模擬氣候變暖和氮沉降對兩種來源加拿大一枝黃花葉性狀和性狀譜的影響

周曉慧,彭培好,李景吉,2,3,4,*

1 成都理工大學生態資源與景觀研究所, 成都 610059 2 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學), 成都 610059 3 國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室, 成都 610059 4 成都理工大學環境學院, 成都 610059

生物入侵、氣候變暖和大氣氮沉降已成為關注全球變化的三個熱點話題[1-2]。隨著經濟、國際貿易和交通的加速發展,外來入侵植物產生的危險性日益增加[3]。化石燃料的燃燒、森林的砍伐和人口的急劇增加等使二氧化碳等溫室氣體釋放加劇,導致地球大氣溫度升高[4]。據預測,在未來100年內,全球平均氣溫將上升1.1—6.4℃[5]。大氣氮沉降主要起源于化石燃料的燃燒和人工肥料的使用[2]。隨著人類活動的增強,全球大氣氮沉降速率在未來數十年內還將逐步加快[6-7],中國的大氣氮沉降也呈現同樣的發展趨勢[8]。

溫度是影響植物生長的關鍵因子,微小的溫度升高都可能給入侵植物帶來極強的競爭優勢[9-10]。如,增溫通過增強紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)的生長能力和耐受性來提高其入侵能力[11]。氮是限制植物生長和光合作用的重要資源[12]。部分入侵植物具有嗜氮性或氮利用效率較高的特征,其氮含量的分配為光合作用多于防御功能,常表現為較快的生長速度和較強的競爭能力[13-14]。如,氮添加能增強矢車菊屬(Centaureastoebe)植物種群的競爭能力[15]。入侵植物應對環境變化的生理生態耐受性或形態可塑性較寬,其生長和形態屬性會產生明顯差異[14,16-17]。因此,氣候變暖和大氣氮沉降很有可能會為入侵種的入侵提供優勢條件。

入侵植物的入侵性可以體現在葉片獲取資源的能力上[14]。植物葉的功能性狀是植物與環境長期相互作用的結果,反映了植物對資源的適應、利用和競爭能力[18-19]。有研究表明,葉經濟譜對研究外來植物入侵性具有重要意義[20]。葉經濟性狀譜是一條相互聯系、協同變化的葉性狀組合的帶譜,數量化地表示葉性狀之間的資源權衡配置策略[21-22],為植物應對環境變化做出適應對策提供了理論依據。

加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.),菊科(Asteraceae),一枝黃花屬(Solidago),多年生草本,原產于北美,現已成為一種世界型的入侵雜草[23-24]。20世紀30年代,加拿大一枝黃花被引入我國上海、南京等地,現常見于東南沿海的大部分地區,并且正以驚人的速度向我國西部、南部等地區蔓延[24-25]。在氮沉降和氣候變暖的全球變化背景下,加拿大一枝黃花功能性狀會如何響應,是否有利于其入侵？鑒于此,本研究以中國和北美兩種來源的加拿大一枝黃花為入侵種,設置增溫和氮添加處理,獲取植物葉性狀指標,探討以下兩個問題：(1)來源、增溫和加氮如何影響加拿大一枝黃花的葉性狀？(2)來源、增溫和加氮如何影響加拿大一枝黃花的葉性狀譜？

1 材料和方法

1.1 實驗地點

實驗地點為四川省成都市(30.68°N, 104.14°E, 海拔512 m)。實驗區屬亞熱帶濕潤季風氣候,年平均氣溫16.2℃,年降水量918.2 mm。

1.2 實驗材料

實驗入侵物種為加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)。為了探討不同來源的加拿大一枝黃花葉功能性狀差異,實驗選擇了入侵地(中國)和原產地(北美)兩種來源。實驗研究對象為中國來源的加拿大一枝黃花(S.canadensisfrom China, SCN)和北美來源的加拿大一枝黃花(S.canadensisfrom North America, SNA)。

實驗基質為1∶1的細沙和黃壤土。細沙為河沙,黃壤土為成都理工大學附近荒坡的表層土,河沙和黃壤土分別過孔徑為1 cm的篩子,之后1：1均勻混合裝入實驗容器。實驗容器為長30 cm,寬30 cm和高20 cm的鐵皮制實驗盆。為防止盆內土壤元素流失,盆內底部墊有5 cm厚的噴膠棉；為防止盆內積水,盆底部留有16個直徑為1 cm的小孔。

實驗加熱設備為MSR-2420紅外線輻射增溫器(Kalglo Electronics, Bethlehem, PA, USA)。增溫處理具體操作如下：加熱器懸掛于鐵架上,實驗盆放置于鐵架下方,對需要加熱的實驗盆進行全天增溫處理；對照組實驗盆上方懸掛一個“虛擬加熱器”(同加熱器形狀相同,但不具加熱功能)。加熱器懸掛高度約1.5 m,使下部實驗盆土壤表面增溫約2℃[26]。實驗采用人工施加硝酸銨(NH4NO3)的方法進行加氮處理,根據中國和北美大氣氮沉降水平約為4 g m-2a-1,實驗盆橫截面積為0.09 m2,所以每個實驗盆施加氮0.36 g,NH4NO3中的N的質量分數為35%,推算出每個實驗盆要施加1.03 g NH4NO3。

1.3 實驗設計

設計了一個三因素兩水平的因子實驗。3個因素為來源、增溫和加氮；兩水平為兩種來源(SCN和SNA),不增溫(T0)和增溫(T1),不加氮(N0)和加氮(N1)。本實驗共有2種來源,4種處理,每種處理重復16次,共128個實驗盆。

實驗時間為2012年6月至今。實驗過程如下：2012年6月1日進行播種,在每個盆中播撒加拿大一枝黃花種子12—20粒,待種子萌發以及種苗生長到一定高度后進行疏苗處理,最后每個實驗盆中保留4株幼苗。2012年8月初,用加熱器對需要增溫的植株進行全天加熱處理。2012年8月中旬進行加氮處理,對需加氮的每個實驗盆一次性施加4 g N m-2a-1NH4NO3(純度99.5%)；從2013年起,每年3—6月每月添加一次NH4NO3,每年共添加4次,每次每個需加氮的實驗盆添加1 g N m-2a-1NH4NO3。實驗為期6年,本項研究是長期實驗的一部分。

1.4 葉性狀數據采集

葉性狀測定包括：葉綠素含量(Chlorophyll SPAD值, ch)、葉面積(Leaf area, LA)和葉干物質含量(Leaf dry matter content, LDMC)共3個指標。葉片采集具體方法如下：2016年8月(即生長高峰期)采集葉片,每個實驗盆選取5株植株,每株采集3片葉子,每個實驗盆共采集15片葉子。實驗取樣的重復數為240,取樣樣本量為1920。葉性狀指標測定方法如下：葉綠素含量使用SPAD-502便攜式葉綠素儀(Konica Minolta, Japan)測定。葉面積用葉面積分析儀(Win FOLIA, Regent Instruments Inc)掃描獲得。將掃描后的葉片常溫下迅速用水浸泡24 h,之后迅速擦干葉片表面水分,稱重得葉片飽和鮮重,最后85℃烘干至恒重,稱重得葉干重。LDMC=葉片干重/葉飽和鮮重。

1.5 數據處理

實驗數據采用三因素方差分析檢驗各因素及其交互作用對葉性狀影響的顯著性,采用II型線性回歸分析探究不同因素下葉性狀間的關系,所有檢驗均在P=0.05的水平上進行(n=128)。實驗數據采用Microsoft Office Excel 2007、SPSS 19.0進行統計分析,圖形采用SigmaPlot 12.0軟件繪制。

2 結果

2.1 來源、增溫和加氮對加拿大一枝黃花葉性狀的影響

實驗處理相互獨立地影響加拿大一枝黃花葉綠素含量；來源和加氮對加拿大一枝黃花葉綠素含量影響顯著,增溫則表現為不顯著(表1),中國來源的加拿大一枝黃花葉綠素含量比北美來源的加拿大一枝黃花葉綠素含量顯著降低6.12%(圖1),加氮處理使加拿大一枝黃花葉綠素含量顯著提高5.60%(圖1)。三因素間交互作用對加拿大一枝黃花葉綠素含量的影響不顯著(表1)。

增溫對加拿大一枝黃花葉面積影響顯著(表1,P<0.05),增溫處理使加拿大一枝黃花葉面積顯著增大11.24%(圖2)。重要的是,這種增溫效應強烈依賴于加拿大一枝黃花來源(表1,P<0.01;圖2)。不增溫條件下,中國來源的加拿大一枝黃花葉片大于北美來源的加拿大一枝黃花葉片；增溫條件下,兩種來源的加拿大一枝黃花具有相似的葉片面積(圖2)。此外,來源、加氮及其相互作用對加拿大一枝黃花葉面積的影響不顯著(表1)。

來源對加拿大一枝黃花葉干物質含量影響極顯著,而增溫和加氮則表現為不顯著(表1),中國來源的加拿大一枝黃花葉干物質含量比北美來源的加拿大一枝黃花葉干物質含量顯著降低7.10%(圖3)。三因素間交互作用對加拿大一枝黃花葉干物質的影響均不顯著(表1)。

表1來源、增溫、加氮及其交互作用對加拿大一枝黃花三個葉功能性狀的影響

Table1Effectsofsource(S),warming(W),Naddition(N)andtheirinteractionsonthreeleaffunctionaltraitsofSolidogocanadensis

因素Factor葉綠素含量 ch葉面積 LA葉干物質含量 LDMCFPFPFPS6.2550.014?1.9410.16711.4830.001??N5.3070.023?0.1960.6592.4690.120W0.0120.9125.8580.017?0.8720.353S×N0.7930.3750.8130.3700.0640.801S×W0.0230.87910.1740.002??0.3530.554W×N0.5630.4550.1780.6740.0011.609S×W×N1.8950.1720.0570.8110.1380.711

*,P<0.05; **,P<0.01,ch：葉綠素含量 Chlorophyll；LA：葉面積 Leaf area；LDMC：葉干物質含量 Leaf dry matter content；S：來源 Source；N：氮添加 Nitrogen addition；W：增溫 Warming

圖1 來源、增溫和加氮處理對加拿大一枝黃花葉綠素含量的影響 Fig.1 Effects of source, warming and N addition treatments on the chlorophyll content of Solidago canadensis

圖2 來源、增溫和加氮處理處理對加拿大一枝黃花葉面積的影響 Fig.2 Effects of source, warming and N addition treatments on the leaf area of Solidago canadensis

圖3 來源、增溫和加氮處理對加拿大一枝黃花葉干物質含量的影響Fig.3 Effects of source, warming and N addition treatments on the leaf dry content matter of Solidago canadensis

2.2 來源、增溫和加氮對加拿大一枝黃花葉性狀譜的影響

中國來源的加拿大一枝黃花,葉面積與葉干物質含量呈而顯著負相關(表2,P<0.001;圖4),葉面積與葉綠素含量、葉干物質含量與葉綠素含量均無顯著相關性(表2,圖4)。北美來源的加拿大一枝黃花葉性狀間無顯著相關性(表2)。可見,來源改變兩種性狀間關系(表2)。

不增溫處理下,加拿大一枝黃花葉面積與葉干物質含量呈顯著負相關(表2,P<0.001;圖5),葉面積與葉綠素含量、葉干物質含量與葉綠素含量均無顯著相關性(表2,圖5)。增溫處理下,加拿大一枝黃花葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關(表2,P<0.05;圖5),葉干物質含量與葉綠素含量、葉面積與葉干物質含量均無顯著相關性(表2,圖5)。可見,增溫改變兩種性狀間關系(表2)。

不加氮處理下,加拿大一枝黃花葉性狀間無顯著相關性(表2)。加氮處理下,加拿大一枝黃花葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關,而與葉干物質含量呈顯著負相關(表2,P<0.05;圖6),葉干物質含量與葉綠素含量無顯著相關性(表2,圖6)。可見,加氮改變兩種性狀間關系(表2)。

表2 不同處理下加拿大一枝黃花三個葉片功能性狀間關系的擬合直線方程

SCN,S1：中國來源加拿大一枝黃花S.canadensisfrom China；SNA,S2：北美來源加拿大一枝黃花S.canadensisfromNorth America；T0：不增溫 No warming；T1：增溫 Warming；N0：不加氮 No nitrogen addition；N1：加氮 Nitrogen addition；ch：葉綠素含量 Chlorophyll；LA：葉面積 Leaf area；LDMC：葉干物質含量 Leaf dry matter content

圖4 來源對加拿大一枝黃花葉片性狀譜的影響Fig.4 Effects of sources on the leaf trait spectra of Solidago canadensis黑色實心點和黑色實線代表中國來源加拿大一枝黃花,黑色空心點代表北美來源加拿大一枝黃花

圖5 增溫處理對加拿大一枝黃花葉片性狀譜的影響Fig.5 Effects of warming treatment on the leaf trait spectra of Solidago canadensis黑色實心點和黑色實線代表不增溫處理,黑色空心點和紅色虛線代表增溫處理

圖6 加氮處理對加拿大一枝黃花葉片性狀譜的影響Fig.6 Effects of N addition the treatment on leaf trait spectra of Solidago canadensis黑色實心點代表不加氮處理,黑色空心點和紅色虛線代表加氮處理

3 討論

3.1 影響加拿大一枝黃花葉片獲取資源能力的處理

葉片是植物獲取能量的主要組織,對環境變化響應敏感,其功能性狀能反映植物對環境的響應與適應策略[27-28]。目前關于葉性狀的研究有葉綠素含量、葉面積和葉干物質含量[29-32]。葉綠素含量的多少體現了植物光合能力的強弱,葉綠素含量越高,光合潛力越強,植物抵抗生物和非生物環境壓力的能力也越強[14,29]。葉面積的大小影響植物捕獲光資源和獲取碳能力的強弱,葉面積大的植物,其呼吸和蒸騰作用的成本高；葉面積小的植物,其對炎熱和干旱環境耐受力強[30-31]。葉干物質含量是反映植物獲取和利用資源有效性的穩定指標[32],葉干物質含量高的植物,代表其葉片含水量低,適應干旱環境的能力強。

研究發現,中國來源的加拿大一枝黃花比北美來源的加拿大一枝黃花具有更低的葉干物質含量。最近研究表明,資源豐富時,植物擁有較低的葉干物質含量,可將更多的資源分配到生長；反之,可將更多的資源分配到抵御不良環境[32-33]。由此可知,中國來源的加拿大一枝黃花將更多的資源投入到生長,對干旱環境的抵抗能力減弱。有研究表明,中國比北美年均溫高、年降水量大、空氣濕度高[14]。可推測兩個種源的加拿大一枝黃花葉干物質含量差異可能是由于氣候條件不同所導致的,中國來源的加拿大一枝黃花為了適應濕熱的氣候以更大的葉片含水量來響應。中國來源的加拿大一枝黃花比北美來源的加拿大一枝黃花具較低的葉綠素含量,但兩種來源的加拿大一枝黃花葉面積卻無顯著差異。有研究表明,葉片可通過誘導色素組成(胡蘿卜素和葉黃素)發生變化來適應光照環境[34-35]。可推測葉綠素含量的差異可能是由于葉片內色素對光照強度的不同響應所引起的。

研究發現,2℃增溫使加拿大一枝黃花具有較大的葉面積。最近研究表明,葉片大小隨年均溫的升高而增大[30],增溫增大了不同植物的葉片面積,如北美車前(PlantagovirginicaL.)[36]、矮柳樹(SalixeriostachyaWall.)[37]和針葉樹種[38]。也有研究發現,葉片面積的增大,有利于增強植物光合和蒸騰作用,緩解地表空氣溫度的升高[39]。研究結果證實了以上結論,表明了加拿大一枝黃花通過增大葉片面積來提高葉片呼吸和蒸騰作用的代謝,進而適應環境溫度的變化。

加拿大一枝黃花葉性狀對氮添加的響應,主要是體現為葉綠素含量的顯著增加。最近研究表明,氮沉降可以增強土壤氮的可利用性,提高植物的生產力[40],也可以顯著提高植物的光合效率[41]。由此可知,葉綠素含量的顯著增加是加拿大一枝黃花葉片光合潛力增強以及對土壤氮可利用性提高的體現。但也有研究表明,氮添加對植物葉綠素和葉黃素等指標沒有影響[42]；氮添加也會降低植物葉片光合利用效率,威脅植物的生長[43]。本研究結果與上述結論不一致,可能是不同的植物對氮沉降的響應傾向不一致。有研究揭示出,植物對氮沉降的反應傾向于將氮儲存在樹木和土壤中,若土壤氮濃度升高,會導致其徑流養分損失增加,不利于植物生長[44]。

來源與增溫的交互作用對加拿大一枝黃花葉面積有顯著影響。增溫對不同地區的多斑矢車菊(Centaureamaculosa)葉面積具有顯著影響[16]；不同種源地間植物的最大凈光合速率和呼吸速率有顯著差異[45-46]。本研究結果與上述結論一致,表明了不同來源的加拿大一枝黃花葉片生理作用對溫度變化的適應存在差異。增溫后北美來源的加拿大一枝黃花葉面積顯著增加,中國來源的加拿大一枝黃花葉面積波動不明顯；增溫使得兩種來源的加拿大一枝黃花葉面積差距減小。在廣泛分布的物種內部,來自寒冷氣候地區的植物與來自溫暖氣候地區的植物在共同棲息地生長時,冷源類群表現出高的呼吸作用,能從氣候變暖中收益[47-48]。本研究結果與上述結論一致,反映了植物植物新陳代謝的適應性,表明了葉片性狀對增溫的適應受來源的影響。

3.2 影響加拿大一枝黃花葉片資源權衡策略的處理

葉經濟譜分為“快速投資—收益”型、“緩慢投資—收益”型和過度類型[49]。“快速投資—收益”型的物種具有葉氮含量高、凈光合速率高、呼吸速率快、比葉面積大和壽命短的特點；而“緩慢投資—收益”物種具有葉氮含量低、比葉面積小、代謝率慢和葉壽命長的特點[50-51]。葉經濟譜理論表明了植物可利用的資源通常是有限的,當植物投入較多的資源用于某一功能性狀時,必然會限制對其他性狀的資源投入[24]。這種資源的權衡關系也存在于葉器官水平上[52]。

來源實驗通常反映植物對不同生態環境的遺傳響應[53]。當減少相同的葉干物質含量時,中國來源的加拿大一枝黃花葉面積比北美來源的加拿大一枝黃花葉面積增加更多。歐洲來源的加拿大一枝黃花比原產地的加拿大一枝黃花具有更大的葉片、更矮的株高和更低的營養后代[54]。本研究結果與上述結論相似,表明了來源使葉性狀間關系發生改變,使其表現為較強的獲取資源的能力。表型可塑性是植物對異質環境的適應策略,其通過增強植物的耐受力和生態幅,進而使植物適應多樣化的生境[55]。由此可知,中國來源的加拿大一枝黃花對入侵地的環境已產生適應性狀,向著葉經濟譜的“快速投資—收益”端移動。

增溫處理下的加拿大一枝黃花葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關關系。氣候變化條件下,植物功能性狀具有更高的表型可塑性[17],如：氣候變暖,植物具有更大的葉片、更高的植株[56]；溫度升高,葉片凈光合速率和蒸騰速率會加快[57]。本研究結果與上述結論一致,表明了增溫后加拿大一枝黃花葉性狀間關系發生改變,使其表現為更強的呼吸、蒸騰和光合速率。與不增溫處理相比,增溫處理使加拿大一枝黃花葉面積與葉干物質含量無顯著相關關系。Sastry和Barua[58]研究發現,植物耐熱性與葉面積不相關,但與單位葉面積干重呈負相關。本研究結果與上述結論相似,揭示出增溫使加拿大一枝黃花抗旱性降低。總之,增溫提高了加拿大一枝黃花獲取資源的潛力,降低了其耐旱能力,使其葉經濟譜處于“快速投資—收益”的一端。

加氮處理下的加拿大一枝黃花葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關關系。氮添加條件下,植物葉面積指數、葉氮含量、凈光合速率均提高[59]。葉片中的氮可能固定在光合酶和色素中,葉氮含量的增加會導致葉片的生長加快[60]。植物會通過提高光合作用來增強對氮素的利用效率[61]。本研究結果證實了以上結論,表明了加氮使加拿大一枝黃花葉性狀間關系發生改變,使其表現為較強的資源利用率和光合效率。加氮處理使加拿大一枝黃花葉面積與葉干物質含量呈顯著負相關關系。比葉面積隨葉干物質含量的增大而減小[52],施氮增加了植物的葉面積指數[59-60]和比葉面積[62]。本研究結果與以上結論一致,表明了若加拿大一枝黃花將資源投入到到抵抗環境的構件成本,加氮處理會其犧牲更多的投入到生長的資源,揭示出加氮有利于提高植物的生長。總之,氮添加提高了加拿大一枝黃花對資源的可利用性,促進了植物生長,使其葉經濟譜向著“快速投資—收益”的方向移動。

4 結論

(1)加拿大一枝黃花其中國來源比北美來源具有更低的葉干物質含量；2℃增溫顯著增大葉面積；加氮顯著提高葉綠素含量；來源與增溫的交互作用對葉面積影響顯著。(2)中國來源的加拿大一枝黃花葉面積與葉干物質含量呈顯著負相關關系,增溫使葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關關系,加氮使葉面積與葉綠素含量、葉面積與葉干物質含量分別呈顯著正相關和顯著負相關關系。由此推知,增溫和加氮有可能增強加拿大一枝黃花葉片獲取資源的能力,氣候變暖和大氣氮沉降可能提高加拿大一枝黃花的入侵性。