采用微藻實驗系統的入侵機制假說整合

李偉， 王秋華， 何淑嬙

(1. 西南林業大學 云南生物多樣性研究院， 云南 昆明 650224;2. 西南林業大學 土木工程學院， 云南 昆明 650224;3. 西南林業大學 云南省森林災害預警與控制重點實驗室， 云南 昆明 650224)

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采用微藻實驗系統的入侵機制假說整合

李偉1， 王秋華2,3， 何淑嬙1

(1. 西南林業大學 云南生物多樣性研究院， 云南 昆明 650224;2. 西南林業大學 土木工程學院， 云南 昆明 650224;3. 西南林業大學 云南省森林災害預警與控制重點實驗室， 云南 昆明 650224)

構建實驗微藻群落，通過單培養的方式獲取各微藻的生長特征參數，以反映其內稟特征和預測其競爭地位.混合培養所有微藻，對微藻競爭結果的理論預測進行實驗驗證，并開展一系列入侵模擬實驗.實驗結果表明:纖細角星鼓藻(Staurastrumgracile)在競爭過程中始終保持優勢地位，并且能夠成功入侵單建種群落,但當被引入由多個微藻組成的共建種群落時其競爭優勢不再明顯.

養分資源; 競爭能力; 入侵實驗; 微藻系統

物種入侵是生態學研究的一個重要內容.入侵種不但會與原生種就有限的資源展開激烈的競爭，導致部分物種的局域絕滅，而且會對入侵地的生態系統產生深遠而復雜的影響[1-5].近年來,入侵生物學已成為新興生態學研究的熱點領域之一[6-12].目前，生態學家已提出多種解釋物種入侵機制的假說，包括基于探索物種自身生物特性的內稟優勢假說、基于探索物種間相互關系的天敵逃逸假說、物種競爭假說、增強競爭力進化假說，以及基于探索生態系統抵御入侵性的多樣性阻礙假說.然而，整合多種假說，系統探索入侵機理機制方面的研究十分有限[13-16]，特別是以養分資源為切入點，開展整合入侵假設的研究較少[17-18].本文構建實驗微藻群落，對內稟優勢假說、物種競爭假說和多樣性阻礙假說進行整合研究.

1　材料與方法

1.1實驗材料

選取5種常見的淡水浮游微藻作為實驗材料，即纖細角星鼓藻、微星鼓藻、小書狀新月藻、顆粒鼓藻和小顫藻.在實驗開展前，各微藻置于不含氮素和磷素的伍茲霍爾(WC)培養液[19]中培養10 d.

1.2實驗方法

1.2.1養分資源配置根據雷德菲爾德比例和生態化學計量學原理[20-21],對微藻進行單一培養時，保持各培養液中磷酸根離子濃度恒定，構建硝酸根離子濃度梯度，模擬氮素缺乏條件(c(N)∶c(P)<1).類似地，模擬磷素缺乏條件 (c(N)∶c(P)>300).對微藻進行混合培養時，配置不同氮磷比例的培養液,c(N)∶c(P)=16∶1，c(N)∶c(P)=1∶1，c(N)∶c(P)=180∶1，分別代表氮素和磷素供給平衡、氮素缺乏和磷素缺乏的情況.單培養實驗重復3次，混合培養實驗重復5次.

1.2.2實驗條件選取總容積為125 mL的錐形瓶(內盛50 mL培養液)對實驗微藻進行培養.為了減少環境不穩定性對微藻的影響，所有培養錐形瓶均置于光照培養箱中，恒溫20 ℃，光照2 500 lx，光暗比12 h∶12 h.在每日的光照生長期間，每隔2 h，人工搖動和振蕩錐形培養瓶1次.

1.2.3取樣方法在微藻單培養狀態下，連續取樣15 d.每天取樣時，從各錐形瓶中移取0.25 mL營養液進行藻細胞計數，并在取樣結束后，補充0.25 mL營養液.各微藻的生長特征參數使用Monod競爭方程[22-23]進行量化.混合培養時，采用資源脈沖供給的方式[24]，以促進多種微藻的共存.取樣工作每7 d開展一次，一共開展7次.每次取樣時，從各錐形瓶中移取0.25 mL營養液進行藻細胞計數.

1.2.4微藻生長特征參數的計算將單培養條件下的各微藻生長數據進行均值處理,采用Monod生長模型[23]進行數據擬合,并計算各微藻的生長特征參數，即

(1)

(2)

式(1)，(2)中：y為生長比速；s為限制性養分因子濃度;Ks為半飽和常數;μmax為最大比生長速率;d為稀釋率.

根據Tilman的競爭理論，對某制約養分因子有最低需求的藻類將具有最小的R*值.換言之，該藻類將表現出最強的對該養分資源的攝取能力，而其在與別的藻類進行競爭的過程中，將保持絕對的優勢地位.因此，通過采用R*量化分析各微藻的養分資源攝取能力，可以預測其競爭能力[25].

1.2.5實驗微藻的模擬入侵實驗從內稟優勢假說的角度出發，參照各微藻生長特征參數(特別是對養分資源的攝取能力)和混合培養的競爭結果來選定競爭優勢種.在模擬入侵實驗中，以一個競爭優勢種為入侵種，其余的4種微藻則為原生種.原生種群落的構建采用兩種方式：一種是將每種原生種進行單一培養；另一種則是將4種原生種進行混合培養(各微藻的初始密度約為60細胞·mL-1).無論采用何種方式，所構建的原生種群落分別置于3種不同氮磷濃度比例的培養液中(參見節1.2.1)進行培養，并在培養14 d后引入競爭優勢種(初始密度約為20 細胞·mL-1).入侵實驗開展后每7 d進行一次取樣，整個取樣過程一共持續50 d(參見節1.2.3).單培養實驗每組做3個平行樣，而混合培養實驗每組做5個平行樣.最后，無論是競爭實驗還是入侵實驗，為了對各微藻種群數量特征進行比較，綜合分析實驗末期的4次取樣數據，采取自然對數處理消除異方差問題，采用方差分析和進行組間多重比較.

圖1　實驗微藻對限制性氮素和磷素的最低需求Fig.1　Minimum requirement of limiting nitrogenand phosphorus by experimental algal species

2　結果與分析

2.1各微藻的生長特征參數

對某制約養分因子有最低需求(最小R*值)的藻類對該養分因子有最強的攝取能力，各微藻的生長特征參數，如圖1所示.由圖1可知：當氮素為養分制約養分因子時，纖細角星鼓藻對氮素的攝取能力最強(最小的RN*)，而微星鼓藻最弱(最大的RN*)；類似地，在磷素為制約養分因子時，纖細角星鼓藻對磷素的攝取能力最強(最小的RP*)，而小顫藻最弱(最大的RP*).

2.2混合培養競爭結果

無論在氮素缺乏(c(N)∶c(P)=1∶1)、磷素缺乏(c(N)∶c(P)=180∶1)或氮磷素供給相對平衡(c(N)∶c(P)=16∶1)的條件下，纖細角星鼓藻均為優勢種，保持了較高的種群數量水平，其他微藻的種群數量則呈現不斷下降的趨勢.例如，在氮磷素供給相對平衡的條件下，c(N)∶c(P)=16∶1，纖細角星鼓藻與其他微藻的種群數量特征差異明顯(F4,95=24.89,P<0.001).微藻在混合培養條件下的種間競爭的結果,如圖2所示.圖2中：t為實驗天數；d為藻種密度.由圖2可知：纖細角星鼓藻的種群數量(5.25±0.30)遠大于小書狀新月藻(1.60±1.26)、微星鼓藻(1.75±1.39)、顆粒鼓藻(2.27±1.61) 和小顫藻(1.82±1.70)的種群數量.

2.3模擬入侵實驗及其結果

以氮素和磷素供給相對平衡(c(N)∶c(P)=16∶1)的情況為例，在4個單建種群落(由小書狀新月藻、微星鼓藻、顆粒鼓藻、小顫藻所構成的單一物種群落)形成14 d之后,引入纖細角星鼓藻.此后,纖細角星鼓藻的種群數量不斷上升，而各單建種的種群數量則不斷下降,直至從實驗系統中消失(競爭排斥作用).然而，當纖細角星鼓藻被引入由這4種微藻構成的共建種群落中，盡管不同微藻種群的數量特征差異性依然顯著(F4,95=41.84,P<0.001)，但纖細角星鼓藻的競爭優勢不再明顯.入侵種與4種建群種的種群動態變化，如圖3所示.由圖3可知：種群數量(3.59±0.20)顯著低于顆粒鼓藻(4.35±0.21)和小顫藻(4.39±0.42)的種群數量.

圖2　混合培養條件下的種間競爭結果　　　　　　圖3　入侵種與4種建群種的種群動態變化Fig.2　Competitive outcome with experimental 　　　　　Fig.3　Population dynamics of invader 　　　algal species cultivated together　　　　　　　　　　　　and four resident species

3　分析與討論

實驗結果表明，各微藻在單一培養條件下的生長特征參數不但反映了其對有限資源的利用能力，代表著其特有的內稟特性，而且決定了其在資源競爭過程中的地位.由于在單培育條件下,纖細角星鼓藻表現出最強的攝取氮素或磷素資源的能力，預測其在與別的藻種的競爭過程中是優勢種，而微藻混合培養實驗結果也證實了有關微藻競爭能力的預測.此外，在模擬入侵實驗中，纖細角星鼓藻能夠成功侵入單建種群落，再次證明了其競爭優勢.然而，當纖細角星鼓藻被引入由多個微藻組成的共建種群落時，其競爭優勢不再明顯.一種解釋是，相對于單建種群落而言，共建種群落中的4種微藻可以通過生態位互補作用對有限的養分資源進行更加充分的利用，從而大大減少纖細角星鼓藻入侵的機會.另外一種解釋是，由于纖細角星鼓藻是在共建種群落構建14 d后才被引入，優先級效應使共建種群落在資源利用方面占據先來者的優勢.考慮到纖細角星鼓藻在單建種群落和共建種群落中的表現差異性，實驗結果更支持多樣性阻礙假說的解釋.由于實驗設計中沒有考慮到共建種群落的多樣性梯度及其所對應的物種構成變化情況，無法量化分析不同微藻抵抗入侵能力的差異性.然而，根據各微藻對養分資源的攝取能力，作為建群種代表的顆粒鼓藻和小顫藻在入侵模擬實驗中發揮了較為關鍵的作用，即通過充分利用限制性養分資源的方式，減少纖細角星鼓藻入侵的機會.

在開展的模擬入侵實驗中，選取的入侵種并不是已對我國水生生物造成嚴重威脅的外來種.事實上，試驗材料均為我國常見的淡水微藻種類.在模擬入侵實驗中，對養分資源有最強攝取能力的微藻被視作入侵種，這是因為入侵種大多表現出一定的內稟優勢.只有在微藻單一培養和混合培養實驗完畢后，才能根據實驗結果確定選取哪一種微藻作為模擬實驗中的入侵種，這樣就避免了人為選擇的主觀性.另外，選用的微藻系統是生態研究中常用的模型系統.雖然該模型系統是對復雜的自然系統的一個簡化，但其在揭示生態過程和相關機理方面發揮著重要的作用.因此，在種群、群落和入侵生態學等研究中廣為采用[26-29].通過控制水體養分資源特征和微藻群落結構的方式模擬生物入侵的過程.雖然不能代表在自然狀態下生物入侵的真實狀況，但是在嚴格控制的實驗室條件下，可以對影響入侵的一些重要因素進行效果評價，而這在多種因素相互作用相互影響的自然狀態下是難以做到的.因此，建議未來的入侵研究不但應把多種入侵機制假說進行整合并檢驗，而且應把野外觀察與控制實驗有機地結合在一起.

生物入侵是一個復雜的生態過程，多種因素的相互作用決定了某個外來種最終是否能夠發展成為入侵種.目前已提出的各種入侵機制假說都有其自身的局限性，只有通過對多種假說進行整合才能較好地解釋入侵機制[12,14].近年來，一些生態學家開始嘗試對多個入侵機制假說進行整合[30-34].除了研究對象和研究系統不同之外，與前人研究的主要差別在于探討的競爭類型不同.前人的研究探討的是物種間的化學競爭作用，即一個物種通過分泌特別的化學物質來抑制另外一個物種，而文中的研究探討的是物種間的消費競爭作用，即一個物種通過對共享資源的消耗來抑制另外一個物種.因此，未來的研究應充分考慮物種間的各種競爭類型.此外，文中的研究嘗試性地對幾種入侵機制假說進行整合，但并未考慮影響物種入侵的其他重要因素，如物種的釋放種群數量、散播速率，以及天敵的種類和數量等.因此，未來的研究還應加強對這些方面的深入探索.

4　結束語

入侵種往往具有某些明顯的內稟優勢，使它們能夠在入侵地發展壯大.因此，未來的入侵生態學研究應加強對入侵種和原生種功能性狀特征的分析和比較工作.同時，還應加強對本土生物的保護，因為較高的本土生物多樣性可以有效抵御入侵.此外，由于不少生態系統中常呈現出多種外來種同時入侵的現象[18]，未來的研究還應關注更多的生態系統和更復雜的物種間相互作用關系．

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(責任編輯： 錢筠英文審校： 劉源崗)

Empiricism on Several Integrated Resource-Based Invasion Hypotheses Using Algal Microcosms

LI Wei1, WANG Qiuhua2,3, HE Shuqiang1

(1. Yunnan Academy of Biodiversity, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;2. College of Civil Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China;3. Yunnan Key Laboratory of Forest Disaster Warning and Control, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Laboratory-based algal microcosms were established, and the growth parameters of algal species in monoculture were obtained in order to reflect their inherent traits and predict their competitive ability. All algal species were also cultured in mixture to empirically test theoretical predictions regarding their competitive ability, and a series of algal invasion experiments were carried out. The experimental results showed thatStaurastrumgracilecould use limited resources in a more efficient way than other algal species. It was the best competitor, and could successfully invade the established resident community with a low level of diversity. However, it lost its competitive advantage when introduced into the established resident community with a high level of diversity despite its superior competitive ability.

nutrient resources; competitive ability; invasion experiment; algal microcosms

10.11830/ISSN.1000-5013.201605015

2015-12-30

李偉(1978-)，男，副研究員，博士，主要從事群落生態學和環境生態學的研究.E-mail:54430368@qq.com.

教育部歸國留學人員科研啟動基金資助項目(214201); 西南林業大學科研啟動基金資助項目(111403)

Q 89

A

1000-5013(2016)05-0601-05