UV-B辐射增强和氮添加及其互作对空心莲子草-马唐竞争的影响

吴 昊,姜俊慧,罗 莉,崔益萌,张婉莹

(1. 信阳师范大学生命科学学院,河南 信阳 464000;2. 河南大别山森林生态系统国家野外科学观测研究站,郑州 450046;3. 信阳生态研究院,河南 信阳 464000)

【研究意义】伴随全球环境变化及经济全球化,外来植物入侵愈加严重[1]。入侵植物因具有强大的适应力与次生防御能力、营养吸收与同化能力以及表型可塑性,且其对环境变化的响应程度通常高于本土伴生种,使得其可通过种间竞争大量排挤本土植物,对本土物种多样性、群落稳定性和生态系统功能造成极大破坏[2]。当前人类活动导致全球环境发生剧烈变化,化石燃料的使用使得全球年均氮沉降总量较18世纪增加了4倍,中国已成为继欧洲、北美之后的世界第三大氮沉降区[3];而氟氯烃等污染物的大量排放致使臭氧层空洞加剧,并最终导致地表紫外辐射强度增加,其中UV-B(280～320 nm)增幅尤为明显[4];这些环境变化显著影响外来植物的生态效应及其入侵态势。空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)为原产于南美洲的苋科莲子草属杂草,具备克隆生长习性及水、陆两生性,其广泛入侵中国南北方20余省,对生态环境、物种多样性及农业生产安全构成严重威胁,被列入中国首批外来入侵物种名单[5]。马唐(Digitariasanguinalis)为一年生禾本科植物,由于其具备较强的生态适应性及分蘖生长特性,是空心莲子草入侵群落中的优势本土伴生种[6]。深入探讨空心莲子草-马唐种间竞争关系有助于制定更为有效的入侵防控措施。【前人研究进展】已有较多关于氮沉降或UV-B辐射对植物种间竞争的研究。如:相较于本土伴生种,氮添加显著促进加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)和大花金鸡菊(Coreopsisgrandiflora)等入侵植物的叶面积、叶绿素含量、分枝数及生长速率,进而提升其对于本土植物的竞争优势[7];但氮素富集对于植物入侵的促进作用也受到氮形态及其浓度的影响,部分学者还发现氮添加使得入侵-本土植物长势均受到抑制[8-9]。Bornman等[10]发现,UV-B辐射对本土植物生长具有抑制作用,其显著削弱植物叶片蒸腾速率及净光合速率;Fenollosa等[11]发现,入侵植物对UV-B辐射的响应程度通常高于本土植物,其可通过启动多种光保护机制以缓解紫外辐射伤害并产生适应性进化;入侵美国的乌桕(Triadicasebifera)优先将资源分配于地上叶片以抵抗UV-B辐射胁迫[12];入侵新西兰的紫花柳穿鱼(Linariapurpurea)和红车轴草(Trifoliumpratense)功能性状则表现出较高可塑性,其可通过降低比叶面积及提高多酚含量以增强对UV-B辐射的耐受性[13]。此外,UV-B辐射还可与氮沉降产生交互效应,进而改变“入侵植物-土壤微生物-本土植物”多级互作关系[14-15]。部分学者也围绕氮素对空心莲子草入侵态势的影响开展了相关工作,如:Wang等[16]发现,施氮使得空心莲子草增大对叶片的投入以提升对地上资源的竞争力,同时使得空心莲子草在与其本土同属种莲子草(A.sessilis)竞争时具有较高茎生物量[16];Zhang等[17]发现空心莲子草在湿生环境中的氮素迁移利用能力高于陆生环境;姜帆等[18]则发现氮沉降对空心莲子草的入侵无显著影响。【本研究切入点】目前关于UV-B辐射、氮添加及其互作对空心莲子草-马唐种间竞争影响的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】探讨空心莲子草和马唐在单种、混种模式下对于环境变化的异质性响应,深入分析氮添加及UV-B辐射对空心莲子草和马唐的生物量、形态、生理和光合特性的影响,以期为全球变化下的空心莲子草入侵态势预测及其及生物替代提供参考。

1 材料与方法

1.1 植物材料

本试验所使用的空心莲子草母株和马唐种子均采集于野外环境空心莲子草-马唐共生群落。采用茎节扦插的方法进行空心莲子草繁殖,用剪刀剪取带有茎节部分的空心莲子草约2 cm埋于穴盘中进行育苗;从共生群落中选取颗粒饱满、健康无损的马唐种子进行干燥保存并带回实验室备用,采用种子播种的方式进行马唐育苗[19]。待植物幼苗长出两片真叶后,将长势相似的马唐幼苗与空心莲子草幼苗移栽至花盆中进行试验处理。

1.2 试验设计

本试验设置单种、混种两种栽培模式,采用de Wit取代试验法控制每盆植物总株数为2株(马唐∶空心莲子草的比例分别为1∶0、0∶1和1∶1)[19]。在单种、混种模式中分别设置处理方式(对照、施氮、UV-B辐射、施氮×UV-B辐射)和物种属性(马唐、空心莲子草)共2个因子,每个处理组合重复5次。试验用土以挖取的野外空心莲子草-马唐共生环境土壤(铵态氮101.136 mg/kg、硝态氮106.758 mg/kg、速效磷117.534 mg/kg、速效钾41.573 mg/kg、pH 6.86)与珍珠岩、细沙以4∶2∶1混合比例制得。将试验用土置于立式灭菌器(博科BKQ-B12011,中国)121 ℃高压湿热持续灭菌120 min后分装于花盆中。试验中使用的塑料花盆规格为直径20 cm,高17 cm。

试验布设完毕后,各盆中植物以高50 cm网罩覆盖并移入智能温室培养。氮添加量采用中国南方最大氮沉降量63.53 kg/(hm2·a)[3],换算到本试验中为每盆0.570 g 硝酸铵(NH4NO3)。将NH4NO3晶体(分析纯)溶解于去离子水中配成溶液分3次喷洒至花盆中(施氮时间为将植物移入温室后的第10、20、30天)。通过安装40W UV-B 灯管(北京电光源研究所,中国)进行UV-B辐射增补,灯管以普通灯架安装在植株上方,每日辐射时间为8∶00—16∶00,共8 h(植物移入温室后的第5～30天接受UV-B辐射)。每3 d变换1次灯管中央及其周围花盆的摆放位置,以保证各植株接受均匀辐射。施氮×UV-B辐射处理为以上两种处理措施的组合。对照处理中喷洒与NH4NO3溶液等量的去离子水,各处理间其它日常管护措施均保持一致。待所有处理全部完成后继续培养植物10 d,测定各项指标。本实验中植物在温室内培养周期为40 d。

1.3 指标测定

每株植物上随机选择3个叶片,以手持式植物多酚—叶绿素测量仪(Dualex,法国)测定其叶绿素a指数(Chlorophyll a index,Chla)和花青素指数(Anthocyanin index,Anth)并取平均值。对各植株进行遮光暗处理15 min后,利用开放式叶绿素荧光成像系统(FluorCam,捷克)测定其暗适应后最小荧光(F0)、暗适应后最大荧光(Fm)、最大光量子产率(QY_max)、稳态光适应光化学猝灭系数(qP_Lss)、稳态荧光衰减率(Rfd_Lss)和稳态光量子效率(QY_Lss)等6项光合荧光指标。

以钢卷尺测得各植株的最大茎长。将植物从土壤中挖出冲洗擦净后,以Microtek扫描系统(ScanMaker i800, 中国)测定各植株的总根长。每株植物随机选取3个叶片,以Microtek扫描系统测定其叶面积并取平均值。将各植物全株洗净后置于鼓风干燥箱(雷韵101-4A,中国)中75 ℃烘干48 h至恒重,以万分位电子天平(力辰FA224,中国)测定其总生物量。

1.4 数据分析

采用SPSS 16.0软件(SPSS Inc,美国)提供的二因素方差分析(Two-way ANOVA)探讨处理方式、物种属性其交互效应对空心莲子草、马唐各项指标的影响。方差分析前对所有数据进行齐性检验,若方差齐性则进行分析,若不齐性则对数据进行平方根转换以符合方差齐性要求。对于方差分析结果显著(P<0.05)的处理组合,进一步采用最小显著差数法(Least significant difference,LSD)多重比较探讨其差异性来源。优先分析处理方式效应显著、处理方式×物种属性交互效应显著的结果。

2 结果与分析

2.1 施氮及UV-B辐射对植物长势的影响

单种情况下,处理方式×物种属性交互效应对总生物量(F7, 27=5.621,P=0.004)和叶面积(F7, 27=4.116,P=0.016)产生显著影响,处理方式对茎长(F7, 27=11.871,P<0.001)产生显著影响(表1)。相较于对照处理,施氮、施氮×UV-B辐射交互效应导致空心莲子草总生物量分别显著下降40.612%、79.310%(图1-a),施氮、UV-B辐射导致植物最大茎长分别显著上升207.154%、117.607%(图1-b),施氮、UV-B辐射导致马唐叶面积分别显著上升297.643%、151.557%(图1-c)。处理方式未对单种植物根长产生显著影响。

不同大写字母代表处理方式×物种属性交互效应显著;不同小写字母代表处理方式的单因素效应显著,下同。Different capital letters indicate significant interactive effects between treatment method and species, while different lowercase letters indicate significant single effect of treatment method. The same as below.图1 不同处理方式对植物生物量及形态特征的影响Fig.1 Effect of different treatment methods on plant biomass and morphological traits

表1 植物生物量及形态特征的方差分析Table 1 Analysis of variance for plant biomass and morphological traits

混种情况下,处理方式×物种属性交互效应分别对根长(F7, 27=4.339,P=0.013)和叶面积(F7, 27=8.308,P<0.001)产生显著影响(表1)。相较于对照处理,施氮、UV-B辐射以及施氮×UV-B辐射交互效应导致空心莲子草根长分别显著下降76.051%、58.824%和50.121%(图1-d),施氮导致马唐叶面积显著增加254.259%(图1-e),这与其在单种中的表现类似。处理方式未对混种中植物总生物量及最大茎长产生显著影响。

2.2 施氮及UV-B辐射对植物色素的影响

处理方式、处理方式×物种属性交互效应均未对植物Anth产生显著影响。单种情况下,处理方式对植物Chla(F7, 27=3.454,P=0.031)产生显著影响;混种情况下,处理方式×物种属性交互效应对植物Chla(F7, 27=4.175,P=0.016)产生显著影响(表2)。相较于施氮处理,单种中施氮×UV-B辐射交互效应导致植物Chla显著下降23.015%(图2-a);混种中施氮导致马唐Chla显著上升53.018%,而导致空心莲子草Chla显著下降12.084%,UV-B辐射使得空心莲子草Chla显著上升45.434%(图2-b)。

图2 不同处理方式对植物色素的影响Fig.2 Effect of different treatment method on plant pigment

表2 植物色素的方差分析Table 2 Analysis of variance for plant pigment

2.3 施氮及UV-B辐射对植物光合荧光的影响

处理方式未对植物Fm及Rfd_Lss产生显著影响。单种情况下,处理方式×物种属性交互效应分别对F0(F7, 27=9.166,P<0.001)、QY_max(F7, 27=14.919,P<0.001)、qp_Lss(F7, 27=7.124,P=0.001)和QY_Lss(F7, 27=26.788,P<0.001)产生显著影响(表3)。相较于对照处理,UV-B辐射、施氮×UV-B辐射交互效应分别导致马唐F0显著上升114.757%、87.085%,而分别导致空心莲子草F0显著下降33.106%、34.819%(图3-a)。施氮×UV-B辐射交互效应导致马唐QY_max显著下降18.984%,UV-B辐射、施氮×UV-B辐射交互效应分别导致空心莲子草QY_max显著上升404.459%、685.350%(图3-b)。施氮使得空心莲子草qp-Lss显著下降52.381%,相较于单一施氮处理,UV-B辐射导致马唐qp-Lss显著下降34.764%(图3-c)。UV-B辐射、施氮×UV-B辐射交互效应分别导致马唐QY_Lss显著下降45.605%、19.304%,而分别导致空心莲子草QY-Lss显著上升835.714%、1556.429%(图3-d)。

图3 不同处理方式对植物光合荧光的影响Fig.3 Effect of different treatment method on plant photosynthetic fluorescence

表3 植物光合荧光的方差分析Table 3 Analysis of variance for plant photosynthetic fluorescence

混种情况下,处理方式对QY_max(F7, 27=5.127,P=0.007)和QY_Lss(F7, 27=5.122,P=0.007)产生显著影响(表3)。相较于对照处理,施氮导致植物QY_max、QY_Lss分别显著下降82.700%(图3-e)、92.275%(图3-f)。

3 讨 论

外源氮输入可通过影响植物资源分配策略以加剧种间竞争,并导致养分失衡进而削弱其生产力。本研究中,施氮降低单种中空心莲子草总生物量,是由于空心莲子草在氮富集土壤环境中偏向资源获取型策略,即降低其干物质含量以减少构建成本、增加最大茎长以实现迅速生长[25];或是由于氮素富集导致的土壤阳离子可用性降低及土壤酸化使得空心莲子草体内氮/磷失衡加剧、叶片光合速率及生产力降低,进而削弱其生物量[26]。此外,高氮输入后植物适口性增强导致天敌昆虫种群数量上升,取食压力增强也会降低植物生产力[27];且植物体内氮素浓度上升易引起病原物侵染并加其繁殖速率,进而制约植物生长[28]。施氮×UV-B辐射交互作用使得植物体内用于调控激素合成路径的生理反应加剧、干物质消耗量增加,削弱植物光合作用积累干物质的能力,加剧扰乱植物的“生长-防御”权衡策略[29]。

花青素是具有较强抗氧化能力的类黄酮类化合物,其可清除UV-B辐射诱导形成的活性氧从而减缓植物细胞受到的毒害作用[30]。前人研究表明,低温促进植物体内花青素积累,高温则会加速其降解[31]。本研究中植物体内花青素对于各类处理的响应并不显著,可能是由于本试验时值夏季,温室内较高的气温加速了花青素降解,从而降低其对UV-B辐射及施氮×UV-B辐射交互效应的响应程度。叶绿素反映了植物光合作用强度及制造有机物质的能力[23],单种条件下UV-B辐射削弱施氮对于提升植物叶绿素含量的效果,是由于紫外辐射胁迫导致植物DNA同一链上相邻的2个嘧啶偶联成嘧啶二聚体,造成DNA损伤[14,32];同时UV-B辐射使得叶绿体结构受到破坏使其类囊体片层变形,导致植物吸收氮素以合成叶绿素的速率显著下降[14,29,33]。

混种条件下,施氮促进混种马唐的叶绿素含量上升,这是由于施氮使得混种马唐叶面积显著升高,且其提高叶片可溶性氮含量并协同促进叶绿素积累以抵抗空心莲子草入侵[23],此外,马唐对于土壤氮素的争夺也使得施氮情况下混种中的空心莲子草叶绿素含量下降。但UV-B辐射促进空心莲子草叶绿素含量上升,是由于空心莲子草自身具有较强的表型可塑性及极高的耐受性得以适应UV-B辐射[6,34];且由“竞争能力增强进化假说”(Evolution of increased competitive ability,EICA)可知,入侵物种倾向将更多资源分配至营养生长而非抵御外界逆境,使得逆境中的入侵植物比本土伴生种具有更高的光合电子传递率和实际光能转化率[32],其光合结构效能增强,导致UV-B辐射下空心莲子草叶绿素含量显著上升[33-34]。这也表明空心莲子草和马唐在竞争过程中对施氮及UV-B辐射存在明显性的异质性响应,即UV-B辐射可刺激空心莲子草合成更多叶绿素以具备更强的种间竞争优势。与此结果相类似,Roleda等[35]发现UV-B辐射导致新西兰入侵藻类真江蓠(Gracilariavermiculophylla)的叶绿素和类胡萝卜素含量均有所上升,这种应对紫外线增强的防御机制有助于其成功入侵。

光合荧光参数表征了植物PSⅡ反应系统活性状况[33-34]。其中,F0和Fm反映了植物生理状态与其所处生境的关系,QY_max是评价环境胁迫对光合作用影响的重要指标,QY_Lss代表叶绿体实际光化学效率的高低,qP_Lss反映环境胁迫下植物光合活性的高低,Rfd_Lss常用于评估环境胁迫下植物的抗性水平[34]。本研究中,UV-B辐射及其交互效应使得单种情况下马唐F0升高、QY_Lss降低,表明马唐对于UV-B辐射更为敏感,其通过提高光合初始荧光的方法增强自身的抗逆性[33]。而UV-B辐射及其交互效应使得单种中空心莲子草F0降低、QY_Lss升高,是由于空心莲子草在逆境状态下选择以降低初始荧光产量为代价获得更高叶绿体光合作用效率,这与本研究中UV-B辐射导致空心莲子草Chla上升相吻合,即入侵植物通过增加叶绿素含量以缓解UV-B辐射损伤[36]。两种植物各自的F0与QY_Lss呈完全相反的变化趋势,表明不同防御策略使得入侵植物在逆境条件下具有更强抗性[12, 28]。李良博等[37]研究发现,入侵杂草紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)对UV-B辐射增强环境的适应力及抗逆性均较强,UV-B辐射使得其抗氧化酶活性及损伤修复能力明显增强,这与本研究结果相一致。UV-B辐射损害了马唐的PSII光化学反应中心,导致其光合效率和光能转换率均明显降低[38],而UV-B辐射及其与施氮交互效应提升了单种空心莲子草QY_max,是由于空心莲子草抗逆性较强且UV-B辐射进一步刺激其增强了光化学量子效率及利用率。

本研究中,施氮削弱单种中空心莲子草qp_Lss,是由于施氮虽然使得空心莲子草叶片单位光反应中心吸收了较多能量,但其并没有用来促进捕获光能及推动电子传递,而是以热能及荧光形式散失掉,这也可能是空心莲子草为避免光抑制而形成的光保护机制[34]。但施氮显著削弱混种条件下两种植物整体的QY_max及QY_Lss,是由于施氮虽可促使植物转化的光量子总数增加,但一定时间内植物光量子数已处于极高水平,转化量增多反而导致其利用效率的相对下降[27];同时,大量氮素输入导致生态系统逐渐走向氮饱和,甚至使得系统由氮限制转变为磷限制,从而降低植物光合固碳能力对于氮输入的响应能力,反而导致其利用效率相对下降[26]。此外,植物氮素水平与光合作用之间的关系是非线性的,叶片中剩余的氮素并未被用于优化碳同化[39],高氮输入下土壤二氧化碳排放量也会趋于饱和,使得植物遭受更大程度的光能过剩并产生过多活性氧,从而降低PSII光化学效率[40]。

4 结 论

入侵植物空心莲子草与其本土优势伴生种马唐的种内、种间竞争能力对环境变化的响应存在明显差异。施氮加剧空心莲子草的种内竞争强度而相对提升马唐在形态和生物量上的竞争优势;UV-B辐射削弱马唐的光合活性而刺激空心莲子草合成更多叶绿素以具备更高种间竞争优势;UV-B辐射、施氮×UV-B辐射交互效应显著提升空心莲子草的实际光化学效率。总体而言,UV-B辐射增强及其与氮添加互作提升了入侵植物空心莲子草对于本土种马唐的光合效率优势;未来应更加重视对空心莲子草入侵扩散的监控,以防全球环境变化下多类因子复杂的交互效应进一步加剧该入侵种对于本土植物的竞争替代。