综合物理防控技术对盐城大丰港互花米草的控制效果

李飞飞,高珂晓,朱金方,柳晓燕,赵彩云

中国环境科学研究院,环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012

互花米草(Spartinaalterniflora)隶属于禾本科米草属,原产于北美洲与南美洲的大西洋沿岸,现已入侵到世界各地沿海地区[1-2]。1979年,我国从美国北卡罗来纳州、佐治亚州、佛罗里达三地引入该物种[3-4],并于1981年在罗源湾试种成功后推广至我国沿海各省[5]。目前,互花米草分布区域北至河北唐山,南达广西北海,遍布我国沿海海岸,总面积达54579.7 hm2[6]。该外来物种的迅速扩散蔓延,对我国海岸带生态系统和生物多样性保护造成一定威胁[7-8]。2003年,生态环境部将其列入中国第一批外来入侵物种名单中[1]。

1982年起,江苏省在启东、射阳、滨海、灌云、连云港、赣榆等地成功种植互花米草,随后互花米草种群在江苏沿海海岸迅速扩张,形成大片的互花米草盐沼[9]。至今,互花米草在该省分布面积达到18363 hm2[6]。张华兵等[10]通过对盐城滨海湿地生境变化分析,预计至2030年,互花米草沼泽在不受控制的状态下面积百分比将扩张至盐城珍禽保护区核心区的64.06%。互花米草不仅大面积侵占了芦苇、碱蓬、白茅等本地植物物种的生态位[10-11],并且严重影响了鸟类栖息地、鸟类群落格局[12]、麋鹿栖息地、麋鹿取食结构[13]。因此,有效控制互花米草的扩张,并进一步开展防控治理已成为保护江苏省滨海湿地生态系统的关键问题之一。

目前,治理外来入侵植物的方法主要分为化学方法和非化学方法。以喷洒除草剂为主的化学控制对加拿大一枝黄花等外来入侵植物有很好的杀伤效果[14],但对本地物种[15-16]和生态环境都具有一定的负面影响,尤其是在湿地生态系统中,研究者更推荐使用非化学方法[17]。Weidlich等[18]分析了近20年发表的372篇文献,发现非化学方法中使用最多的是刈割和火烧。刈割是欧洲国家治理路边豚草的首选方法[19],也同样是入侵北美的燕麦草(Arrhenatherumelatius)[20]和入侵欧洲的多叶羽扇豆(Lupinuspolyphyllus)[21]的主要治理方法。而火烧多用于控制沙漠、温带针叶林和落叶林以及温带草原中的外来入侵物种[18]。但单纯的刈割和火烧都只能去除入侵植物的地上部分,不能阻止地下部分的再次萌发[22-23]。

常用的互花米草物理防治方法包括刈割、遮荫、水淹等[24- 26],但互花米草具有强大的无性繁殖能力,在地上部分清除或死亡后,地下根茎仍然具有很强的萌发能力[27-28]。Zhao等发现单纯刈割的治理方式无法抑制广西北海互花米草再次萌发,但“刈割+遮荫”处理后的第二个生长季末,互花米草无性繁殖个体或幼苗就已完全消失,能有效治理互花米草[29]。虽然前期研究还探索了“刈割+遮荫”控制方法中遮荫强度和遮荫时长,但这些研究仅监测了遮荫实施期间互花米草的存活状况,对去除遮荫网后互花米草控制效果还未见报道。

因此,为探索有效控制互花米草的技术方法,并能进一步开展实际应用示范,本研究在江苏盐城大丰港实施了“刈割”和“刈割+遮荫”物理防控技术,在不同时期去除遮荫网后定期监测互花米草地上部分和地下根茎的存活状况,分析了不同防控技术和不同遮荫时间长度对样地土壤氮磷含量和底栖动物的影响。以探明不同治理技术对互花米草的实施效果,并探索实现有效控制互花米草所需的最短遮荫时间,为江苏盐城大丰港互花米草的控制筛选最优治理技术方案。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

本研究在江苏省盐城大丰港大坝附近(33.0554°N, 120.8594°E)开展,实验所在区域,互花米草成大面积分布,互花米草种群边缘,生长着少量盐地碱蓬,该区域常有麋鹿和人类活动干扰。

1.2 实验方法

2018年5月,在互花米草斑块的中间位置设置了1个625 m2的样区,将样区内互花米草进行刈割处理,刈割时保证留茬不超过3 cm,在样区内随机布设9个6 m×6 m处理样方(图1),样区周围10 m范围内为不进行任何处理的对照样地。基于前期研究结果,3层遮荫网平均透光率最低,仅有0.31%[30]。因此,本研究每个处理样方采用3层6.2 m×6.2 m大小的遮荫网覆盖,遮荫网拉紧后使用木楔子固定四角及中线(图2)。将6个6 m×6 m样方从中间分割成12个3 m×6 m的处理样方,遮荫持续时长设置为3个月、6个月、9个月、12个月,每种遮荫持续时间设置3个重复,去除遮荫网时间分别为2018年8月(遮荫3个月)、2018年11月(遮荫6个月)、2019年2月(遮荫9个月)、2019年5月(遮荫12个月)。

图1 控制技术样方设置Fig.1 Quadrats of different control technology

图2 刈割+遮荫控制技术实施Fig.2 Mowing+shading control technology

1.3 指标测定

1.3.1互花米草地下、地上部分监测

在去除遮荫网的同时调查相应样方地下根茎存活率,以反映不同控制技术及控制时间长度对地下根茎的影响。在第二个生长季末(2019年11月)再次调查所有处理样方及无处理对照样地地下根茎存活率,以监测去除遮荫网后地下根茎活力是否恢复。采用土钻法挖取刈割+遮荫样方、单纯刈割样方及无处理对照样地中25 cm深的土壤3份(钻头直径3.8 cm,每3钻为一份带土根茎样品),海水冲掉泥沙后,根据根表面和根断面颜色分辨死根茎和活根茎[24, 31],烘干后称量干重,计算地下根茎存活率,根茎存活率计算公式为:

地上部分调查时间为互花米草第二个生长季的生长旺盛期(2019年7月),调查时在刈割+遮荫样方、单纯刈割样方及无处理对照样地互花米草种群中随机设置3个0.5 m×0.5 m的小样方进行调查。统计小样方内互花米草株数,并从每个小样方中随机选取3株个体,测量每株株高和基径,称量10株地上部分鲜重。

1.3.2土壤氮磷含量监测

2019年5月,在每个刈割+遮荫和单纯刈割处理样方内用土钻法采集样地土壤样品3份(钻头直径3.8 cm、长25 cm,每3钻为一份带土根茎样品),另在无处理互花米草种群中采集3份土壤样品作为对照,测定土壤全氮和总磷含量,全氮采用凯氏法测定,总磷采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定。

1.3.3底栖动物监测

2020年7月,在刈割+遮荫处理样方、单纯刈割处理样方以及无处理互花米草种群中心位置随机采集3份样品,采样方法为: 使用钻头直径7 cm的土钻采样,采样深度25 cm,每个采样点采集3钻合为一份样品,采样面积115 cm2。将所采泥样用0.5 mm 孔径的分样筛进行淘洗,获取大型底栖动物样品,并用75%酒精装瓶保存,实验室内分拣、种类鉴定、计数并称量。

1.4 统计分析

为检验不同处理间互花米草各指标的差异,经过方差齐性(Levene′s test) 检验后,采用单因素方差分析(one-way ANOVA) 对样本数据进行分析。方差分析F检验显著(P<0.05) 时,采用Tukey进行多重比较分析。对不同遮荫时长根茎存活率的对比分析采用双因素重复测量方差分析(Two-way repeated-measures ANOVA),数据分析使用SPSS 26进行。

2 结果与分析

2.1 不同控制技术及控制时间长度对地上部分特征的影响

图3 刈割+遮荫控制技术实施3个月后互花米草地上部分 Fig.3 The above-ground parts of S. alterniflora after mowing+shading three months ago

刈割+遮荫3个月起,互花米草地上部分就已全部消失(图3),在第二个生长季生长旺盛期(2019年7月)调查发现,刈割+遮荫样方内的互花米草均未重新长出,而刈割样方内互花米草重新萌发生长。单因素方差分析结果显示刈割+遮荫、单纯刈割以及对照的互花米草地上高度和基径都存在极显著差异(P<0.01),但刈割+遮荫和单纯刈割处理对互花米草密度和地上部分鲜重的影响无明显差异(P>0.05)(图4)。

图4 不同遮荫时间长度对互花米草地上部分的影响Fig.4 The effect of different lengths of shading time after mowing on the growth characteristics of above-ground parts of S. alterniflora不同大写字母代表极显著差异(P<0.01)

2.2 不同控制技术及控制时间长度对地下部分特征的影响

控制处理3个月后,刈割+遮荫和单纯刈割处理地下根茎存活率分别为25.65%和41.84%,低于无处理对照73.70%；控制处理6个月后,两种控制处理地下根茎存活率有所上升,分别为42.25%和59.87%,无处理对照的根茎存活率反而有所下降,为64.33%；控制处理9个月后,单纯刈割处理的根茎存活率为64.42%,非常接近无处理对照的根茎存活率68.24%,刈割+遮荫处理的根茎存活率也有所上升,但仍然是最低的,为57.54%；控制处理一年后,单纯刈割处理的根茎存活率下降较多,与刈割+遮荫处理几乎相同,分别为45.98%和44.37%,无处理对照为58.99%(图5)。重复测量方差分析结果表明,控制时间长度对地下根茎存活率没有显著影响(P>0.05),但控制技术对地下根茎存活率具有显著影响(P<0.05),控制技术和控制时间长度的交叉影响不显著(P>0.05)(表1)。

表1 不同控制技术和不同时间及其交互作用对互花米草根茎存活率影响的双因素方差分析表

图5 不同控制技术在不同时间段地下根茎的存活率 Fig.5 Rhizome survival rate of S. alterniflora in different control technologies at different time

在第二个生长季末,无处理对照样方地下根茎平均存活率为59.74%,单纯刈割样方平均存活率为30.19%,刈割+遮荫样方存活率在31.18%—38.62%之间。与无处理对照相比,刈割+遮荫和单纯刈割技术对互花米草地下根茎均具有显著影响(P<0.05),但两种控制方式以及不同遮荫持续时间对互花米草地下根茎的影响无显著差异(P>0.05)(图6)。

图6 不同遮荫时间长度对互花米草根茎存活率的影响 Fig.6 The effect of different lengths of shading time after mowing on rhizome survival rate of S. alterniflora不同小写字母代表显著差异(P<0.05)

2.3 不同控制技术对土壤氮磷的影响

通过对比刈割+遮荫不同时间长度、单纯刈割以及无处理对照的土壤全氮和总磷含量发现,经过一年的治理,未见对土壤氮磷的影响,所有处理和对照全氮和总磷均无明显差异(图7)。

2.4 不同控制技术对底栖动物的影响

2020年7月在刈割+遮荫、单纯刈割控制技术以及无处理对照的样方中共采集到三种底栖动物,分别是腹足纲(Gastropoda)汇螺科(Potamididae)的珠带拟蟹守螺(Cerithideopsillacingulata)和拟沼螺科(Assimineidae)的绯拟沼螺(Assiminealatericea),以及双壳纲(Bivalvia)绿螂科(Glaucomyidae)的中国绿螂(Glaucomyachinensis)。不同控制技术和无处理对照样方中均有这三种底栖动物,基于方差分析结果表明,两种控制技术和无处理对照中底栖动物密度无显著差异(图8)；刈割+遮荫控制技术实施后底栖动物生物量显著高于无处理对照(P<0.05),单纯刈割控制技术实施后底栖动物生物量与刈割+遮荫控制技术和无处理对照均无显著差异(图8)。

3 讨论

在互花米草的防控治理中,综合防控技术比单一技术能够取得更好的控制效果[32]。本研究对比了刈割+遮荫和单纯刈割两种控制技术对江苏盐城大丰港互花米草种群的防治效果,监测了不同控制技术和控制时间长度对互花米草地上和地下部分、土壤理化性质以及底栖动物的影响。

研究表明,在该区域实施刈割+遮荫控制技术后对互花米草地上部分具有迅速有效的控制效果,遮荫3个月互花米草地上部分已全部清除。这与前期研究结果一致,赵相健等对广西北海互花米草实施刈割+遮荫防控技术,2个月后地上部分已全部消失[30]。但张丽平等在福建省霞浦县实施刈割+遮荫处理发现,如果不贴地覆盖,给互花米草较大的生存空间,即便遮荫强度很高,在3个月后也无法彻底清除互花米草地上部分[33]。Zhao等发现,在5月和7月实施刈割+遮荫防控技术比在8月和10月实施效果好[29]。因此,刈割时间和遮荫方式的不同,控制效果也会有所差异。本研究所设置的刈割时间为5月,采用3层遮荫网贴地覆盖遮荫,互花米草生存空间小,有效降低了互花米草可溶性糖和可溶性蛋白含量,从而降低互花米草光合作用效率,抑制地上部分生长[33-34]。

防控技术实施后,入侵物种是否再次萌发或二次入侵是评估该防控技术成效的关键,前期研究均没有进一步监测去除遮荫网后互花米草生长状况。本研究设置了不同遮荫持续时间,并在完成后去除遮荫网,结果发现,所有刈割+遮荫样方内的互花米草地上部分一直没有恢复,直至第二个生长季也未长出,而单纯刈割控制效果不佳,在第二个生长季内地上部分重新萌发生长。

图7 不同遮荫时间长度对土壤理化性质的影响Fig.7 The effect of different lengths of shading time after mowing on soil total nitrogen and total phosphorus

图8 不同控制技术对底栖动物总栖息密度和生物量的影响Fig.8 Density and biomass of macrobenthos in different control technologies不同小写字母代表显著差异(P<0.05)

此外,刈割+遮荫和单纯刈割对互花米草地下根茎的影响要显著高于无处理对照,但不同遮荫持续时间和是否遮荫对互花米草地下根茎的影响差异不大。刈割+遮荫和单纯刈割两种控制技术在不同时间段对地下根茎的影响表现为地下根茎存活率先急剧降低,随后逐渐升高又下降的过程。推测这是由于互花米草生长期过后营养物质逐渐向下转移到根茎,到了萌发期根茎活力升高,至第二个生长季末,所有样方已去除遮荫网6至15个月,互花米草地上部分仍没有重新萌发,失去了原有地上部分光合作用所提供的物质和能量,同时地下部分的物质和能量储备较小,地下根茎开始逐渐死亡。本研究中地下根茎存活率要高于赵相健等[30]对广西北海互花米草种群实施刈割+遮荫后的根茎存活率,推测这是由于分布于我国中部地区的互花米草较广西北海的更高大,且基径更粗[1],地下根茎生长活力可能更高。

本研究发现,经过刈割+遮荫控制技术的实施,在去除遮荫网后,底栖动物生物量显著增加。单纯刈割技术虽也增加了底栖动物生物量,但效果并不显著。对比前期研究发现,在不同区域内,互花米草入侵对底栖动物的影响有所不同。赵彩云等[35]发现互花米草的入侵增加了大型底栖动物的物种数、生物量和总栖息密度。而仇乐等[36]发现随着互花米草入侵江苏射阳河口的时间增加,底栖动物的数量和多样性下降。但两种控制技术短期内对土壤氮磷含量影响并不明显。

互花米草遍布我国沿海海岸,但由于我国海岸线较长,气候环境因子差异很大,针对地理位置不同的互花米草种群进行治理,应当综合考虑治理成本、治理时间及治理效果,从而筛选最佳控制治理技术,采取因地制宜的控制管理办法。例如,在广东、广西以及福建沿海滩涂红树林分布区,可采用种植红树植物生物替代互花米草的方法治理[37- 39]。但由于江苏盐城滨海湿地不在红树林自然分布区,这种方法并不适用。本研究在江苏盐城大丰港实施控制技术后发现,刈割+遮荫技术比单纯刈割对当地互花米草治理更为彻底,刈割+遮荫防控技术实施3个月后便可以去除遮荫网,从达到高效治理互花米草、自然恢复本土动植物的目的。