環境因子對入侵雜草空心蓮子草化學計量特征的影響

吳 昊，韓美旭，韓 雪

(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)

【研究意義】作為全球變化的重要組分，外來生物入侵已給全球生態環境、生物多樣性保護以及生態系統穩定性造成嚴重威脅[1]。入侵物種可通過生理適應、生物互作等途徑削弱本土群落抗性[2]，同時，外來種入侵進程也受到各類環境因素的顯著影響。如：全球變暖促使入侵植物向高緯度和高海拔地區擴散，加劇其入侵蔓延態勢[3]；氮沉降可顯著提升入侵植物的豐富度、生物量及種間競爭力，從而大量排擠本土物種[4]；降雨量變化導致的水體營養改變及水位波動會加劇入侵植物的形態可塑性及克隆整合能力，提高其在群落中的入侵優勢度[5]；緯度梯度變化所導致的溫度、降水、光照等環境因素改變也顯著影響入侵植物的生理特征及其生態學效應[6]。生態化學計量學是研究生態系統物質能量及多重化學元素質量平衡的科學[7]，由于入侵及本土植物對各類養分的需求及吸收能力存在差異，因此生態化學計量特征可在一定程度上反映出外來植物的入侵性及本土群落可入侵性狀況[8]。空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為莧科蓮子草屬雜草，20世紀30年代被作為牲畜飼料從南美洲引入到中國。由于其具有極高的克隆繁殖能力及強大的表型可塑性，能夠同時入侵水、陸生境，目前已在中國南北方20 余省的稻田、麥田及茶園等農業生態系統中大量定殖，對經濟建設、生態環境和農業安全生產造成嚴重破壞[9]。探討異質性生境對空心蓮子草生態化學計量特征的影響有助于制定更為有效的入侵防治策略。【前人研究進展】目前已有較多關于環境因子-入侵植物關系以及入侵植物生態化學計量的研究，如：Richardson等[10]發現，在美國草原的低緯度區域，入侵雜草抑制本土植物建群，但在環境壓力較大的高緯度地區，入侵雜草則可以作為先鋒物種改善生境條件并提高本土植物多樣性；Xiao等[11]關于入侵植物美洲商陸(Phytolaccaamericana)的大緯度梯度調查表明，該入侵種在高緯度地區具有更多的分枝數及更高的果實皂苷含量，以提高其生長及防御能力；屠臣陽等[12]發現入侵種黃頂菊(Flaveriabidentis)葉片P含量、C∶N與入侵地土壤的P含量、C∶N呈顯著正相關，而其N含量與土壤N含量呈顯著負相關；胡朝臣等[13]發現中國西南地區入侵植物飛機草(Chromolaenaodorata)和紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)的葉片N、P含量明顯高于共生本土植物，且入侵種具有更低的N∶P值；蔣利玲等[14]通過對閩江河口濕地入侵植物互花米草(Spartinaalterniflora)的調查研究認為，該入侵種比本土伴生種具有更高的N、P生態化學計量內穩性。諸多學者近期圍繞環境對空心蓮子草的影響也展開了大量研究，如：Wu等[3, 6]發現，陸生型空心蓮子草在中國境內的入侵態勢隨緯度上升而增加，且增溫可能加劇空心蓮子草在高緯度地區的種間競爭力；Wu等[15]還發現，決定陸生系統中空心蓮子草入侵群落物種多樣性的因素為土壤硝態氮，而其在水生系統中的決定性因素為經度；Lu等[16]發現，溫度上升會促進空心蓮子草在高緯度區域的“天敵逃逸”現象，并造成對其生物防治的“非靶標效應”，加劇對本土植物的競爭排擠。李金枝和王曉燕[17]發現，空心蓮子草在干旱脅迫條件下比水稻具有更高的CAT 抗氧化酶活性，其通過減少膜質過氧化產物的積累等途徑加劇對水稻的競爭。但目前關于空心蓮子草生態化學計量特征的研究依然缺乏，尤其是野外系統中環境因子對空心蓮子草營養元素含量及其化學計量特征的影響尚未見報道。【本研究的切入點】本研究通過在廣西及河南兩地對陸生型空心蓮子草進行野外調查取樣，分析其全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)和全鉀(K)的含量變化及其計量比的差異，并探討了經度、緯度、海拔、年均氣溫和年均降雨量等5項環境因子對其元素化學計量的影響。【擬解決的關鍵問題】以期為闡明該外來雜草內穩性入侵機制及農業生態系統中的空心蓮子草入侵防治提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究在廣西壯族自治區桂林市、來賓市以及河南省信陽市采集空心蓮子草樣品，采樣點地理位置介于114.035°E～110.582°E，24.123°N～32.171°N，橫跨8個緯度梯度。桂林市位于廣西東北部，地處109°36′E～111°29′E， 24°15′N～26 °23′N，屬中亞熱帶季風氣候區，年平均溫度 19 ℃，年均降雨量1900 mm，全年無霜期300 d，年均日照1550 h以上。土壤屬以紅壤為主的紅壤土帶，pH 4.5～6.5，市郊多屬沖積砂質壤土和水稻土。桂林市植物種類繁多，共計2329種，隸屬于247科969屬[18]。來賓市位于廣西的中低山丘陵區，介于108°50′E～109°02′E，23°38′N～23°55′N，地貌類型以山地丘陵為主，屬亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫20 ℃，年均日照1582 h，年均降雨量1360 mm。據統計，來賓市目前共有入侵植物85種，隸屬于32科63屬，其中以菊科物種最多[19]。信陽市位于河南省最南部，介于113°45′E～115°55′E，30°23′N～32°27′N，屬亞熱帶向暖溫帶過渡區。年均氣溫15 ℃，年均日照時間2000 h，無霜期平均230 d，年均降水量900～1400 mm，年均相對濕度77 %。土壤主要為黃棕壤、石質土和水稻土，質地黏重，pH值多呈酸性。信陽市具有高等植物2200多種，占河南省同類總科數95 %以上。近年來，信陽市入侵植物數量迅速上升，以菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)和莧科(Amaranthaceae)植物居多[20]。

表1 空心蓮子草調查樣地概況

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品采集 于2018年4月對信陽、桂林和來賓市郊的空心蓮子草入侵種群進行野外考察，選擇陸生型空心蓮子草種群連續入侵面積超過100 m2且生境類型基本一致的地區設置調查點。在桂林市和來賓市各設置3個樣地，在信陽市設置5個樣地(樣地概況如表1所示)。在每個樣地中隨機采取10株空心蓮子草的地上部分生物量，置入塑封袋內并倒入硅膠保存。將采集的樣品盡快帶回實驗室內烘干、粉碎，過60目篩，密封保存以供元素測定。

1.2.2 數據測定 利用手持式GPS定位儀(Garmin eTrex20)記錄樣地生境的經度、緯度和海拔，樣地所在城市近50年的平均氣溫及平均降水量數據來源于中央氣象臺國家氣象中心(http∶//www.nmc.gov.cn)。對空心蓮子草樣品的全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)和全鉀(K)等4項元素的含量進行測定。其中，全碳含量采用總有機碳分析儀高溫燃燒催化氧化法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；全磷的測定采用酸溶法-鉬銻抗比色法；全鉀含量采用火焰光度計法測定。采用元素質量比分別計算空心蓮子草的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K和 P∶K等6項化學計量特征值。

1.2.3 統計分析 分別計算廣西、河南及樣地整體空心蓮子草的C、N、P、K元素含量及其化學計量比的平均值、標準差和變異系數(c.v.)。其中，c.v.=標準差/平均值，其反映了研究變量的空間變異程度，c.v.<0.1 為弱變異性，0.1≤c.v.≤1.0 為中等變異性，c.v.>1.0 為強變異性[21]。對樣地整體的空心蓮子草元素含量及化學計量比與5項環境因子(經度、緯度、海拔、年均溫、年均降水量)進行單因素回歸分析，以SPSS 16.0提供的11種曲線方程建立回歸模型并檢驗其模型的顯著性，選擇回歸顯著(P<0.05)且擬合系數最高者進行討論。分別建立11×5的環境因子矩陣、11×4的化學元素矩陣以及11×6的化學計量比矩陣，利用數量生態學軟件Canoco4.5提供的冗余分析(redundancy analysis, RDA)探討多重環境變量對空心蓮子草營養元素及化學計量特征的影響，并利用基于499次置換的Monte-Carlo檢驗來判斷環境因子與RDA排序軸相關系數的顯著性。

2 結果與分析

2.1 元素含量及其化學計量比與環境因子的回歸分析

研究區空心蓮子草C、N、P、K等4項元素含量及其化學計量比測定結果如表2所示，樣地整體空心蓮子草的各項指標的平均值分別為：C 380.319 mg·g-1，N 33.825 mg·g-1，P
1.802 mg·g-1，K 6.424 mg·g-1，C∶N 11.546，C∶P 232.018，N∶P 20.513，C∶K 62.439，N∶K 5.449和 P∶K 0.287。10項統計指標中，除廣西地區空心蓮子草的全C表現為弱變異性之外，其余指標均表現為中等程度的空間變異性。

對環境因子與空心蓮子草營養元素含量進行單因素回歸分析，結果表明(圖1)，年均降雨量與全C之間具有顯著的線性擬合關系(R2=0.450，P=0.024)，隨著降雨量的增加，空心蓮子草的全C明顯上升；海拔、年均氣溫與全P之間分別具有顯著的對數擬合關系(R2=0.444，P=0.025)和線性擬合關系(R2=0.376，P=0.045)，隨著海拔和年均氣溫的升高，空心蓮子草的全P顯著增加。全N、全K與5項環境因子之間均無顯著性關系。

表2 空心蓮子草營養元素含量及其化學計量比

由空心蓮子草化學計量比與環境因子的回歸分析結果(圖2)可知，經度、緯度分別與N∶P之間呈顯著的增長曲線擬合關系(R2=0.395，P=0.038)和S型曲線擬合關系(R2=0.422，P=0.031)，隨著經度和緯度的增加，N∶P顯著上升；海拔、年均氣溫分別與N∶P之間呈顯著的三項式擬合關系(R2=0.558，P=0.038)和增長曲線擬合關系(R2=0.475，P=0.019)，N∶P隨海拔和年均氣溫的上升而明顯下降。P∶K與緯度之間呈顯著的二項式擬合關系，其隨緯度增加而表現出“先下降-后上升”的變化趨勢；海拔、年均氣溫與P∶K之間均具有顯著的二項式擬合關系(R2=0.737，P=0.005；R2=0.682，P=0.010)，P∶K隨海拔和年均氣溫的上升而明顯增加；年均降雨量與P∶K呈顯著的三項式擬合關系(R2=0.682，P=0.010)，P∶K隨降雨量的增加而表現出“先上升-后下降”的趨勢。

2.2 元素含量與環境因子的RDA排序

RDA結果表明，前兩個排序軸累計包含了元素含量-環境因子關系的80.1 %解釋率(其中第一軸 51.5 %，第二軸28.6 %)，采用前兩軸的數據作RDA二維排序圖(圖3)。由環境因子與排序軸相關系數的顯著性結果可知，對第一排序軸起到決定性作用的因子依次為年均氣溫(r=0.848，P<0.01)、緯度(r=-0.817，P<0.01)、經度(r=-0.810，P<0.01)和海拔(r=0.794，P<0.01)，5項環境因子均未對RDA第二排序軸產生顯著性作用(表3)，即決定研究區空心蓮子草營養元素含量的主導因子為年均氣溫、緯度、經度和海拔。其中，年均氣溫、海拔與全磷具有密切的正向關系，經度、緯度與全P具有極強的負向關系；全N、全K與經度和緯度存在一定程度的正向關系，與年均氣溫、海拔存在一定的負向關系，但環境因子對這兩項營養指標的影響力較弱；全C含量基本不受決定第一排序軸的4項環境因子的影響。

2.3 元素化學計量比與環境因子的RDA排序

RDA結果表明，前兩個排序軸累計包含了化學計量比-環境因子關系的88.5 %解釋率(其中第一軸 56.9 %，第二軸31.6 %)，故采用前兩軸的數據作RDA二維排序圖(圖4)。由環境因子與排序軸相關系數的顯著性檢驗結果可知(表4)，決定第一排序軸的主導性環境因子依次有海拔(r=0.892，P<0.01)、年均氣溫(r=0.800，P<0.01)、緯度(r=0.718，P<0.01)和經度(r=-0.697，P<0.05)，而環境因子未對第二軸產生顯著性影響，故可認為決定研究區空心蓮子草化學計量特征的環境因素為海拔、年均氣溫、緯度和經度。其中，海拔和年均氣溫與P∶K具有密切的正向關系，而與N∶P、C∶P具有極強的負向關系；緯度和經度與N∶P具有密切正向關系，而與P∶K具有極強的負向關系；C∶P與緯度和經度均具有較強的正向關系；C∶N與緯度和經度均具有較強的負向關系，而與海拔和年均氣溫具有較強的正向關系。C∶K和N∶K與決定第一排序軸的4項環境因子之間均無明顯的相關性，表明研究區空心蓮子草具有極強的C∶K和N∶K內穩性化學計量特征，這2項指標受外界環境因素的影響較弱，主要是由該入侵植物自身的生物學屬性所決定的。

圖1 環境因子與空心蓮子草營養元素的回歸分析Fig.1 Regression analysis between environmental factors and nutritive elements of A. philoxeroides

圖2 環境因子與空心蓮子草化學計量比的回歸分析Fig.2 Regression analysis between environmental factors and stoichiometric ratio of A. philoxeroides

表3 環境因子與空心蓮子草營養元素RDA前兩個排序軸的相關系數(r)

粗箭頭代表環境矢量，細箭頭代表元素矢量；箭頭方向代表矢量與排序軸的正負相關性，箭頭連線與排序軸夾角代表矢量與排序軸間的相關性大小(夾角越小，相關性越大)；箭頭連線的夾角代表矢量間的相關性大小(夾角越小，相關性越大) The thick arrow represents the environment vector, while the thin arrow represents the element vector. The arrow direction represents the positive or negative correlation between the vector and the ordination axis, and the angle between the arrow line and the ordination axis represents the correlation between the vector and the axis (the smaller the angle, the greater the correlation). The angle between the arrow line represents the correlation between the vectors (the smaller the angle, the greater the correlation)圖3 空心蓮子草營養元素含量與環境因子的RDA排序Fig.3 RDA ordination between environmental factors and nutritive elements of A. philoxeroides

表4 環境因子與空心蓮子草化學計量比RDA前兩個排序軸的相關系數(r)

3 討 論

N、P含量表征了植物營養儲存能力及種間競爭吸收的差異性，而N∶P化計量關系則能夠反映出植物生長受N、P限制狀況[22]。本研究中，空心蓮子草的平均N含量為33.825 mg·g-1，高于我國陸生植物(20.20 mg·g-1)和全球陸生植物(20.60 mg·g-1)平均水平[23-24]；平均P含量為1.802 mg·g-1，與全球陸生植物P含量的平均水平相接近(1.77 mg·g-1)，但略高于我國陸生植物的平均P含量(1.46 mg·g-1)[23-24]；N∶P平均值為20.513，高于我國(16.30)及全球(12.70)陸生植物的平均水平[23-24]。N∶P是限制陸地生態系統植物生長速率及生長策略的重要指標[25]，根據Koerselman限制性養分理論，當N∶P<14時，植物生長主要受N限制，而當N∶P>16時，植物生長主要受P限制[26]。任書杰等人發現中國東部植物葉片具有相對較高的N∶P，表明局域植被生產力受P的限制作用較大[27]；本研究中空心蓮子草的平均N∶P>16，表明其具有較高的N吸收和富集能力，生長發育也受P元素的限制。

圖4 空心蓮子草化學計量比與環境因子的RDA排序Fig.4 RDA ordination between environmental factors and stoichiometric ratio of A. philoxeroides

年均氣溫、海拔的增加顯著提升空心蓮子全P和P∶K，明顯抑制N∶P。Sterner等認為生物體營養元素分配狀況與其生長速率有很大關系，生物體快速生長需要大量核糖體rRNA合成蛋白質，而核糖體rRNA中含有大量P，從而使得生長率高的物種具有較高P含量[28]。空心蓮子草具有的無性繁殖能力及表型可塑性使得其生長率極高，且其原產于氣候溫暖的南美洲，故溫度升高可促進該雜草在入侵地中的生長態勢[3]，使得其體內P含量隨年均氣溫增加而升高。海拔差異會影響植物的生長周期和物質代謝，從而改變植物營養元素分配格局[29]。高海拔的低溫條件制約了植物體內代謝酶的活性及含大量P元素的RNA的合成，進而導致植物生理生化速率減慢，因此高海拔區域的植物需維持較高的P含量以抵抗低溫對代謝反應的抑制作用，何桂萍等[30]關于摩天嶺喬木營養元素沿海拔變化的研究也表明，植物P含量隨海拔升高而增加，這與本研究結果相類似。此外，大量研究表明，低溫抑制土壤微生物活性，減緩土壤N素礦化及循環速率，導致植物N含量隨海拔增加和年均氣溫降低呈現下降趨勢[ 8, 31-32]，故 N∶P隨海拔升高而顯著降低。

緯度包含了復雜多變的生物與非生物因素，低緯度擁有更優的水熱件合，因此植物在低緯度地區的生理代謝及生長速率較高，其體內積累大量的P元素[6]。N的是衡量植物對生境適應力強弱的重要指標[33]，高緯度地區的熱穩定性極低，植物需消耗大量能量用以抵抗環境波動，從而造成體內N儲存量的損失[34]。Vilà 等[35]認為外來植物通過提升其對N的吸收富集來增強對入侵生境的適應性；黃成成等[33]發現，空心蓮子草從入侵地環境中高效吸收利用N素是影響其生長發育的核心因子之一；與這些結果相類似，本研究中空心蓮子草N∶P隨緯度上升顯著增加，可能與其在高緯度地帶通過改變各構件生物量投資來增強N的吸收及遷移能力有關，也表明該入侵種通過增加對生境N素的吸收能力以維持其在高緯度地區的入侵優勢度[6, 33]。經度通過與降雨量的共變效應影響植物營養元素[27]。隨著經度上升，中國大陸自西向東年均降雨量逐漸增加，降雨改變了土壤微生物分解和礦化作用，進而影響土壤N、P的可利用性[36]。Reich & Oleksyn[23]發現降水較多的區域其土壤淋溶嚴重、養分有效性減弱，導致植物N、P含量較低；丁小慧等[29]關于呼倫貝爾草原植物化學計量的研究也表明，P含量隨經度上升呈現降低趨勢，這與本研究中空心蓮子草P含量隨經度變化的結果一致。N∶P隨經度上升而增加，可能是由于在降水豐富的高經度區域，空心蓮子草對N的利用效率高于對P。本研究的降水量因子在RDA排序中的效應并不顯著，可能是由于大空間尺度上的經度變化掩蓋了降水對于植物營養的直接作用。

C∶N、C∶P表征了植物吸收N、P 時能同化積累C的能力，反映出植物體的生長速率及營養元素利用效率[37-38]，C∶N和C∶P值越低，則植物生長率通常越高[27]。空心蓮子草作為外來物種在入侵生境(尤其是水分較高的濕地環境)中調整了元素分配策略，其降低體內N、P等營養元素含量而提高了C含量，導致其植株的纖維素含量高、適口性差，可有效降低天敵昆蟲取食度[33, 39]，以保證自身較高的生長及繁殖速率。本研究RDA排序圖中，經度和緯度上升促進C∶P但抑制C∶N，海拔和年均氣溫上升促進C∶N但抑制C∶P，表明生境波動導致空心蓮子草在同化C的同時其對于N、P等營養元素的吸收能力有所減弱。K作為多種酶的活化劑參與光合作用，促進植物體內碳水化合物的合成與運輸，可提高植物抵抗干旱、低溫等不良環境[40]。本研究中，空心蓮子草K含量的空間變異性極小(CV=0.195)，表明穩定的K含量可能有助于空心蓮子草入侵蔓延，同時也使得其P∶K的變化趨勢主要取決于P含量。P∶K在單因素回歸中與緯度、年均降雨量分別呈“凹”和“凸”的單峰模式，這與RDA排序不相一致，可能是由于多個環境因子的交互效應造成的。

生態化學計量內穩性是植物在進化過程中對異質性環境長期適應所形成的，是植物所固有的特性[22]。本研究發現，空心蓮子草具有較高的C∶K和N∶K內穩性，異于入侵植物互花米草所表現出的較高的N∶P內穩性，這可能與植物自身的生物學屬性、入侵種對環境適應力的差異性以及生境中營養元素的空間異質性有關。本研究中單因素回歸分析的大部分結果與RDA排序具有高度一致性，表明各環境因子在不同生態層次上均對空心蓮子草化學計量產生了顯著影響。關于空心蓮子草內穩性形成機制、多重環境因子對空心蓮子草化學計量特征的交互效應等科學問題尚待設置控制實驗進行深入研究。

4 結 論

通過對廣西、河南兩地的入侵雜草空心蓮子草取樣分析，發現異質性生境對其營養元素含量及其化學計量比產生了顯著影響。空心蓮子草的N∶P>16 表明其N吸收和富集能力極高，生長受P元素的限制；年均氣溫和海拔的增加顯著提升空心蓮子草的全P和P∶K、抑制N∶P；經度和緯度抑制空心蓮子的全P和P∶K、促進N∶P；空心蓮子草具有較高水平的C∶K和N∶K化學計量內穩性。