孫 凱,楊麗娟,蔡竟芳,穆亞楠,程 蕊,沈一孌,阿斯哈,李紅麗

(北京林業(yè)大學生態(tài)與自然保護學院,北京林業(yè)大學黃河流域生態(tài)保護國家林業(yè)和草原局重點實驗室,北京 100083)

植物入侵對全球的生態(tài)環(huán)境造成了嚴重威脅,嚴重危害了入侵地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及經(jīng)濟的發(fā)展[1-2]。研究發(fā)現(xiàn),許多惡性入侵雜草為克隆植物,而克隆整合作用是體現(xiàn)外來植物生長和入侵能力的重要性狀[3-4]?？寺≌鲜侵缚寺≈参锵噙B分株間能通過間隔子(匍匐莖和根狀莖等)共享水分、養(yǎng)分、碳水化合物等資源[5-8]。此外,研究表明,異質(zhì)環(huán)境可以提升克隆植物克隆整合所帶來的好處,從而促進克隆植物的生長繁殖[9]。由于施肥、干擾和土壤性質(zhì)的影響,植物生長所需的土壤養(yǎng)分在生境中的分布往往是異質(zhì)性的[10]。因此,探究異質(zhì)環(huán)境下入侵植物的克隆整合機制,對防控入侵性克隆植物的入侵尤為重要。

近幾十年來,由于人類活動(如化石燃料燃燒、農(nóng)業(yè)施肥),生態(tài)系統(tǒng)土壤的氮含量不斷增加,顯著影響植物的生長和功能[11-13],并且氮水平在區(qū)域間具有異質(zhì)性。研究表明,土壤氮含量的異質(zhì)性越強，克隆整合對克隆植物生長的積極作用越顯著[14-15],但關(guān)于氮環(huán)境對入侵性克隆植物影響的研究僅基于單一形態(tài)氮的供應[9,14-15]。事實上不同形態(tài)的氮對植物的生長也有著重要影響。例如,施用一定量的硝態(tài)氮可明顯促進植物側(cè)根的生長,而過多的銨態(tài)氮則會導致根系變短,側(cè)根減少以及根活力下降[16-17]。再如,外用硝態(tài)氮較銨態(tài)氮更能促進植物光合作用,但是銨態(tài)氮更有利于葉片中淀粉的積累[18]。最近一項研究表明,不同入侵植物對不同形態(tài)氮偏好不同,生境中氮素形態(tài)顯著影響其生長及入侵[19]。因此,在探索植物生長對模擬氮沉降的響應時,應該考慮不同氮形態(tài)的潛在影響。

此外,植物在生活史中會受到非生物因素和生物因素的雙重影響,其中生物因素中,植物經(jīng)常受到由動物采食造成的分株損傷的影響[9,20]。研究表明分株損傷也顯著影響克隆植物的生長和克隆整合[21-22]。一方面,分株損傷可以作為信號在克隆分株之間傳輸,以便正常分株可以提前應對損傷,從而提升總體的適應力[23],另一方面,分株損傷也可能通過克隆整合傳播病原菌等導致植株死亡[24]。然而,關(guān)于氮沉降與分株損傷對克隆植物生長及其克隆整合的相互作用影響,目前所知較少。

香菇草Hydrocotylevulgaris是傘形科多年生草本克隆植物,通常由半濕潤地帶向濕潤地帶擴散[1,25]。每一個莖節(jié)都具有長出橫向匍匐莖,產(chǎn)生新的葉柄和不定根的無性系分株的能力。雖然香菇草可以生長出可供有性生殖的花,但其主要是通過莖節(jié)繁殖出大量的克隆種群,并迅速擴散[1]。香菇草有較高的表型可塑性、較快的克隆繁殖速度以及廣泛的耐受性,能夠在環(huán)境中占據(jù)更寬的生態(tài)幅,是一種典型的入侵性克隆植物[9]。

為了探討不同氮形態(tài)、損傷對入侵性的克隆植物生長以及克隆整合的綜合作用機制,基于以上理論,我們選擇了入侵性的克隆植物香菇草為研究對象,通過控制香菇草分株間連接或者切斷,3種氮形態(tài)添加處理,以及分株是否損傷設計了三因素控制試驗。本試驗主要探究施氮形態(tài)、損傷、克隆整合三者對香菇草生長生理指標的獨立及交互作用。進而為揭示侵入性克隆植物香菇草的入侵機制提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗中采用的香菇草為浙江省杭州市西溪濕地的野生自然種群,于2014年11月中旬采集后放置于北京林大林業(yè)科技股份有限公司的溫室(40°40′N,116°20′E)中進行培養(yǎng)。2016年4月12日,首先將試驗中需要用到的香菇草置于試驗容器(長50 cm，寬50 cm，高20 cm)中進行大量栽種繁殖。將草炭∶蛭石∶石英砂以1∶1∶1比例混合置于試驗容器內(nèi)作為培養(yǎng)基質(zhì),并在容器底部放置陶粒,以防止基質(zhì)流失,培養(yǎng)周期約3個月。2016年7月19日,選取長勢相似的香菇草片段,每個片段6個節(jié)點。將同一片段各3個節(jié)點栽種于兩個同樣大小的花盆(內(nèi)徑17 cm，外徑19 cm，高13 cm)中,所用基質(zhì)與前述培養(yǎng)基質(zhì)相同,花盆兩兩成對擺放。所有容器都放置在開闊的場地,光照充足,溫室內(nèi)平均溫度29.1℃,平均相對濕度81.6%。試驗期間定期適量澆水,防止植物萎蔫。在移栽后7 d內(nèi),死去的植株均被替換。所有容器隨機擺放,每月隨機交換擺放位置。

1.2 試驗設計

如圖1所示,該試驗采用三因素設計,包括3種氮形態(tài)添加(銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機氮)和對照處理(去離子水),交叉2種葉片損傷處理(有無損傷)與2種克隆整合處理(連接或斷開)。共進行16種處理,每種處理6個重復。

圖1 試驗設計Fig.1 Experimental design

每個香菇草克隆整合片段有6個節(jié)點,克隆整合處理分為連接或切斷,即在整個克隆片段的中間部分進行連接或斷開處理,其中年老一邊的分株作為基部分株,另一邊(年輕分株)作為端部分株。在香菇草基部分株設置3種施氮形態(tài)添加和對照處理,具體包括:CK(對照組,添加去離子水)、銨態(tài)氮[硫酸銨(NH4)2SO4]、硝態(tài)氮(硝酸鈉NaNO3)、有機氮(Gly甘氨酸C2H5NO2),添加氮含量均為15 g/m2/年。試驗中的氮素總量依據(jù)香菇草生存區(qū)域的大氣氮濕沉降量和降水情況進行設置[26]。將各種形式氮養(yǎng)分溶于去離子水中,并分別定容至100 mL,均勻噴灑在土壤表面,對照處理噴灑100 mL去離子水。

試驗開始時,在各香菇草端部分株的葉片頂端上投放6～8頭桃蚜Myzuspersicae作為損傷處理,并定期檢查以保持數(shù)量恒定,同時在有無蚜蟲處理的一端均擺放120目蟲網(wǎng),以防止蚜蟲擴散。桃蚜收集于北京林大林業(yè)科技股份有限公司的溫室。以往的研究發(fā)現(xiàn)桃蚜可以對香菇草造成一定程度的損傷[9]。此外,試驗第45 天時,使用直徑6 mm的打孔器對葉片進行機械損傷處理,處理面積約占葉片總面積的30%,以進一步增加損傷對香菇草的刺激。

1.3 數(shù)據(jù)收集

試驗過程中,于2016年9月29日上午9:00-12:00,使用LI-6400(Li-Cor,Lincoln,NE)光合儀,隨機在每盆樣本中各選擇一片大小相似的葉片測定樣本的凈光合速率,測定期間天氣晴朗,使用LED 2×3型紅藍光源葉室,葉片溫度約為23℃,CO2濃度約為420 μmol/L,光合有效輻射(PAR)約為1 400 μmol/(m2·s)。試驗收獲時,緩慢倒置試驗容器,將香菇草植株完整取出,并將其根部基質(zhì)沖洗干凈。將香菇草分為根、莖、葉三部分,香菇草的葉面積使用掃描儀和ImageJ (National Institutes of Health)軟件計算獲得,之后放入信封,置于70℃烘箱內(nèi)烘干72 h至恒重,然后測定根、莖、葉生物量,并且以此計算總生物量。生物量測定完畢之后,先對植物進行H2SO4-H2O2消煮,然后使用連續(xù)流動分析儀(SEAL AA3,SEAL,Germany)測定根、莖、葉的氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)分析均在SPSS 20.0(IBM,Chicago,Illinois,USA)軟件中進行。使用三因素方差分析(Three-way ANOVA),檢驗施氮形態(tài)、克隆整合、損傷處理及三者交互作用對香菇草總生物量、根生物量、莖生物量、葉生物量、葉片面積、凈光合速率、總氮、根氮、莖氮及葉氮含量的影響。使用最小顯著差異法(LSD)進行事后兩兩比較以分析各處理間香菇草生長生理性狀的差異。方差分析之前,檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)分布和方差齊性,對不滿足要求的數(shù)據(jù)進行對數(shù)或開平方根轉(zhuǎn)換。最后用SigmaPlot 12.0(Systat Software,Chicago,IL,USA)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮形態(tài)、克隆整合和損傷處理對香菇草整個克隆片段以及前后端分株生物量的影響

克隆整合(連接或者切斷)顯著影響香菇草整個克隆片段、基部與端部分株的總生物量、根生物量、莖生物量以及葉生物量(P<0.05)(表1)。除添加有機氮且損傷時，連接處理的香菇草整個克隆片段的生物量指標低于切斷處理，連接處理的香菇草整個克隆片段的其他生物量指標均高于切斷處理(圖2a～d)。不同施氮形態(tài)顯著影響香菇草整個克隆片段的根生物量與葉生物量(P<0.05)，也顯著影響基部分株的總生物量、根生物量以及葉生物量(P<0.05)，但是對端部分株的生物量指標沒有顯著影響(P>0.05)(表1)。相對于對照而言，添加3種氮形態(tài)均提高了香菇草整個克隆片段與基部分株的生物量指標，且在硝態(tài)氮添加時生物量達到最高，有機氮添加對香菇草生物量的提升最少，特別是在分株切斷且無損傷或連接且損傷時，添加有機氮反而略微降低了香菇草整個克隆片段的生物量(圖2)。值得注意的是損傷及各因素的交互作用對香菇草整個克隆片段、基部和端部分株生物量指標均沒有顯著影響(P>0.05)(表1)。此外，盡管在不同氮形態(tài)或損傷處理下，香菇草分株切斷或者損傷時的生物量在數(shù)值上有所不同，但是基于事后多重比較的結(jié)果，氮形態(tài)與損傷并沒有顯著改變克隆整合對香菇草整個克隆片段總生物量的影響(圖2a)。

表1 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草整個克隆片段、基部與端部分株生物量影響的方差分析1)Table 1 ANOVA for effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the biomass of total clonal fragment,basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

2.2 施氮形態(tài)、克隆整合和損傷處理對香菇草前后端分株葉面積及凈光合速率的影響

克隆整合(連接或者切斷)顯著影響香菇草基部與端部分株的葉面積 (P<0.05)(表2)。連接處理中，基部分株添加銨態(tài)氮-連接-無損傷處理及端部分株添加有機氮-連接-損傷處理的葉面積低于對應切斷處理，其他連接處理的基部和端部分株的葉面積高于切斷處理(圖3a,c)。但是，克隆整合對香菇草基部與端部分株的凈光合速率沒有顯著影響(P>0.05)。氮形態(tài)顯著影響基部分株的葉片面積(P<0.05)(表2)。相對于對照而言，3種氮形態(tài)添加均提高了香菇草基部分株的葉面積，在硝態(tài)氮添加且無損傷時，葉面積最大(圖3a)。氮形態(tài)對香菇草基部與端部分株的凈光合速率沒有顯著影響(P>0.05)，損傷及各因素的交互作用對香菇草基部與端部的葉面積與凈光合速率均沒有顯著影響(P>0.05)(表2)。

表2 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草基部與端部分株葉面積與凈光合速率影響的方差分析Table 2 ANOVA for effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the leaf area and net photosynthetic rate of the basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

2.3 施氮形態(tài)、克隆整合和損傷處理對香菇草前后端分株氮含量的影響

克隆整合(連接或者切斷)顯著影響香菇草端部分株的總氮、根氮及莖氮含量(P<0.05)(表3),總體而言，連接處理的端部分株的氮含量高于切斷處理(圖4e～h)。但是,克隆整合對香菇草基部分株的氮含量沒有顯著影響(P>0.05)。不同施氮形態(tài)顯著影響香菇草基部分株的總氮、根氮、莖氮與葉氮含量(P<0.05);對端部分株的根氮與莖氮也有顯著影響(P<0.05)(表3)?？傮w來說,相對于對照,3種形式的氮添加顯著提高了香菇草基部與端部分株的氮含量,并且對基部分株的提升更顯著(圖4)。此外,損傷處理顯著影響香菇草端部分株的根氮與葉氮含量(表3,P<0.05)。具體而言,損傷處理提高了香菇草端部分株根氮和葉氮的含量(圖4f,h)。

圖2 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草整個克隆片段,基部與端部分株生物量的影響Fig.2 Effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the biomass of total clonal fragment,basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

圖3 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草基部與端部分株葉面積與凈光合速率的影響Fig.3 Effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the leaf area and net photosynthetic rate of the basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

表3 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草基部與端部分株氮含量影響的方差分析1)Table 3 ANOVA for effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the nitrogen content of the basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

圖4 氮供應形態(tài)、克隆整合及損傷處理對香菇草基部與端部分株氮含量的影響Fig.4 Effects of nitrogen supply form,clonal integration and damage on the nitrogen content of the basal and apical ramets of Hydrocotyle vulgaris

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明,克隆分株之間的連接顯著增加了香菇草整個克隆片段、基部分株以及端部分株的生物量和葉面積(表1,2;圖2,3)。這意味著克隆整合對維持香菇草的生長發(fā)育具有重要意義。以往的研究也表明,通過克隆整合,克隆植物可以將各個分株間的資源整合并合理分配,從而促進整個克隆片段的生長[27-29]。但是值得注意的是,克隆分株之間的連接顯著增加了端部分株的氮含量,但是對基部分株的氮含量并沒有顯著影響(表3,圖4)。這可能是因為位于高資源生境的分株通常作為供體分株,將一些資源轉(zhuǎn)移給位于低資源生境的分株[4,30]。因此,克隆整合促進了整個克隆片段及基部和端部分株的生長,特別是對端部分株的促進作用更顯著?？傮w而言,基于事后多重比較的結(jié)果,氮形態(tài)與損傷并沒有顯著改變克隆整合對香菇草整個克隆片段總生物量的影響(圖2)。以往的研究表明,氮添加通過提升克隆整合對克隆植物帶來好處,進一步提升整個克隆植物片段的生長及適應性[14-15]。這種不一致的結(jié)果可能是因為本試驗基部分株添加的氮濃度較低,以往的研究也表明,低氮添加對植物克隆整合的積極作用的影響較小[14-15,25]。值得注意的是，添加有機氮且損傷時，連接處理的香菇草整個克隆片段的生物量指標低于切斷處理 (圖2a)，這可能是因為分株損傷誘發(fā)了克隆整合的負面效應，導致整個克隆片段生物量降低[24]。

氮是維持植物生長的重要養(yǎng)分[31-32]。本研究發(fā)現(xiàn)3種形態(tài)的氮添加均顯著增加了香菇草整個克隆片段、基部分株以及端部分株的生物量 (表1，圖2)。特別是硝態(tài)氮對香菇草生物量的積極影響最大。一方面,相較于有機氮,無機氮更容易被大多數(shù)植物吸收利用[33-34]。另一方面,我們的研究結(jié)果揭示,相較于銨態(tài)氮，香菇草可能更傾向于吸收利用硝態(tài)氮。以往的研究表明,多數(shù)雜草類外來入侵植物,如三葉鬼針草Bidenspilosa、五爪金龍Ipomoeacairica和微甘菊Mikaniamicrantha等均偏好硝態(tài)氮[35]。入侵雜草在原產(chǎn)地和入侵地常分布在硝態(tài)氮占優(yōu)勢的生境,長期適應高硝態(tài)氮的環(huán)境使這些外來入侵植物偏好硝態(tài)氮[19]。此外,相比于對照,銨態(tài)氮與有機氮添加也促進了香菇草的生長,因此,在高硝態(tài)氮輸入地區(qū)應適當加強對香菇草的入侵防控。此外,高銨態(tài)氮與有機氮輸入地區(qū)的入侵防控也不應忽視。

本研究表明,損傷并沒有顯著抑制香菇草的生長(圖2～4)。研究表明,大多數(shù)植物具有一定的抵抗損害的能力[36-38],并且入侵植物對損害的耐受性和補償性更強[39]。另外,不止一項研究表明,克隆植物可以通過合理的資源分配和分株來應對損傷[9,40-41]。值得注意的是,有研究發(fā)現(xiàn)分株損傷也可能誘發(fā)克隆整合的負面影響[24]。這種不一致的結(jié)果可能是由于該研究中的損傷是由長為15 cm的南方菟絲子Cuscutaaustralis寄生引起的[24],它可能需要更多的營養(yǎng)物質(zhì)來維持生長,超過了克隆分株的抵抗損傷的限度?？傊?本研究表明,香菇草作為一種入侵性克隆植物,具有抵抗一定程度損傷的能力。

本研究探討3種形態(tài)氮供應及分株損傷對入侵植物香菇草生長及克隆整合的影響。結(jié)果表明,克隆整合對香菇草,特別是端部分株的生長發(fā)育有著重要的積極作用。3種施氮形態(tài)均促進了香菇草的生長,其中硝態(tài)氮對香菇草生長的促進更顯著。分株損傷并沒有顯著抑制香菇草的生長。此外,氮形態(tài)與損傷并沒有顯著改變克隆整合對香菇草生長的積極作用。上述結(jié)果表明,入侵植物香菇草的克隆整合在其適應不同形態(tài)氮輸入以及應對分株損傷中發(fā)揮著重要作用。此外,在高硝態(tài)氮輸入地區(qū)應適當加強對香菇草的入侵防控。