太湖沉水植物附生藻類群落對水盾草入侵能力的影響

朱 宏，周婷婷，李 欣，阮宏華，謝 冬，*

(1.南京林業(yè)大學 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037； 2.蘇州市濕地保護管理站，江蘇 蘇州 215000)

外來沉水植物的生物入侵已成為淡水湖泊生態(tài)系統(tǒng)日益嚴重的生態(tài)問題。外來沉水植物的入侵不僅會降低生境中鄉(xiāng)土植物的存活率和多樣性，影響種群分布，還會導致湖泊生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能退化[1]。水盾草(CabombacarolinianaA. Gray)是原生于北美和南美的多年生沉水植物，在澳大利亞、加拿大、歐洲和東亞等多個國家和地區(qū)入侵、泛濫[2-4]。自20世紀90年代以來，水盾草在我國江蘇太湖流域、浙江杭嘉湖平原、寧紹平原等東部地區(qū)水體嚴重泛濫，并威脅當?shù)睾瓷鷳B(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全。根據(jù)報道，水盾草種群在太湖東部水體中呈季節(jié)性動態(tài)變化，即秋冬季易發(fā)展成為優(yōu)勢種；此時水體中其他沉水植物已逐漸死亡，有利于水盾草入侵形成單一群落[5]。根據(jù)“生物抵抗力假說”，當鄉(xiāng)土物種占據(jù)更多生態(tài)位時，外來物種入侵群落的可能性減小[6]。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)，在鄉(xiāng)土植物密度較高和生長速度較快的情況下，能夠消耗更多資源并使生態(tài)系統(tǒng)可入侵性降低[7]。由于外來種入侵必須克服局部生物抵抗力，鄉(xiāng)土群落內物種可通過直接競爭、捕食或病菌感染等作用抵御外來種，降低其入侵性[8]。

種間競爭是生物抵抗力的重要組成部分，有研究發(fā)現(xiàn)，鄉(xiāng)土水生植物通過競爭阻礙外來水生植物的入侵[9]。在淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，附生群落與沉水植物對光照和營養(yǎng)的競爭也十分激烈，附生群落中的藻類通過遮蔭等途徑阻礙沉水植物的生長造成其生物量下降，甚至群落的消亡[10]。沉水植物附著的附生群落往往有結構和物種組成上的差異[11-12]。當外來種沉水植物進入新生境時，不可避免地會與生境中的藻類接觸，從而產(chǎn)生新的附生群落；這種新的附生群落可能由原來附著于鄉(xiāng)土沉水植物的藻類組成，也可能是由新的藻類種類組成。而新附生的藻類群落能否抵抗外來入侵沉水植物的生長，相較于鄉(xiāng)土沉水植物表面附生的藻類群落其抵抗效果如何？對于這些問題的研究，對深入了解附生藻類群落與入侵沉水植物之間的相互作用及其作用機理具有重要意義，同時可為治理入侵沉水植物提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所使用的水生植物材料于2017年11月采自江蘇蘇州太湖湖濱國家濕地公園附近水陸交錯帶(31°13′6.88″N，120°25′57.84″E)。采集后當天帶回國家林業(yè)和草原局江蘇太湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站實驗室(31°01′37.46″N，120°17′47.79″E)進行下一步處理。選取40條無側芽不定根的水盾草斷枝作為試驗材料，將其切至15 cm長[鮮質量(2.52 ± 0.69) g]，清除附著的附生藻類群落后放置于裝有20 L蒸餾水的水缸中直至試驗開始。附生藻類群落材料取自同一樣地內的水盾草和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.，同為優(yōu)勢種，但穗狀狐尾藻處于生長末期)表面。將2種沉水植物去掉殘片后分別用軟毛刷在蒸餾水中刷洗以收集附生藻類試驗樣品。收集好的附生藻類樣品經(jīng)篩(500 μm)過濾除去底棲動物和雜質后，分別儲存在裝有1 L蒸餾水的燒杯中(15 ℃，自然光)。為設置不同附生藻類處理，收集的2種附生藻類分別被稀釋至相近藻類密度(水盾草附生藻類群落75.36 μg·L-1，穗狀狐尾藻附生藻類群落69.42 μg·L-1，藻群密度以葉綠素a含量計)，并按體積比1∶1混合后得到混合附生藻類群落(葉綠素a含量71.23 μg·L-1)。

1.2 方法

試驗開始前，將透析袋(MD77，相對分子質量12 000～14 000，Leibusi，USA)裁剪成長25 cm，約300 mL的片段，煮沸并沖洗1 h后靜置在蒸餾水中，用于培養(yǎng)斷枝與附生藻液。由于透析袋的孔徑只允許營養(yǎng)鹽透過，可有效防止培養(yǎng)的藻類與植物斷枝外溢[13]。

在每個透析袋中放置1根水盾草斷枝，并加入250 mL藻液后封口。將密封好的透析袋放置于塑料盒(長×寬×高為0.4 m× 0.25 m × 0.2 m)中，加入15 L模擬太湖水體營養(yǎng)狀況的營養(yǎng)液(含140 μg·L-1的磷酸氫二鈉和270 μg·L-1的硝酸鈉)。隨后放置于恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。本試驗共設置4個處理：處理1為對照組，水盾草斷枝加入蒸餾水；處理2為入侵沉水植物附生藻類群落，即水盾草斷枝加入從水盾草獲取的附生藻類溶液；處理3為鄉(xiāng)土沉水植物附生藻類群落，即為水盾草斷枝加入從穗狀狐尾藻獲取的附生藻類溶液；處理4為混合附生藻類群落，為水盾草斷枝加入混合附生藻類溶液。每個處理均設置10個重復。試驗持續(xù)時間為4周(2017年11月20日至2017年12月18日)，試驗過程中恒溫光照培養(yǎng)箱設置為溫度15 ℃，光照強度4 000 lx(光/暗比為12 h/12 h)。試驗期間，每天添加蒸餾水以保持盒中水量，并在第3周(12月4日)更換營養(yǎng)液以保持水體營養(yǎng)狀況與初始時近似。

試驗結束后，將水盾草斷枝用軟毛刷在50 mL蒸餾水中清洗，收集附生藻類群落。隨后斷枝被分為主干、側枝和根3部分，分別稱量其鮮質量，然后放入烘箱60 ℃烘干72 h 后再次稱量。計算斷枝的生物量相對生長速率(RGR)和長度相對生長速率。公式如下：

生物量相對生長速率=[ln(最終干質量)-ln (初始干質量]/試驗周期；

長度相對生長速率=[ln(最終長度)-ln (初始長度)]/試驗周期。

記錄每個斷枝的側枝數(shù)量、側枝總長度和不定根數(shù)量、不定根總長度作為衡量水盾草再生和定殖能力的指標。再依據(jù)《中國淡水藻類》的方法進行附生藻類的種類鑒定和計數(shù)(血球計數(shù)法)。并依據(jù)附生藻數(shù)量和水盾草斷枝鮮質量比計算每個斷枝的附生藻群落密度(105g-1)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Statistica 13.3統(tǒng)計軟件進行試驗數(shù)據(jù)的分析，用Excel for Office 365作圖。所有的藻類(藻群密度、組成比例)與植物指標(相對生長速率、側枝數(shù)量、總長和不定根數(shù)量及其總長)均使用單因素方差分析(one-way ANOVA)，各處理間差異采用Tukey’s post hoc 統(tǒng)計檢驗，α=0.05。試驗數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 水盾草附生藻類群落組成、組成比例與密度

通過對水盾草附生群落的細胞計數(shù)和種類鑒定，在顯微鏡下共觀察到36屬藻類，具體種類組成、各門比例和優(yōu)勢種屬如表1和表2所示。處理3的附生藻類有29屬(藍藻門7屬、硅藻門10屬、綠藻門9屬、隱藻門2屬和裸藻門1屬)，其中，部分優(yōu)勢種屬如平裂藻屬在處理1、2和4組中并未出現(xiàn)。處理2組附生藻類有31屬(藍藻門5屬、硅藻門10屬、綠藻門13屬、隱藻門2屬和裸藻門1屬)，部分優(yōu)勢種屬如盤星藻屬在處理1和3組中并未出現(xiàn)。處理4組中附生藻類有26屬(藍藻門4屬、硅藻門10屬、綠藻門10屬、隱藻門1屬和裸藻門1屬)，部分優(yōu)勢種屬如魚腥藻屬在處理1、2和3組中并未出現(xiàn)。不同附生群落處理對水盾草附生藻類各門比例均有顯著影響。處理2組藍藻門的比例(44.90%)顯著高于處理3(31.43%)，但硅藻門比例(28.40%)顯著顯低于處理3(41.94%)。各處理對附生藻類生物多樣性并無顯著影響。

不同附生藻類群落處理對水盾草的附生藻群落密度有顯著影響(圖1)。試驗結束后，4個處理的附生藻群落密度均有顯著差異，其中，處理2的附生藻群落密度最高(384.09×105g-1)，處理4次之，對照組最低(27.58×105g-1)(圖1)。

2.2 水盾草生物量相對生長速率和長度相對生長速率

不同附生藻類群落處理對水盾草生物量和長度相對生長速率有顯著影響(表 3)。對照組和處理2中水盾草的相對生長速率無顯著差異(圖2-A)，但僅有處理2組的生物量為正生長。

表1 不同附生藻群處理下水盾草附生藻類的組成比例

Table 1 Community composition proportion of epiphytic algae on C. caroliniana under different epiphytic algae treatments %

同列數(shù)據(jù)后無相同字母表示差異顯著(P<0.05)。1，對照組；2，入侵沉水植物附生藻類群落；3，鄉(xiāng)土沉水植物附生藻類群落；4，混合附生藻類群落。

Data marked without the same lowercase letter in each column indicated significant differences atP<0.05. 1， Control group; 2， Epiphytic algae from invasive species; 3， Epiphytic algae from native species; 4， Mixed epiphytic algae.

表2 不同附生藻類處理條件下水盾草附生藻類的群落組成

Table2Community composition of epiphytic algae onC.carolinianaunder different epiphytic algae treatments

門Phylum屬Genus1234藍藻門Cyanophyta顫藻屬Oscillatoria sp.+++++席藻屬Phormidium sp.-+++平裂藻屬Merismopedia sp.--++-偽魚腥藻屬Pseudoanabaena sp.++++-魚腥藻屬Anabaena sp.---++微囊藻屬Microcystis sp.+++++-色球藻屬 Chroococcus sp.+++++澤絲藻屬 Limnothrix sp.--+-硅藻門Bacillariophyta脆桿藻屬 Fragilaria sp.-++-小環(huán)藻屬 Cyclotella sp.++++針桿藻屬Synedra sp.-+++直鏈藻屬Melosira sp.++++++舟形藻屬Navicula sp.++++++橋彎藻屬 Cymbella sp.++++異極藻屬 Gomphonema sp.-+++曲殼藻屬 Achnanthes sp.-+++卵形藻屬 Cocconeis sp.-+++等片藻屬 Diatoma sp.-+-+雙楔藻屬 Didymosphenia sp.--++綠藻門 Chlorophyta鼓藻屬 Cosmarium sp.+++++角星鼓藻屬 Staurastrum sp.++++卵囊藻 Oocystis sp.++++盤星藻屬Pediastrum sp.-++-+四角藻屬 Tetraedrom sp.++++十字藻屬 Crucigenia sp.--+-柵藻屬 Scenedesmus sp.+++++小球藻屬 Chlorella sp.-+--纖維藻屬 Ankistrodesmus sp.+++++鞘藻屬 Oedocladium sp.++++衣藻屬 Chlamydomonas sp.-+--空星藻屬 Coelastrum sp.-+--膠網(wǎng)藻屬 Dictyosphaerium sp.-+++轉板藻屬 Mougeotia sp.-+-+裸藻門 Euglenophyta裸藻屬 Euglena sp.++++隱藻門 Cryptophyta藍隱藻屬 Chroomonas sp.++++++隱藻屬 Cryptomonas sp.-++-

“-”，未出現(xiàn)；“+”，出現(xiàn)；“++”，優(yōu)勢種。1，對照組；2，入侵沉水植物附生藻類群落；3，鄉(xiāng)土沉水植物附生藻類群落；4，混合附生藻類群落。

“-”， Absent; “+”， Present; “++”， Dominant. 1， Control group; 2， Epiphytic algae from invasive species; 3， Epiphytic algae from native species; 4， Mixed epiphytic algae.

表3 水盾草生長及其附生藻密度影響單因素方差分析

Table3One-way ANOVA F andPvalue of epiphytic algae treatment for growth attributes and epiphytic algae density ofC.caroliniana

指標Attribute自由度df方差值F-crit顯著性P值P-value生物量相對生長速率Biomass RGR3,365.7310.003長度相對生長速率 Length RGR3,363.1780.036側枝數(shù)量 Branch number3,366.863<0.001側枝總長度 Branch length3,363.0510.041不定根數(shù)量 Root number3,366.1670.002不定根總長度 Root length3,364.9030.006藻群密度 Algae density3,36242.1<0.001

柱狀圖上無相同小寫字母的表示處理間差異顯著(P<0.05)。1，對照組；2，入侵沉水植物附生藻類群落；3，鄉(xiāng)土沉水植物附生藻類群落；4，混合附生藻類群落。下同。Data on the bars marked without the same lowercase letter indicated significant differences at P<0.05. The data are presented as the mean ± SE (n=10). 1， Control group; 2， Epiphytic algae from invasive species; 3， Epiphytic algae from native species; 4， Mixed epiphytic algae. The same as below.圖1 不同附生群落處理對水盾草斷枝附生群落密度的影響Fig.1 Effects of epiphytic algae treatment on epiphytic algae density of C. caroliniana fragments

處理2中生物量顯著高于處理3(圖2)，長度相對生長速率與處理4組無顯著差異(圖2-B)。

2.3 水盾草定殖和再生能力

各處理中水盾草都有高再生速率，即萌發(fā)側枝，為期4周的試驗期間所有斷枝的總再生率為82.5%。且不同附生藻類群落處理對水盾草的再生和拓殖能力均有顯著影響(圖3)。除側枝總長度外，處理2組的側枝數(shù)量、不定根數(shù)量和不定根總長度均顯著高于其余3個處理組(圖3)。水盾草的側枝總長度在處理2組和處理3組中無顯著差異，但處理2組明顯高于對照組(處理1)和處理4組(圖3-D)。

3 討論

不同附生群落與水生植物間往往有特定的相互作用，該相互作用取決于附生群落的組成和宿主植物物種[15]。本研究中各處理附生群落中的藻類群落組成和比例呈現(xiàn)出差異，水盾草表面附生藻類群落以藍藻門為主，且以顫藻屬、偽魚腥藻屬、微囊藻屬為優(yōu)勢種屬，這與之前的研究相吻合[16]。鄉(xiāng)土沉水植物表面的附生藻類群落以硅藻門為主，其中，直鏈藻屬和舟形藻屬為優(yōu)勢種屬。本試驗中鄉(xiāng)土沉水植物附生藻類群落在短期內降低了入侵種沉水植物的生長速度和拓殖能力，表現(xiàn)出了生物抵抗作用；同時，混合附生群落在一定程度上也表現(xiàn)出對水盾草斷枝生長的抑制作用。但附生藻類群落的結構組成隨著季節(jié)和環(huán)境因素而變化，且在冬季隨著鄉(xiāng)土種穗狀狐尾藻的消亡，附生藻類群落隨之消亡，從而失去對入侵種的抵抗作用[17]。

不同附生藻類群落處理組的附生藻密度也不同。本試驗中細胞總數(shù)較好地表征了附生群落中藻類的生長狀況和密度。在淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，密集的附生藻類群落是阻礙沉水植物生長的首要因素，其遮蔭作用是沉水植被減少的主要原因之一，同時也可能為外來沉水植物生物入侵提供了一定的契機[18]。以往研究中，附生藻類群落對沉水植物遮蔭而導致的負面影響通常與附生藻類群落的密度呈負相關[10]，但在該短期試驗中并未呈現(xiàn)出此規(guī)律。本試驗結果顯示，盡管外來沉水植物附生藻類群落處理中水盾草表面的附生藻密度遠高于其他3個處理，但水盾草斷枝的生物量相對生長速率和拓殖能力并未受到高密度附生藻的抑制。水盾草在高密度附生藻類群落中有仍有較高的生長速度和拓殖能力，但在密度較低的鄉(xiāng)土附生群落中呈現(xiàn)出相反趨勢，表明外來沉水植物表面附生的藻類群落對水盾草無抑制作用。這可能是由于入侵植物在進入新的群落后，由于其逃逸了原來生境中的天敵，使得其能將較多的資源由防御分配到生長中所致[19]。更深層次的原因還需進一步研究驗證。此外，沉水植物可以通過增加側枝的萌發(fā)數(shù)量以響應光衰減脅迫，附生群落引起的遮蔭也能引起類似響應[20]。當沉水植物尤其是入侵種面臨各類型脅迫如牧食、營養(yǎng)和機械脅迫時，會通過增加補償生長和再生能力以應對脅迫[21-22]。本試驗中水盾草斷枝也呈現(xiàn)出相似的響應機制來應對高密度的附生群落。

圖2 不同附生群落處理對水盾草斷枝相對生長速率的影響Fig.2 Effects of epiphytic algae treatment on relative growth rates of C. caroliniana fragments

萌生側芽和不定根是斷枝進入新生境后定植并建群的必要條件[23]。而斷枝等無性繁殖體是水盾草傳播和繁殖的主要途徑[24]。漂浮的水盾草斷枝可在1周內萌發(fā)側枝，栽培于基質中的斷枝可在48 h內生根并隨后萌發(fā)出側枝，且任何有節(jié)的斷枝都可以發(fā)展成新的植物個體[25]，這些特性增加了水盾草的入侵成功率。相較于接種入侵種表面附生群落的斷枝，接種了本土沉水植物表面附生群落的水盾草萌發(fā)出的側枝、不定根數(shù)量和不定根長度顯著降低，且混合附生群落呈現(xiàn)出相似的趨勢。在入侵沉水植物附生藻類群落處理中，水盾草斷枝萌發(fā)出更多側芽，不僅可以減輕附生藻類群落對其遮蔭的負面影響，側芽也是潛在的高傳播能力的無性繁殖體，側芽數(shù)量的增多進一步增加了水盾草在新生境定植和入侵的成功率[26-27]。相較于入侵沉水植物附生藻類群落處理，本土沉水植物表面附生藻類處理的水盾草斷枝萌發(fā)的不定根數(shù)量、長度和側枝數(shù)量分別降低了約53%、62%和44%，混合附生藻類群落處理的水盾草斷枝萌發(fā)的不定根數(shù)量、長度和側枝數(shù)量分別降低了約67%、75%和60%。表明本土沉水植物表面附生藻類群落則可以顯著削弱水盾草的生長和拓殖能力，而且鄉(xiāng)土附生藻類群落無論是單獨還是與入侵種附生藻類群落共同存在，均可在一定程度上抵御水盾草的入侵。

近年來，對沉水植物入侵機理的研究逐漸增多，而附生群落和沉水植物的相互作用也被認為可能是影響鄉(xiāng)土種與入侵種沉水植物競爭的關鍵因素[28]。本文比較了冬季太湖流域入侵種沉水植物水盾草斷枝在不同附生藻類群落處理中的附生藻群密度、群落組成和生長拓殖能力。發(fā)現(xiàn)水盾草對不同附生群落的響應有差異，且其相對生長速率和拓殖能力對鄉(xiāng)土種所附著的附生藻類群落有著消極響應，說明在鄉(xiāng)土種表面附生的藻類群落中存在一些藻類起著抑制水盾草生長與拓殖的作用。當鄉(xiāng)土種在冬季死亡時其附生藻類隨之消亡[5]，喪失了對水盾草入侵的抵抗作用。水盾草斷枝對自身附生藻類群落的積極響應促進了其拓殖，為其在冬季鄉(xiāng)土沉水植物消亡后的入侵提供了有利條件。本文在一定程度上解釋了水盾草在秋冬季節(jié)容易發(fā)展成為單一群落的影響因素，對該物種的防控有指導作用。