4种菊科入侵植物对莴苣种子萌发和幼苗生长的单一与复合化感作用

朱马位, 魏雨清, 黄延康, 徐仲毅, 李 闯, 李 玥, 许哲伦, 仲珊珊, 杜道林, 王从彦

(江苏大学环境与安全工程学院,江苏镇江 212013)

截至2014年,我国已分布的入侵植物共计515种,其中江苏已高达230种,且在我国已分布的入侵植物中隶属于菊科的入侵植物种类数量最多,菊科入侵植物种类数量为92种,占我国已分布的入侵植物种类数量的17.86%[1-2]。国家生态环境部2020年发布的《2019中国生态环境状况公报》显示,我国已分布的入侵物种共计660多种,其中71种对环境健康与生态安全已造成或具有潜在威胁,而被列入了《中国外来入侵物种名单》,且在4批《中国外来入侵物种名单》(入侵植物种类数量为40种)中隶属于菊科的入侵植物种类数量最多,为17种,占42.5%。因此,入侵植物,特别是菊科入侵植物的生物安全问题已成为全球性的重大生态环境问题之一。而阐明入侵植物成功入侵的关键机制,已成为当前入侵生态学领域备受关注的重大前沿科学问题之一。化感作用对大部分入侵植物的成功入侵进程至关重要,且基于入侵植物对其临近植物的化感作用,生态学家提出了新武器假说(novel weapon hypothesis)[3-4]。更为关键的是,化感作用在入侵植物中广泛存在,其中在科分类级别,调查的113个科中,72%的科的入侵植物均存在明显的化感作用[5]。同一生境可能遭受到2种甚至多种入侵植物的共同入侵,特别是一种入侵植物成功入侵后,可能通过改变环境条件等途径,增大其他入侵植物成功入侵的概率,导致2种或多种入侵植物共同入侵(别称入侵塌陷,或次生入侵,亦或入侵漩涡)[6-7]。而入侵植物的共同入侵可能对环境健康与生态安全造成新的、更严重的威胁。因此,阐明入侵植物共同入侵的关键机制,特别是化感作用及其关键机制至关重要。已有研究已在很大程度上揭示并阐明了入侵植物的化感作用及其关键驱动机制,但大多局限于单一种类的入侵植物对临近植物的化感作用,而多种入侵植物对临近植物种子萌发及幼苗生长的复合化感作用及其关键机制,仍需进一步解析和深入阐明。基于上述,本研究通过室内培养法分析加拿大一枝黄花(SolidagocanadensisL.)、小飞蓬[Erigeroncanadensis(L.) Cronq.]、鬼针草(BidenspilosaL.)和钻叶紫菀[Symphyotrichumsubulatum(Michx.) G. L. Nesom]4种菊科入侵植物的单一和混合化感溶液对莴苣(LactucasativaL.)种子萌发和幼苗生长的影响,旨在阐明上述4种菊科入侵植物对莴苣种子萌发和幼苗生长的单一与复合化感作用及其驱动机制。研究结果可为进一步阐明入侵植物成功入侵的关键机制及其预警防控管理奠定强有力的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 入侵植物的选择

在本研究中,入侵植物选择加拿大一枝黄花、小飞蓬、鬼针草和钻叶紫菀。原因如下:一是4种入侵植物均隶属于菊科,以尽量减少入侵植物亲缘关系所致的差异,且在物种组成方面,我国已分布的入侵植物和江苏南部地区(特别是镇江市)已分布的入侵植物隶属于菊科的种类数量最多[1-2]。近年来,笔者在野外生态调查中发现,在苏南地区(特别是镇江市)常常可以形成大范围单优群落的入侵植物,主要以菊科入侵植物为主,且包括这4种入侵植物。二是4种入侵植物均原产于北美洲,以尽量减少入侵植物地理起源所致的差异,且我国已分布的入侵植物和苏南地区(特别是镇江市)已分布的入侵植物原产于北美洲的种类数量最多[1-2]。三是4种入侵植物均具有类似的生境(均以农田、林地、荒地、道路两侧等生境为主)、生活型(均为草本,且株高基本处于同一水平)和生长周期[在苏南地区(特别是镇江市),生长期主要为3—10月,其中生长旺盛期为5—8月]。四是4种入侵植物均已在我国造成了显著的生态影响,并均已被国家生态环境部列入了《中国外来入侵物种名单》。五是4种入侵植物在江苏南部地区(特别是镇江市)常常可以形成共同入侵,包括2、3、4种入侵植物共同入侵。

1.2 受试植物的选择

本研究选择莴苣作为种子萌发和幼苗生长的受试植物。理由如下:第一,莴苣与上述4种入侵植物均隶属于菊科。第二,莴苣的种子萌发速度快且比较均一,其指标也相对容易测定。第三,莴苣的种子萌发和幼苗生长对外界胁迫(含入侵植物的化感作用)非常敏感。第四,在江苏南部地区(特别是镇江市)的莴苣种植区,被上述4种入侵植物成功入侵的情况比较严重。

1.3 试验方法与步骤

1.3.1 化感溶液配制 在野外(地点:镇江市京口区横山凹;32.15～32.16°N,119.52～119.53°E)采集上述4种入侵植物成熟且完整的叶片。每种入侵植物的叶片至少选择3个群落采集,且每种入侵植物的群落间距至少100 m。每种入侵植物的叶片带回实验室,用毛刷等工具将附着在叶面的杂物或异物清理干净,然后室温下自然风干。每种入侵植物分别称取5份20 g风干的叶片,粉碎并分别浸入5个烧瓶中,每个烧瓶用无菌去离子水定容至1 L,浸提60 h后,用双层纱布过滤将杂质过滤掉,获得4种入侵植物的单一化感溶液(共4种类型),且每种入侵植物的单一化感溶液体积约4.8 L,浓度均为20 g/L(模拟入侵植物单一入侵状态)[8-9]。分别取300 mL 2种入侵植物的单一化感溶液,充分振荡混匀,得到2种入侵植物等比例混合的化感溶液(包括加拿大一枝黄花和小飞蓬等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黄花和鬼针草等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黄花和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液,小飞蓬和鬼针草等比例混合的化感溶液,小飞蓬和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液以及鬼针草和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液,共6种类型),浓度均为 20 g/L(模拟2种入侵植物共同入侵状态);分别取200 mL 3种入侵植物的单一化感溶液,充分振荡混匀,得到3种入侵植物等比例混合的化感溶液(包括加拿大一枝黄花、小飞蓬和鬼针草等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黄花、小飞蓬和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液,加拿大一枝黄花、鬼针草和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液以及小飞蓬、鬼针草和钻叶紫菀等比例混合的化感溶液,共4种类型),浓度均为20 g/L(模拟3种入侵植物共同入侵状态);分别取150 mL 4种入侵植物的单一化感溶液(共1种类型),充分振荡混匀,得到4种入侵植物等比例混合的化感溶液,浓度为20 g/L(模拟4种入侵植物共同入侵状态)。用无菌去离子水作为对照处理,模拟入侵植物未入侵状态[8-9]。化感溶液和无菌去离子水 4 ℃ 冷藏保存(不超过1周)。

1.3.2 莴苣种子的处理与培养 将购买的大小均匀的莴苣种子用1% NaClO溶液进行消毒约 15 min,用无菌去离子水清洗,并将消毒后的莴苣种子放入铺有2层滤纸的培养皿(口径为9 cm)中(每皿30粒种子),每个处理4次重复。然后,每个培养皿中加入1 mL无菌去离子水或加入1 mL化感溶液(包括4种入侵植物的单一和混合化感溶液)。将培养皿移至恒温培养箱培养,温度设定为25 °C,每天光照时间设定为12 h,光照度设定为2 200 lx。培育后每天统计发芽种子数,当胚根凸显时确认种子发芽。记录每天种子的出芽数量和幼苗生长情况[8-10]。

1.3.3 莴苣种子萌发和幼苗生长指标的测定 培养8 d后,每个培养皿随机选择长势良好、性状明显以及形状相似的10株莴苣幼苗(即每个处理共测定40株莴苣幼苗),且同一天完成莴苣种子萌发和幼苗生长指标的测定。

1.4 莴苣种子萌发和幼苗生长指标测定方法

发芽率为已萌发莴苣种子的数量与测试莴苣种子总数量的比值,指示莴苣种子的萌发能力[11-12]。

发芽势为第3天(发芽高峰期)已萌发莴苣种子的数量与测试莴苣种子总数量的比值,指示莴苣种子的萌发均匀性[11-12]。

发芽指数(指示莴苣种子的萌发速度)的计算公式:发芽指数=∑(Gi/i)。其中:Gi为已萌发种子的数量;i为培养时间[13-14]。

发芽活力指数(指示莴苣种子的萌发活力)为发芽指数与幼苗鲜重的乘积[14-15]。

发芽速度指数(指示莴苣种子的萌发速度)为发芽指数与发芽率的乘积[16-17]。

发芽快速响应指数(指示莴苣种子的萌发响应速度)的计算公式[18-20]:发芽快速响应指数=nd2+0.75×nd4+0.5×nd6+0.25×nd8。其中:nd2、nd4、nd6和nd8分别为第2天、第4天、第6天、第8天的种子发芽数量。

胚芽长(指示莴苣幼苗对阳光获取的竞争能力)、胚根长(指示莴苣幼苗对土壤水分和盐分获取的竞争能力)、叶长和叶宽(指示莴苣幼苗叶片光合面积的大小)采用具有0.1 cm精度的直尺直接测定[11-12]。

绿色叶面积(指示莴苣幼苗叶片光合面积的大小)为叶长和叶宽乘积的0.75倍[25-26]。

幼苗生物量(包括鲜重和干重,指示莴苣幼苗的生长竞争力)采用具有0.001 g精度的电子天平称重测定[11-12]。

在本研究中,4种类型的单一化感溶液处理下相关指标取其平均值表示4种入侵植物的单一化感溶液处理数值,6种类型的2种入侵植物等比例混合的化感溶液处理下相关指标取其平均值表示2种入侵植物等比例混合的化感溶液处理数值,4种类型的3种入侵植物等比例混合的化感溶液处理下相关指标取其平均值表示3种入侵植物等比例混合的化感溶液处理数值,4种入侵植物等比例混合的化感溶液处理下相关指标取其平均值表示4种入侵植物等比例混合的化感溶液处理数值,以尽可能降低种类特异性导致的差异。

1.5 数据分析

通过单因素方差分析比较不同处理间莴苣种子萌发和幼苗生长指标的差异水平,并通过S-N-K检验进行多重比较。通过相关性分析来分析莴苣幼苗生长指标与入侵植物种类数量的相关性。差异显著水平α取0.05、0.000 1。数据统计分析通过IBM SPSS Statistics 26.0(IBM Corp.,Armonk,NY,USA)完成。

2 结果与分析

2.1 4种入侵植物的化感溶液对莴苣种子萌发和幼苗生长的影响

由表1可知,与对照相比,4种入侵植物的单一化感溶液、2种入侵植物等比例混合的化感溶液、3种入侵植物等比例混合的化感溶液和4种入侵植物等比例混合的化感溶液均显著降低了莴苣的发芽势、发芽指数、发芽速度指数和发芽快速响应指数(P<0.05)。与对照相比,4种入侵植物的单一化感溶液、2种入侵植物等比例混合的化感溶液和4种入侵植物等比例混合的化感溶液均显著降低了莴苣的发芽率(P<0.05)。与对照相比,3种入侵植物等比例混合的化感溶液和4种入侵植物等比例混合的化感溶液均显著降低了莴苣的胚芽长、胚根长、叶长、叶宽和绿色叶面积(P<0.05)。与对照相比,4种入侵植物的单一化感溶液也显著降低了莴苣的叶长(P<0.05)。

2.2 不同入侵植物种类数量的化感溶液对莴苣种子萌发和幼苗生长影响的差异

由表1可知,4种入侵植物的单一化感溶液、2种入侵植物等比例混合的化感溶液、3种入侵植物等比例混合的化感溶液和4种入侵植物等比例混合的化感溶液处理下莴苣的种子萌发指标无显著差异。不同处理下莴苣的胚芽长和胚根长表现为4种入侵植物的单一化感溶液≈2种入侵植物等比例混合的化感溶液>3种入侵植物等比例混合的化感溶液>4种入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。不同处理下莴苣的叶长表现为2种入侵植物等比例混合的化感溶液>4种入侵植物的单一化感溶液≈3种入侵植物等比例混合的化感溶液>4种入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。不同处理下莴苣的叶宽和绿色叶面积表现为4种入侵植物的单一化感溶液≈2种入侵植物等比例混合的化感溶液>3种入侵植物等比例混合的化感溶液≈4种入侵植物等比例混合的化感溶液(P<0.05)。

相关性分析结果(表2)显示,莴苣的胚芽长、胚根长、叶长、叶宽、绿色叶面积与入侵植物种类数量呈极显著负相关(P<0.000 1)。

3 讨论与结论

本研究结果表明,上述4种入侵植物的化感溶液,不管是单一化感溶液,还是混合化感溶液,均对莴苣产生了显著的化感作用,特别是对莴苣种子萌发的化感作用强度更强,这4种入侵植物的化感溶液显著抑制了莴苣种子的萌发能力、萌发均匀性、萌发速度和萌发响应速度。这可能是因为这4种入侵植物的化感物质可以抑制植物的新陈代谢,如营养吸收和利用能力以及细胞增殖等[8-10]。

表1 莴苣的种子萌发和幼苗生长指标Table 1 Seed germination and seedling growth indices of L. sativa

表2 莴苣幼苗生长指标与入侵植物种类数的相关性Table 2 Correlations between seedling growth indices of L. sativa and the species number of invasive plants

在本研究中,不同入侵植物种类数量的化感溶液对莴苣种子萌发的影响无显著差异。这4种入侵植物对莴苣种子萌发的单一与复合化感作用强度无显著差异。因此,入侵植物的种类数量并未显著影响这4种入侵植物对其临近植物种子萌发的化感作用强度,即这4种入侵植物对其临近植物种子萌发的化感作用强度取决于其化感溶液的存在,而非其化感溶液的种类和组成。这可能是因为这4种入侵植物化感物质中萌发抑制成分的含量和(或)组成相似,因为这4种入侵植物均隶属于菊科,且均原产于北美洲,并具有类似的生境、生活型和生长周期。即这4种入侵植物的进化历程很相似。

这4种入侵植物对莴苣幼苗生长(特别是幼苗对阳光获取的竞争能力、幼苗对土壤水分和盐分获取的竞争能力、幼苗叶片光合面积的大小)的单一与复合化感作用强度,基本上随着入侵植物种类数量的增多而显著增强,特别是3种入侵植物等比例混合的化感溶液和4种入侵植物等比例混合的化感溶液产生的化感作用强度显著高于4种入侵植物的单一化感溶液和2种入侵植物等比例混合的化感溶液产生的化感作用强度。此外,相关性分析结果显示,莴苣幼苗对阳光获取的竞争能力、幼苗对土壤水分和盐分获取的竞争能力、幼苗叶片光合面积的大小与入侵植物种类数量呈极显著负相关。所以,入侵植物的种类数量是显著影响这4种入侵植物对莴苣幼苗生长(特别是幼苗对阳光获取的竞争能力、幼苗对土壤水分和盐分获取的竞争能力、幼苗叶片光合面积的大小)的化感作用强度的关键因素之一。我们推测产生这种情况的原因可能是:尽管这4种入侵植物化感物质的组成相似,但是入侵植物的种类数量越多,其混合化感溶液中化感物质的种类数量也越多,特别是随着时间的推移,其抑制作用逐渐凸显。因此,与单一化感作用相比,这4种入侵植物对莴苣幼苗生长的复合化感作用存在一定程度的叠加效应。所以,随着共同入侵进程的逐步推进,特别是随着入侵植物种类数量的逐渐增多,入侵植物可能对其临近植物的幼苗生长产生更强的化感作用,进而抑制其临近植物的个体生长和群落演替,从而有利于其进一步的入侵进程,最终产生新的、更严重的环境生态风险。

综上所述,本研究创造性地分析了4种入侵植物对莴苣种子萌发和幼苗生长的单一与复合化感作用及其驱动机制,并阐明了入侵植物的种类数量耦合调控多种入侵植物的单一与复合化感作用及其驱动机制。本研究结果表明,上述4种入侵植物的单一与复合化感作用均显著降低了莴苣的种子萌发和幼苗生长,特别是对莴苣种子萌发的化感作用强度更强。更为重要的是,这4种入侵植物对莴苣幼苗生长(特别是幼苗对阳光获取的竞争能力、幼苗对土壤水分和盐分获取的竞争能力、幼苗叶片光合面积的大小)的单一与复合化感作用强度,随着入侵植物种类的增多而显著增强。所以,随着入侵植物种类数量的增多,入侵植物可能通过更强的化感作用抑制其临近植物的幼苗生长,从而有利于其进一步的入侵进程。