增溫加氮對兩種不同來源加拿大一枝黃花子一代生長的影響1)

高苑苑 車路璐 彭培好 李景吉

(成都理工大學，成都，610059)

大氣溫度和土壤氮是影響植物生長和資源分配的重要環境因子[1-2]。溫度通過影響植物的生理活動來影響植物的生長發育[2-3]，已有研究發現，增溫可以通過增強紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)和加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)的生長能力、無性繁殖能力以及耐受性來提高其入侵能力[3-4]。土壤氮的增加可以明顯提高植物的生長繁殖能力[5-7]。如，氮添加能增強矢車菊屬(Centaureastoebe)植物的生長和競爭能力[8]。

全球氣候變化和大氣氮沉降是生物入侵的重要驅動力[5，9]，已構成對全球生物多樣性變化的嚴重威脅。全球變暖是一個不爭的事實[5]。據預測，在未來100 a內，全球平均氣溫將上升1.1～6.4 ℃[10]，而普遍認為溫度升高2 ℃是引起生態系統反饋的關鍵閾值[11-12]。隨著人類活動的增強，工業和科技飛速發展的同時，大氣氮沉降速率也在逐步加快。根據對中國南方未來氮沉降速率的預測，大氣氮沉降水平約為4 g·m-2·a-1[13]。氣候變暖和大氣氮沉降通過改變溫度條件和氮的可利用性，進而影響植物生長[5]。植物的營養生長、繁殖及其對環境的耐受性與外來種的可入侵性相關[14-06]。探討入侵植物的生長、形態以及其入侵的生態效應在面對氣候變暖和大氣氮沉降下會產生何種變化，有助于更好理解植物入侵[17-18]。

加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)，菊科一枝黃花屬，原產于北美，20世紀30年代作為園林觀賞植物引種于我國上海、南京等地，20世紀80年代迅速擴散蔓延[19-20]，如今已成為一種世界型的入侵雜草，對環境和經濟造成了巨大影響，并被列入了國際入侵物種名單[21-23]。入侵植物對其生長環境具有一系列適應策略，其表現多種多樣，如植物生長性狀、生物量、根冠比等指標隨生境條件改變而發生變化[24-25]。在陸生植物中，環境因子變化會影響親代及其后代的表觀性狀的變化[26-28]。然而相對于生命歷史早期階段進行的母體研究，很少有人考慮過環境因素對入侵植物后代生命史的影響[29]，以往對氣候變暖和氮沉降影響下的加拿大一枝黃花的研究多集中在親代，但這些影響如何延續到其子代仍不清楚。本實驗回答一個科學問題：氣候變暖和氮沉降如何影響不同來源加拿大一枝黃花子一代的生長特征。

1 試驗地概況

本試驗在四川省成都市成都理工大學生態資源與景觀研究所試驗基地海拔512 m。該地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16 ℃，年降水量918.2 mm，雨量充沛，空氣潮濕，四季分明。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

試驗物種為入侵植物加拿大一枝黃花。長期試驗始于2012年4月，涉及來源、溫度和氮添加3個因素。植物材料來源包括中國來源(S.canadensisfrom China，SCN)和北美來源(S.canadensisfrom North America，SNA)，分別設置了對照處理、增溫處理、加氮處理以及增溫加氮處理。長期試驗至今已開展8 a。本試驗種子于2018年冬天采自長期試驗中自然條件下(對照處理)生長的兩種來源加拿大一枝黃花的母本植株，設計了一個3因素2水平的因子實驗，3個因素為來源、增溫和氮添加，其中來源包括中國來源(SCN)和北美來源(SNA)，溫度包括增溫(T1)和不增溫(T0)對照，氮添加包括加氮(N1)和不加氮(N0)對照。4種增溫加氮處理分別為T0N0、T0N1、T1N0、T1N1。2種來源，4種處理，每種處理重復8次，共64個試驗群落。

本試驗于2019年3月下旬開展，取少量種子均勻播撒在相應塑料盤(長42 cm、寬42 cm、深5 cm)中，并放置于大棚溫室內進行萌發育苗，待幼苗生長到一定高度后移植到V(表層黃壤土)∶V(河沙)=1∶1混合的圓形塑料實驗盆(直徑10 cm、高20 cm)，每盆中移植3株大小相似的幼苗，6月初將所有實驗盆移至室外，對相應植株進行增溫和加氮處理。為防止盆內積水和土壤元素流失，在盆底留有小孔并墊有噴膠棉。試驗期間視土壤干旱程度每隔3～4 d澆1次水。

試驗加熱設備采用MSR—2420紅外線輻射增溫器，將其懸掛于鐵架上，離地1.5 m處，使實驗盆土壤表面增溫約2 ℃，對需要增溫的實驗盆進行全天加熱，并于對照組實驗盆上方同位置懸掛一個不具增溫功能的虛擬增溫器件。試驗氮添加處理是對于需加氮的實驗盆通過施加硝酸銨(NH4NO3)的方式于6—7月份兩次進行，根據單個實驗盆橫截面積0.007 85 m2及大氣氮沉降水平4 g·m-2·a-1，計算得出每盆每年共需要0.09 g NH4NO3。

2.2 數據采集

在實驗結束時(10月)用直尺測定株高和用游標卡尺測量基莖，記錄葉片數。然后收獲植株，并將其分成地上部分和地下部分，用水洗凈后放入電熱恒溫鼓風干燥箱85 ℃烘24 h，最后用精度為0.000 1 g的電子天平測量地上生物量和地下生物量，通過計算得到總生物量和根冠比。

總生物量=地下生物量+地上生物量；

根冠比=地下生物量/地上生物量[30-31]。

2.3 數據處理

使用SPSS 19.0軟件對數據進行三因素方差分析和均值比較，以此來探究來源、增溫和加氮及其交互作用對加拿大一枝黃花株高、葉片數、基莖、生物量以及根冠比的影響，所有顯著性檢驗均在P<0.05的水平上進行。

3 結果與分析

不同來源和增溫并不影響植株高度；相反，加氮促進植株生長(表1和表2)。加氮處理下的株高比不加氮處理下的株高顯著提高104%。就植株高度而言，來源、增溫和加氮三者之間并不存在顯著的交互作用。

來源和增溫并不影響葉片數量；相反，加氮對葉片數有促進作用，而且這種效應受來源的影響(表1和表2)。與不加氮處理相比，加氮處理下葉片數顯著提高72%；不加氮情況下，中國來源加拿大一枝黃花葉片數少于北美來源的；加氮情況下，中國來源加拿大一枝黃花葉片數多于北美來源的。

增溫處理下的基莖莖粗比不增溫處理下的基莖莖粗顯著降低11%，加氮處理下的基莖莖粗比不加氮處理顯著提高24%。基莖生長不受來源及其與其他因素交互作用的影響。

增溫處理的地上生物量比不增溫處理的地上生物量顯著降低22%；相反，加氮處理的地上生物量比不加氮處理地上生物量顯著提高110%。增溫對地上部分生物量的抑制效應受來源和氮的制約：增溫處理使中國來源加拿大一枝黃花地上生物量降低；加氮與不增溫處理促進了地上生物量的積累，但在增溫的條件下減緩了這種促進作用。

北美來源加拿大一枝黃花地下生物量比中國來源的地下生物量顯著提高15%。與地上生物量相似，增溫抑制地下生物量積累而加氮則促進地下生物量積累。另外，加氮的促進效應受來源和溫度的制約：不加氮情況下，中國來源加拿大一枝黃花地下生物量少于北美來源的，而加氮情況下，中國來源的地下生物量多于北美來源的，表明加氮對中國來源加拿大一枝黃花地下生物量的促進作用高于北美來源加拿大一枝黃花；增溫與加氮的交互作用減緩了加氮對地下生物量積累的促進作用(表2)。

由于增溫抑制了地上和地下生物量，因而抑制了總生物量積累；相反，由于加氮促進地上和地下生物量，因而促進了總生物量積累。與地下生物量相似，加氮對總生物量的促進效應受來源和溫度的限制(表1)：與北美來源加拿大一枝黃花相比，加氮后中國來源加拿大一枝黃花總生物量增加更多；增溫與加氮的交互作用減緩了加氮對總生物量積累的促進作用(表2)。

表1 來源、增溫、氮添加及其交互作用的加拿大一枝黃花子一代生長及根冠比

表2 不同處理的兩種來源加拿大一枝黃花子一代生長及根冠比

加拿大一枝黃花北美來源比中國來源具有更高的根冠比(24%)，加氮降低了加拿大一枝黃花的根冠比(22%)。增溫提高中國來源加拿大一枝黃花根冠比(26%)，但降低北美來源加拿大一枝黃花根冠比(19%)；加氮提高中國來源加拿大一枝黃花根冠比(13%)，但降低北美來源加拿大一枝黃花根冠比(37%)。

4 結論與討論

株高、葉片和基莖是植物對水分和養分利用的最直觀表現，植物的生物量在各器官中的分配可反映植物對環境的適應性及其生長策略[31]。植物的株高不但是植物生物量積累的直觀體現，也是植物獲得生存空間和更多光照的重要保障，意味著其可以在密集的群落中競爭到更多的光資源來合成光合產物[32]。株高和葉片數也是生物產量的主要指標，并能表現數量性狀的遺傳特點[33-35]。生物量的積累是植物能量轉化的主要表現形式，其在植物中的分配受基因、生長階段、外界環境等的影響，同時也可反映植物對環境的適應性及其生長策略[31]。植物對生物量的分配是一種對地上、地下資源的權衡[36]。根冠比是反映這種權衡的重要指標和適應策略[37]。地上生物量的增加，使植物可以通過遮擋自身葉片來緩解干旱脅迫和蔭蔽其他植物來獲得競爭優勢[38-40]。地下生物量體現的是植物的無性繁殖能力，外來物種的繁殖能力與其入侵能力呈正相關[19]。根冠比可直接體現植物生物量在地下與地上間分配的協調狀況，對增加植株總產量以及個體生長具有重要意義[41]。根冠比越高表明植物對于水分和營養物質具有比較強的競爭能力，有利于其地下部分的生長。植物體內可利用的資源有限，權衡理論指出，當植物對某一功能性狀或代謝過程投入較多的資源時，相應的就會減少資源向其他性狀的投入[42-44]。

來源試實驗通常反映植物對不同生態環境的遺傳響應[45]。表型可塑性是在植物受到不同環境的影響，會提高自身的耐受力，從而產生不同的表型來適應不同的環境[46]。研究發現，不同來源加拿大一枝黃花的地下生物量和根冠比具有顯著的差異，中國來源加拿大一枝黃花的均值均略低于北美來源加拿大一枝黃花，說明在本實驗中，在相同的環境下北美來源的地下部分生長略優于中國來源，這說明原產地的種群(SNA)在入侵地經過幾年生長后其子代逐漸表現出與入侵地種群(SCN)一樣強的繁殖能力，這就符合了天敵釋放假說，其認為入侵物種由于在入侵地缺少了天敵，所以就把資源更多的分配在生長繁殖上，從而使其產生了適應性分化，使其增強了在新生境中的競爭能力和生存能力[47-48]。且不論什么處理加拿大一枝黃花的地下生物量均值均大于地上生物量，說明其在缺乏競爭的情況下將更多的資源投入地下部分的生長，以提高其無性繁殖和擴散能力。氣候變化條件下，植物功能性狀具有更高的表型可塑性[49]。加拿大一枝黃花對增溫的響應，主要體現在生長性狀和生物量，在2 ℃增溫后呈現下降趨勢，其中基莖、地上生物量、地下生物量和總生物量較顯著，且這種增溫效應強烈依賴于加氮和來源。有學者認為適當的增溫可以促進植物的光合及代謝速率，促進生物量的積累。而Kudo et al.[50]卻認為溫度升高對植物生長的影響不大。Saavedra et al.[51]的研究還提出了溫度的增加不利于植物的生長的觀點。增溫處理下的加拿大一枝黃花親代所結種子的萌發率顯著低于不增溫處理的[2]。本試驗研究也發現增溫對加拿大一枝黃花的生長具有負效應，尤其是在與加氮交互作用下，但其所降低的百分比并不大，這與加拿大一枝黃花親代的在增溫處理下的表現相一致。但增溫能使加拿大一枝黃花的分蘗數增加，即提高了無性繁殖能力[4]。說明增溫使資源更多地分配到了加拿大一枝黃花的無性繁殖上而降低其生長能力。

加氮能顯著促進加拿大一枝黃花的生長，且這種加氮效應強烈依賴于來源。加氮有利于提高植物生長速率和生物量的累積，具體表現為植物株高增加、莖干變粗等[52-53]。在加氮情況下，選取莖粗量化植物的防御投入[54]。加拿大一枝黃花親代試驗發現，一定株高或葉片數時的基莖莖粗越大，越能抵抗刮風、昆蟲啃食等方面的影響，說明植株將資源更多地投入到了防御中[32，54]，本試驗發現加氮促使加拿大一枝黃花子一代在植株生長發育方面投入更多，而減小了在防御的投入。這也驗證了氮分配進化假說，外來入侵植物在入侵地會減少體內氮元素在防御作用的分配而向光合作用轉移，多表現為較快的生長速度和較強的競爭能力，這種獨特的快速償還型能量方式能夠提高葉片的光合氮利用效率、光合能量利用效率及光合能力[48]。所以在一定范圍內的氮沉降對兩種來源加拿大一枝黃花的生長和發育均有顯著的影響。

增溫加氮部分抵消了加氮對加拿大一枝黃花生長的促進作用，尤其是生物量方面。而在來源與加氮、來源與增溫交互作用下，增溫和加氮對加拿大一枝黃花的影響都受到了來源的制約。來源與增溫的交互處理使中國來源加拿大一枝黃花地上生物量降低，根冠比增大，而對北美來源的地上生物量影響不大，根冠比減小；來源與加氮的交互處理使中國來源加拿大一枝黃花葉片數、地下生物量、總生物量和根冠比都高于北美來源的。說明中國來源的加拿大一枝黃花對于氮添加的響應更顯著，即對氮素的增加具有更強的可塑性。此結果與褚延梅的研究中中國來源加拿大一枝黃花的親代對氮添加響應更顯著的結果一致[18]。可以看出增溫和加氮在一定程度上影響不同來源加拿大一枝黃花的根冠比，增溫或加氮更能促進中國來源加拿大一枝黃花的根系生長，使其將更多資源投入無性繁殖，用于生存；而增溫或加氮更能促進北美來源加拿大一枝黃花的植株生長，使其將更多資源投入生長發育。

綜上所述，增溫降低中國來源加拿大一枝黃花的地上生物量但提高其根冠比，增溫降低北美來源加拿大一枝黃花的根冠比；與北美來源加拿大一枝黃花相比，加氮對中國來源加拿大一枝黃花葉片數、地下生物量和總生物量的促進作用更大；加氮促進加拿大一枝黃花地上生物量、地下生物量和總生物量的積累，但增溫減緩了這種促進作用。這些結果表明，氣候變暖可能會部分抵消氮沉降對加拿大一枝黃花子一代生長的促進作用，有關不同來源加拿大一枝黃花親代與子代在增溫加氮處理下生長特征的遺傳差異有待進一步研究。