4種菊科入侵植物對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的單一與復(fù)合化感作用

朱馬位, 魏雨清, 黃延康, 徐仲毅, 李 闖, 李 玥, 許哲倫, 仲珊珊, 杜道林, 王從彥

(江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

截至2014年,我國(guó)已分布的入侵植物共計(jì)515種,其中江蘇已高達(dá)230種,且在我國(guó)已分布的入侵植物中隸屬于菊科的入侵植物種類(lèi)數(shù)量最多,菊科入侵植物種類(lèi)數(shù)量為92種,占我國(guó)已分布的入侵植物種類(lèi)數(shù)量的17.86%[1-2]。國(guó)家生態(tài)環(huán)境部2020年發(fā)布的《2019中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示,我國(guó)已分布的入侵物種共計(jì)660多種,其中71種對(duì)環(huán)境健康與生態(tài)安全已造成或具有潛在威脅,而被列入了《中國(guó)外來(lái)入侵物種名單》,且在4批《中國(guó)外來(lái)入侵物種名單》(入侵植物種類(lèi)數(shù)量為40種)中隸屬于菊科的入侵植物種類(lèi)數(shù)量最多,為17種,占42.5%。因此,入侵植物,特別是菊科入侵植物的生物安全問(wèn)題已成為全球性的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。而闡明入侵植物成功入侵的關(guān)鍵機(jī)制,已成為當(dāng)前入侵生態(tài)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注的重大前沿科學(xué)問(wèn)題之一。化感作用對(duì)大部分入侵植物的成功入侵進(jìn)程至關(guān)重要,且基于入侵植物對(duì)其臨近植物的化感作用,生態(tài)學(xué)家提出了新武器假說(shuō)(novel weapon hypothesis)[3-4]。更為關(guān)鍵的是,化感作用在入侵植物中廣泛存在,其中在科分類(lèi)級(jí)別,調(diào)查的113個(gè)科中,72%的科的入侵植物均存在明顯的化感作用[5]。同一生境可能遭受到2種甚至多種入侵植物的共同入侵,特別是一種入侵植物成功入侵后,可能通過(guò)改變環(huán)境條件等途徑,增大其他入侵植物成功入侵的概率,導(dǎo)致2種或多種入侵植物共同入侵(別稱入侵塌陷,或次生入侵,亦或入侵漩渦)[6-7]。而入侵植物的共同入侵可能對(duì)環(huán)境健康與生態(tài)安全造成新的、更嚴(yán)重的威脅。因此,闡明入侵植物共同入侵的關(guān)鍵機(jī)制,特別是化感作用及其關(guān)鍵機(jī)制至關(guān)重要。已有研究已在很大程度上揭示并闡明了入侵植物的化感作用及其關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制,但大多局限于單一種類(lèi)的入侵植物對(duì)臨近植物的化感作用,而多種入侵植物對(duì)臨近植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的復(fù)合化感作用及其關(guān)鍵機(jī)制,仍需進(jìn)一步解析和深入闡明。基于上述,本研究通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)法分析加拿大一枝黃花(SolidagocanadensisL.)、小飛蓬[Erigeroncanadensis(L.) Cronq.]、鬼針草(BidenspilosaL.)和鉆葉紫菀[Symphyotrichumsubulatum(Michx.) G. L. Nesom]4種菊科入侵植物的單一和混合化感溶液對(duì)萵苣(LactucasativaL.)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響,旨在闡明上述4種菊科入侵植物對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的單一與復(fù)合化感作用及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究結(jié)果可為進(jìn)一步闡明入侵植物成功入侵的關(guān)鍵機(jī)制及其預(yù)警防控管理奠定強(qiáng)有力的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 入侵植物的選擇

在本研究中,入侵植物選擇加拿大一枝黃花、小飛蓬、鬼針草和鉆葉紫菀。原因如下:一是4種入侵植物均隸屬于菊科,以盡量減少入侵植物親緣關(guān)系所致的差異,且在物種組成方面,我國(guó)已分布的入侵植物和江蘇南部地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市)已分布的入侵植物隸屬于菊科的種類(lèi)數(shù)量最多[1-2]。近年來(lái),筆者在野外生態(tài)調(diào)查中發(fā)現(xiàn),在蘇南地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市)常常可以形成大范圍單優(yōu)群落的入侵植物,主要以菊科入侵植物為主,且包括這4種入侵植物。二是4種入侵植物均原產(chǎn)于北美洲,以盡量減少入侵植物地理起源所致的差異,且我國(guó)已分布的入侵植物和蘇南地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市)已分布的入侵植物原產(chǎn)于北美洲的種類(lèi)數(shù)量最多[1-2]。三是4種入侵植物均具有類(lèi)似的生境(均以農(nóng)田、林地、荒地、道路兩側(cè)等生境為主)、生活型(均為草本,且株高基本處于同一水平)和生長(zhǎng)周期[在蘇南地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市),生長(zhǎng)期主要為3—10月,其中生長(zhǎng)旺盛期為5—8月]。四是4種入侵植物均已在我國(guó)造成了顯著的生態(tài)影響,并均已被國(guó)家生態(tài)環(huán)境部列入了《中國(guó)外來(lái)入侵物種名單》。五是4種入侵植物在江蘇南部地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市)常常可以形成共同入侵,包括2、3、4種入侵植物共同入侵。

1.2 受試植物的選擇

本研究選擇萵苣作為種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的受試植物。理由如下:第一,萵苣與上述4種入侵植物均隸屬于菊科。第二,萵苣的種子萌發(fā)速度快且比較均一,其指標(biāo)也相對(duì)容易測(cè)定。第三,萵苣的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)對(duì)外界脅迫(含入侵植物的化感作用)非常敏感。第四,在江蘇南部地區(qū)(特別是鎮(zhèn)江市)的萵苣種植區(qū),被上述4種入侵植物成功入侵的情況比較嚴(yán)重。

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

1.3.1 化感溶液配制 在野外(地點(diǎn):鎮(zhèn)江市京口區(qū)橫山凹;32.15～32.16°N,119.52～119.53°E)采集上述4種入侵植物成熟且完整的葉片。每種入侵植物的葉片至少選擇3個(gè)群落采集,且每種入侵植物的群落間距至少100 m。每種入侵植物的葉片帶回實(shí)驗(yàn)室,用毛刷等工具將附著在葉面的雜物或異物清理干凈,然后室溫下自然風(fēng)干。每種入侵植物分別稱取5份20 g風(fēng)干的葉片,粉碎并分別浸入5個(gè)燒瓶中,每個(gè)燒瓶用無(wú)菌去離子水定容至1 L,浸提60 h后,用雙層紗布過(guò)濾將雜質(zhì)過(guò)濾掉,獲得4種入侵植物的單一化感溶液(共4種類(lèi)型),且每種入侵植物的單一化感溶液體積約4.8 L,濃度均為20 g/L(模擬入侵植物單一入侵狀態(tài))[8-9]。分別取300 mL 2種入侵植物的單一化感溶液,充分振蕩混勻,得到2種入侵植物等比例混合的化感溶液(包括加拿大一枝黃花和小飛蓬等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黃花和鬼針草等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黃花和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液,小飛蓬和鬼針草等比例混合的化感溶液,小飛蓬和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液以及鬼針草和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液,共6種類(lèi)型),濃度均為 20 g/L(模擬2種入侵植物共同入侵狀態(tài));分別取200 mL 3種入侵植物的單一化感溶液,充分振蕩混勻,得到3種入侵植物等比例混合的化感溶液(包括加拿大一枝黃花、小飛蓬和鬼針草等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黃花、小飛蓬和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黃花、鬼針草和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液以及小飛蓬、鬼針草和鉆葉紫菀等比例混合的化感溶液,共4種類(lèi)型),濃度均為20 g/L(模擬3種入侵植物共同入侵狀態(tài));分別取150 mL 4種入侵植物的單一化感溶液(共1種類(lèi)型),充分振蕩混勻,得到4種入侵植物等比例混合的化感溶液,濃度為20 g/L(模擬4種入侵植物共同入侵狀態(tài))。用無(wú)菌去離子水作為對(duì)照處理,模擬入侵植物未入侵狀態(tài)[8-9]。化感溶液和無(wú)菌去離子水 4 ℃ 冷藏保存(不超過(guò)1周)。

1.3.2 萵苣種子的處理與培養(yǎng) 將購(gòu)買(mǎi)的大小均勻的萵苣種子用1% NaClO溶液進(jìn)行消毒約 15 min,用無(wú)菌去離子水清洗,并將消毒后的萵苣種子放入鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(口徑為9 cm)中(每皿30粒種子),每個(gè)處理4次重復(fù)。然后,每個(gè)培養(yǎng)皿中加入1 mL無(wú)菌去離子水或加入1 mL化感溶液(包括4種入侵植物的單一和混合化感溶液)。將培養(yǎng)皿移至恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng),溫度設(shè)定為25 °C,每天光照時(shí)間設(shè)定為12 h,光照度設(shè)定為2 200 lx。培育后每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù),當(dāng)胚根凸顯時(shí)確認(rèn)種子發(fā)芽。記錄每天種子的出芽數(shù)量和幼苗生長(zhǎng)情況[8-10]。

1.3.3 萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 培養(yǎng)8 d后,每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)選擇長(zhǎng)勢(shì)良好、性狀明顯以及形狀相似的10株萵苣幼苗(即每個(gè)處理共測(cè)定40株萵苣幼苗),且同一天完成萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.4 萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定方法

發(fā)芽率為已萌發(fā)萵苣種子的數(shù)量與測(cè)試萵苣種子總數(shù)量的比值,指示萵苣種子的萌發(fā)能力[11-12]。

發(fā)芽勢(shì)為第3天(發(fā)芽高峰期)已萌發(fā)萵苣種子的數(shù)量與測(cè)試萵苣種子總數(shù)量的比值,指示萵苣種子的萌發(fā)均勻性[11-12]。

發(fā)芽指數(shù)(指示萵苣種子的萌發(fā)速度)的計(jì)算公式:發(fā)芽指數(shù)=∑(Gi/i)。其中:Gi為已萌發(fā)種子的數(shù)量;i為培養(yǎng)時(shí)間[13-14]。

發(fā)芽活力指數(shù)(指示萵苣種子的萌發(fā)活力)為發(fā)芽指數(shù)與幼苗鮮重的乘積[14-15]。

發(fā)芽速度指數(shù)(指示萵苣種子的萌發(fā)速度)為發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率的乘積[16-17]。

發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)(指示萵苣種子的萌發(fā)響應(yīng)速度)的計(jì)算公式[18-20]:發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)=nd2+0.75×nd4+0.5×nd6+0.25×nd8。其中:nd2、nd4、nd6和nd8分別為第2天、第4天、第6天、第8天的種子發(fā)芽數(shù)量。

胚芽長(zhǎng)(指示萵苣幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力)、胚根長(zhǎng)(指示萵苣幼苗對(duì)土壤水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力)、葉長(zhǎng)和葉寬(指示萵苣幼苗葉片光合面積的大小)采用具有0.1 cm精度的直尺直接測(cè)定[11-12]。

綠色葉面積(指示萵苣幼苗葉片光合面積的大小)為葉長(zhǎng)和葉寬乘積的0.75倍[25-26]。

幼苗生物量(包括鮮重和干重,指示萵苣幼苗的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)力)采用具有0.001 g精度的電子天平稱重測(cè)定[11-12]。

在本研究中,4種類(lèi)型的單一化感溶液處理下相關(guān)指標(biāo)取其平均值表示4種入侵植物的單一化感溶液處理數(shù)值,6種類(lèi)型的2種入侵植物等比例混合的化感溶液處理下相關(guān)指標(biāo)取其平均值表示2種入侵植物等比例混合的化感溶液處理數(shù)值,4種類(lèi)型的3種入侵植物等比例混合的化感溶液處理下相關(guān)指標(biāo)取其平均值表示3種入侵植物等比例混合的化感溶液處理數(shù)值,4種入侵植物等比例混合的化感溶液處理下相關(guān)指標(biāo)取其平均值表示4種入侵植物等比例混合的化感溶液處理數(shù)值,以盡可能降低種類(lèi)特異性導(dǎo)致的差異。

1.5 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)單因素方差分析比較不同處理間萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的差異水平,并通過(guò)S-N-K檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較。通過(guò)相關(guān)性分析來(lái)分析萵苣幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)與入侵植物種類(lèi)數(shù)量的相關(guān)性。差異顯著水平α取0.05、0.000 1。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)IBM SPSS Statistics 26.0(IBM Corp.,Armonk,NY,USA)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種入侵植物的化感溶液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知,與對(duì)照相比,4種入侵植物的單一化感溶液、2種入侵植物等比例混合的化感溶液、3種入侵植物等比例混合的化感溶液和4種入侵植物等比例混合的化感溶液均顯著降低了萵苣的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度指數(shù)和發(fā)芽快速響應(yīng)指數(shù)(P<0.05)。與對(duì)照相比,4種入侵植物的單一化感溶液、2種入侵植物等比例混合的化感溶液和4種入侵植物等比例混合的化感溶液均顯著降低了萵苣的發(fā)芽率(P<0.05)。與對(duì)照相比,3種入侵植物等比例混合的化感溶液和4種入侵植物等比例混合的化感溶液均顯著降低了萵苣的胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬和綠色葉面積(P<0.05)。與對(duì)照相比,4種入侵植物的單一化感溶液也顯著降低了萵苣的葉長(zhǎng)(P<0.05)。

2.2 不同入侵植物種類(lèi)數(shù)量的化感溶液對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)影響的差異

由表1可知,4種入侵植物的單一化感溶液、2種入侵植物等比例混合的化感溶液、3種入侵植物等比例混合的化感溶液和4種入侵植物等比例混合的化感溶液處理下萵苣的種子萌發(fā)指標(biāo)無(wú)顯著差異。不同處理下萵苣的胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)表現(xiàn)為4種入侵植物的單一化感溶液≈2種入侵植物等比例混合的化感溶液>3種入侵植物等比例混合的化感溶液>4種入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。不同處理下萵苣的葉長(zhǎng)表現(xiàn)為2種入侵植物等比例混合的化感溶液>4種入侵植物的單一化感溶液≈3種入侵植物等比例混合的化感溶液>4種入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。不同處理下萵苣的葉寬和綠色葉面積表現(xiàn)為4種入侵植物的單一化感溶液≈2種入侵植物等比例混合的化感溶液>3種入侵植物等比例混合的化感溶液≈4種入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。

相關(guān)性分析結(jié)果(表2)顯示,萵苣的胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬、綠色葉面積與入侵植物種類(lèi)數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.000 1)。

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明,上述4種入侵植物的化感溶液,不管是單一化感溶液,還是混合化感溶液,均對(duì)萵苣產(chǎn)生了顯著的化感作用,特別是對(duì)萵苣種子萌發(fā)的化感作用強(qiáng)度更強(qiáng),這4種入侵植物的化感溶液顯著抑制了萵苣種子的萌發(fā)能力、萌發(fā)均勻性、萌發(fā)速度和萌發(fā)響應(yīng)速度。這可能是因?yàn)檫@4種入侵植物的化感物質(zhì)可以抑制植物的新陳代謝,如營(yíng)養(yǎng)吸收和利用能力以及細(xì)胞增殖等[8-10]。

表1 萵苣的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)Table 1 Seed germination and seedling growth indices of L. sativa

表2 萵苣幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)與入侵植物種類(lèi)數(shù)的相關(guān)性Table 2 Correlations between seedling growth indices of L. sativa and the species number of invasive plants

在本研究中,不同入侵植物種類(lèi)數(shù)量的化感溶液對(duì)萵苣種子萌發(fā)的影響無(wú)顯著差異。這4種入侵植物對(duì)萵苣種子萌發(fā)的單一與復(fù)合化感作用強(qiáng)度無(wú)顯著差異。因此,入侵植物的種類(lèi)數(shù)量并未顯著影響這4種入侵植物對(duì)其臨近植物種子萌發(fā)的化感作用強(qiáng)度,即這4種入侵植物對(duì)其臨近植物種子萌發(fā)的化感作用強(qiáng)度取決于其化感溶液的存在,而非其化感溶液的種類(lèi)和組成。這可能是因?yàn)檫@4種入侵植物化感物質(zhì)中萌發(fā)抑制成分的含量和(或)組成相似,因?yàn)檫@4種入侵植物均隸屬于菊科,且均原產(chǎn)于北美洲,并具有類(lèi)似的生境、生活型和生長(zhǎng)周期。即這4種入侵植物的進(jìn)化歷程很相似。

這4種入侵植物對(duì)萵苣幼苗生長(zhǎng)(特別是幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗對(duì)土壤水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗葉片光合面積的大小)的單一與復(fù)合化感作用強(qiáng)度,基本上隨著入侵植物種類(lèi)數(shù)量的增多而顯著增強(qiáng),特別是3種入侵植物等比例混合的化感溶液和4種入侵植物等比例混合的化感溶液產(chǎn)生的化感作用強(qiáng)度顯著高于4種入侵植物的單一化感溶液和2種入侵植物等比例混合的化感溶液產(chǎn)生的化感作用強(qiáng)度。此外,相關(guān)性分析結(jié)果顯示,萵苣幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗對(duì)土壤水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗葉片光合面積的大小與入侵植物種類(lèi)數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)。所以,入侵植物的種類(lèi)數(shù)量是顯著影響這4種入侵植物對(duì)萵苣幼苗生長(zhǎng)(特別是幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗對(duì)土壤水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗葉片光合面積的大小)的化感作用強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。我們推測(cè)產(chǎn)生這種情況的原因可能是:盡管這4種入侵植物化感物質(zhì)的組成相似,但是入侵植物的種類(lèi)數(shù)量越多,其混合化感溶液中化感物質(zhì)的種類(lèi)數(shù)量也越多,特別是隨著時(shí)間的推移,其抑制作用逐漸凸顯。因此,與單一化感作用相比,這4種入侵植物對(duì)萵苣幼苗生長(zhǎng)的復(fù)合化感作用存在一定程度的疊加效應(yīng)。所以,隨著共同入侵進(jìn)程的逐步推進(jìn),特別是隨著入侵植物種類(lèi)數(shù)量的逐漸增多,入侵植物可能對(duì)其臨近植物的幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生更強(qiáng)的化感作用,進(jìn)而抑制其臨近植物的個(gè)體生長(zhǎng)和群落演替,從而有利于其進(jìn)一步的入侵進(jìn)程,最終產(chǎn)生新的、更嚴(yán)重的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,本研究創(chuàng)造性地分析了4種入侵植物對(duì)萵苣種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的單一與復(fù)合化感作用及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,并闡明了入侵植物的種類(lèi)數(shù)量耦合調(diào)控多種入侵植物的單一與復(fù)合化感作用及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本研究結(jié)果表明,上述4種入侵植物的單一與復(fù)合化感作用均顯著降低了萵苣的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng),特別是對(duì)萵苣種子萌發(fā)的化感作用強(qiáng)度更強(qiáng)。更為重要的是,這4種入侵植物對(duì)萵苣幼苗生長(zhǎng)(特別是幼苗對(duì)陽(yáng)光獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗對(duì)土壤水分和鹽分獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力、幼苗葉片光合面積的大小)的單一與復(fù)合化感作用強(qiáng)度,隨著入侵植物種類(lèi)的增多而顯著增強(qiáng)。所以,隨著入侵植物種類(lèi)數(shù)量的增多,入侵植物可能通過(guò)更強(qiáng)的化感作用抑制其臨近植物的幼苗生長(zhǎng),從而有利于其進(jìn)一步的入侵進(jìn)程。