氮添加對不同密度入侵植物喜旱蓮子草生長的影響

張運春，歐春予，張橋英

1.西華師范大學環境科學與工程學院，四川 南充 637009；2.西華師范大學國土資源學院，四川 南充 637009

喜旱蓮子草（Alternantheraphiloxeroides）是莧科蓮子草屬的強入侵性草本植物，又稱空心蓮子草，原產于南美洲，20世紀30年代引入中國，后在人為作用下逸為野生，泛濫于中國南方大部分地區（郭連金等，2009），造成了嚴重的生態經濟損失。喜旱蓮子草能夠成功入侵水生和陸生環境，主要歸功于其表型可塑性（Yang et al.，2019）。

植物的表型可塑性，可以增強入侵植物對多樣環境的耐受性和適應性，是入侵植物能夠在新生境定殖的原因之一（王桔紅等，2014；Yang et al.，2019；曹晶晶等，2020），通過調整植物的表型特性對多變的環境因子產生可塑性響應（Luo et al.，2019），包括植物的形態特性、生理特性和繁殖特性等（劉建等，2010），從而增強了其入侵能力（Spector et al.，2006）。例如，可以通過改變植株的分枝數（Wang et al.，2018）、種子發芽率（Tietze et al.，2019）以及生物量分配格局（潘玉梅等，2017）等來獲取生境中的最大資源，達到成功入侵的目的。

近年來，由于工業活動加劇，農田的過度施肥等人類活動導致環境中的氮元素大大增加，使得許多地區土壤中的氮含量過剩，如華南甘蔗種植區氮沉降量超過陸地生態系統的臨界負荷（黃金生等，2019）。而氮元素是植物細胞的重要組成元素，大氣氮沉降的增加改變了土壤的營養環境，對植物的生長發育產生了一定影響。有研究表明，氮沉降量的增加促進了入侵植物節節麥（Aegilopstauschii）競爭能力的提升，加劇了其入侵性（王寧等，2018）。

植物種群密度依賴效應的實質是植物種群不同個體間對相似資源的競爭作用，種群密度增加，相鄰植物對有限的光照、水分和養分的競爭越激烈（林婉奇等，2019）。如在土壤貧瘠條件下，入侵植物銀膠菊（Partheniumhysterophorus）擴大種群密度，分枝數減少，莖生物量降低，增大根和葉的生物量，通過莖葉的形態可塑性生長來促進對新生境的入侵（蒲高忠等，2010）。同時，還有研究發現入侵植物水浮蓮（Eichhorniacrassipes）種群密度增大，對土壤養分的消耗減少（申時才等，2013），有利于入侵種群的擴散。

目前，關于氮添加與密度交互作用對植物的影響研究已取得相關進展，比如高密度增加桉樹（Eucalyptusrobusta）幼苗對莖的碳分配比例，降低了對葉的分配比例，同時氮添加緩解了桉樹幼苗高密度下的養分限制（余明等，2020）；氮沉降在一定程度上有利于入侵植物豚草（Ambrosia artemisiifolia）在種間競爭中取得優勢（陸光亞等，2012）。但是，鮮有文章闡明氮添加與密度交互作用下入侵植物的種內競爭情況。本研究以入侵植物喜旱蓮子草為研究對象，探討氮添加與植株密度的交互作用下種內競爭效應及其對入侵能力的影響，為未來氮沉降環境下喜旱蓮子草的入侵機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

本實驗地設置于四川省南充市順慶區西華師范大學實驗地內（106°4′1″E，30°48′45″N）。屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.4 ℃，濕度80%，年降水量1020.8 mm。土地以棕紫泥土和紅棕紫泥土為主，土壤有機質含量略偏低。本次實驗用土是將當地土壤與營養土（含有少量珍珠巖，優質草炭、泥炭和多種微量元素）以1:4的比例混合后制得。

1.2 實驗設計

采集試驗地附近喜旱蓮子草的莖段（大小、長度基本相同）扦插在培養箱內，在相同的外界環境下生長12 d后，再移植到內徑18.5 cm，深11 cm的塑料花盆內。采用兩因素隨機實驗設計，因素一為密度，采用加性實驗設計（Additive design）（Oliveira et al.，2018），包括3種密度，分別為低（1 plant·pot-1）、中（5 plant·pot-1）、高（9 plant·pot-1），因素二為氮添加，加氮（N 20 kg·hm-2·a-1，參考Yu et al.，2019）、不加氮。共6種處理（表1），每種處理5個重復。

1.3 采樣與測定

實驗時間為2019年4月10日—2019年6月30日。實驗結束后，測定每盆中心喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數、葉面積（掃描儀掃描后用Image J測量其葉面積）；將根、莖、葉分別裝入信封袋中，編號，在 65 ℃烘箱中烘至質量恒定后稱量其質量，記錄各部分的生物量。測定指標包括：（1）形態：葉量（Number of leaves）、莖長（Stem length）、莖節數（Number of stem nodes）、莖分支數（Number of branches）、葉面積（Leaf area）；（2）生物量：單株生物量（Biomass）、根生物量比（Root mass ratio，RMR）為根生物量與總生物量的比值、莖生物量比（Stem mass ratio，SMR）為莖生物量與總生物量的比值、葉生物量比（Leaf mass ratio，LMR）為葉生物量與總生物量的比值、根冠比（Root：shoot ratio，R/S）為地下生物量與地上生物量的比值；（3）可塑性指數：根據Valladares et al.（2000）計算所測量指標的可塑性指數，即某一變量在不同的氮素或密度條件下最大平均值和最小平均值的差值與最大平均值的比。

表1 實驗設計Table 1 Design of the experiment

1.4 數據處理

所有數據用SPSS 23.0進行分析，將部分數據進行合適的數據轉換，以滿足方差齊性，用雙因素方差分析（Two way ANOVA）檢驗不同植株密度和氮素水平對入侵植物喜旱蓮子草的影響的差異性，采用SNK進行多重比較，用Microsoft Excel完成作圖。

2 結果

2.1 植株密度和氮素水平對喜旱蓮子草形態特征的響應

植株密度和氮素水平對喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數、葉面積均影響顯著（P＜0.05），植株密度和氮素水平對葉量、莖長和葉面積的交互作用顯著（P＜0.05）（表2）。由圖1可知，密度增加，喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數減小，密度對喜旱蓮子草的生長具有明顯的抑制作用；不加氮處理顯然不利于植物的生長，與加氮處理相比，都有不同程度降低，而這種差異在低密度時表現最為顯著；除葉面積外，在低、中密度下，氮素的促進作用較為明顯，而高密度下氮素的促進作用不顯著。

2.2 植株密度和氮素水平對喜旱蓮子草生物量積累和分配的響應

植株密度對喜旱蓮子草單株生物量、葉生物量比影響顯著（P＜0.01），氮素水平對生物量、根生物量比、根冠比、葉生物量比影響顯著（P＜0.01）；植株密度和氮素水平僅對生物量影響的交互作用顯著（P＜0.01）（表2）。由圖2可知，低密度下的植株生物量顯著高于中、高密度（P＜0.05）；低密度時，加氮處理與不加氮之間有顯著差異（P＜0.05），而中、高密度時則差異不顯著（P＞0.05）。葉生物量比在低密度加氮處理下具有最大值，加氮處理組之間沒有顯著差異（P＞0.05）；在不同密度下，加氮處理的葉生物量比都大于不加氮處理，在中密度時差異最小。不加氮處理的根生物量比都大于加氮處理，在高密度時，差異達到最大；高密度不加氮處理下的根生物量比達到最大值。根冠比具有和根生物量比一樣的變化趨勢。

表2 植株密度和氮添加對喜旱蓮子草形態特征和生物量影響的F值和顯著性分析Table 2 F-values and significance levels for factorial ANOVAs of the effects of density and nitrogen on morphological traits and biomass of A.philoxeroides

圖1 不同植株密度和氮素添加對喜旱蓮子草形態特征的影響Fig.1 Morphological characteristics of A.philoxeroides under different plant densities and nitrogen additions

圖2 不同植株密度和氮素添加對喜旱蓮子草生物量積累和分配的影響Fig.2 Plant biomass and biomass allocation of A.philoxeroides under different plant densities and nitrogen additions

2.3 植株密度和氮素水平對喜旱蓮子草可塑性的影響

由表3可以看出，除根生物量比、根冠比、莖生物量比、葉生物量比之外，其他指標都是加氮處理下對密度響應的可塑性指數較大；喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數以及單株生物量隨著密度增大，對氮素響應的可塑性指數呈減小趨勢；而且對密度響應的可塑性指數要高于對氮素的響應值，說明植株密度對喜旱蓮子草形態生長的影響占主導地位。

表3 喜旱蓮子草各變量對密度和氮素響應的表型可塑性指數Table 3 Phenotypic plasticity indices for the A.philoxeroides to density and/or nitrogen additions

3 討論

在本研究中，植株密度對喜旱蓮子草的生長表現出顯著的負效應，而氮添加表現出顯著的正效應，二者對喜旱蓮子草的生長產生了明顯的交互作用。植株密度增加，喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數減小，而加氮處理都大于不加氮處理，說明氮添加緩解了密度增加的負效應。氮素通過促進喜旱蓮子草葉片生長，伸長莖長，產生分支來占據地上資源，增強光合作用，進行生物量的積累，資源利用率大大提高；同時喜旱蓮子草產生的分支往往能夠形成蔭蔽環境抑制其他物種的生長繁殖（全國明等，2014），在生產力較高的生境中，喜旱蓮子草占有絕對優勢（潘曉云等，2006）。已有研究表明，氮沉降在一定范圍內可以促進植物的生長，但氮含量過高會對植物的生長產生負效應（莫凌梓等，2018；樊后保等，2006）。目前的氮沉降量還未超過喜旱蓮子草對氮的需求，所以其形態特征和生物量積累還未產生氮過量的負效應。

入侵植物的生物量分配對策對新環境產生的可塑性響應有利于提高其適應性（Portela et al.，2019）。研究表明，喜旱蓮子草的入侵策略可能表現為通過調節各構件生物量的投資來增強氮素吸收能力，進而增強其入侵競爭能力（黃成成等，2018）。植株密度增加，不加氮處理的根生物量比增加，而加氮處理之間差異不明顯。根冠比具有與根生物量比一樣的變化趨勢，而葉生物量比變化趨勢完全相反。密度增加，種內競爭加強，由于養分的限制，抑制了葉片的生長，為了最大限度地獲取必需資源，喜旱蓮子草極大地增殖地下部分，促進對營養物質的吸收，滿足生長發育；而氮添加為植物提供了充足的養分，喜旱蓮子草將更多的生物量分配到碳同化器官，提高對光源的捕獲和吸收，增強光合作用，占據地上空間資源，進而提高植物的競爭力（荀摯峰等，2017）。本研究結果與前人對唯一入侵到南極洲的外來物種早熟禾（Poaannua）的研究結果一致，即在惡劣環境下地下器官的生物量比例更高（Rudak et al.，2019）。研究表明入侵植物可通過生物量的再分配（從地下到地上）提高入侵能力（Liao et al.，2019），本研究中喜旱蓮子草在加氮條件下也出現生物量的再分配，表明其在氮沉降環境下入侵能力更強。

表型可塑性在生物對異質生境的適應過程中發揮了重要作用（耿宇鵬等，2004）。研究表明，可塑性指數越大，其表型可塑性就越大（楊賀雨等，2016）。在本研究中，喜旱蓮子草的葉量、莖長、莖節數、莖分支數、葉面積、單株生物量對密度響應的可塑性指數在加氮處理下較大，說明氮添加有助于喜旱蓮子草快速適應種內競爭，促進入侵種群的擴散。與之相反，喜旱蓮子草的根生物量比、根冠比、莖生物量比、葉生物量比對密度響應的可塑性指數則是不加氮處理下較大，說明在氮素貧瘠的生境，生物量的分配策略就顯得尤為重要，主要通過增大根生物量的比例來積累營養物質供自身生長，以適應資源的缺乏。

4 結論

本研究中，氮添加緩解了密度增加的負效應，削弱了種內競爭的強度，促進喜旱蓮子草地上部分的生長來達到成功入侵的目的；另一方面，氮添加改變了喜旱蓮子草適應種內競爭的生物量分配策略，促進碳同化器官對光源的利用，有利于在地上資源的競爭中取得優勢。由喜旱蓮子草在氮添加條件下的一系列可塑性響應可預測未來氮沉降增加會加劇喜旱蓮子草的入侵。本研究設置的氮添加量是當前環境中的氮沉降量，但目前氮沉降還有增加的趨勢，未來應長期持續地跟蹤研究，以期能更準確地探討喜旱蓮子草在氮沉降下的種內競爭效應及其入侵能力變化，為進一步加強對入侵物種的防控提供理論支撐。