外來植物入侵的生物多樣性響應(yīng)及其生態(tài)防控綜述

王寧 楊洪宇 祁珊珊

摘要：生物多樣性危機在外來物種入侵下愈演愈烈，研究入侵生境中各生物因素間的互作關(guān)系有助于更好地了解外來植物入侵下的生物多樣性響應(yīng)，確認該外來植物成功入侵的機制，以便探討并采取綜合長效的防控措施。在外來植物入侵背景下，筆者對植物、動物及土壤微生物各物種群落的響應(yīng)進行了總結(jié)，并基于此探討了利用構(gòu)建群落生物多樣性進行生態(tài)防控植物入侵的潛在手段與研究思路，以期為發(fā)展生物多樣性和維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：入侵植物;生物多樣性;本地植物;土著動物;根際微生物;生態(tài)防控

中圖分類號： S451? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0013-05

生物生存的穩(wěn)定性會隨著氣候變化和生物多樣性的喪失而下降，從氣候變化方面預(yù)測生物演化速度，是調(diào)控物種生存和維護生態(tài)系統(tǒng)功能必須考慮的因素[1]。然而，隨著全球變化進程的加快，眾多因外來入侵種的有意或無意引進而造成區(qū)域內(nèi)物種豐富度降低的現(xiàn)象，也證明了生物入侵對于生物多樣性在全球變化過程中起著非常重要的負效應(yīng)[2-3]。植物、動物和微生物之間的相互作用可能會對物種個體融合、生境群落多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生重大影響[4]，尤為嚴重的是由于外來植物入侵已經(jīng)對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的影響或造成了極端的威脅與破壞[5]。

植物之間相互的協(xié)同進化及資源競爭關(guān)系、“動物-植物”間捕食關(guān)系等均在一定程度上會對生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性造成直接或間接的影響。而土壤微生物作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的分解者、土壤結(jié)構(gòu)組分和共生生物等角色，其在生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著中流砥柱的作用，其對植被群落的生物多樣性也具有極其重要的影響。近年來，隨著對植物入侵研究的深入開展，生態(tài)學者不斷挖掘生物多樣性變化下各食物鏈中物種間的微妙作用關(guān)系，揭示受入侵植物驅(qū)動下生境中固有動物、植物等的變化機制，同時深刻意識到微生物的關(guān)鍵作用也是植物入侵研究中需考慮的極其重要的因素之一[6-7]。存在于入侵植物根部異質(zhì)微生境（根際、根表和根內(nèi)）中的土壤微生物可能影響著植株整體的功能性狀乃至植物所在群落的生物多樣性[8]。因此，對外來植物入侵生境中“動物-植物-土壤微生物”三者間的相互作用的探討將是未來研究對外來植物入侵機制進行深度揭示的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是對外來植物入侵進行長效、經(jīng)濟防控的科學指導的理論基礎(chǔ)。筆者將從入侵生態(tài)學中關(guān)于植物、動物及根際微生物多樣性對外來植物入侵的響應(yīng)進行總結(jié)，并進一步討論利用構(gòu)造相應(yīng)生物多樣性來防控外來植物入侵的可能性手段及前景。

1 外來植物入侵的植物多樣性響應(yīng)及應(yīng)用對策

Higgins 等基于生理學的物種分布模型很好地預(yù)測了草本植物的入侵風險及其在全球范圍內(nèi)潛在的分布[9]。而在區(qū)域尺度上的研究則表明外來植物的成功入侵減少了本地植被中物種的豐富度和總蓋度，如巴西南部草原的外來入侵植物扁平畫眉草（Eragrostis plana）[4]、入侵我國熱帶亞熱帶的海南島上的南美蟛蜞菊（Wedelia trilobata）等[3]。然而，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物的覆蓋度、生物量往往隨著生境中原生種群和物種豐富度的增加而增加[3，10]，生物多樣性相比于其他眾所周知的植物生產(chǎn)力的環(huán)境驅(qū)動因素（包括氣候和可獲得性營養(yǎng)等）有著同等甚至更強的影響。“生物多樣性阻抗”假說（diversity or biotic resistance hypothesis）就強調(diào)各生態(tài)因素間建立的相互作用關(guān)系可限制入侵種的豐度或抵抗外來種的入侵[11-12]。外來種入侵可大幅度加快物種滅絕速率，是造成生物多樣性穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)功能失衡的重要原因[13]，而豐富的生物多樣性則可緩解生態(tài)系統(tǒng)對極端氣候事件的影響、降低外來植物入侵的風險[14]。Bennett等研究表明，植物種群庫對本地種和入侵種實生苗和二者移栽苗的生物抵抗力呈現(xiàn)正效應(yīng)，并且群落互補性能更好地提高對入侵種的移栽苗生長和實生苗的生物抵抗力[15]。此外，土壤生物群落差異性表現(xiàn)出的化感作用、優(yōu)先效應(yīng)也會導致不同的植物群落形態(tài)，這將很可能影響外來植物在本土生境中的成功入侵。入侵種對新生境生物因素和不同的生物互作影響可作出適應(yīng)性響應(yīng)[16-17]，在引入外來種后，本土原生群落短期內(nèi)可能會起到對外來種形成生態(tài)屏障的作用，長期上則表現(xiàn)為選擇進化反應(yīng)，即為“增強競爭力進化”假說（evolution of increased competitive ability）。這主要是因為外來種剛進入新本土生境時將面臨生存繁殖壓力，而該繁殖壓力的程度又取決于本地物種群落的組成，本地群落增長率越大，則后引入的外來種的繁殖壓力越大。但隨著入侵時間的延長，入侵種群落之間以及同一群落內(nèi)的繁殖壓力會不斷改變，這將決定本地群落的生物抵抗力與外來物種入侵成功之間的關(guān)系[18]。入侵種受本地群落的生態(tài)影響將隨時間的推移變得不顯著，而對本地物種而言，群落改變的影響則變得愈發(fā)嚴重[19]。另外，外來植物入侵對群落的影響可能高度依賴于入侵種本身的特異性[20]。生態(tài)學者認為，外來物種的入侵性與生理生態(tài)位在空間地理中的分布呈正相關(guān)關(guān)系，這說明能夠耐受更廣泛的環(huán)境條件的物種更容易成為入侵種，且入侵種能以不同的耐受機制來適應(yīng)變化的生境條件[21]。“空余生態(tài)位”假說（empty niche hypothesis）也提出了入侵植物在環(huán)境因素的時間和空間上的變化導致出現(xiàn)了“生態(tài)位空缺機會”從而為促進其入侵創(chuàng)造了有利條件[22]。

植物密度依賴性的定植擴繁行為受“植物-植物”相互間競爭或促進作用的影響。鄰接植物可改善非生物條件，從而提高鄰接植物群落的正效應(yīng)。人工移除入侵種后雖可改變原入侵地入侵種和本地種的群落結(jié)構(gòu)，但并不能恢復(fù)到被入侵前的群落形態(tài)，說明恢復(fù)和重建原生群落結(jié)構(gòu)可能需要更多時間或需要特殊的建構(gòu)策略[4]。因而，在有效評估外來植物成功入侵的過程中，需謹慎考慮被入侵地的植物群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性驅(qū)動的入侵狀態(tài)和格局，從而通過調(diào)控入侵生境的植物多樣性平衡分布來抑制入侵種的定植及個體生長與種群繁育，或許將是一種有效的生態(tài)防控方法，值得將來進一步加強研究。

2 外來植物入侵水平影響動物豐富度格局及其應(yīng)用對策

動物多樣性深受外來植物入侵的影響。在被外來植物入侵的生境中，本地草食性昆蟲和節(jié)肢動物群落豐度普遍變低，且外來脊椎動物也表現(xiàn)出明顯差異的多樣性分布特點[23]。一項研究了受外來植物入侵生境和非入侵生境中物種豐富度的Meta分析表明，入侵生境中的節(jié)肢動物分類豐富度與非入侵棲息地相比明顯降低了，而且木本入侵植物的負效應(yīng)比草本入侵植物更強[24]。如當外來植物柔枝莠竹（Microstegium vimineum）被引入后，節(jié)肢動物豐度下降了39%，而肉食動物的豐度比草食動物減少的幅度更大[25]。動物豐富度的降低表明植物入侵可形成自然食物鏈連鎖反應(yīng)，也說明入侵植物可間接影響消費者從而介導本土植物群落豐富度的減少。相反，入侵植物也可能會提高天敵的捕食者的數(shù)量從而間接促進入侵植物生長。如入侵植物蔥芥（Alliaria petiolata） 受益于自身提高了植食昆蟲的天敵節(jié)肢動物（蜘蛛）的密度，生境中入侵植物的直接天敵植食昆蟲受到捕食從而降低了該天敵的密度，甚至這些植食昆蟲更多轉(zhuǎn)向取食其他本地植物，這也可能會改變系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的流動，最終改變植物群落和生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)[26-27]。Grutters等研究表明，重筒水螟（Parapoynx stratiotata）可攝食試驗所用包括本地植物和入侵植物在內(nèi)的11種植物中的7種，但其幼蟲對本地或外來植物沒有特別的攝食偏好，這與測量的植物性狀無關(guān)，卻很可能是由次生代謝產(chǎn)物驅(qū)動的[28]。而入侵生態(tài)學中研究較多的以化感作用為研究對象的“新武器”假說（new weapon hypothesis）[29]中入侵植物通過化感作用對付本土植物[30] 和動物取食[31] 的生態(tài)現(xiàn)象也是如此。因此，對外來植物成功入侵機制的研究，需全面考慮入侵地動物群落結(jié)構(gòu)及多樣性水平;反之，通過增加本地植物到草食類昆蟲、節(jié)肢動物和肉食類動物的食物網(wǎng)組分間的捕食效應(yīng)[32]，很可能也可以成為生物防控入侵植物的有效手段。

3 入侵植物調(diào)控的微生物多樣性響應(yīng)及其應(yīng)用對策

微生物群落研究揭示了土壤生物多樣性2個方面的生態(tài)功能：（1）可以指示生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)狀態(tài);（2）可以作為生態(tài)系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)組分用以提高系統(tǒng)恢復(fù)能力[7，33]。而根際是植物根表和土壤之間的界面，此空間內(nèi)數(shù)量和豐富度龐大的微生物和植物間相互作用對植物的生長、化學物質(zhì)循環(huán)以及植物對生物和非生物脅迫的響應(yīng)都有著重大的影響[8，34-35]。研究表明，生活在地下的微生物多樣性有助于形成地上生物多樣性和維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能，且土壤生物多樣性在決定陸地生態(tài)系統(tǒng)對當前和未來環(huán)境變化的生態(tài)進化響應(yīng)方面亦起著關(guān)鍵作用[36]。

3.1 植物入侵改變微生物群落狀態(tài)

隨著氣候、土壤氮素和外來植物入侵過程的變化，土壤中微生物群落的全球分布也受到極大的限制和改變[37-38]。在入侵植物黃矢車菊（Centaurea solstitialis）和鉤刺山羊草（Aegilops triuncialis）根際土壤微生物的研究中，這2種植物均會顯著改變?nèi)肭值赝寥牢⑸锶郝洌倚氯肭值氐闹参锔H微生物群落與原始本土土壤群落相比，更相似于植物入侵多年地區(qū)的微生物群落[39]。如此快速地改變根際微生物群落結(jié)構(gòu)很可能受植物譜系的影響要強于入侵生境中環(huán)境因素的影響[40]。無芒雀麥（Bromus inermis Leyss）的入侵，增加了其入侵地土壤中的細菌多樣性，但真菌多樣性卻較低。而入侵地中本土植物的改變可能是由于外來植物入侵過程中真菌群落發(fā)生改變而驅(qū)動的。另外，真菌群落的變化受細菌、古菌豐度的影響，因此，細菌群落很可能關(guān)聯(lián)了無芒雀麥生態(tài)效應(yīng)，其入侵過程也是真菌群落變化的重要途徑[41]。基于高通量測序技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，入侵植物互花米草（Spartina alterniflora）根部微生物多樣性高于本地植物，且入侵種根內(nèi)生菌對入侵的反應(yīng)比根際細菌更敏感，其中主要的根際菌和內(nèi)生菌包括可能影響碳、氮和硫循環(huán)的甲基球菌屬（Methylococcales）和脫硫弧菌屬（Desulfovibrio）等微生物[42]。此研究更好地為入侵植物根部微生物群落變化和分離功能菌株提供了理論基礎(chǔ)。另外，根際土壤中積累的微生物發(fā)生變化后可能直接導致生境中化學物質(zhì)對入侵植物的生長擴散產(chǎn)生影響。比如，入侵植物紫莖澤蘭（Ageratina adenophora）根際微生物在其生物入侵過程中可降解某些化感物質(zhì)，減少對入侵種的化感作用，提高其豐度，也同樣有利于減小化感物質(zhì)對共生本地植物的抑制作用[43]。因此，可考慮施用化感物質(zhì)降解微生物來緩減入侵植物產(chǎn)生的對于本地植物的化感抑制，以促進入侵地或新生地的生態(tài)恢復(fù)。

3.2 植物入侵下的功能微生物響應(yīng)

在外來植物成功入侵的整個過程中，土壤微生物群落分布可能在外來入侵種的影響下發(fā)生快速進化，導致植物益生菌集中或富集以促進植物生長;同時適應(yīng)入侵種的天然病原微生物和腐生微生物也得以演化和加強，使其對本地植物致病效應(yīng)得以增強的同時，也使入侵植物可獲得性營養(yǎng)得到補償。

大量研究表明，許多微生物均具有促進植物生長[44-46]、增強植物對生物和非生物脅迫的耐受和防御等功能[47-50]。“共生促進”假說（enhanced mutualisms hypothesis）認為，外來植物在入侵地接觸到對其定植有強促進作用的土壤微生物，可與之形成良好的共生關(guān)系，從而促進外來植物更好地入侵[51]。共生微生物種群可以在極大程度上影響植物功能性狀更多體現(xiàn)在營養(yǎng)元素循環(huán)利用方面，菌根（mycorrhiza）是其中貢獻卓著的一類微生物。叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhiza fungus，簡稱AMF）在低營養(yǎng)條件下可從植物根部獲得植物的光合產(chǎn)物碳營養(yǎng)，而植物可從AMF處獲得氮、磷營養(yǎng)[52]，以抵抗病原體的入侵和干旱脅迫，從而獲得共生互補優(yōu)勢。AMF與其他微生物很可能共同對植物的生長產(chǎn)生巨大影響。Heijden 等報道了多種豆科植物幼苗同時與AMF和固氮菌形成共生關(guān)系，提高了15倍的植物生產(chǎn)力[53]。相關(guān)研究表明，AMF可增強斑點矢車菊（Centaurea maculosa）侵入美國西部原生草原的能力[54]。而通過促進土壤生物多樣性和針對性管理土壤微生物群落組成，是一種提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新型生態(tài)強化的綠色方法[55]。因此，以構(gòu)建植物促生菌和共生微生物種群，定向改變微生物群落和功能多樣性來發(fā)展植物入侵防控手段，也是微生物生態(tài)學未來研究可供參考的新領(lǐng)域和新思路。