苯菌靈添加對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響：以加拿大一枝黃花與野大豆為例

呂盈和，邱士允，李 博

(1.復(fù)旦大學(xué) 生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200438； 2.復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物多樣性科學(xué)研究所， 上海 200438)

土壤微生物(包括共生微生物、自主生活微生物及病原菌)對(duì)植物的生長(zhǎng)、繁殖及植物的群落動(dòng)態(tài)起到重要調(diào)控作用[1].其中共生微生物如菌根真菌、根瘤菌能夠顯著增加植物對(duì)水分及礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收、促進(jìn)植物的生長(zhǎng)與繁殖[1-3]，是影響植物種間競(jìng)爭(zhēng)及群落動(dòng)態(tài)的主要因子，受到了廣泛的關(guān)注[1,4-5].人類活動(dòng)的干擾如滅菌劑使用、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等，會(huì)直接或間接抑制植物與土壤微生物的共生，導(dǎo)致共生關(guān)系的破壞(mutualism disruption)[6-9].但是干擾導(dǎo)致的共生關(guān)系的破壞如何影響植物種間競(jìng)爭(zhēng)及其機(jī)制仍不明確.

許多研究通過接種菌劑的方式，考察共生微生物對(duì)植物生長(zhǎng)及種間競(jìng)爭(zhēng)的影響[5,10].以叢枝菌根真菌(AMF)的研究為例： 植物能夠與多種叢枝菌根真菌同時(shí)形成共生關(guān)系，而不同的叢枝菌根真菌對(duì)同一植物的促進(jìn)作用不同，導(dǎo)致叢枝菌根真菌對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響往往與其菌種有關(guān)[11-12].故這類研究結(jié)果并不能完全預(yù)測(cè)野外條件下干擾導(dǎo)致的共生作用破壞對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)與入侵的影響.

干擾導(dǎo)致的共生作用破壞對(duì)外來和本地植物之間競(jìng)爭(zhēng)的影響尤其需要重視.外來生物入侵的重點(diǎn)區(qū)域往往是受人類活動(dòng)干擾程度較高的地區(qū)，而干擾強(qiáng)度較高的區(qū)域往往存在一定程度的共生微生物的缺失，這暗示著干擾區(qū)域中共生微生物的缺失可能與外來植物的成功入侵存在一定的關(guān)聯(lián)[13-14].了解干擾導(dǎo)致的共生作用破壞對(duì)植物生長(zhǎng)與種間競(jìng)爭(zhēng)影響，不僅有助于我們更好地評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)群落動(dòng)態(tài)的影響，還在入侵植物的預(yù)防、治理及相關(guān)的生態(tài)修復(fù)過程中具有重要的實(shí)踐意義[15].

不同植物對(duì)共生微生物的依賴性不同，因而在對(duì)共生關(guān)系破壞的響應(yīng)模式上也不完全一致.例如，根瘤菌的缺失對(duì)豆科植物的影響明顯大于其他植物；環(huán)境中菌根真菌的缺失對(duì)專性菌根植物造成的限制較強(qiáng)，而對(duì)兼性菌根植物的影響相對(duì)較弱[16].植物對(duì)共生微生物的依賴性還與植物的功能性狀有關(guān).例如根適合度(root fitness)較低(如根冠比較低)的植物對(duì)菌根真菌的依賴性可能更強(qiáng)[17-18]，這些植物的性狀對(duì)菌根真菌的缺失也可能表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的響應(yīng).根冠比等性狀對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)可能在一定程度上決定其與鄰體植物間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果.例如，研究表明提高生物量向地上部分的分配有利于植物在光競(jìng)爭(zhēng)中獲得優(yōu)勢(shì)[19].因此，探究植物功能性狀對(duì)共生微生物缺失的響應(yīng)，有助于揭示干擾導(dǎo)致的共生關(guān)系破壞影響植物種間競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制.

本研究使用苯菌靈抑制植物與土壤微生物之間的共生作用，選擇入侵植物加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)與土著植物野大豆(Glycinesoja)為研究對(duì)象，以探究干擾導(dǎo)致的共生關(guān)系破壞對(duì)兩種植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響及其可能的生態(tài)學(xué)后果.苯菌靈是一類內(nèi)吸式廣譜殺真菌劑，在植物體內(nèi)分解為多菌靈與異氰酸丁酯，能夠有效抑制真菌細(xì)胞的分裂及菌絲的侵染，且對(duì)植物本身并無影響[20].苯菌靈主要影響菌根真菌及部分子囊菌綱、半知菌綱及某些擔(dān)子菌綱的真菌[20].盡管苯菌靈在作用于菌根真菌[14]的同時(shí)也會(huì)對(duì)土壤病原菌等產(chǎn)生影響，但這種影響較弱[20].研究表明，野外條件下，苯菌靈對(duì)植物與菌根真菌間共生作用的抑制是其影響植物群落結(jié)構(gòu)的主要途徑[14,21-22].因此，施加苯菌靈仍是目前野外條件下最合適、也是最常用的控制植物-菌根真菌共生作用的方法[23].加拿大一枝黃花原產(chǎn)于北美，在1935年被作為庭院植物傳入我國(guó)，后逸生野外成為一種惡性雜草[24].野大豆是廣泛分布于我國(guó)各地的本地種，其在野外常纏繞生長(zhǎng)于加拿大一枝黃花之上，與加拿大一枝黃花形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系.兩種植物均與叢枝菌根真菌形成共生關(guān)系[25-27].此外，野大豆與根瘤菌之間也存在著共生作用[27].已有研究表明，菌根真菌能提高加拿大一枝黃花與野大豆的營(yíng)養(yǎng)獲取能力、光合作用能力和對(duì)非生物脅迫的耐受能力等[25-27]，暗示著共生關(guān)系破壞可能對(duì)加拿大一枝黃花與野大豆的生長(zhǎng)造成抑制作用.共生關(guān)系破壞對(duì)加拿大一枝黃花與本地植物競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果的影響，在一定程度上取決于兩種植物在對(duì)共生作用破壞響應(yīng)上的差異.在本研究中，我們利用野大豆的纏繞特性，區(qū)分了植物的地上、地下競(jìng)爭(zhēng)，以更好地了解植物種間相互作用對(duì)共生關(guān)系破壞的響應(yīng)及其機(jī)制.

1 材料與方法

1.1 土壤的準(zhǔn)備

栽培使用的園土，于2017年12月取自復(fù)旦大學(xué)江灣校區(qū)旺溪植物園，該地點(diǎn)同時(shí)有加拿大一枝黃花和野大豆分布.挖取地表30cm的根際土壤，翻曬過篩后將土壤充分混勻，分裝至花盆中，每只花盆內(nèi)裝1.6kg的土壤.

1.2 植物材料的準(zhǔn)備

加拿大一枝黃花的根狀莖挖取自復(fù)旦大學(xué)旺溪植物園.選取直徑約5mm的根狀莖，剪成長(zhǎng)5cm的根段，于溫室中培養(yǎng)至芽點(diǎn)萌發(fā)，當(dāng)幼苗長(zhǎng)至4cm高時(shí)挑選大小一致的個(gè)體進(jìn)行移栽.野大豆種子產(chǎn)自山東東營(yíng)，在培養(yǎng)箱中萌發(fā)至第一對(duì)真葉展開后移栽.

1.3 野大豆與加拿大一枝黃花的種間競(jìng)爭(zhēng)

野大豆與加拿大一枝黃花的種間競(jìng)爭(zhēng)設(shè)置如圖1所示.

共有4種競(jìng)爭(zhēng)模式： (1) 無競(jìng)爭(zhēng)組： 野大豆與加拿大一枝黃花的單種，密度為1株植物/盆；(2) 地下競(jìng)爭(zhēng)： 野大豆與加拿大一枝黃花栽種于同一花盆中，牽引野大豆的地上部分至花盆外，從而避免植物的地上競(jìng)爭(zhēng)、僅保留地下競(jìng)爭(zhēng).密度為1株加拿大一枝黃花+1株野大豆；(3) 地上競(jìng)爭(zhēng)： 野大豆與加拿大一枝黃花分別栽種于兩個(gè)花盆中，將野大豆地上部分牽引至加拿大一枝黃花之上，形成地上競(jìng)爭(zhēng)、避免地下競(jìng)爭(zhēng).密度為1株加拿大一枝黃花+1株野大豆；(4) 全競(jìng)爭(zhēng)： 野大豆與加拿大一枝黃花栽種于同一花盆中，將野大豆的地上部分牽引至加拿大一枝黃花之上，同時(shí)形成地上競(jìng)爭(zhēng)與地下競(jìng)爭(zhēng)，密度為1株加拿大一枝黃花+1株野大豆.每種競(jìng)爭(zhēng)處理設(shè)置滅菌組與未滅菌組，每組設(shè)5個(gè)重復(fù)，共計(jì)60盆、80株植物.實(shí)驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，每2周隨機(jī)移動(dòng)一次花盆位置，以排除位置效應(yīng)造成的差異.

1.4 苯菌靈處理

本研究通過添加苯菌靈抑制植物與土壤微生物的共生作用.選用藍(lán)豐生化50%苯菌靈可濕性粉劑.在植物生長(zhǎng)的過程中，每隔2周對(duì)苯菌靈處理組的植物施加100mL苯菌靈溶液，濃度為1g/L，苯菌靈溶液現(xiàn)配現(xiàn)用.

1.5 植物的收獲

植物種植于2018年1月，收獲于2018年5月.植物收獲后，用自來水將地上部分洗凈，并分為以下3個(gè)部分： (1) 植物中段完全展開的葉片(選取5～10片)，使用葉面積儀(LI-3050C)測(cè)量植物的葉面積，烘干稱重后用于計(jì)算植物的比葉面積(葉面積/葉生物量).(2) 剩余的葉片、未展開的葉片與芽；(3) 植物的莖.植物的根系洗凈后，挑選出部分根系用于測(cè)定菌根真菌侵染率(見1.6).將植物各部分放入65℃的烘箱中烘干72h，測(cè)定植物各部分的生物量.其中，野大豆的繁殖生物量為野大豆的豆莢與種子的生物量之和；植物的根冠比為植物地下生物量/地上生物量；總?cè)~面積為比葉面積×葉片總生物量；葉根比為植物總?cè)~面積/地下生物量.

1.6 菌根真菌侵染率的測(cè)定

對(duì)每株植物，選取直徑<1mm的一級(jí)側(cè)根，剪成1.5cm左右的根段，共計(jì)50個(gè)根段.為了更好地觀察菌根真菌，使用墨水醋染色法染色[29].加拿大一枝黃花與野大豆均為叢枝菌根植物，墨水醋染色方法能對(duì)叢枝菌根真菌的叢枝、泡囊等結(jié)構(gòu)染色，而不對(duì)病原真菌等微生物染色[30].此外，為了更精確地比較植物菌根侵染率的差異，本文在放大交叉法[31]與侵染率分級(jí)強(qiáng)度法[32]的基礎(chǔ)上略作改進(jìn).具體操作為： 將植物的根段置于1mm×1mm的網(wǎng)格上，使用尼康CF160光學(xué)顯微鏡，在200倍下觀察根段與網(wǎng)格相交處的菌根真菌侵染情況，每份根系樣品共觀察400～500個(gè)交點(diǎn).將相交處的侵染率分為0%，1%，(1,10%)，[10%,50%)，50%，(50%，90%]，(90%,100%]，共7個(gè)區(qū)間等級(jí)(分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見圖2).其中，當(dāng)無法確定侵染率<50%或>50%時(shí)，將侵染率記為50%.判斷相交處的菌根侵染情況的等級(jí)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)等級(jí)下的交點(diǎn)數(shù)量，記為N0,N1,N2,N3,N4,N5,N6，按以下公式計(jì)算菌根真菌侵染率：

其中，交點(diǎn)數(shù)量(N0～N6)前的系數(shù)代表該等級(jí)的平均侵染率.如，用30%代表[10%,50%)這一等級(jí)的侵染率.

1.7 競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)以下公式計(jì)算種間競(jìng)爭(zhēng)條件下的競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)[33]：

加拿大一枝黃花相對(duì)產(chǎn)量=lg(Wcb/Wcc)，

野大豆相對(duì)產(chǎn)量=lg(Wbc/Wbb)，

競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度指數(shù)=(Wbb+Wcc)/(Wbc+Wcb)-1，

其中：Wcc為單獨(dú)種植時(shí)加拿大一枝黃花的干重，Wbb為單獨(dú)種植時(shí)野大豆的干重，Wcb為混合種植時(shí)加拿大一枝黃花的干重，Wbc為混合種植時(shí)野大豆的干重.加拿大一枝黃花與野大豆相對(duì)產(chǎn)量>0則表示競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，加拿大一枝黃花與野大豆相對(duì)產(chǎn)量<0則表示競(jìng)爭(zhēng)抑制了植物的生長(zhǎng)；競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度指數(shù)越高表示植物的種間競(jìng)爭(zhēng)越強(qiáng)；競(jìng)爭(zhēng)平衡指數(shù)增高表明加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)能力增強(qiáng)而野大豆的競(jìng)爭(zhēng)能力減弱[33].

1.8 數(shù)據(jù)分析

利用R 3.2.2進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖.使用Shapiro.test對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)、使用leveneTest進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn).所有數(shù)據(jù)滿足正態(tài)性與方差齊性之后，使用完全隨機(jī)兩因素方差分析，然后使用LSD檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，比較加拿大一枝黃花與野大豆的生長(zhǎng)性狀對(duì)苯菌靈添加的響應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)系數(shù)對(duì)苯菌靈添加的響應(yīng).

2 結(jié) 果

2.1 苯菌靈添加對(duì)共生微生物的影響

苯菌靈添加使野大豆與加拿大一枝黃花的菌根真菌侵染率分別下降25%與28%(圖3(a)，P<0.001)，有效抑制了植物與叢枝菌根真菌的共生作用.且添加苯菌靈前后，野大豆的菌根真菌侵染率均顯著高于加拿大一枝黃花(圖3(a)，P<0.001).苯菌靈的添加使野大豆的根瘤生物量下降58%(表1，P<0.001).

2.2 植物性狀對(duì)苯菌靈添加的響應(yīng)

單種條件下，苯菌靈添加使野大豆與加拿大一枝黃花總生物量顯著下降(圖3(b)，P<0.001)，但是兩種植物的生物量下降程度無顯著差異(表1).添加苯菌靈前后，野大豆的總生物量均高于加拿大一枝黃花(圖3(b)，P<0.001).

參數(shù)野大豆加拿大一枝黃花P值苯菌靈-苯菌靈+苯菌靈-苯菌靈+苯菌靈物種交互作用總生物量(g)3.12±0.19a2.46±0.14b2.43±0.06b1.77±0.18c0.0000.0000.995地上生物量(g)2.76±0.17a2.14±0.13b1.69±0.02c1.29±0.12d0.0010.0000.383莖生物量(g)0.91±0.08a0.70±0.06b0.60±0.05b0.39±0.06c0.0040.0000.939

(續(xù)表)

比較野大豆與加拿大一枝黃花的生物量分配策略，由表1可知： 未添加苯菌靈時(shí)，野大豆的總生物量、地上生物量、莖生物量、葉根比均大于加拿大一枝黃花(表1，P<0.001)；而野大豆的總?cè)~面積、比葉面積、根生物量與根冠比均小于加拿大一枝黃花(表1，P<0.001).進(jìn)一步比較單種條件下，苯菌靈添加對(duì)野大豆與加拿大一枝黃花生長(zhǎng)的影響.由表1可知，苯菌靈添加降低了野大豆與加拿大一枝黃花的地上生物量、莖生物量與葉生物量(P<0.05).

但是兩種植物的總?cè)~面積、比葉面積、葉根比、地下生物量與根冠比對(duì)苯菌靈添加的響應(yīng)不同(P<0.05).添加苯菌靈后，野大豆的總?cè)~面積下降22%，比葉面積降低15%，葉根比下降14%，地下生物量無顯著變化，根冠比上升18%.而加拿大一枝黃花總?cè)~面積上升15%，比葉面積上升38%，葉根比上升78%，地下生物量下降35%，根冠比下降15%.此外，苯菌靈添加后，野大豆繁殖生物量(豆莢與種子)下降37%.

2.3 苯菌靈添加對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響

由圖4(a)、圖4(b)可知，添加苯菌靈之前，地下競(jìng)爭(zhēng)使加拿大一枝黃花與野大豆相對(duì)產(chǎn)量顯著下降，而地上競(jìng)爭(zhēng)并沒有影響兩種植物的相對(duì)產(chǎn)量.地上競(jìng)爭(zhēng)情況下，添加苯菌靈對(duì)加拿大一枝黃花相對(duì)產(chǎn)量無顯著影響；地下競(jìng)爭(zhēng)情況下，添加苯菌靈使加拿大一枝黃花相對(duì)產(chǎn)量顯著上升(P<0.001).而苯菌靈添加并未影響野大豆的相對(duì)產(chǎn)量(圖4(b)).從競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度指數(shù)看，野大豆與加拿大一枝黃花的地下競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)于地上競(jìng)爭(zhēng)，苯菌靈添加顯著降低了植物的種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度.苯菌靈添加改變了野大豆與加拿大一枝黃花的種間競(jìng)爭(zhēng)平衡.僅存在地上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，苯菌靈添加并未改變植物的種間競(jìng)爭(zhēng)平衡，當(dāng)存在地下競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，苯菌靈添加改變了野大豆與加拿大一枝黃花的種間競(jìng)爭(zhēng)平衡，使野大豆競(jìng)爭(zhēng)能力減弱而加拿大一枝黃花競(jìng)爭(zhēng)能力增強(qiáng).

3 討 論

干擾導(dǎo)致植物-土壤微生物共生關(guān)系減弱的現(xiàn)象已被廣泛報(bào)道[6-9]，但共生作用破壞對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響及其機(jī)制仍不明確.我們的研究發(fā)現(xiàn)，雖然單種情況下，苯菌靈的添加對(duì)野大豆與加拿大一枝黃花生物量的影響程度無顯著差異(分別下降21%與27%)，但是苯菌靈添加后野大豆與加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)平衡發(fā)生變化.這可能是由于苯菌靈抑制了植物與土壤微生物的互利共生，導(dǎo)致不同植物的生物量分配策略發(fā)生不同的變化[17-18]，主要表現(xiàn)為野大豆葉根比下降，而加拿大一枝黃花葉根比上升；從而提高了加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)能力而降低了野大豆的競(jìng)爭(zhēng)能力.本研究結(jié)果表明，植物生長(zhǎng)對(duì)共生作用破壞的響應(yīng)存在明顯的種間差異，這種差異可能是部分植物在干擾生境下表現(xiàn)出相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的原因[19].

3.1 苯菌靈添加對(duì)土壤共生微生物的影響

菌根真菌與根瘤菌是植物群落動(dòng)態(tài)的重要驅(qū)動(dòng)因子[1]，也是存在于加拿大一枝黃花與野大豆根際最主要的共生微生物[26-27].苯菌靈的添加顯著降低了植物的菌根真菌侵染率，并降低了野大豆的根瘤生物量，破壞了植物與其共生微生物之間的共生關(guān)系(圖3，表1).雖然苯菌靈的生物毒性可能會(huì)對(duì)土壤中的病原真菌或是線蟲造成不利影響，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[23]，但是本實(shí)驗(yàn)中，苯菌靈的添加顯著降低了單種條件下野大豆與加拿大一枝黃花的生物量(圖4).苯菌靈添加對(duì)兩種植物生長(zhǎng)的抑制說明苯菌靈添加對(duì)植物-共生微生物關(guān)系的作用要顯著強(qiáng)于其對(duì)植物-病原真菌關(guān)系的影響[23].需要指出的是，盡管本研究結(jié)果間接表明了苯菌靈主要影響植物與土壤中有益微生物的共生作用，我們?nèi)酝扑]后續(xù)研究結(jié)合高通量測(cè)序或PLFA等分子檢測(cè)技術(shù)[34-35]，以便更直接地證實(shí)這一推斷.

3.2 苯菌靈干擾對(duì)植物生長(zhǎng)與種間競(jìng)爭(zhēng)的影響

植物會(huì)依據(jù)自身對(duì)地上資源與地下資源的需求，改變地上、地下部分的生物量分配[33,36-37].例如，當(dāng)土壤的水分、養(yǎng)分條件下降時(shí)，植物的根冠比上升；當(dāng)光照強(qiáng)度降低時(shí)，植物的根冠比下降[19,33].由于地下競(jìng)爭(zhēng)影響植物的生物量大小[36]，而地上競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致植物個(gè)體大小的不等性[19,37]，因此植物的根冠比變化往往會(huì)導(dǎo)致植物群落組成的變化[19,37].以往研究表明，施肥能夠降低地下資源對(duì)植物生長(zhǎng)的限制，導(dǎo)致植物的根冠比降低，加劇植物間的地上競(jìng)爭(zhēng)(非對(duì)稱競(jìng)爭(zhēng))，從而降低植物群落的多樣性[19,38].

共生微生物能夠提高植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，其效果與施肥類似[3].而苯菌靈的干擾破壞了植物與土壤微生物的共生作用，并影響了植物的種間競(jìng)爭(zhēng)平衡，使加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)上升而野大豆的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)下降.由于單種條件下，苯菌靈添加對(duì)兩種植物生物量的影響程度無顯著差異(圖4，表1)，但是兩種植物的生物量分配策略對(duì)苯菌靈干擾的響應(yīng)不同.因此，我們推斷本研究中，苯菌靈并非通過抑制植物的生長(zhǎng)直接影響植物的種間競(jìng)爭(zhēng)，而是通過抑制共生作用改變了植物的營(yíng)養(yǎng)獲取方式，這進(jìn)一步影響了植物的生物量分配及植物的地上、地下競(jìng)爭(zhēng)能力，間接改變了植物的種間競(jìng)爭(zhēng)平衡[19,38-39].

本研究中，苯菌靈添加使野大豆的根冠比上升、葉根比無顯著變化(表1)；而加拿大一枝黃花的根冠比降低、葉根比上升(表1).這種差異或與兩種植物的生長(zhǎng)習(xí)性及其菌根依賴性有關(guān).野大豆作為一類攀緣植物，無法直立生長(zhǎng)，為了滿足自身對(duì)光照的需求，其生物量多往地上分配，導(dǎo)致根冠比較低[33,40].而根冠比越低的植物對(duì)共生微生物的依賴性往往越強(qiáng)[17].菌根真菌及根瘤菌提高了野大豆對(duì)N、P等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收、取代了部分的根系作用，使其維持較低的根冠比，有利于植物的地上競(jìng)爭(zhēng)[17,41].當(dāng)共生作用遭到抑制后，野大豆需要更多地依賴自身的根系吸收土壤中的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，因此采取了保留根系生物量、犧牲地上生物量的策略，表現(xiàn)出總?cè)~面積及葉根比下降、根冠比上升的響應(yīng)特征[17，41-42].與野大豆不同，加拿大一枝黃花的根系發(fā)達(dá)，對(duì)于共生破壞的適應(yīng)性更高[18,28].其根狀莖除了具有吸收功能外，還具有貯藏、繁殖功能[28].菌根真菌的存在會(huì)消耗宿主植物的部分光合產(chǎn)物，菌根侵染率的降低可以減少植物的光合產(chǎn)物分配到根系中的比例[28]；此外，隨著菌根真菌侵染率的降低，植物獲取資源的能力也降低，植物由營(yíng)養(yǎng)繁殖轉(zhuǎn)向有性繁殖，根系貯藏物質(zhì)減少，根冠比降低[43-44].

僅存在地上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，苯菌靈添加并未影響野大豆與加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度與競(jìng)爭(zhēng)平衡(圖4)，這似乎與基于生物量分配策略的推斷不符.可能是由于本研究中植物的種植密度低，地上競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度也低，而植物對(duì)地上競(jìng)爭(zhēng)的響應(yīng)有時(shí)是以其地下競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度為條件的[36,45-46]，因此僅存在地上競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，苯菌靈添加未改變植物的競(jìng)爭(zhēng)平衡.

僅存在地下競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，苯菌靈的添加降低了加拿大一枝黃花與野大豆的地下競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，這與以往的研究結(jié)果一致[26,28,41]，說明共生作用破壞后，植物的生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度下降.此外，苯菌靈添加后，加拿大一枝黃花相對(duì)產(chǎn)量增加而野大豆相對(duì)產(chǎn)量無顯著變化，這與競(jìng)爭(zhēng)平衡指數(shù)的升高相吻合(圖4).說明野大豆受苯菌靈干擾的影響更大，對(duì)加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)下降.雖然苯菌靈的干擾對(duì)加拿大一枝黃花根生物量的影響更大，但是共生作用破壞后，植物主要依賴自身的根系吸收土壤養(yǎng)分，而野大豆的根系生物量遠(yuǎn)低于加拿大一枝黃花，其對(duì)共生關(guān)系破壞的適應(yīng)性較差[18].因此野大豆對(duì)加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)顯著下降，加拿大一枝黃花的相對(duì)產(chǎn)量及競(jìng)爭(zhēng)平衡指數(shù)升高.這也側(cè)面表明了野大豆對(duì)共生微生物的依賴性更強(qiáng)[16].

在地下競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上添加地上競(jìng)爭(zhēng)，加拿大一枝黃花的相對(duì)產(chǎn)量與競(jìng)爭(zhēng)平衡指數(shù)繼續(xù)升高(圖4)，其中，加拿大一枝黃花的相對(duì)產(chǎn)量甚至達(dá)到了0.1，出現(xiàn)了超產(chǎn)，導(dǎo)致植物的競(jìng)爭(zhēng)平衡發(fā)生顯著改變.這可能由以下兩方面因素導(dǎo)致： (1) 植物與豆科植物的套種往往能夠?qū)е鲁a(chǎn)[33].雖然苯菌靈的添加抑制了根瘤的生長(zhǎng)，但并非完全殺死根瘤菌，殘留的根瘤菌依然能夠提高土壤中的N含量，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng).(2) 兩種植物的生物量分配策略對(duì)苯菌靈添加的響應(yīng)不同，野大豆通過犧牲地上部分以保障地下部分對(duì)養(yǎng)分的吸收，根冠比上升；而加拿大一枝黃花則是保留地上部分，根冠比下降.這意味著苯菌靈對(duì)野大豆地上競(jìng)爭(zhēng)能力的影響更大.由于地上競(jìng)爭(zhēng)與地下競(jìng)爭(zhēng)的加性效應(yīng)[33,46]，這進(jìn)一步降低了野大豆的總生物量，此消彼長(zhǎng)，加拿大一枝黃花的相對(duì)產(chǎn)量上升.研究表明，相較于地下競(jìng)爭(zhēng)，地上競(jìng)爭(zhēng)通過影響植物個(gè)體大小的不等性、對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)的影響更大[37].本研究的結(jié)果亦再次證實(shí)，地上競(jìng)爭(zhēng)對(duì)植物種間競(jìng)爭(zhēng)平衡的影響大于地下競(jìng)爭(zhēng)，不過這種影響需要以地下競(jìng)爭(zhēng)作為前提.

4 總 結(jié)

滅菌劑的施用及其他環(huán)境干擾能直接或間接破壞植物與菌根真菌及其他土壤微生物的共生作用，而不同的植物對(duì)共生微生物的依賴性不同，對(duì)這類干擾的響應(yīng)也不同，這勢(shì)必影響植物在種間競(jìng)爭(zhēng)中的表現(xiàn).本研究結(jié)果表明，雖然單種條件下，苯菌靈對(duì)加拿大一枝黃花與野大豆生物量的影響程度無顯著差異，但是在種間競(jìng)爭(zhēng)條件下，土著植物野大豆受到的影響更大.苯菌靈能夠降低土著植物野大豆對(duì)加拿大一枝黃花的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，間接促進(jìn)了加拿大一枝黃花的入侵.本研究不僅揭示了共生作用破壞影響植物種間競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制，還對(duì)于入侵植物的管理具有一定的指導(dǎo)意義.我們的結(jié)果意味著，在未來的生產(chǎn)實(shí)踐中，需要重視農(nóng)藥殘留及其他人類活動(dòng)對(duì)土壤微生物的干擾、加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)棄耕地及其他干擾后生境的重視與監(jiān)控，預(yù)防外來植物的入侵與定殖.此外，若要從共生微生物的角度控制入侵植物，則需要結(jié)合入侵植物、土著植物對(duì)共生微生物的依賴性及具體的環(huán)境條件進(jìn)行分析[47].