外來(lái)入侵植物劍葉金雞菊的結(jié)實(shí)動(dòng)態(tài)和種子萌發(fā)特性

，，

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.凱里學(xué)院大健康學(xué)院，貴州 凱里 556011)

劍葉金雞菊(CoreopsislanceolataL.)是菊科金雞菊屬多年生草本植物，頭狀花序大而艷麗，原產(chǎn)于北美，20世紀(jì)初作為觀賞花卉引入青島、廬山等地[1-2]。劍葉金雞菊生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，且能借助克隆生長(zhǎng)快速擴(kuò)增形成單一優(yōu)勢(shì)種群，排擠本土物種，影響生物多樣性[3]。劍葉金雞菊已從最初引種栽培的庭園逸生、擴(kuò)散成為入侵物種，在華東、中南廣泛分布[4-5]，甚至擴(kuò)散到了西北[6]和西南地區(qū)。國(guó)內(nèi)外對(duì)劍葉金雞菊的研究，一方面集中在資源的開發(fā)利用，關(guān)注劍葉金雞菊的化學(xué)成分及其生物活性[7-8]，或是從花卉資源的角度研究劍葉金雞菊的種子生物學(xué)特性[9]；另一方面，關(guān)于劍葉金雞菊生物入侵方面的研究也越來(lái)越受重視。目前已有關(guān)于劍葉金雞菊的化感作用[10]、光合作用[11]、逆境生理[5]、對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[12]和對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響[2,13]等方面的研究，探討劍葉金雞菊的生理生態(tài)特征與其入侵能力之間的關(guān)系。

劍葉金雞菊有較強(qiáng)的無(wú)性生殖能力，在早期通過(guò)密集型克隆生長(zhǎng)快速擴(kuò)增來(lái)?yè)屨忌?，而在后期主要進(jìn)行游擊型克隆生長(zhǎng)，形成間隔相對(duì)較遠(yuǎn)的分株，利于種群的擴(kuò)散[3-4]。入侵物種快速占據(jù)新生境、形成優(yōu)勢(shì)種群排擠本土物種的能力，還與有性生殖產(chǎn)生種子的潛力和種子萌發(fā)成苗的特性密切相關(guān)。然而，目前尚未見(jiàn)對(duì)劍葉金雞菊種子產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化以及不同時(shí)期所產(chǎn)種子的萌發(fā)能力方面的報(bào)道，缺乏種子特性與其入侵機(jī)制關(guān)系方面的研究。因此，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)劍葉金雞菊的結(jié)實(shí)動(dòng)態(tài)與種子萌發(fā)特性進(jìn)行研究，為探索劍葉金雞菊的入侵機(jī)制和綜合治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

劍葉金雞菊取自貴州省凱里市的一個(gè)野外居群(26°31′N，107°53′E，海拔690 m)。試驗(yàn)地位于云貴高原東緣，屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛。劍葉金雞菊的頭狀花序生于莖端，在試驗(yàn)地于5月中下旬始花。隨著頭狀花序總苞的展開，周圍黃色的舌狀花先開，隨后中間的管狀花由外而內(nèi)依次開放，每天開1～2輪。在頭狀花序開放后的6～7 d，外圍的舌狀花開始枯萎，管狀花也從外向內(nèi)逐漸脫落，整個(gè)花序的開放時(shí)間為8～9 d。種子成熟所需時(shí)間極短，管狀花謝花后只需8～9 d，黑色的瘦果即可成熟。劍葉金雞菊的盛花期可持續(xù)到8月上旬，直到11月初還有零星的頭狀花序開放。劍葉金雞菊6月初即有種子(瘦果)成熟，一直持續(xù)到11月還有零星植株產(chǎn)生少量種子。

1.2 人工授粉試驗(yàn)與傳粉者觀察

2016年6月，在劍葉金雞菊的盛花期，以整個(gè)頭狀花序?yàn)閱挝环謩e進(jìn)行同株授粉、異株授粉和不授粉3種處理，另設(shè)自然對(duì)照，每處理設(shè)10個(gè)重復(fù)。3種處理的頭狀花序均在總苞片張開前套上硫酸紙袋，進(jìn)行相應(yīng)處理后繼續(xù)套袋至花序開放完畢。同株授粉處理用同株上的不同花序(套袋防止異源花粉污染)進(jìn)行人工授粉，而異株授粉采用的是20 m以外植株的花粉。為保證授粉效果，每種授粉處理每天進(jìn)行1次，連續(xù)進(jìn)行3～4 d。全部處理的頭狀花序均在總苞開放后用相機(jī)記錄管狀花總數(shù)，結(jié)實(shí)后統(tǒng)計(jì)各處理中頭狀花序產(chǎn)生的種子數(shù)。結(jié)實(shí)率(%)=(種子數(shù)/管狀花序數(shù))×100%。選擇晴好天氣，結(jié)合樣線法與定點(diǎn)觀察法進(jìn)行訪花昆蟲調(diào)查。用相機(jī)拍攝訪花昆蟲，結(jié)合用捕蟲網(wǎng)捕捉傳粉昆蟲標(biāo)本，鑒定主要傳粉昆蟲種類。

1.3 開花動(dòng)態(tài)和種子產(chǎn)量測(cè)算

通過(guò)前期觀察，確定劍葉金雞菊在6—11月均能產(chǎn)生種子，但種子產(chǎn)生的高峰主要在前期，而10—11月僅有零星的植株產(chǎn)生零星的種子。故本試驗(yàn)重點(diǎn)考察從始花到9月底的花序數(shù)量和種子產(chǎn)量。2017年6月，在樣地內(nèi)隨機(jī)選取18株劍葉金雞菊掛牌標(biāo)記，統(tǒng)計(jì)始花期至6月底、6月底至7月底、7月底至8月底、8月底至9月底共4個(gè)時(shí)段內(nèi)各植株產(chǎn)生的已謝花結(jié)實(shí)的花序數(shù)。在每個(gè)時(shí)段內(nèi)，每個(gè)植株隨機(jī)選取5個(gè)結(jié)實(shí)的花序，考察種子數(shù)量。將花序數(shù)和5個(gè)花序的平均種子數(shù)相乘，估算每株劍葉金雞菊在該時(shí)段內(nèi)產(chǎn)生的種子總數(shù)。8月底至9月底部分植株的花序數(shù)少于5，則以實(shí)際產(chǎn)量為準(zhǔn)。最后將各時(shí)段的花序數(shù)和種子數(shù)量累計(jì)相加，算出一株劍葉金雞菊年產(chǎn)花序數(shù)，估算出種子的年產(chǎn)量。

1.4 種子萌發(fā)和出苗試驗(yàn)

分別在6月底采集早期成熟的種子，在10月初采集晚期成熟的種子，采后立即開展種子萌發(fā)和出苗試驗(yàn)。其中，種子萌發(fā)試驗(yàn)在2016年和2017年連續(xù)進(jìn)行了2年，而出苗試驗(yàn)只在2017年進(jìn)行了1年。種子萌發(fā)試驗(yàn)在鋪有浸濕脫脂棉的培養(yǎng)皿中進(jìn)行，每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)放置50粒形態(tài)大小基本一致的種子，設(shè)3次重復(fù)。將培養(yǎng)皿放置在光照狀況相對(duì)良好的試驗(yàn)室邊臺(tái)上，保持窗戶開放，使試驗(yàn)條件盡可能接近室外自然狀況。培養(yǎng)過(guò)程中每天換一次蒸餾水并記錄發(fā)芽情況。當(dāng)胚根長(zhǎng)度約為種子直徑的一半時(shí)視為種子發(fā)芽，培養(yǎng)時(shí)間為3周。

發(fā)芽率(%)=(萌發(fā)的種子總數(shù)/50)×100%；

平均發(fā)芽時(shí)間=∑(ti×ni)/∑ni；式中ti為從試驗(yàn)開始的天數(shù)，ni為當(dāng)天發(fā)芽的種子數(shù)。

出苗試驗(yàn)和萌發(fā)試驗(yàn)操作類似，區(qū)別在于用花盆代替培養(yǎng)皿，基質(zhì)為取自劍葉金雞菊生境中去除表土后混勻的泥土。每個(gè)花盆中放置50粒種子，澆水使種子半沒(méi)于土中，設(shè)3次重復(fù)。培養(yǎng)地點(diǎn)和發(fā)芽試驗(yàn)一致，每天澆水，并記錄出苗情況，培養(yǎng)時(shí)間為4周。

出苗率(%)=(出苗的種子總數(shù)/50)×100%；

平均出苗時(shí)間=∑(ti×ni)/∑ni；式中ti為從試驗(yàn)開始的天數(shù)，ni為當(dāng)天出苗的種子數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

對(duì)人工授粉試驗(yàn)的結(jié)實(shí)率以及不同時(shí)期的頭狀花序數(shù)量和種子產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并利用LSD檢驗(yàn)進(jìn)行不同處理間的比較。對(duì)早期和晚期種子的發(fā)芽和出苗數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)分析均用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 劍葉金雞菊的繁育系統(tǒng)

如表1所示，劍葉金雞菊自然對(duì)照的結(jié)實(shí)率最高，異花授粉處理結(jié)實(shí)率次之，而套袋后不授粉和自花授粉處理幾乎都不結(jié)實(shí)。單因素方差分析結(jié)果表明，套袋處理對(duì)劍葉金雞菊的結(jié)實(shí)率產(chǎn)生了極顯著的影響(F=64.092，p<0.001)。自然對(duì)照與其它處理間的差異均達(dá)到了極顯著水平(p<0.001)，異花授粉處理與套袋后不授粉，以及自花授粉2種處理間的差異也都達(dá)到了極顯著水平(p<0.01)。由此判斷，劍葉金雞菊是自交不親和的物種，需要依靠異交產(chǎn)生種子。觀察到訪問(wèn)劍葉金雞菊的昆蟲共有12種，其中傳粉昆蟲有中華蜜蜂(Apiscerana)、幽矍眼蝶(Ypthimaconjuncta)、黃粉蝶(Euremablanda)、無(wú)標(biāo)黃粉蝶(Euremabrigitta)、鹿蛾(Amatasp.)、食蚜蠅(Syrphidaesp.)、黑額光葉甲(Smaragdinanigrifrons)、葉甲(Chrysomelidaesp.)等。能幫助劍葉金雞菊實(shí)現(xiàn)有性生殖的傳粉昆蟲種類眾多，蜂類、蝶類、蛾類、蠅類和甲蟲類均有，最主要的傳粉昆蟲為中華蜜蜂(A.cerana)。

表1 人工授粉試驗(yàn)結(jié)果

注：表中數(shù)值為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤，同一列內(nèi)不同小寫字母表示處理間的差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 劍葉金雞菊的花序數(shù)量和種子產(chǎn)量

單因素方差分析結(jié)果表明，劍葉金雞菊的頭狀花序數(shù)(F=24.162，p<0.001)、單花序種子數(shù)(F=48.645，p<0.001)和單株種子產(chǎn)量(F=33.704，p<0.001)在不同時(shí)期均有極顯著的差異。3個(gè)指標(biāo)的最高值均在早期獲得，而隨著花期的持續(xù)，頭狀花序數(shù)、單花序種子數(shù)和單株種子產(chǎn)量均呈下降趨勢(shì)(表2)。除了7月份和8月份的頭狀花序數(shù)之間、8月份和9月份的單花序種子數(shù)之間沒(méi)有顯著差異外，3個(gè)指標(biāo)在其它時(shí)期之間的差異均達(dá)到了顯著水平(p<0.05)。平均每株劍葉金雞菊可產(chǎn)生約135個(gè)頭狀花序，每個(gè)花序平均產(chǎn)生約93粒種子，每株的種子總產(chǎn)量約12 600粒(5 128～25 433粒，n=18)。值得注意的是，6月底前產(chǎn)生的種子平均達(dá)到了7 740.50粒，說(shuō)明劍葉金雞菊的種子主要是在早期產(chǎn)生的。

表2 各時(shí)期頭狀花序數(shù)量和種子產(chǎn)量

2.3 劍葉金雞菊的種子萌發(fā)和出苗

如表3所示，2年的種子萌發(fā)試驗(yàn)均表明，后期成熟的種子(10月初采集)發(fā)芽率高于前期成熟的種子(6月底采集)。但只有在2017年的試驗(yàn)中，二者發(fā)芽率之間的差異達(dá)到了極顯著水平(t=12.438，p<0.001)。無(wú)論是前期還是后期采集的種子，在室溫下培養(yǎng)，2～3 d即有種子陸續(xù)發(fā)芽，發(fā)芽率48%～86%，3～4 d即有種子開始出苗，兩期種子出苗率均超過(guò)了50%。在平均發(fā)芽時(shí)間、出苗率和平均出苗時(shí)間方面，前期成熟的種子和后期成熟的種子之間，均不存在顯著差異(表3)。以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，劍葉金雞菊種子成熟后不存在休眠特性，有立即萌發(fā)成苗的潛力。

表3 早晚期種子的發(fā)芽和出苗情況

3 結(jié)論與討論

劍葉金雞菊套袋后不授粉，或者自花授粉處理后，絕大多數(shù)花序都不結(jié)實(shí)，說(shuō)明該物種自交不親和。本研究結(jié)果與曾建軍等[4,14]的研究結(jié)果均表明，劍葉金雞菊的交配系統(tǒng)為異交，種子需要通過(guò)不同植株之間的異交產(chǎn)生。劍葉金雞菊雖需異交才能結(jié)實(shí)，但能為其傳粉的昆蟲眾多，泛化的傳粉系統(tǒng)使得劍葉金雞菊能相對(duì)輕易地獲得異源花粉，不影響種子的產(chǎn)生。本試驗(yàn)只是在白天對(duì)訪花昆蟲進(jìn)行了調(diào)查，考慮到夜間活動(dòng)昆蟲傳粉的可能性，估計(jì)其有效的傳粉者應(yīng)該更多。劍葉金雞菊克隆生長(zhǎng)能力強(qiáng)，在早期通過(guò)密集型生長(zhǎng)搶占生境，在后期則通過(guò)游擊型生長(zhǎng)分散同一基因型植株在種群中的分布[3-4]。有性生殖產(chǎn)生的種子利于入侵物種的擴(kuò)散和初期種群的建立，而無(wú)性生殖則有利于在新生境中快速形成單一優(yōu)勢(shì)種群[15]。劍葉金雞菊可能正是通過(guò)同時(shí)發(fā)揮有性生殖和無(wú)性生殖的雙重優(yōu)勢(shì)，才成為廣泛分布的入侵物種。

另外，發(fā)現(xiàn)管狀花中有薊馬活動(dòng)，而套袋處理無(wú)法隔離此類小型昆蟲。這類小型昆蟲帶來(lái)的外來(lái)花粉，可能是套袋自花授粉以及套袋不授粉處理中有極個(gè)別種子產(chǎn)生的原因。劍葉金雞菊頭狀花序中，能產(chǎn)生種子的是中間逐步成熟的管狀花。在進(jìn)行人工授粉操作時(shí)，一個(gè)花序只有部分花開放，而且花粉孔裂，能用于授粉的花粉數(shù)量較少?；趧θ~金雞菊的開花和散粉特點(diǎn)，即便進(jìn)行了多次授粉，但花粉量依然可能不足，這應(yīng)該是造成人工異花授粉結(jié)實(shí)率偏低的原因。

劍葉金雞菊花序多，種子產(chǎn)量大，有性生殖能力極強(qiáng)，本研究中高產(chǎn)植株的種子總產(chǎn)量超過(guò)了25 000粒。劍葉金雞菊在入侵日本后平均每個(gè)花序產(chǎn)生98粒種子，是北美原產(chǎn)地的兩倍多[16]，和本研究的結(jié)果較為相近。入侵物種一般具有種子產(chǎn)量大、易于萌發(fā)的特點(diǎn)，因而擴(kuò)散和傳播能力強(qiáng)[17]。平均每株劍葉金雞菊種子產(chǎn)量超過(guò)12 000粒，其中大部分是在6月底前產(chǎn)生的，且種子成熟后立即可以發(fā)芽和出苗，在當(dāng)年就具備極強(qiáng)的種群建成潛力。合適的溫度更適宜劍葉金雞菊種子發(fā)芽[18]。本研究中，種子發(fā)芽和出苗試驗(yàn)分別在夏季和初秋進(jìn)行，10月份的溫度更為溫和，這可能是后期采收種子的發(fā)芽率和出苗率均較高的原因。即便因水分限制等原因，條件暫時(shí)不適宜，劍葉金雞菊的種子也可以在地下保持活力，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，形成種子庫(kù)，以躲避不良環(huán)境的影響[19]。劍葉金雞菊種子產(chǎn)量巨大，而這種二次休眠特性更是有助于其占據(jù)新生境、形成新種群，強(qiáng)化其入侵能力。

劍葉金雞菊具有花期長(zhǎng)、花序數(shù)多，有效的傳粉昆蟲多、結(jié)實(shí)早、種子產(chǎn)量高、種子萌發(fā)率和出苗率高等特征,表明其有性繁殖系數(shù)極高，擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)極大。結(jié)合劍葉金雞菊的結(jié)實(shí)特征和萌發(fā)特性，采取防除措施不能遲于有性生殖的早期，以防止種子的產(chǎn)生。下一步，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同時(shí)期成熟的種子落地后的成苗和后續(xù)生長(zhǎng)狀態(tài)，以便在自然狀態(tài)下，更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)劍葉金雞菊的有性繁殖種群建成能力。