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菟丝子属植物在云南对薇甘菊的控制效果及其安全性调查评价

2017-06-05张付斗岳英申时才徐高峰郭晋张玉华

生态环境学报 2017年3期
关键词:甘菊菟丝子群落

张付斗,岳英,申时才,徐高峰,郭晋,张玉华

1. 云南省农科学院农业环境资源研究所,云南 昆明 650205;2. 云南省农业环境保护监测站,云南 昆明 650034

菟丝子属植物在云南对薇甘菊的控制效果及其安全性调查评价

张付斗1,岳英2*,申时才1,徐高峰1,郭晋2,张玉华1

1. 云南省农科学院农业环境资源研究所,云南 昆明 650205;2. 云南省农业环境保护监测站,云南 昆明 650034

利用菟丝子属(Cuscuta spp.)植物控制薇甘菊(Mikania micrantha H.B.K)引起一定关注和争议。以云南省薇甘菊入侵生境中的中国菟丝子(C. chinensis Lam)、云南菟丝子(C. reflexa Roxb)和日本菟丝子(C. japonica Choisy)为考察对象,通过调查和分析3种菟丝子属植物对薇甘菊的控制效果及其在群落中的生态指标,认为对薇甘菊的防治效果以中国菟丝子最好,其次是云南菟丝子和日本菟丝子。结果表明:中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子寄生90 d后,薇甘菊的死亡率分别为97.9%、65.3%和44.1%;而生物量与对照比较的相对防效分别为93.6%、81.2%和77.5%。3种菟丝子寄生薇甘菊入侵的群落中,中国菟丝子的相对密度(RD)最大,为0.484 3;云南菟丝子的相对频度(RF)最大,为0.396 1;日本菟丝子的相对优势度(RDE)最大,为0.886 4。这3种菟丝子属植物的重要值(IV)分别为0.763 8、1.205 1和1.317 1。因此,应用菟丝子属植物控制薇甘菊具有较好的效果,但同时存在不同程度的生态风险。此外,云南菟丝子的寄主植物种类最多,其中有23种寄主植物的生长受到影响;日本菟丝子主要危害12种高大的灌木和草本植物;中国菟丝子的寄主植物种类相对较少,仅有的6种被寄生植物均为杂草或其他入侵植物,而且受害程度最严重,因此其生态安全性相对较高。研究结果可对应用菟丝子控制薇甘菊危害的可行性研究提供科学基础。

菟丝子属;薇甘菊;防治效果;生态指标

薇甘菊(Mikania micrantha H. B. K)原产于中南美洲,现已成为热带、亚热带地区危害广泛的入侵藤本植物(Luque et al.,2004;Mini et al.,2005;Zhang et al.,2009)。该物种上世纪入侵中国香港、台湾、广东和云南,本世纪入侵海南和广西以来,给入侵地的农、林、牧业发展造成严重危害和经济损失(冯惠玲等,2002;杜凡等,2006)。在物理、化学、生物和生态控制薇甘菊的技术发展方面,生物生态技术因具有高效、安全与可持续治理的效果而倍受研究者和生产者重视(James et al.,2010;Shwley et al.,2010)。国内外对紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)、豚草(Ambrosia artemisiifolia)和黄顶菊(Flaveria bidentis)等入侵植物的生物控制研究已取得许多成功案例(李会娜等,2009;田耀华等,2009;闫素丽等,2011),证实生物控制外来入侵植物在一些生境中的应用具有显著的生态控制与修复作用(Wan et al.,2010)。

目前,国内外开展控制薇甘菊的物种筛选和应用已取得积极进展和显著效果(Shen et al.,2015)。自研究者发现菟丝子属(Cuscuta)植物浸染和致死薇甘菊的现象以来(Shen et al.,2011;廖文波等,2002),已有中国菟丝子(又称菟丝子,C.chinensis)、南方菟丝子(C.australis)、田野菟丝子(C.campestris)、日本菟丝子(C. japonica)和云南菟丝子(又称大花菟丝子,C. reflexa)等寄生并致死薇甘菊的报道(昝启杰等,2002;昝启杰等,2003;泽桑梓等,2013)。研究发现薇甘菊入侵可以改变土壤微生物的生物量和酶活性,最终改变土壤化学特性,以利于其入侵;而田野菟丝子的寄生可以打破土壤微生物群落的动态平衡,引起土壤微生物生物量和酶活性的改变,进而引起土壤化学特性的改变(李钧敏等,2008)。此外,田野菟丝子寄生还可对薇甘菊叶片的气孔长宽比和气孔面积产生显著影响,直接影响寄主的光化学中心的活性和光合进程(陈华等,2008;陈华等,2010),对薇甘菊可溶性蛋白和抗氧化酶活性等均有显著影响(刘梦佼等,2011);日本菟丝子和田野菟丝子等还对薇甘菊种子萌发和幼苗生长存在强烈的化感效应(胡飞等,2005;李秋玲等,2008)。这些研究结果对利用菟丝子属植物开展生态控制薇甘菊奠定了科学基础。

全世界有菟丝子属植物170多种,主要分布在热带、亚热带及温带地区,以美洲分布种类居多。该属在中国有11种,大部分地区都有分布,但每种的分布均有一定的地域性。云南省境内主要分布有中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子(郭凤根等,1999a)。尽管菟丝子中的一些物种可作为名贵中草药被种植栽培,然而,菟丝子属植物寄主广泛,且大多为农林生产中防治困难的恶性杂草。如大花菟丝子在云南的寄主有66科161属181种,日本菟丝子在云南的寄主有55科128种,中国菟丝子在云南的寄主有10种(郭凤根等,1998;郭凤根等,1999b)。田野菟丝子能以产生吸器进行寄生生长的植物报道有近80种。通过对田野菟丝子控制薇甘菊危害的11个样地群落进行调查,发现乔、灌、草不同程度受到田野菟丝子的寄生影响(昝启杰等,2003)。因此,菟丝子属植物大面积应用于控制薇甘菊的生态风险性不容忽视。本研究通过云南省薇甘菊发生区域的野外调查和室内实验,评价了现有的3种菟丝子植物防除薇甘菊的效果及其安全性,旨在进一步为该技术的应用提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 不同菟丝子对薇甘菊的寄生试验

试验于2015年在云南省农业科学院隔离培养室中进行,测定薇甘菊在被不同菟丝子寄生后的生长情况。野外分别采集被中国菟丝子(C. chinensis Lam)、云南菟丝子(C. reflexa Roxb)和日本菟丝子(C. japonica Choisy)寄生的薇甘菊,带回实验室后分别剪取带1个菟丝子寄生点的薇甘菊茎段(4~5 cm),先在Hoagland’s营养液中培养8 d成活生根后,再分别以1 m×1 m的株行距,双行条栽入2 m×5 m的水泥池(土壤质地为沙壤土,主要营养指标为:有机质1.6%,总N 1.67 g·kg-1,总P 0.21 g·kg-1;总K 9.54 g·kg-1)。以未被菟丝子寄生的薇甘菊幼苗为空白对照。各处理设4次重复,在温度为21~29 ℃,湿度为60%~85%的温室中培养90 d,每隔15 d观察1次薇甘菊被不同菟丝子寄生后的生长情况,主要包括寄生的吸器位点数量和发黄叶片的百分率(%)。薇甘菊生长至90 d,调查各小区薇甘菊的株数和生物量(鲜重g),分别以死亡率(%)为绝对防效(%),生物量抑制程度为相对防效(%)比较3种菟丝子对薇甘菊的寄生影响。相对防效=(空白对照的干重-处理的干重)×100%/空白对照的干重。试验完成后将植株和土壤进行高温烘烤处理,以免物种扩散。

1.2 薇甘菊样地群落中的不同菟丝子发生情况调查

定位监测样地设置在在云南省德宏州瑞丽市郊区的摞荒地(东经97°68′29″,北纬23°86′75″,海拔1206.3 m)。试验区地貌类型为丘陵山地,土壤为黄红壤,有机质4.12 g·kg-1,全氮0.44 g·kg-1,全磷0.29 g·kg-1,全钾0.53 g·kg-1,pH 7.32。年均气温21.2 ℃,年降雨量1355.2 mm。该地块为薇甘菊入侵较为严重、而且分布较均匀的生境,薇甘菊盖度55%~60%;其他入侵的植物种类主要有飞机草(Eupatorium odoratum)、马唐(Digitaria sanguinalis)、鬼针草(Bidens bipinnata)、荩草(Arthraxon hispidus)、飞蓬(Conyza canadensis)、龙葵(Solanum nigrum)、地毯草(Axonopus compressus)、粗毛耳草(Hedyotis verticillata)、胜红蓟(Ageratum conyzoides)、香附子(Cyperus rotundus)等30种灌木和草本植物。

2016年在监测样地,定点16个薇甘菊均匀分布且有菟丝子寄生的小区(面积均为25 m2),中国菟丝子(C. chinensis Lam)、云南菟丝子(C. reflexa Roxb)和日本菟丝子(C. japonica Choisy)寄生的小区各4个,分别按照按1 m×1 m面积拔除多余或者补足4株薇甘菊幼苗,每一小区内共100株。薇甘菊被菟丝子属植物寄生3个月后,用方格法将10 m×10 m样方分为100个方格,调查记录:(1)密度D=样方内菟丝子的个体数/样方面积,相对密度RD=(菟丝子的密度/全部植物种的总密度)×100%,由于菟丝子和薇甘菊难以区分植株数量,以样方内大于3 cm的枝条进行计数;(2)频度F=菟丝子出现的样方数/全部样方数,相对频度RF=(菟丝子的频度/全部植物种的总频度)×100%;(3)优势度DE=样方内菟丝子盖度,相对优势度RDE=(菟丝子优势度/所有种的优势度之和)×100%。并根据重要值IV=相对密度(RD)+相对频度(RF)+相对优势度(RDE),分别计算3种菟丝子属植物在群落中的重要值。

1.3 薇甘菊发生区的菟丝子属的寄主植物调查

2016年3月、6月和9月,分别对中国菟丝子(C. chinensis Lam)、云南菟丝子(C. reflexa Roxb)和日本菟丝子(C. japonica Choisy)样地寄生植物进行调查,调查受其所危害的植物及其程度,参照廖文波等(2002)的方法进行危害等级评价:(1)菟丝子属植物不寄生危害所调查的植物,为不危害(定为0级);(2)菟丝子的寄主植物的生长受到较小或不明显的影响,为轻度危害(定为+级);(3)菟丝子的寄主植物生长明显受到较大影响,生长状态较差,为中度危害(定为++级);(4)菟丝子的寄主植物生长严重受阻或濒临死亡或致死,为重度危害(定为+++级)。

1.4 数据处理和统计分析

所有数据采用DPS v9.01软件进行分析,采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan’s新复极差法比较不同数据组间的差异。

2 结果和分析

2.1 不同菟丝子对薇甘菊的防治效果

薇甘菊在被菟丝子植物寄生后,前期主要表现为叶片顶尖向下逐渐发黄、叶小、分枝数量少和茎短等特征。表1所示为在薇甘菊上寄生的中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子的表型特征,由表可知,中国菟丝子的生物量和覆盖度相对较小,但寄生速度较快、吸器位点数量明显较多,薇甘菊被寄生后90 d,每一个茎段(1 m)上附有的中国菟丝子吸器位点数量达到96.7个;其次是云南菟丝子和日本菟丝子。日本菟丝子的生物量和覆盖度最大,但吸器位点数量相对较少,被覆盖后的薇甘菊光合作用受到一定程度的影响,但被直接吸取养分和水分的现象不明显,基本能生长。作为本地物种的云南菟丝子,其生物量和盖度小于日本菟丝子,但显著大于中国菟丝子;该物种对薇甘菊的寄生性较日本菟丝子强,但显著低于中国菟丝子。对薇甘菊的防治效果以中国菟丝子最好,其次是云南菟丝子,日本菟丝子的防治效果相对较差,薇甘菊被3种菟丝子侵染后的死亡率分别为97.9%、65.3%和44.1%(图1);生物量与空白对照比较的相对防效(%)分别为93.6%、81.2%和77.5%。

图1 菟丝子属3种植物控制薇甘菊的效果Fig. 1 The control effect of 3 species of Cuscuta on Mikania micrantha

表1 不同菟丝子的寄生薇甘菊后的表型特征Table 1 The phenotypic characteristics of different Cuscuta species parasitic on mikania micrantha

表2 不同菟丝子在薇甘菊群落中的发生情况Table 2 The occurrence of different species Cuscuta in communities with mikania micrantha

2.2 不同菟丝子在群落中的发生情况

监测样地中的3种菟丝子在寄主植物上生长至90 d,调查样方内植物的密度、频度和盖度,结果见表2。未被菟丝子寄生的样地,群落中植物密度均值为942.8 plant·m-2;而寄生中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子的样地,薇甘菊和其他植物的种群密度显著下降,全部植物的总密度分别为165.8、467.6和527.3 plant·m-2。由此可知,长期以薇甘菊种群为优势的群落结构,在被菟丝子属植物寄生后,菟丝子属植物快速繁殖取代薇甘菊成为密度较大的种群。中国菟丝子由于茎纤细、多分枝且较短的特点,其密度显著较另外两种菟丝子大,达到80.3 plant·m-2。通过菟丝子寄生小区的植株相对密度进行计算,得知中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子相对密度(RD)分别0.4843、0.1420和0.1111;相对频度(RF)分别为0.1324、0.3961和0.3196,这与它们的寄主范围密切相关;受到生物量、主茎、覆盖度等表型特征的影响,3种菟丝子的相对优势度(RDE)分别为0.1470、0.6670和0.8864,这与其温室栽培试验(表1)结果吻合。由于受到菟丝子植物的繁殖、薇甘菊的死亡,以及其他物种的恢复或受害等多方面影响,中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子在群落中的重要重要值(IV)分别为0.7638、1.2051和1.3171。

2.3 群落中其它植物被菟丝子的寄生和受害情况

以野外薇甘菊为优势种群的群落,在被中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子侵染后,寄主植物及其受害情况结果见表3。薇甘菊被3种菟丝子寄生且受其影响较大,其中被中国菟丝子寄生的植株,表现出生长严重受阻或濒临死亡或致死,为重度危害(定为+++级);而被日本菟丝子寄生的植株,表现出生长明显受到较大影响,生长状态较差,为中度危害(定为++级),与温室测定的结果一致。样地调查证实,中国菟丝子寄生于6种植物(占样地物种组成的20.0%)之上,并对其造成中度或重度危害;日本菟丝子寄生于12种植物(占样地物种组成的40.0%)之上,并对其造成轻度和中度危害;云南菟丝子的寄主范围广,多达26种(占样地物种组成的86.7%),其中重度危害仅见薇甘菊,其他物种表现为轻度和中度危害。从寄主植物的经济和生态价值角度进行分析,中国菟丝子主要寄生并危害矮小的杂草类型,而日本菟丝子多寄生于相对高大的灌草类型,表明中国菟丝子的生态安全性相对较高,而日本菟丝子的风险性较大。

表3 菟丝子的寄主植物及其受害情况Table 3 Effects of Cuscuta on their host plants

3 讨论

菟丝子与寄主接触后产生吸器,导致寄主养分不足而生长受到抑制甚至死亡(廖文波等,2002)。菟丝子缠绕在薇甘菊的茎上,吸取其养分和水分,导致该外来入侵物种叶片发黄甚至整株枯死(泽桑梓等,2013)。研究表明,利用菟丝子作为防治薇甘菊的手段具有理想的效果。此外,由于菟丝子属植物种类较多,不同种菟丝子的生物学、生态学特性差异显著,而且其分布具有一定的地域性,故其在不同入侵地域的安全性存在差异(李钧敏等,2008)。因此,该技术的应用不可忽视资源、环境和靶标杂草的相互关系。本研究基于云南省薇甘菊发生区菟丝子属植物的调查结果,通过温室观测中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子对薇甘菊的影响,发现菟丝子植物对薇甘菊具有显著的寄生和抑制效果。进一步研究发现,在云南省的薇甘菊入侵生境中,中国菟丝子控制薇甘菊的效果显著较另外两种菟丝子好,其寄生90 d的薇甘菊死亡率达到97.9%,生物量与空白对照比较的相对防效为93.6%。

由于菟丝子属植物的大多物种已成为中国入侵物种重点防控的对象,而且已许多成为农林生产中防治困难的恶性杂草。因此,评价其安全性是生物资源利用的前提。本研究样地中30种主要植物的寄主种类调查结果也与文献报道较为吻合(郭凤根等,1999a)。野外调查发现云南菟丝子寄生的植物种类最多,其次是日本菟丝子和中国菟丝子,危害对象也表明中国菟丝子的生态安全性相对较高,而日本菟丝子的风险性最高。中国菟丝子、云南菟丝子和日本菟丝子在群落中重要值(IV)分别为0.7638、1.2051和1.3171,也表明菟丝子植物对薇甘菊和其他物种存在一定选择性。中国菟丝子由于分枝多而盖度小,寄生并致死薇甘菊的能力强,且其他寄主植物种类少,故其在以薇甘菊为种群优势的群落中具有较大的相对密度(0.4843),而相对频度(0.1324)和相对优势度(0.1470)均较小的特征,表明中国菟丝子具有防效高和生态风险小的应用优势。日本菟丝子虽然繁殖速度快、且盖度大,但对薇甘菊的寄生率相对较低,在群落中尽管表现出较高的优势度(0.8864),但相对密度却较小(0.1111),表明其具有生态风险较高的严重缺点。云南菟丝子作为3种寄生植物中唯一的本地物种,具有适应性强和寄主范围广等特点,表现为相对频度(0.3961)较大,相对密度(0.1420)次于中国菟丝子,相对优势度(0.6670)次于日本菟丝子的特点,表明该物种尽管对薇甘菊具有较好控制效果,但可危及的其他植物的种类多且存在较高的扩散风险。因此,应用菟丝子属植物防治薇甘菊,需要选择地域、生境和群落类型,特别需防范其扩散风险。

利用菟丝子植物控制入侵植物薇甘菊具有诸多利弊性,因此如何利用其开展薇甘菊的生物防治还应开展更多的研究工作。基于云南省薇甘菊入侵生境及其被菟丝子侵染的研究结果,笔者认为如未具备消除生态风险的技术措施,需谨慎应用云南菟丝子,特别忌用日本菟丝子。第一,薇甘菊严重发生危害的局部地域可以根据寄主的种类,选择性应用中国菟丝子,同时也有必要采取防范扩散和根除的技术手段;第二,菟丝子也是具有较高药用价值的中药资源,薇甘菊形成单优种群的严重地段,可以发挥菟丝子的经济和生态价值(Satish et al.,2012);第三,文献报道日本菟丝子对薇甘菊具有化感作用,通过提取和应用菟丝子的化感物质开展薇甘菊的防治,有利于消除菟丝子植物野外应用的生态风险(李秋玲等,2008;胡飞等,2005)。总之,在当前尚不具备安全、高效和经济的前提下,建议不要盲目应用菟丝子属植物。

4 结论

综上所述,3种菟丝子属植物控制薇甘菊都具有一定的防治效果,也具有一定的生态风险性。其中,以中国菟丝子的控制效果最好,且生态风险性相对最低;而日本菟丝子控制薇甘菊的效果相对较差,生态风险性较大。不能盲目应用这几种菟丝子控制入侵植物薇甘菊,需根据地域、生境和群落类型发挥菟丝子的经济和生态价值,特别需防范菟丝子对其他寄主植物的寄生危害。安全、高效的菟丝子应用技术的开发有赖于资源利用、化感作用和风险性评估等研究工作的深入开展。

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The Control Effect of Cuscuta on Mikania micrantha and Their Ecological Index in Yunnan

ZHANG Fudou1, YUE Ying2*, SHENG Shicai1, XU Gaofeng1, GUO Jing2, ZHANG Yuhua1
1. Agricultural Environment and Resource Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 2. Yunnan Agricultural Environmental Protection and Monitoring Station, Kunming 650034, China

Cuscuta spp. could parasitize and control Mikania micrantha, which was a concerned and controversial measure in ecology. Cuscuta chinensis Lam, Cuscuta reflexa Roxb and Cuscuta japonica Choisy have found in the invasion area of Mikania micrantha . The control effect of 3 species of Cuscuta on Mikania micrantha and their ecological index in the community were investigated in Yunnan Province. Cuscuta chinensis Lam had better control effect on Mikania micrantha than that of Cuscuta reflexa Roxb and Cuscuta japonica Choisy. The results showed that the mortality rate of Mikania micrantha was 97.9%, 65.3% and 14.1%, respectively after 3 species of Cuscuta parasitized 90 days, and biomass of Mikania micrantha plants in treatments, the control effects was 93.6%, 76.2% and 52.3%, respectively. In the invasion community of Mikania micrantha, the high relative density was Cuscuta chinensis Lam with 0.484 3, the high relative frequency was Cuscuta reflexa Roxb with 0.396 1, and the high relative dominance index was Cuscuta japonica Choisy with 0.886 4. So, the important value of plant was 0.763 8, 1.205 1 and 1.317 1 for three Cuscuta species. Although 3 species of Cuscuta had good effects of control Mikania micrantha, they also had great risks for biology and ecology. In the community of Cuscuta spp. parasitizing, Cuscuta reflexa Roxb with the most types of host plant, it affected 26 species of plant growth. Cuscuta japonica Choisy main harmed 12 kinds of tall shrubs and herbaceous plants. The host biology types species of Cuscuta chinensis Lam were few, just serious suffering 6 species weeds or other invasive plants, so it with relatively high security. The research results were to credible basis for selection habitat of Cuscuta to control Mikania micrantha invasion.

Cuscuta spp.; Mikania micrantha; control effect; ecological index

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.001

Q143; X173

A

1674-5906(2017)03-0365-06

张付斗, 岳英, 申时才, 徐高峰, 郭晋, 张玉华. 2017. 菟丝子属植物在云南对薇甘菊的控制效果及其安全性调查评价[J]. 生态环境学报, 26(3): 365-370.

ZHANG Fudou, YUE Ying, SHENG Shicai, XU Gaofeng, GUO Jing, ZHANG Yuhua. 2017. The control effect of Cuscuta on Mikania micrantha and their ecological index in Yunnan [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 365-370.

云南省学术技术带头人培养项目(2014HB039);农业部昆明作物有害生物科学观测实验站

张付斗(1971年生),男,研究员,主要从事杂草生态控制研究。E-mail: fdzh@vip.sina.com

*并列第一作者与通信作者,岳英(1964年生),女,高级农艺师。E-mail: ynaep@sina.com

2017-02-04

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