入侵植物鬼针草和鳢肠的化感作用及其入侵性研究

2020-01-08史生晶王桔红陈文陈学林

生态环境学报 2019年12期

史生晶，王桔红，陈文，陈学林*

1. 西北师范大学生命科学学院，甘肃兰州 730070；2. 韩山师范学院食品工程与生物科技学院，广东潮州 521041；3. 韩山师范学院地理与旅游管理学院，广东潮州 521041

中国东南部亚热带地区有260多种外来入侵植物，严重威胁着当地生态系统及物种多样性（闫小玲等，2014），外来植物入侵机制及防控的研究成为入侵生态学的核心问题（Alpert et al.，2000）。国内外众多学者从物种生物学特性以及生态系统可入侵性等多个角度尝试解释外来生物成功入侵的原因，并提出了多样性阻抗、天敌逃避、生态位机遇、化感作用（Novel Weapons）等假说（Callaway et al.，2000；Wolfe，2002；吴锦容等，2005）。化感作用是指植物通过茎叶淋溶和挥发、根系分泌以及残体分解等途径向外界环境释放的次生代谢物质对自身或周围植物产生排斥或促进的作用（仝川等，2017），是植物在长期进化过程中形成的一种适应性机制（周凯等，2018）。化感作用包括种间他感作用和种内自感作用（拱健婷等，2015），它不仅能促进种间竞争，而且对植物种间互作和群落物种的分布格局产生重要影响（平晓燕等，2018）。目前，国内学者对入侵植物化感作用的研究主要集中在他感作用，发现假苍耳Iva xanthiifolia（姚树宽等，2018）、泽漆Euphorbia helioscopia（王宁等，2015）、中间锦鸡儿Caragana intermedia（刘学东等，2016）、紫茎泽兰Eupatorium adenophorum（袁驰等，2018）、银胶菊Parthenium hysterophorus（潘玉梅等，2008）、鬼针草Bidens pilosa（毛丹鹃等，2010）等入侵植物水浸提液对受体植物的种子萌发和幼苗生长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农作物如谷子 Setaria italica（王园园等，2019）、胡麻Linum usitatissimum（王立光等，2019）、白术Atractylodes macrocephala（王红佳等，2018）等，发现植物根、茎、叶水浸提液对自身种子萌发和幼苗生长有显著抑制作用，进而引起连作障碍。近年来，随着化感作用研究的不断深入，发现入侵植物不仅能改变土壤微生物群落结构和土壤酶活性等（邰凤姣等，2016），而且能导致植物细胞膜损伤（田学军等，2015）、抑制本地植物的光合速率和造成生物量显著降低（万宁佳等，2018）。那么，强入侵植物鬼针草和弱入侵植物鳢肠他感和自感作用如何？其生态学意义是什么？目前，关于强入侵植物与弱入侵植物他感和自感作用的比较研究相对较少。

鬼针草属于菊科（Asteraceae）鬼针草属（Bidens）一年生草本植物，原产于热带美洲（陶宏征等，2015），是中国Ⅰ级入侵植物（马金双，2013），广泛分布于中国华中、华南、华东、西南等地（邓玲姣等，2012）。由于其具有自交亲和、高结实率、高萌发率等特点，不仅能快速定殖（郝建华等，2009），而且具有较强表型可塑性和适应性（王桔红等，2014），能迅速扩张栖息地，对周边环境及生物多样性造成严重影响，成为一种恶性杂草。鳢肠（Eclipta prostrata）属于菊科（Asteraceae）鳢肠属（Eclipta）一年生草本植物（邵世光等，2011），原产于美洲，是中国Ⅳ级入侵植物（马金双，2013），生长在华南亚热带的田边、杂草地及林下，常与鬼针草伴生。本研究以入侵植物鬼针草和鳢肠为研究对象，探查这2种植物的化感作用及其化感强度，从化感作用的角度揭示外来植物的入侵机制，为植物入侵的监测和防控提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地位于广东省潮州市市郊（116°42''E，23°39''N），该地属于亚热带海洋性季风气候，气候温和，日照充足，雨量充沛，年均降水量1300—2400 mm，年均气温 21—22 ℃，日照 1900—2400 h，≥10 ℃的积温达 7300—7890 ℃，极端最高气温39.6 ℃，极端最低气温-0.5 ℃（陈文等，2015）。

1.2 试验材料

入侵植物鬼针草和鳢肠相互作为供体和受体植物，于 2017年秋季在广东省潮州市市郊选择成熟的鬼针草和鳢肠植株各 30株，挖取全株至实验室备用。同时，采集两种植物成熟的种子，自然风干、备用。

1.3 研究方法

1.3.1 鬼针草和鳢肠不同器官水提液的制备

将采集的鬼针草和鳢肠全株用流水冲洗 2 h，蒸馏水冲洗3次，放在滤纸上吸干水分，分离根、茎、叶后，用剪刀剪成约2 cm的小段，各称取根、茎、叶干物质40 g，加入500 mL蒸馏水，常温下浸泡48 h，将水提液用双层纱布过滤，得到母液（即水提液为0.08 g·mL-1）；再将其配制为0.02、0.04、0.06 g·mL-13个质量浓度的水提液，装入锥形瓶中，置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.3.2 萌发试验

2种植物的种子用蒸馏水冲洗3次后，置于铺有两层定性滤纸的培养皿中（直径9 cm），每个培养皿30粒，4次重复；向培养皿中分别加入0、0.02、0.04、0.06、0.08 g·mL-1鬼针草/鳢肠各器官（根、茎、叶）水提液10 mL，在25 ℃、12 h光照/12 h黑暗下培养至7 d（种子不再萌发）。期间每24小时观察记录种子萌发数，以胚根突破种皮1—2 mm为萌发基准（姚树宽等，2018），每2天补加适量的水提液，使滤纸保持湿润。

1.3.3 幼苗生长

在同样条件下继续培养已萌发的种子，每天定时观察幼苗生长状况，培养至第 12天，测量所有幼苗的株高（H）、根长（LR）和茎长（LS）。

1.4 数据统计

种子萌发率Rgermination=n/N×100%，n为第7天正常发芽种子数，N为供试种子数。根冠比Rroot-shoot=LR/LS。根据 Williamson et al.（1988）提出的能够反映化感作用强度的化感效应指数 RI，即RI=1-C/T（T≥C），C（对照平均值），T（处理平均值），RI绝对值代表化感强度的大小，RI＞0表示促进作用，RI＜0表示抑制作用，定义对照的 RI为0。

运用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，SPSS Statistics 19.0软件进行单因素方差分析（Compare Means），Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 鬼针草不同器官水提液对自身和鳢肠种子萌发的影响

不同质量浓度的鬼针草根、茎、叶水提液对自身和鳢肠种子萌发均具有极显著影响（P＜0.01），其萌发率随各器官水提液质量浓度的升高而降低。当鬼针草根、茎、叶水提液质量浓度达到 0.08 g·mL-1时，自身种子萌发率由72%（对照）分别降低至 22.22%、16.6%和 11.1%，下降了 69.14%、76.94%和84.58%；当质量浓度升高至0.08 g·mL-1时，鬼针草根水提液处理的鳢肠种子萌发率由36%（对照）降低至6.67%，下降了81.47%，茎和叶水提液完全抑制鳢肠种子萌发。在同质量浓度下，鬼针草不同器官（根、茎、叶）水提液对自身和鳢肠种子萌发的影响均有显著差异（P＜0.01），化感强度为叶＞茎＞根（图1和图2）。

2.2 鳢肠不同器官水提液对自身和鬼针草种子萌发的影响

图1 鬼针草不同器官水提液对自身种子萌发的影响Fig. 1 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own seed germination

图2 鬼针草不同器官水提液对鳢肠种子萌发的影响Fig. 2 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on seed germination of Eclipta prostrata

不同质量浓度的鳢肠根、茎、叶水提液对自身和鬼针草种子萌发具有显著影响（P＜0.05），萌发率随水提液质量浓度的升高而下降。根、茎、叶水提液质量浓度达到0.08 g·mL-1时，鳢肠种子萌发率由36.67%（对照）分别下降至15.56%、14.44%和10%，下降了 57.57%、60.62%和 72.73%；鬼针草种子萌发率由71.11%（对照）分别下降至34.44%、31.11%和 26.67%，下降了 51.57%、56.25%和62.49%。同一质量浓度下，鳢肠根、茎、叶水提液对自身和鬼针草种子萌发率无显著影响（P＞0.05）（图3和图4）。

2.3 鬼针草不同器官水提液对自身和鳢肠幼苗株高的影响

图3 鳢肠不同器官水提液对自身种子萌发的影响Fig. 3 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own seed germination

图4 鳢肠不同器官水提液对鬼针草种子萌发的影响Fig. 4 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on seed germination of Bidens pilosa

不同质量浓度的鬼针草根、茎、叶水提液对其株高具有不同程度的影响，株高随根、茎、叶水提液质量浓度升高呈先上升后下降的趋势，当质量浓度达到0.06 g·mL-1时，，根和茎水提液显著促进其株高生长，株高由3.01 cm（对照）分别升高至6.40 cm和6.95 cm，升高了52.97%和56.69%。同一质量浓度下，鬼针草根、茎、叶水提液对自身株高具有不同的影响，0.06—0.08 g·mL-1根和茎水提液对株高的促进作用显著大于叶水提液（图 5）。不同质量浓度的鬼针草根、茎、叶水提液对鳢肠株高具有“低促高抑”的作用，在质量浓度为0.02 g·mL-1时，株高由1.29 cm（对照）分别升高至2、1.77和2.1 cm，分别升高了35.5%、27.12%和38.57%；在质量浓度为 0.06—0.08 g·mL-1时（除 0.06 g·mL-1茎水提液外），株高降低至0—0.3 cm。质量浓度为 0.02—0.04 g·mL-1的鬼针草根、茎、叶水提液对鳢肠株高的无显著影响（P＞0.05）；质量浓度为0.06—0.08 g·mL-1的叶水提液对株高的抑制强度大于根和茎水提液（图6）。

图5 鬼针草不同器官水提液对自身株高的影响Fig. 5 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own plant height

图6 鬼针草不同器官水提液对鳢肠株高的影响Fig. 6 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on plant height of Eclipta prostrata

2.4 鳢肠不同器官水提液对自身和鬼针草幼苗株高的影响

不同质量浓度的鳢肠根、茎、叶水提液对自身幼苗株高具有极显著影响（P＜0.01），其株高随根和茎水提液质量浓度的升高呈不同的变化趋势，随叶水提液质量浓度的升高而降低，当质量浓度达到0.08 g·mL-1时，根、茎、叶水提液处理的株高由1.28 cm（对照）分别降低至0.59、0.61和0.45 cm，降低了53.91%、52.34%和64.84%；同一质量浓度下，鳢肠各器官水提液对自身株高具有不同的影响（图7）。不同质量浓度的鳢肠根、茎、叶水提液均能促进鬼针草株高的生长，根和茎水提液质量浓度达到0.08 g·mL-1时，株高由3.01 cm（对照）分别升高至4.48 cm和4.88 cm，升高了32.81%和38.32%；水提液质量浓度为0.02 g·mL-1时，对株高的促进作用为茎=叶＞根；水提液质量浓度为0.08 g·mL-1时，对株高的促进作用为根=茎＞叶（图8）。

图7 鳢肠不同器官水提液对自身株高的影响Fig. 7 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own plant height

图8 鳢肠不同器官水提液对鬼针草株高的影响Fig. 8 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on plant height of Bidens pilosa

2.5 鬼针草不同器官水提液对自身和鳢肠根冠比的影响

不同质量浓度的鬼针草根、茎、叶水提液对自身和鳢肠根冠比具有极显著影响（P＜0.01），根冠比随各器官水提液质量浓度的升高而降低。鬼针草根、茎、叶水提液质量浓度达到0.08 g·mL-1时，其根冠比由1.73分别下降至0.61、0.52和0.27，下降了64.74%、69.94%和84.39%；当质量浓度为0.08 g·mL-1时，根水提液处理下的鳢肠根冠比由1.78降低至0.7，降低了60.67%，而茎和叶水提液完全抑制鳢肠根冠比。质量浓度为0.02—0.04 g·mL-1的鬼针草茎和叶水提液对自身根冠比的抑制强度大于根水提液；质量浓度为0.06—0.08 g·mL-1的鬼针草根、茎、叶器官水提液对自身根冠比的抑制强度为叶＞根=茎，对鳢肠根冠比的抑制强度为叶＞茎＞根（图9和图10）。

2.6 鳢肠不同器官水提液对自身和鬼针草根冠比的影响

不同质量浓度的鳢肠根、茎、叶水提液对自身和鬼针草根冠比具有极显著的影响（P＜0.01）。鳢肠根、茎、叶水提液质量浓度达到0.08 g·mL-1时，自身根冠比由1.66分别下降至0.74、0.87和0.73，下降了55.42%、47.59%和56.02%，鬼针草根冠比由 1.73分别降低至 0.81、0.69和 0.65，下降了53.18%、60.12%和 62.43%。相同质量浓度下，鳢肠根、茎、叶水提液质量浓度在0.04—0.08 g·mL-1时对自身根冠比无显著影响（P＞0.05）；鳢肠不同器官水提液对鬼针草根冠比的抑制强度为叶＞茎＞根（图11和图12）。

图9 鬼针草不同器官水提液对自身根冠比的影响Fig. 9 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on its own root-shoot ratio

图10 鬼针草不同器官水提液对鳢肠根冠比的影响Fig. 10 Effects of different organ aqueous extracts of Bidens pilosa on root-shoot ratio of Eclipta prostrata

2.7 鬼针草和鳢肠化感强度

图11 鳢肠不同器官水提液对自身根冠比的影响Fig. 11 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on its own root-shoot ratio

图12 鳢肠不同器官水提液对鬼针草根冠比的影响Fig. 12 Effects of different organ aqueous extracts of Eclipta prostrata on root-shoot ratio of Bidens pilosa

鬼针草和鳢肠通过他感和自感作用对种子萌发具有化感抑制作用（RI＜0），且随水提液质量浓度升高其抑制效应增大。根据 RI均值可得，鬼针草根、茎、叶水提液对鳢肠种子萌发的化感强度（RI根=-1.84，RI茎=-4.88，RI叶=-4.95）大于鳢肠各器官水提液对鬼针草种子萌发的化感强度（RI根=-0.58，RI茎=-0.73，RI叶=-0.92），也大于鬼针草对自身种子萌发的化感强度（RI根=-1.26，RI茎=-1.88，RI叶=-3.13）；鳢肠根、茎、叶水提液对自身种子萌发的化感强度（RI根=-0.65，RI茎=-0.8，RI叶=-1.24）大于对鬼针草种子萌发的化感强度（表1）。

低质量浓度（0.02—0.04 g·mL-1）的鬼针草根、茎、叶水提液可促进鳢肠株高生长（RI＞0），高质量浓度（0.06—0.08 g·mL-1）下抑制株高生长（RI＜0）；鬼针草各浓度的根和茎水提液对自身株高具有化感促进作用（RI＞0），叶水提液在低质量浓度（0.02—0.04 g·mL-1）下促进株高生长，高质量浓度（0.06—0.08 g·mL-1）下抑制株高生长；鳢肠各质量浓度根、茎、叶水提液对鬼针草株高具有化感促进作用（RI＞0），其促进作用随水提液质量浓度升高而增大；不同质量浓度的鳢肠根、茎、叶水提液对自身株高均具有化感抑制作用（RI＜0）。由RI均值可知，鬼针草根和叶水提液对鳢肠株高的化感强度（RI根=-2.30，RI叶=0.35）大于鳢肠根和叶水提液对鬼针草株高的化感强度（RI根=0.18，RI叶=0.21），也大于鬼针草对自身株高的化感强度（RI根=0.36，RI叶=-0.1），茎水提液则反之；鳢肠根、茎、叶水提液对自身株高的化感强度（RI根=-0.53，RI茎=-0.47，RI叶=-0.89）大于对鬼针草株高的化感强度（RI根=0.18，RI茎=0.29，RI叶=0.21）（表 1）。

鬼针草和鳢肠他感和自感作用对根冠比均具有化感抑制作用（RI＜0）。根据 RI均值可知，鬼针草茎和叶水提液对鳢肠根冠比化感强度（RI茎=-3.11，RI叶=-3.15）大于鳢肠的他感强度（RI茎=-1.23，RI叶=-1.44），根水提液则反之；鬼针草根、茎、叶水提液对鳢肠根冠比化感强度（RI根=-1.63，RI茎=-3.11，RI叶=-3.15）大于鬼针草自感强度（RI根=-1.37，RI茎=-1.85，RI叶=-3.01）；鳢肠根、茎、叶水提液对鬼针草根冠比化感强度（RI根=-1.82，RI茎=-1.23，RI叶=-1.44）大于鳢肠自感强度（RI根=-1.02，RI茎=-1.06，RI叶=-0.95）（表 1）。

表1 鬼针草和鳢肠他感和自感对种子萌发、株高和根冠比化感强度Table 1 Allelopathic and autotoxic effects of Bidens pilosa and Eclipta prostrata on seed germination, plant height and root-shoot specific allelopathic intensity

3 讨论

化感作用是植物长期适应环境所形成的有利于物种生存与繁衍的一种特殊机制（张亚琴等，2018）。已有研究表明，植物化感作用主要通过影响受体植物的种子萌发、株高、根长、生物量以及光合速率来体现（李富荣等，2011）。本研究显示，鬼针草根、茎、叶水提液对自身和鳢肠种子的萌发率均有显著抑制作用，他感和自感强度表现为叶＞茎＞根，说明鬼针草可通过茎叶挥发以及根系分泌的化感物质抑制鳢肠的种子萌发，以获得更多的环境资源；同时，鬼针草又通过自感作用，抑制种内其他个体生长，减少同胞竞争、增大适合度。另一方面，鳢肠根、茎、叶水提液使自身和鬼针草种子萌发率下降，说明长期协同进化过程中，其不仅对种内个体产生化感作用，并且对其他外来物种也具有一定的排斥性，该结果与梁笑婷等（2018）研究青葙Celosia argentea叶浸提液抑制三叶鬼针草种子萌发率一致。研究还发现，鬼针草根、茎、叶水提液对鳢肠种子萌发率的化感强度大于鳢肠的他感强度，也大于鬼针草自感强度。而鳢肠各器官水提液对鬼针草种子萌发的化感强度小于鳢肠自感强度，充分显示了外来植物鬼针草能够通过化感作用抑制鳢肠种子萌发，增大竞争和入侵性。

种子萌发是联结种子和幼苗的关键环节（陈锋等，2017），而幼苗生长又直接影响着个体对环境资源的竞争力，进一步影响着未来生活史对策和物种的适合度。本研究显示，不仅鬼针草根和茎水提液能够促进自身幼苗株高的生长，叶水提液对株高具有“低促高抑”的效应，而且鳢肠各器官水提液对鬼针草株高也具有显著促进作用，使鬼针草幼苗通过快速生长获取更多的光、水等环境资源，增大竞争性。同时，鬼针草各器官水提液对鳢肠幼苗株高具有“低促高抑”作用，说明鬼针草能够通过抑制鳢肠幼苗生长以增大自身的入侵性（杜凤移等，2007）。化感强度比较显示，鬼针草根和叶水提液对鳢肠株高的化感强度大于鳢肠他感强度，也大于鬼针草自感强度；鬼针草茎和叶水提液对鳢肠根冠比的化感强度大于鳢肠的他感强度，大于其自感强度，进一步说明鬼针草可通过茎叶挥发或淋溶以及根系分泌化感物质抑制鳢肠的生长，增强入侵性；同时，鳢肠不同器官水提液对自身株高化感强度大于其他感强度，显示鳢肠根、茎、叶分泌和挥发的化感物质对鬼针草株高抑制作用较弱。