入侵植物鬼針草和鱧腸的化感作用及其入侵性研究

史生晶，王桔紅，陳文，陳學林*

1. 西北師范大學生命科學學院，甘肅 蘭州 730070；2. 韓山師范學院食品工程與生物科技學院，廣東 潮州 521041；3. 韓山師范學院地理與旅游管理學院，廣東 潮州 521041

中國東南部亞熱帶地區有260多種外來入侵植物，嚴重威脅著當地生態系統及物種多樣性（閆小玲等，2014），外來植物入侵機制及防控的研究成為入侵生態學的核心問題（Alpert et al.，2000）。國內外眾多學者從物種生物學特性以及生態系統可入侵性等多個角度嘗試解釋外來生物成功入侵的原因，并提出了多樣性阻抗、天敵逃避、生態位機遇、化感作用（Novel Weapons）等假說（Callaway et al.，2000；Wolfe，2002；吳錦容等，2005）?；凶饔檬侵钢参锿ㄟ^莖葉淋溶和揮發、根系分泌以及殘體分解等途徑向外界環境釋放的次生代謝物質對自身或周圍植物產生排斥或促進的作用（仝川等，2017），是植物在長期進化過程中形成的一種適應性機制（周凱等，2018）?；凶饔冒ǚN間他感作用和種內自感作用（拱健婷等，2015），它不僅能促進種間競爭，而且對植物種間互作和群落物種的分布格局產生重要影響（平曉燕等，2018）。目前，國內學者對入侵植物化感作用的研究主要集中在他感作用，發現假蒼耳Iva xanthiifolia（姚樹寬等，2018）、澤漆Euphorbia helioscopia（王寧等，2015）、中間錦雞兒Caragana intermedia（劉學東等，2016）、紫莖澤蘭Eupatorium adenophorum（袁馳等，2018）、銀膠菊Parthenium hysterophorus（潘玉梅等，2008）、鬼針草Bidens pilosa（毛丹鵑等，2010）等入侵植物水浸提液對受體植物的種子萌發和幼苗生長具抑制或低促高抑的作用。植物自毒作用的研究主要集中在一些農作物如谷子 Setaria italica（王園園等，2019）、胡麻Linum usitatissimum（王立光等，2019）、白術Atractylodes macrocephala（王紅佳等，2018）等，發現植物根、莖、葉水浸提液對自身種子萌發和幼苗生長有顯著抑制作用，進而引起連作障礙。近年來，隨著化感作用研究的不斷深入，發現入侵植物不僅能改變土壤微生物群落結構和土壤酶活性等（邰鳳姣等，2016），而且能導致植物細胞膜損傷（田學軍等，2015）、抑制本地植物的光合速率和造成生物量顯著降低（萬寧佳等，2018）。那么，強入侵植物鬼針草和弱入侵植物鱧腸他感和自感作用如何？其生態學意義是什么？目前，關于強入侵植物與弱入侵植物他感和自感作用的比較研究相對較少。

鬼針草屬于菊科（Asteraceae）鬼針草屬（Bidens）一年生草本植物，原產于熱帶美洲（陶宏征等，2015），是中國Ⅰ級入侵植物（馬金雙，2013），廣泛分布于中國華中、華南、華東、西南等地（鄧玲姣等，2012）。由于其具有自交親和、高結實率、高萌發率等特點，不僅能快速定殖（郝建華等，2009），而且具有較強表型可塑性和適應性（王桔紅等，2014），能迅速擴張棲息地，對周邊環境及生物多樣性造成嚴重影響，成為一種惡性雜草。鱧腸（Eclipta prostrata）屬于菊科（Asteraceae）鱧腸屬（Eclipta）一年生草本植物（邵世光等，2011），原產于美洲，是中國Ⅳ級入侵植物（馬金雙，2013），生長在華南亞熱帶的田邊、雜草地及林下，常與鬼針草伴生。本研究以入侵植物鬼針草和鱧腸為研究對象，探查這2種植物的化感作用及其化感強度，從化感作用的角度揭示外來植物的入侵機制，為植物入侵的監測和防控提供數據支撐和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地位于廣東省潮州市市郊（116°42''E，23°39''N），該地屬于亞熱帶海洋性季風氣候，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，年均降水量1300—2400 mm，年均氣溫 21—22 ℃，日照 1900—2400 h，≥10 ℃的積溫達 7300—7890 ℃，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫-0.5 ℃（陳文等，2015）。

1.2 試驗材料

入侵植物鬼針草和鱧腸相互作為供體和受體植物，于 2017年秋季在廣東省潮州市市郊選擇成熟的鬼針草和鱧腸植株各 30株，挖取全株至實驗室備用。同時，采集兩種植物成熟的種子，自然風干、備用。

1.3 研究方法

1.3.1 鬼針草和鱧腸不同器官水提液的制備

將采集的鬼針草和鱧腸全株用流水沖洗 2 h，蒸餾水沖洗3次，放在濾紙上吸干水分，分離根、莖、葉后，用剪刀剪成約2 cm的小段，各稱取根、莖、葉干物質40 g，加入500 mL蒸餾水，常溫下浸泡48 h，將水提液用雙層紗布過濾，得到母液（即水提液為0.08 g·mL-1）；再將其配制為0.02、0.04、0.06 g·mL-13個質量濃度的水提液，裝入錐形瓶中，置于4 ℃冰箱中保存備用。

1.3.2 萌發試驗

2種植物的種子用蒸餾水沖洗3次后，置于鋪有兩層定性濾紙的培養皿中（直徑9 cm），每個培養皿30粒，4次重復；向培養皿中分別加入0、0.02、0.04、0.06、0.08 g·mL-1鬼針草/鱧腸各器官（根、莖、葉）水提液10 mL，在25 ℃、12 h光照/12 h黑暗下培養至7 d（種子不再萌發）。期間每24小時觀察記錄種子萌發數，以胚根突破種皮1—2 mm為萌發基準（姚樹寬等，2018），每2天補加適量的水提液，使濾紙保持濕潤。

1.3.3 幼苗生長

在同樣條件下繼續培養已萌發的種子，每天定時觀察幼苗生長狀況，培養至第 12天，測量所有幼苗的株高（H）、根長（LR）和莖長（LS）。

1.4 數據統計

種子萌發率Rgermination=n/N×100%，n為第7天正常發芽種子數，N為供試種子數。根冠比Rroot-shoot=LR/LS。根據 Williamson et al.（1988）提出的能夠反映化感作用強度的化感效應指數 RI，即RI=1-C/T（T≥C），C（對照平均值），T（處理平均值），RI絕對值代表化感強度的大小，RI＞0表示促進作用，RI＜0表示抑制作用，定義對照的 RI為0。

運用Microsoft Excel 2010軟件進行數據整理，SPSS Statistics 19.0軟件進行單因素方差分析（Compare Means），Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 鬼針草不同器官水提液對自身和鱧腸種子萌發的影響

不同質量濃度的鬼針草根、莖、葉水提液對自身和鱧腸種子萌發均具有極顯著影響（P＜0.01），其萌發率隨各器官水提液質量濃度的升高而降低。當鬼針草根、莖、葉水提液質量濃度達到 0.08 g·mL-1時，自身種子萌發率由72%（對照）分別降低至 22.22%、16.6%和 11.1%，下降了 69.14%、76.94%和84.58%；當質量濃度升高至0.08 g·mL-1時，鬼針草根水提液處理的鱧腸種子萌發率由36%（對照）降低至6.67%，下降了81.47%，莖和葉水提液完全抑制鱧腸種子萌發。在同質量濃度下，鬼針草不同器官（根、莖、葉）水提液對自身和鱧腸種子萌發的影響均有顯著差異（P＜0.01），化感強度為葉＞莖＞根（圖1和圖2）。

2.2 鱧腸不同器官水提液對自身和鬼針草種子萌發的影響

圖1 鬼針草不同器官水提液對自身種子萌發的影響Fig. 1 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own seed germination

圖2 鬼針草不同器官水提液對鱧腸種子萌發的影響Fig. 2 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on seed germination of Eclipta prostrata

不同質量濃度的鱧腸根、莖、葉水提液對自身和鬼針草種子萌發具有顯著影響（P＜0.05），萌發率隨水提液質量濃度的升高而下降。根、莖、葉水提液質量濃度達到0.08 g·mL-1時，鱧腸種子萌發率由36.67%（對照）分別下降至15.56%、14.44%和10%，下降了 57.57%、60.62%和 72.73%；鬼針草種子萌發率由71.11%（對照）分別下降至34.44%、31.11%和 26.67%，下降了 51.57%、56.25%和62.49%。同一質量濃度下，鱧腸根、莖、葉水提液對自身和鬼針草種子萌發率無顯著影響（P＞0.05）（圖3和圖4）。

2.3 鬼針草不同器官水提液對自身和鱧腸幼苗株高的影響

圖3 鱧腸不同器官水提液對自身種子萌發的影響Fig. 3 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own seed germination

圖4 鱧腸不同器官水提液對鬼針草種子萌發的影響Fig. 4 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on seed germination of Bidens pilosa

不同質量濃度的鬼針草根、莖、葉水提液對其株高具有不同程度的影響，株高隨根、莖、葉水提液質量濃度升高呈先上升后下降的趨勢，當質量濃度達到0.06 g·mL-1時，，根和莖水提液顯著促進其株高生長，株高由3.01 cm（對照）分別升高至6.40 cm和6.95 cm，升高了52.97%和56.69%。同一質量濃度下，鬼針草根、莖、葉水提液對自身株高具有不同的影響，0.06—0.08 g·mL-1根和莖水提液對株高的促進作用顯著大于葉水提液（圖 5）。不同質量濃度的鬼針草根、莖、葉水提液對鱧腸株高具有“低促高抑”的作用，在質量濃度為0.02 g·mL-1時，株高由1.29 cm（對照）分別升高至2、1.77和2.1 cm，分別升高了35.5%、27.12%和38.57%；在質量濃度為 0.06—0.08 g·mL-1時（除 0.06 g·mL-1莖水提液外），株高降低至0—0.3 cm。質量濃度為 0.02—0.04 g·mL-1的鬼針草根、莖、葉水提液對鱧腸株高的無顯著影響（P＞0.05）；質量濃度為0.06—0.08 g·mL-1的葉水提液對株高的抑制強度大于根和莖水提液（圖6）。

圖5 鬼針草不同器官水提液對自身株高的影響Fig. 5 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own plant height

圖6 鬼針草不同器官水提液對鱧腸株高的影響Fig. 6 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on plant height of Eclipta prostrata

2.4 鱧腸不同器官水提液對自身和鬼針草幼苗株高的影響

不同質量濃度的鱧腸根、莖、葉水提液對自身幼苗株高具有極顯著影響（P＜0.01），其株高隨根和莖水提液質量濃度的升高呈不同的變化趨勢，隨葉水提液質量濃度的升高而降低，當質量濃度達到0.08 g·mL-1時，根、莖、葉水提液處理的株高由1.28 cm（對照）分別降低至0.59、0.61和0.45 cm，降低了53.91%、52.34%和64.84%；同一質量濃度下，鱧腸各器官水提液對自身株高具有不同的影響（圖7）。不同質量濃度的鱧腸根、莖、葉水提液均能促進鬼針草株高的生長，根和莖水提液質量濃度達到0.08 g·mL-1時，株高由3.01 cm（對照）分別升高至4.48 cm和4.88 cm，升高了32.81%和38.32%；水提液質量濃度為0.02 g·mL-1時，對株高的促進作用為莖=葉＞根；水提液質量濃度為0.08 g·mL-1時，對株高的促進作用為根=莖＞葉（圖8）。

圖7 鱧腸不同器官水提液對自身株高的影響Fig. 7 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own plant height

圖8 鱧腸不同器官水提液對鬼針草株高的影響Fig. 8 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on plant height of Bidens pilosa

2.5 鬼針草不同器官水提液對自身和鱧腸根冠比的影響

不同質量濃度的鬼針草根、莖、葉水提液對自身和鱧腸根冠比具有極顯著影響（P＜0.01），根冠比隨各器官水提液質量濃度的升高而降低。鬼針草根、莖、葉水提液質量濃度達到0.08 g·mL-1時，其根冠比由1.73分別下降至0.61、0.52和0.27，下降了64.74%、69.94%和84.39%；當質量濃度為0.08 g·mL-1時，根水提液處理下的鱧腸根冠比由1.78降低至0.7，降低了60.67%，而莖和葉水提液完全抑制鱧腸根冠比。質量濃度為0.02—0.04 g·mL-1的鬼針草莖和葉水提液對自身根冠比的抑制強度大于根水提液；質量濃度為0.06—0.08 g·mL-1的鬼針草根、莖、葉器官水提液對自身根冠比的抑制強度為葉＞根=莖，對鱧腸根冠比的抑制強度為葉＞莖＞根（圖9和圖10）。

2.6 鱧腸不同器官水提液對自身和鬼針草根冠比的影響

不同質量濃度的鱧腸根、莖、葉水提液對自身和鬼針草根冠比具有極顯著的影響（P＜0.01）。鱧腸根、莖、葉水提液質量濃度達到0.08 g·mL-1時，自身根冠比由1.66分別下降至0.74、0.87和0.73，下降了55.42%、47.59%和56.02%，鬼針草根冠比由 1.73分別降低至 0.81、0.69和 0.65，下降了53.18%、60.12%和 62.43%。相同質量濃度下，鱧腸根、莖、葉水提液質量濃度在0.04—0.08 g·mL-1時對自身根冠比無顯著影響（P＞0.05）；鱧腸不同器官水提液對鬼針草根冠比的抑制強度為葉＞莖＞根（圖11和圖12）。

圖9 鬼針草不同器官水提液對自身根冠比的影響Fig. 9 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own root-shoot ratio

圖10 鬼針草不同器官水提液對鱧腸根冠比的影響Fig. 10 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on root-shoot ratio of Eclipta prostrata

2.7 鬼針草和鱧腸化感強度

圖11 鱧腸不同器官水提液對自身根冠比的影響Fig. 11 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own root-shoot ratio

圖12 鱧腸不同器官水提液對鬼針草根冠比的影響Fig. 12 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on root-shoot ratio of Bidens pilosa

鬼針草和鱧腸通過他感和自感作用對種子萌發具有化感抑制作用（RI＜0），且隨水提液質量濃度升高其抑制效應增大。根據 RI均值可得，鬼針草根、莖、葉水提液對鱧腸種子萌發的化感強度（RI根=-1.84，RI莖=-4.88，RI葉=-4.95）大于鱧腸各器官水提液對鬼針草種子萌發的化感強度（RI根=-0.58，RI莖=-0.73，RI葉=-0.92），也大于鬼針草對自身種子萌發的化感強度（RI根=-1.26，RI莖=-1.88，RI葉=-3.13）；鱧腸根、莖、葉水提液對自身種子萌發的化感強度（RI根=-0.65，RI莖=-0.8，RI葉=-1.24）大于對鬼針草種子萌發的化感強度（表1）。

低質量濃度（0.02—0.04 g·mL-1）的鬼針草根、莖、葉水提液可促進鱧腸株高生長（RI＞0），高質量濃度（0.06—0.08 g·mL-1）下抑制株高生長（RI＜0）；鬼針草各濃度的根和莖水提液對自身株高具有化感促進作用（RI＞0），葉水提液在低質量濃度（0.02—0.04 g·mL-1）下促進株高生長，高質量濃度（0.06—0.08 g·mL-1）下抑制株高生長；鱧腸各質量濃度根、莖、葉水提液對鬼針草株高具有化感促進作用（RI＞0），其促進作用隨水提液質量濃度升高而增大；不同質量濃度的鱧腸根、莖、葉水提液對自身株高均具有化感抑制作用（RI＜0）。由RI均值可知，鬼針草根和葉水提液對鱧腸株高的化感強度（RI根=-2.30，RI葉=0.35）大于鱧腸根和葉水提液對鬼針草株高的化感強度（RI根=0.18，RI葉=0.21），也大于鬼針草對自身株高的化感強度（RI根=0.36，RI葉=-0.1），莖水提液則反之；鱧腸根、莖、葉水提液對自身株高的化感強度（RI根=-0.53，RI莖=-0.47，RI葉=-0.89）大于對鬼針草株高的化感強度（RI根=0.18，RI莖=0.29，RI葉=0.21）（表 1）。

鬼針草和鱧腸他感和自感作用對根冠比均具有化感抑制作用（RI＜0）。根據 RI均值可知，鬼針草莖和葉水提液對鱧腸根冠比化感強度（RI莖=-3.11，RI葉=-3.15）大于鱧腸的他感強度（RI莖=-1.23，RI葉=-1.44），根水提液則反之；鬼針草根、莖、葉水提液對鱧腸根冠比化感強度（RI根=-1.63，RI莖=-3.11，RI葉=-3.15）大于鬼針草自感強度（RI根=-1.37，RI莖=-1.85，RI葉=-3.01）；鱧腸根、莖、葉水提液對鬼針草根冠比化感強度（RI根=-1.82，RI莖=-1.23，RI葉=-1.44）大于鱧腸自感強度（RI根=-1.02，RI莖=-1.06，RI葉=-0.95）（表 1）。

表1 鬼針草和鱧腸他感和自感對種子萌發、株高和根冠比化感強度Table 1 Allelopathic and autotoxic effects of Bidens pilosa and Eclipta prostrata on seed germination, plant height and root-shoot specific allelopathic intensity

3 討論

化感作用是植物長期適應環境所形成的有利于物種生存與繁衍的一種特殊機制（張亞琴等，2018）。已有研究表明，植物化感作用主要通過影響受體植物的種子萌發、株高、根長、生物量以及光合速率來體現（李富榮等，2011）。本研究顯示，鬼針草根、莖、葉水提液對自身和鱧腸種子的萌發率均有顯著抑制作用，他感和自感強度表現為葉＞莖＞根，說明鬼針草可通過莖葉揮發以及根系分泌的化感物質抑制鱧腸的種子萌發，以獲得更多的環境資源；同時，鬼針草又通過自感作用，抑制種內其他個體生長，減少同胞競爭、增大適合度。另一方面，鱧腸根、莖、葉水提液使自身和鬼針草種子萌發率下降，說明長期協同進化過程中，其不僅對種內個體產生化感作用，并且對其他外來物種也具有一定的排斥性，該結果與梁笑婷等（2018）研究青葙Celosia argentea葉浸提液抑制三葉鬼針草種子萌發率一致。研究還發現，鬼針草根、莖、葉水提液對鱧腸種子萌發率的化感強度大于鱧腸的他感強度，也大于鬼針草自感強度。而鱧腸各器官水提液對鬼針草種子萌發的化感強度小于鱧腸自感強度，充分顯示了外來植物鬼針草能夠通過化感作用抑制鱧腸種子萌發，增大競爭和入侵性。

種子萌發是聯結種子和幼苗的關鍵環節（陳鋒等，2017），而幼苗生長又直接影響著個體對環境資源的競爭力，進一步影響著未來生活史對策和物種的適合度。本研究顯示，不僅鬼針草根和莖水提液能夠促進自身幼苗株高的生長，葉水提液對株高具有“低促高抑”的效應，而且鱧腸各器官水提液對鬼針草株高也具有顯著促進作用，使鬼針草幼苗通過快速生長獲取更多的光、水等環境資源，增大競爭性。同時，鬼針草各器官水提液對鱧腸幼苗株高具有“低促高抑”作用，說明鬼針草能夠通過抑制鱧腸幼苗生長以增大自身的入侵性（杜鳳移等，2007）。化感強度比較顯示，鬼針草根和葉水提液對鱧腸株高的化感強度大于鱧腸他感強度，也大于鬼針草自感強度；鬼針草莖和葉水提液對鱧腸根冠比的化感強度大于鱧腸的他感強度，大于其自感強度，進一步說明鬼針草可通過莖葉揮發或淋溶以及根系分泌化感物質抑制鱧腸的生長，增強入侵性；同時，鱧腸不同器官水提液對自身株高化感強度大于其他感強度，顯示鱧腸根、莖、葉分泌和揮發的化感物質對鬼針草株高抑制作用較弱。

4 結論

（1）鬼針草和鱧腸根、莖、葉水提液對自身和受體植物種子萌發及根冠比均具有顯著抑制作用；

（2）鬼針草根和莖水提液、鱧腸各器官水提液均能顯著促進鬼針草株高的生長，鬼針草葉水提液對自身株高有“低促高抑”的作用；

（3）鬼針草根、莖、葉水提液對種子萌發的他感抑制效應大于鱧腸的他感抑制效應；鬼針草根和葉水提液對鱧腸株高的化感強度大于鱧腸根和葉水提液對鬼針草株高的化感強度，也大于其對自身株高的化感強度；鬼針草莖和葉水提液對鱧腸根冠比化感強度大于鱧腸的他感強度；

（4）強入侵植物鬼針草通過他感作用抑制弱入侵植物鱧腸種子萌發和幼苗生長，促進自身幼苗生長，增大競爭性。