環(huán)境因子對入侵植物空心蓮子草生長-防御生理特性的影響

吳 昊，王曉冉，陳彥冰，章甜甜

(1 信陽師范學院 生命科學學院，河南 信陽 464000； 2 中國科學院 武漢植物園，湖北 武漢 430074)

當前全球環(huán)境經(jīng)歷著巨大變化，氣候變暖、氮沉降和降雨帶北移等顯著改變了植物的分布及生理生態(tài)特性[1]。作為全球變化的重要組分，外來生物入侵對生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟建設(shè)及生物多樣性造成了嚴重威脅[2]。全球環(huán)境變化增加了資源波動程度及生境片斷化，為外來植物的入侵擴散提供了有利條件[3]。入侵植物對環(huán)境變化響應強烈，其可通過提高長勢和形態(tài)可塑性等方式維持入侵優(yōu)勢[4]。升溫導致馬纓丹Lantana camara降低了對地下生物量的分配，提高了對葉片等光合器官的投資[5]；氮添加顯著增加了瘤突蒼耳Xanthium strumarium的生物量、葉綠素含量及蒸騰速率[6]；增溫和施氮的交互效應提升了入侵植物加拿大一枝黃花Solidago canadensis的葉面積和葉綠素含量，顯著增強其葉片獲取資源的能力[7]；降雨增加導致的水位波動顯著提升了粉綠狐尾藻Myriophyllum aquaticum的形態(tài)可塑性，有助于其對本土水生植物的競爭替代[8]。

入侵植物通常還具備強大的次生代謝防御能力，如合成單寧、黃酮、多酚和花青素等化學物質(zhì)；次生代謝是入侵植物在入侵地中與生物、非生物環(huán)境相互作用的結(jié)果，對于其提高種間競爭力及生態(tài)適應性具有重要作用[9-10]。沈文燕等[11]發(fā)現(xiàn)，外界高硫環(huán)境導致互花米草Spartina alterniflora體內(nèi)花青素含量明顯升高；五爪金龍Ipomoea cairica體內(nèi)總黃酮含量與光照強度及本土植物競爭程度呈顯著正相關(guān)[12]；研究發(fā)現(xiàn)，入侵中國的美洲商陸Phytolacca americana體內(nèi)皂苷含量和入侵美國的烏桕Sapium sebiferum體內(nèi)單寧及類黃酮含量均隨緯度上升而增加，且烏桕在高緯度地區(qū)相對減少了用于防御生物壓力的單寧的分泌，增加了用于抵抗無機環(huán)境脅迫的類黃酮的分泌[13-14]。Huang 等[15]發(fā)現(xiàn)，烏桕入侵地種群用以防御專食性昆蟲的單寧含量顯著低于原產(chǎn)地種群，且咀嚼式昆蟲能夠增加入侵地種群的總酚、單寧和黃酮含量。深入探討入侵植物生理特性與異質(zhì)生境之間的關(guān)系對于闡明生物入侵機制及預測全球變化下的入侵態(tài)勢具有重要意義。

空心蓮子草Alternanthera philoxeroides為莧科蓮子草屬雜草，原產(chǎn)于南美洲，由于其具有強大的生態(tài)可塑性、水陸兩棲性及克隆生殖能力，已廣泛入侵中國南北方20余省，給經(jīng)濟建設(shè)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了巨大危害[16]。前人研究表明，目前中國境內(nèi)空心蓮子草的分布北界為37°N，氣候變暖和氮沉降顯著提升了空心蓮子草的可塑性及競爭力，其還可與土壤微生物互作以削弱本土群落的生物抗性[17-18]。部分學者還發(fā)現(xiàn)陸生環(huán)境中空心蓮子草的單寧和總酚含量顯著高于水陸兩棲生境的[19]；光氧化脅迫下，空心蓮子草葉綠素、總酚和類黃酮含量均高于本土種刺花蓮子草A.pungens[20]；南方菟絲子Cuscuta australis寄生顯著增加了空心蓮子草的單寧、總酚和皂苷等防御性物質(zhì)含量[21]。但關(guān)于大空間尺度上空心蓮子草生理特性對多重環(huán)境的響應鮮見報道。本研究擬在大緯度梯度范圍內(nèi)開展野外調(diào)查，詳細探討生物及非生物因素對水、陸兩境空心蓮子草生長和防御等方面生理特性的影響，以期為其入侵防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 野外調(diào)查

于2019、2020年的7—8月植物生長旺季，對中國北緯21°～37°范圍內(nèi)的空心蓮子草入侵植物群落進行野外調(diào)查。沿著每2個緯度梯度，在空心蓮子草種群連續(xù)入侵面積＞100 m2的區(qū)域設(shè)置樣地。共設(shè)置8條緯度帶，每條緯度帶選取4～5個陸生調(diào)查樣地，并在同緯度帶生境條件較為一致的區(qū)域設(shè)置4～5個水生調(diào)查樣地。共計設(shè)置72個樣地(陸生 36 個，水生 36 個)，每個樣地的面積為 10 m×10 m，間隔10 km以上。樣地所在研究區(qū)涵蓋了中國南北方的10省17市，橫跨熱帶、亞熱帶和暖溫帶等3大氣候區(qū)。樣地所屬的17個城市的年均氣溫、年均降雨量與緯度共變關(guān)系如圖1所示。

圖1 研究區(qū)樣地所屬城市的緯度-氣溫和緯度-降雨量擬合關(guān)系Fig.1 Fitting relationships between the latitude and temperature,precipitation of sampling cities

調(diào)查時，在各樣地中央均勻布設(shè)3條10 m長的樣帶，每條樣帶上再均勻設(shè)置5個面積為0.5 m×0.5 m的樣方，按照草本群落調(diào)查方法[16]詳細記錄每個樣方中植物的物種名稱、高度、蓋度和多度。對于少數(shù)水庫、河流等水位較深的生境，為方便調(diào)查，選取靠近岸邊的水生型空心蓮子草毯狀斑塊，沿水平方向連續(xù)設(shè)置3條10 m長的樣帶進行調(diào)查。植物調(diào)查結(jié)束后，隨機選擇1條樣帶使用可伸縮式捕蟲網(wǎng) (直徑長 30 cm，網(wǎng)深度 60 cm)橫掃 10 網(wǎng) (來回掃1次算1網(wǎng))，將捕獲的昆蟲裝進昆蟲瓶帶回實驗室后進行物種鑒定。最后，沿各樣地的任意1條對角線均勻設(shè)置3個取樣點，采集0～20 cm土層土壤樣品約250 g，裝進自封袋，置于車載冰箱(Mobicool CF-50DC，德國)冷藏保存，及時帶回實驗室。

1.2 指標測定

每個樣地中隨機選擇5個樣方，以手持式植物多酚-葉綠素測量儀(Dualex，法國)隨機測定每個樣方中5片空心蓮子草葉片的氮平衡指數(shù)(Nitrogen balance index,NBI)、葉綠素指數(shù)(Chlorophyll index,Chla)、類黃酮指數(shù) (Flavonoid index,Flav)和花青素指數(shù) (Anthocyanin index,Anth)，最后取平均值。

利用手持式GPS定位儀(Garmin eTrex20，美國)測量各樣地所在生境的經(jīng)度、緯度和海拔數(shù)據(jù)。將土壤樣品自然晾干磨碎后，過20目篩，利用全自動化學分析儀(Easychem Plus，意大利)測定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。對于水生樣地，利用YSI便攜式水質(zhì)分析儀(Professional Plus，美國)測量水體中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。測量前使用標準液對YSI分析儀探頭進行校準，然后將連接電纜線的探頭置于水面下約10 cm處，待主機顯示屏上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定讀數(shù)。在中央氣象臺國家氣象中心(http://www.n mc.cn)在線信息庫中獲取樣地所在城市近50年以來的年均氣溫及年均降雨量等數(shù)據(jù)。

根據(jù)野外采集的昆蟲標本統(tǒng)計各樣地昆蟲豐富度和專食性生防昆蟲蓮草直胸跳甲數(shù)量；根據(jù)野外調(diào)查的植物指標分別計算植物重要值及各樣地的α-物種多樣性指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)計算

植物重要值=(相對高度+相對蓋度+相對多度)/3。

Patrick 豐富度指數(shù) (R)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù) (H)、Simpson 多樣性指數(shù) (λ)和 Pielou 均勻度指數(shù)(E)的計算公式[22]如下：

式中，S為樣地內(nèi)所有植物的物種數(shù)，Pi為第i種植物的相對重要值。

1.4 統(tǒng)計分析

使用 SPSS 16.0 軟件 (SPSS Inc，美國)對各樣地的7項非生物因子(經(jīng)度、緯度、海拔、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、年均氣溫、年均降雨量)和6項生物因子(昆蟲豐富度、蓮草直胸跳甲數(shù)量、植物群落的Patrick指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù))分別與空心蓮子草的4項生理指標(NBI、Chla、Flav和Anth)進行單因素回歸分析，以軟件提供的11種曲線方程建立模型，選擇回歸顯著且擬合系數(shù)最高者進行討論。對水、陸兩境空心蓮子草各自的4項生理指標進行獨立樣本t檢驗。

為了探討多重因子對空心蓮子草生理特性的綜合效應，在水、陸兩境樣地中分別建立36×7的非生物因子矩陣、36×6的生物因子矩陣和36×4的植物生理指標矩陣。使用Canoco 4.5軟件(Microsoft，美國)對2種生境中空心蓮子草4項生理指標沿生物、非生物環(huán)境梯度的分布進行典范對應分析(Canonical correspondence analysis，CCA)，并利用基于499次置換的 Monte Carlo檢驗判斷各環(huán)境因子與CCA排序軸的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境與陸生型空心蓮子草生理指標的回歸分析

獨立樣本t檢驗結(jié)果表明，水、陸2種生境空心蓮子草各自的NBI、Chla、Flav和Anth之間均無顯著性差異。陸生型空心蓮子草4項生理指標與各因子的回歸分析如圖2所示，Chla與經(jīng)度之間具有顯著的二項式擬合關(guān)系(P=0.049)，其隨經(jīng)度上升而增加。Flav與緯度(P=0.042)和經(jīng)度(P=0.003)之間均具有顯著的生長函數(shù)擬合關(guān)系，其隨緯度、經(jīng)度的上升而增加；Flav與年均降雨量(P=0.014)、Patrick豐富度指數(shù)(P=0.037)之間分別具有顯著的線性和對數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系，其隨年均降雨量、Patrick指數(shù)的上升而下降；Flav與昆蟲豐富度之間具有顯著的二項式擬合關(guān)系(P=0.040)，其隨昆蟲豐富度增加呈現(xiàn)“先上升-后下降”趨勢。陸生型空心蓮子草的NBI、Anth與所有異質(zhì)性環(huán)境因子之間均無顯著性關(guān)系。

圖2 陸生型空心蓮子草生理指標與環(huán)境因子的回歸擬合Fig.2 Regression fittings between physiological indexes of terrestrial Alternanthera philoxeroides and environmental factors

2.2 環(huán)境與水生型空心蓮子草生理指標的回歸分析

回歸分析結(jié)果表明(圖3)，水生型空心蓮子草的Chla與水體硝態(tài)氮之間具有顯著的復合函數(shù)擬合關(guān)系(P=0.037)，其隨硝態(tài)氮的增加而上升。Flav與緯度、年均降雨量之間分別具有顯著的二項式(P=0.039)和反函數(shù)(P=0.028)擬合關(guān)系，整體而言，水生型空心蓮子草的Flav隨緯度上升而增加、隨年均降雨量增加而下降，這與陸生型空心蓮子草Flav變化趨勢基本相一致。Anth與緯度、年均溫之間分別具有顯著的S型曲線函數(shù)(P=0.012)和生長函數(shù)(P=0.008)擬合關(guān)系，其隨緯度上升而下降、隨年均溫上升而增加；Anth與Pielou均勻度指數(shù)之間具有顯著的三項式擬合關(guān)系(P=0.016)，其隨Pielou指數(shù)的增加呈明顯波動趨勢。

圖3 水生型空心蓮子草生理指標與環(huán)境因子的回歸擬合Fig.3 Regression fittings between physiological indexes of aquatic Alternanthera philoxeroides and environmental factors

2.3 陸生型空心蓮子草生理指標沿著環(huán)境梯度的CCA排序

陸生型空心蓮子草-非生物因子CCA排序結(jié)果如圖4a所示，前2個排序軸累計包含了99.9%的生態(tài)信息(第1軸92.8%，第2軸7.1%)，第1軸起到?jīng)Q定性作用。由表1和圖4a可知，決定第1軸的主導性非生物因子為海拔；除了銨態(tài)氮含量之外，其余的非生物因子均對CCA第2軸產(chǎn)生了顯著影響。Chla、NBI和Flav均位于排序圖中心位置，表明它們在中等梯度環(huán)境條件下具有最大值；Anth偏離環(huán)境矢量連線距離較遠，說明其基本不受非生物因子的影響。

圖4 陸生型空心蓮子草生理指標與環(huán)境因子的CCA排序Fig.4 CCA ordination of physiological indexes of terrestrial Alternanthera philoxeroides and environmental factors

陸生型空心蓮子草-生物因子CCA排序結(jié)果如圖4b所示，前2個排序軸累計包含100%的生態(tài)信息(第1軸79.2%，第2軸21.8%)，第1軸起到?jīng)Q定性作用。由表1和圖4b可知，第1軸的主導性生物因子依次為Pielou均勻度指數(shù)、昆蟲豐富度和Simpson多樣性指數(shù)，第2軸的主導性生物因子為Patrick豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和昆蟲豐富度。Chla和NBI位于中心位置，表明它們在中等水平的植物多樣性及昆蟲豐富度環(huán)境中具有最大值。Flav與昆蟲豐富度具有一定正向關(guān)系、與Patrick豐富度指數(shù)和 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)具有較大負向關(guān)系，這與回歸分析的結(jié)果基本吻合。Anth與Pielou均勻度指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)具有較大負向關(guān)系。

表1 陸生環(huán)境因子與CCA排序軸的相關(guān)性分析1)Table 1 Correlation analysis of terrestrial environmental factors and CCA axis

2.4 水生型空心蓮子草生理指標沿著環(huán)境梯度的CCA排序

水生型空心蓮子草-非生物因子CCA排序結(jié)果如圖5a所示，前2個排序軸累計包含99.2%的生態(tài)信息(第1軸54.8%，第2軸44.4%)，第1軸的作用較大。由表2和圖5a可知，決定第1軸的主導性非生物因子為海拔，這與陸生型的CCA排序結(jié)果相一致；第2軸的主導性非生物因子為緯度、年均氣溫和年均降雨量。Flav與緯度具有較大正向關(guān)系、與降雨量具有較大負向關(guān)系，這與水、陸兩境的回歸分析結(jié)果均高度一致。NBI與海拔具有極強的負向關(guān)系。Chla在中等環(huán)境梯度下具有最大值，Anth受非生物因子的影響很弱。

圖5 水生型空心蓮子草生理指標與環(huán)境因子的CCA排序Fig.5 CCA ordination of physiological indexes of aquatic Alternanthera philoxeroides and environmental factors

表2 水生環(huán)境因子與CCA排序軸的相關(guān)性分析1)Table 2 Correlation analysis of aquatic environmental factors and CCA axis

水生型空心蓮子草-生物因子CCA排序結(jié)果如圖5b所示，前2軸累計包含96.7%的生態(tài)信息(第1軸62.1%，第2軸34.6%)，第1軸起到?jīng)Q定性作用。由表2和圖5b可知，決定第1軸的主導性生物因子依次為昆蟲豐富度、蓮草直胸跳甲數(shù)量、Pielou均勻度指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)；第2軸的主導性生物因子為Patrick豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)。Flav與Pielou均勻度指數(shù)呈較大正向關(guān)系、與Patrick豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)呈極強負向關(guān)系；NBI與Pielou均勻度指數(shù)、昆蟲豐富度、蓮草直胸跳甲數(shù)量呈極強負向關(guān)系、與Patrick豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)具有較大正向關(guān)系。Chla在中等環(huán)境梯度下具有最大值，Anth基本不受生物因子的影響。

3 討論與結(jié)論

次生代謝產(chǎn)物是植物迅速適應異質(zhì)環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)，入侵植物自身生長與防御功能之間存在此消彼長的權(quán)衡關(guān)系，二者均與環(huán)境密切相關(guān)[23]。類黃酮是一類廣泛存在于植物體內(nèi)的次生代謝產(chǎn)物，具有很強的抗菌、抗蟲和清除自由基等作用，可顯著提升植物的抗逆性及自我防御能力[24]?；貧w分析及CCA均表明，水、陸2種生境空心蓮子草的Flav與緯度呈正向關(guān)系、與降雨量呈負向關(guān)系，這是由于溫度、降雨量等均隨緯度升高而降低，空心蓮子草在高緯度地區(qū)受到多種非生物脅迫導致其Flav增加；與本研究類似，前人發(fā)現(xiàn)歐洲刺柏Juniperus communis、篤斯越桔Vaccinium uliginosum和烏桕等植物的類黃酮含量也均隨緯度升高而增加[14,25-26]。在低降雨量環(huán)境中，干旱脅迫誘導植物利用過剩的光合產(chǎn)物(如：NADPH和磷酸丙糖等)合成類黃酮以減緩生境含水量過低對其生長造成的損傷，而當降雨量逐漸升高時，植物體內(nèi)類黃酮合成關(guān)鍵酶的活性下降使得其Flav降低[27-28]。

CCA中，水、陸兩境空心蓮子草的Flav均與Patrick指數(shù)和Shannon指數(shù)呈負向關(guān)系，是由于植物多樣性增加為群落中昆蟲提供了更廣泛的食物來源，或有助于形成生物防治的“非靶標效應”，降低了昆蟲對空心蓮子草的取食壓力[18,29]，使得空心蓮子草體內(nèi)化學防御物質(zhì)類黃酮含量降低。水生Flav還與Pielou指數(shù)、昆蟲豐富度和蓮草直胸跳甲數(shù)量呈正向關(guān)系，是因為群落中植物分布越均勻，則其對外來植物入侵的抗性越大[30]，且水生型空心蓮子草莖稈的髓部薄壁細胞較薄，蓮草直胸跳甲的化蛹率更高[31]，水生型空心蓮子草為應對更大強度的種間競爭和昆蟲取食壓力而增加其Flav。

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，在光合作用的光吸收中起到核心作用。而氮素是葉綠素的重要組成部分，也是限制植物光合作用的大量營養(yǎng)元素?；貧w分析表明，陸生和水生型空心蓮子草的Chla分別與經(jīng)度、硝態(tài)氮含量具有顯著正向關(guān)系。一方面，中國植物多樣性隨經(jīng)度增加明顯上升，入侵植物為了應對更強的種間競爭而將更多氮素分配至光合器官，通過合成大量葉綠素以提高其光合效能[32]；另一方面，中國境內(nèi)降雨量隨經(jīng)度上升呈增加趨勢，生境水分含量上升可使植物體內(nèi)抗旱性物質(zhì)(如：游離脯氨酸等)含量降低而葉綠素含量增加[33]，且水分對陸生植物生長的限制性作用大于水生植物，使得陸生空心蓮子草的Chla隨經(jīng)度上升而顯著增加。外源環(huán)境中植物可吸收的無機氮主要為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮 ，其中，硝態(tài)氮可顯著促進植物生長，特別是增加其地上生物量及葉綠素含量；而較高濃度的銨態(tài)氮 則會削弱植物對于堿性離子的攝取從而降低陽離子吸附能力，使得線粒體電子傳遞鏈與氧化磷酸化解偶聯(lián)，對植物產(chǎn)生毒害作用[34]。此外，水體連通性使得水域生態(tài)系統(tǒng)中氮素營養(yǎng)的循環(huán)與擴散速率高于陸生生境[35]，故水生型空心蓮子草的Chla隨硝態(tài)氮含量上升而增加。

花青素是廣泛分布于植物體內(nèi)的水溶性糖苷衍生物，其在植物抵御外源非生物脅迫(如紫外線輻射)和生物脅迫(如病蟲害)中起到重要作用[27]?；貧w分析中，水生型空心蓮子草的Anth與緯度呈負向關(guān)系、與年均溫呈正向關(guān)系。緯度是影響植物次生代謝物的重要地理因素之一，低緯度的空心蓮子草具有較高花青素含量，可能是由于低緯度地區(qū)的紫外輻射強度更大，花青素含量的提高可有效清除細胞內(nèi)活性氧，緩解紫外脅迫造成的氧化損傷[36]，且低緯度植食性動物較高緯度地區(qū)對植物施加了更大壓力[37]。前人研究認為，低溫可促進多種蔬菜和花卉的花青素積累，高溫則會加速花青素的降解[38]；但入侵種空心蓮子草原產(chǎn)于南美洲熱帶地區(qū)，具有較高的嗜熱性[16]，故其Anth隨年均氣溫上升而增加，這或使得水生型空心蓮子草在低緯度的高溫地區(qū)比本土植物具有更高的化學防御水平。CCA中，陸生型空心蓮子草的Anth與Pielou指數(shù)和Simpson指數(shù)呈負向關(guān)系，可能由于陸生植物多樣性的大幅增加顯著削弱了空心蓮子草的防御能力。

氮平衡指數(shù)是重要的脅迫熒光參數(shù)，其為葉綠素和類黃酮的比值，反映了植物的長勢[39]。CCA中，水生空心蓮子草NBI與Pielou指數(shù)、昆蟲豐富度和蓮草直胸跳甲數(shù)量呈負向關(guān)系、與Patrick指數(shù)和Shannon指數(shù)呈正向關(guān)系，這與其Flav在CCA中的排列呈完全相反的格局，表明水生型空心蓮子草的生長和防御之間具有明顯的權(quán)衡關(guān)系。當種間競爭作用加劇或昆蟲數(shù)量增多時，水生型空心蓮子草優(yōu)先將資源用于合成類黃酮而相應降低其生物量積累。高芳磊等[19]、郭素民等[21]也發(fā)現(xiàn)模擬昆蟲取食和南方菟絲子寄生會誘導空心蓮子草的生長-防御權(quán)衡策略。此外，CCA中水生型空心蓮子草的NBI還與海拔具有較大負向關(guān)系，是由于高海拔的低溫和紫外線輻射等逆境條件加劇了入侵植物對其化學防御能力的投資而相應降低了長勢[40]。本研究中，Chla的CCA排序與回歸分析結(jié)果不相一致，可能是由于大空間尺度上生物、非生物因子之間產(chǎn)生了顯著的交互作用或共變效應，使得Chla在中等水平的多重環(huán)境梯度下具有最大值。此外，相較于水生生境，陸生型空心蓮子草的“生長-防御”權(quán)衡關(guān)系受外源環(huán)境的影響程度較弱，表明其入侵力可能具有較高的內(nèi)穩(wěn)性。

本研究表明，入侵植物空心蓮子草的“生長-防御”生理特性在大空間尺度上受到異質(zhì)性環(huán)境因子的顯著影響。經(jīng)度、水體硝態(tài)氮含量影響空心蓮子草的生理生長特性；緯度、降雨量、年均氣溫和植物多樣性影響空心蓮子草的化學防御特性；而植物多樣性、昆蟲發(fā)生量使得水生型空心蓮子草的生長與防御之間具有明顯權(quán)衡關(guān)系。關(guān)于陸生型空心蓮子草“生長-防御”權(quán)衡策略的內(nèi)穩(wěn)性機制有待進一步研究驗證。