用指標，在同一環(huán)境條件下，黃頂菊有著更高的光合速率、PEUE 以及PUNE，及更高的光捕獲能力和利用能力，對高的光照強度具有強的適應(yīng)性，因而能迅速在河北地區(qū)侵占本地物種資源與生境成功入侵。研究表明，土壤中N 的增加能夠提高入侵植物三葉鬼針草Bidens pilosa L.的相對生長速率(潘玉梅等，2012)。 將來需要進一步開展N 肥添加實驗，探討黃頂菊高的光合N 利用效率與土壤中的N 水平的關(guān)系。