鹽度及種間相互作用對海三棱藨草、互花米草萌發及生長的影響

王 倩,史歡歡,于振林,王天厚,汪承煥

華東師范大學生命科學學院,上海 200241

群落構建理論認為,區域物種庫內所有物種的功能性狀經過局域生物和非生物因子的篩選后形成該局域的物種集合[1]。在植物的不同生活史階段,影響局域物種更新和空間分布的機制存在差異。群落形成的早期,種子散布和萌發決定了先鋒物種在空間上的大致分布[2],而環境因子對于萌發生態位的篩選進一步推動了群落的發育[3—4]。更新階段是植物生活史的關鍵環節,包括種子散布、萌發、幼苗建成等過程[5],探究更新過程在群落構建中所起的作用是我們理解物種多樣性形成機制的關鍵。

長江口鹽沼濕地具有明顯的環境梯度,植物群落大部分處于演替早期,物種組成簡單,是研究植物群落構建機制的理想系統[6]。鹽度是長江口鹽沼濕地最重要的環境因子之一[7]。鹽生植物能夠耐受一定程度的鹽環境,成為維持當地生態系統的基礎。然而,高濃度的鹽分會干擾植物吸收水分,對胚和發育中的幼苗形成離子毒害,影響細胞正常代謝活動[8—9]。植物在不同生長發育階段對鹽脅迫的耐受能力不同,種子萌發期對于鹽分最為敏感,直接關系到個體能否成活,進而影響種群的建立[10—11]。此外,種間相互作用是影響植物群落構建的另一個關鍵因素。由于人類活動的影響,生物入侵對各類生態系統的威脅不斷加劇,入侵種與土著物種間的競爭作用正受到越來越多的關注[7,12]。

互花米草原產于北美東海岸,引入我國后迅速憑借其高繁殖力和耐鹽性大肆擴張,成為濱海濕地生態系統的重要入侵物種。在長江口崇明東灘,互花米草的入侵擠占了中、低潮位海三棱藨草等先鋒物種的生存空間,造成土著植物生態位的收縮[13—14]。目前,相關研究主要關注入侵種和土著種的種群分布、生理特性的比較,以及群落的空間結構及多樣性等方面,對于更新過程在群落構建中所起的作用還不夠了解。本研究聚焦于崇明東灘優勢物種互花米草和海三棱藨草在生活史早期萌發階段的相互作用及對鹽度的響應,并與生活史中后期階段的生長與競爭狀況作對比,以較為全面地理解鹽沼植物群落構建機制,為東灘濕地的保護工作提供一定的參考。具體的科學假設是：鹽度、種間相互作用對互花米草與海三棱藨草不同生活史階段的影響存在差異,因此鹽沼濕地植物群落的構建機制比我們原先的理解更為復雜。

1 材料與方法

1.1 研究區域

崇明東灘是長江口規模最大、發育最為完善的河口型潮汐灘涂濕地,位于上海最東端(31°26′—31°37′N、121°46′—122°02′E)。崇明東灘的表層土壤鹽度通常在2‰—15‰之間[6],咸潮入侵時則可達20‰[15]。20世紀90年代,互花米草被引進崇明東灘后快速擴散,使原有植物群落格局發生了巨大變化。目前,崇明東灘北部高潮帶以蘆葦和互花米草的單一群落以及混生群落為主,中潮帶為互花米草群落-海三棱藨草混生群落,南部以海三棱藨草、藨草以及糙葉苔草等莎草科植物群落為主[16]。

1.2 目標物種

海三棱藨草是崇明東灘先鋒群落的優勢土著物種,互花米草則是當地重要的外來入侵物種。本實驗所用種子均于實驗上年秋季取自崇明東灘,其中海三棱藨草種子從東灘當地種子商戶處購得,互花米草種子采集自北八滧互花米草-蘆葦混生群落,所有種子均放置在4℃冰箱內浸水保存并定期換水。

1.3 實驗設計

1.3.1萌發實驗1

2015年4月,開始進行互花米草與海三棱藨草的種間競爭萌發實驗。在直徑9cm的培養皿底部覆蓋雙層濾紙,隨機分為淡水、鹽水兩種處理,分別在培養皿中滴加6mL的純水或1%NaCl溶液,使濾紙均勻浸濕。每種處理下設置互花米草單種、海三棱藨草單種、互花米草+海三棱藨草混種3組物種組合,每組各4個重復。單種組每皿放置30粒種子,混種組每皿每個物種各放置30粒種子。種子洗凈消毒后放入培養皿,加蓋置于光照培養箱中。

1.3.2萌發實驗2

2017年3月,開始進行互花米草與海三棱藨草的種間競爭機制實驗。分別取互花米草和海三棱藨草種子各50g置于2個500mL的錐形瓶中,加入400mL蒸餾水密封,在30℃恒溫搖床中震蕩48h,加入適量NaCl制成鹽度為1%的互花米草、海三棱藨草種子浸泡液,同時配置1%NaCl溶液,置于4℃冰箱內保存。在直徑9cm的培養皿底部覆蓋雙層濾紙,將互花米草種子分成3組：單種組、互花米草+海三棱藨草混種組、互花米草+海三棱藨草種子浸泡液組,其中前兩組在培養皿中滴加6mL的1%NaCl溶液,浸泡液組則滴加等量海三棱藨草種子浸泡液；海三棱藨草種子同樣設置單種、互花米草+海三棱藨草混種、添加互花米草種子浸泡液三組處理,每組處理各4個重復。單種組和浸泡液組每皿放置20粒種子,混種組每皿每個物種各放置20粒種子。種子清洗消毒后放入培養皿,加蓋置于光照培養箱中。萌發結束后,將培養皿烘干,加入30mL純水充分浸泡種子和濾紙后,使用便攜式鹽度計(SANXIN 5052 salt)測定溶液鹽度。

兩個萌發實驗中,光照培養箱(一恒MGC- 100)的設置均為白天(08:00—20：00)溫度30℃,光強度100%；晚上(20:00—次日08:00)溫度18℃,光強度0%。每隔24h補充適量水分維持濾紙濕潤,每天統計記錄各物種種子的萌發數。

1.3.3盆栽實驗

2019年4月,開始進行互花米草與海三棱藨草的盆栽生長競爭實驗。準備1L花盆(底徑12.5cm,高度17cm,口徑16cm)填入適量河沙,每盆加入Osmocote緩釋肥2g(15- 10- 12- 2MgO-TE),分別放入裝有淡水或1%NaCl溶液的周轉箱中。設置互花米草單種、海三棱藨草單種及兩物種混種3組處理,每組處理4個重復。單種組每盆均勻放入種子30粒,混種組每個物種各放30粒,在花房室溫下培養,每隔5d更換周轉箱內溶液。前3周每天統計萌發的種子數,2019年10月收獲全部植物,測定每個物種的密度、高度和地上生物量。

1.4 數據分析

萌發率GP(%)=萌發種子數/實驗種子數×100%

萌發速度Gv=∑(Gi×Di)/∑Gi,式中Gi：第i天發芽數；Di：天數。萌發速度用平均萌發時間來衡量,時間越短,萌發速度越快[17]。

采用多因素方差分析檢驗鹽度及種間作用對萌發實驗中互花米草與海三棱藨草萌發率、萌發速度的影響,以及對盆栽實驗中互花米草萌發率、高度、地上生物量的影響。采用單因素方差分析檢驗不同處理對互花米草與海三棱藨草萌發率、萌發速度及最終鹽度的影響,后續檢驗使用Tukey′s HSD test。盆栽實驗中海三棱藨草在1%鹽度處理下沒有萌發,故采用獨立樣本t檢驗分析淡水處理下種間作用對海三棱藨草萌發率、高度、地上生物量的影響。所有數據分析使用SPSS 23.0進行,α=0.05,制圖軟件采用SigmaPlot 10.0。

2 結果

2.1 鹽度及種間作用對互花米草、海三棱藨草種子萌發的影響

鹽度、種間作用及其交互效應對互花米草種子的萌發率均無顯著影響,但1%鹽度顯著降低了互花米草種子的萌發速度,而種間作用及交互效應對萌發速度則無顯著影響(表1,圖1)。

圖1 互花米草、海三棱藨草種子在不同鹽度及種間作用處理下的萌發情況Fig.1 Germination of Spartina alterniflora and Scirpus mariqueter seeds under different salinity and interspecific interaction treatments 不同大寫字母表示不同鹽度處理間存在顯著差異,不同小寫字母表示同一鹽度處理下單種、混種組合間存在顯著差異

鹽度、種間作用及其交互效應對海三棱藨草種子的萌發率均有顯著影響(表1)。1%鹽度處理下海三棱藨草種子的萌發率顯著低于淡水組；種間作用關系也受到鹽度調控,淡水處理下互花米草種子對海三棱藨草的萌發幾乎沒有影響,而在1%鹽度處理下,互花米草對海三棱藨草種子的萌發率有顯著促進作用。海三棱藨草種子的萌發速度受到1%鹽度處理的顯著抑制,而種間作用及交互效應則無顯著影響(表1,圖1)。

2.2 競爭者種子及其浸泡液對互花米草、海三棱藨草萌發的影響

不同種間作用處理下,互花米草種子的萌發率、萌發速度均存在顯著差異(表2)。混種處理組的互花米草種子萌發率顯著高于單種組及添加海三棱藨草種子浸泡液處理組,后兩者之間沒有顯著差異；單種組萌發速度最快,平均萌發天數顯著低于浸泡液處理組,而混種組介于兩者之間(圖2)。

不同種間作用處理下,海三棱藨草種子的萌發率、萌發速度也存在顯著差異(表2)。混種組的海三棱藨草種子萌發率顯著高于單種組及添加互花米草種子浸泡液組,但萌發速度卻顯著低于另兩組(圖2)。其中浸泡液處理下的4個重復組中僅有1組萌發,無法比較各處理組間的差異,t檢驗結果表明單種組與混種組的萌發速度(平均萌發時間)存在顯著差異(圖2,P=0.011)。

互花米草、海三棱藨草種子萌發培養皿內溶液的最終鹽度在不同處理組之間也存在顯著差異(表2),混種組的最終鹽度均顯著低于單種組及添加競爭者種子浸泡液處理組(圖2)。

表1 鹽度、種間作用對互花米草、海三棱藨草種子萌發影響的方差分析

表2 種間作用對互花米草、海三棱藨草種子萌發和培養皿溶液最終鹽度影響的方差分析

圖2 不同種間作用處理下互花米草、海三棱藨草種子的萌發情況和培養皿溶液最終鹽度Fig.2 Germination of Spartina alterniflora and Scirpus mariqueter seeds and final salinity in petri dishes under different interspecific interaction treatments 不同小寫字母表示不同處理間存在顯著差異

2.3 盆栽環境下互花米草、海三棱藨草的萌發及生長

與培養皿實驗結果不同,盆栽環境下,鹽度對互花米草種子的萌發率存在顯著效應(表3)。1%鹽度顯著降低了互花米草種子的萌發率,而種間作用及交互效應則無顯著影響(表3,圖3)。鹽度和種間作用對互花米草萌發速度的影響不顯著,但二者的交互效應顯著(表3),淡水處理下互花米草混種時的萌發速度高于單種,而1%鹽度處理下則正好相反(圖3)。

盆栽環境下,鹽度對海三棱藨草種子萌發的抑制作用更為強烈,1%鹽度處理下海三棱藨草完全沒有萌發。在淡水處理下,種間作用降低了海三棱藨草的萌發率(圖3),但效應不顯著(t檢驗,P=0.247)。由于海三棱藨草種子萌發較晚且持續了數月,未能完整統計其萌發日期,故無法準確計算其平均萌發時間。

收獲時,鹽度、種間作用及其交互效應對互花米草的平均高度和地上生物量均無顯著效應(表4)。混種組中互花米草平均高度和地上生物量都低于單種組,兩者的差異在淡水中更大,但都不顯著。海三棱藨草對鹽度十分敏感,1%鹽度處理下沒有萌發。淡水處理下,混種組的平均高度、地上生物量也低于單種組,但差異不顯著(圖4)。

表3 鹽度及種間作用對盆栽環境下互花米草種子萌發率和萌發速度影響的方差分析

圖3 盆栽環境不同鹽度和種間作用處理下互花米草、海三棱藨草種子的萌發情況Fig.3 Germination of Spartina alterniflora and Scirpus mariqueter seeds under different salinity and interspecific interaction treatments in pot experiment不同大寫字母表示不同鹽度處理間存在顯著差異

表4 鹽度和種間作用對收獲時互花米草生長表現影響的方差分析

圖4 盆栽環境不同鹽度和種間作用處理下互花米草、海三棱藨草收獲時的生長表現Fig.4 Growth performance of Spartina alterniflora and Scirpus mariqueter under different salinity and interspecific interaction treatments in pot experiment

3 討論

3.1 鹽度對互花米草、海三棱藨草萌發及生長的影響

長江口崇明東灘濕地具有明顯的環境梯度,發生咸潮入侵時,鹽度可達20‰左右[15],因此鹽度是決定這一區域植物群落格局的重要因子。研究發現,互花米草具有較廣的鹽度生態幅(2‰—30‰)[18],成體植株甚至可以耐受高達60‰的鹽環境。在高鹽度(15‰—30‰)環境下,互花米草種子的萌發相比蘆葦、堿蓬等土著物種更具優勢[19],但鹽度對其萌發及生長仍存在一定的抑制作用。盆栽生長競爭實驗中,互花米草在1%鹽度處理下萌發率顯著降低(圖3),平均高度和地上生物量也有所下降(圖4)。海三棱藨草對鹽度更為敏感,李偉等[20]研究表明,互花米草的耐鹽閾值為43‰,高于海三棱藨草存活的耐鹽閾值21‰。種間競爭萌發實驗中,海三棱藨草在1%鹽度處理下萌發率顯著降低(圖1),而盆栽生長競爭實驗中,海三棱藨草在1%鹽度處理下則完全無法萌發。另一方面,萌發速度對于植物快速占領生境十分重要[21],個體大小的不對稱性有利于先萌發的物種在競爭中占據優勢。種間競爭萌發實驗中,盡管互花米草和海三棱藨草種子的萌發速度在1%鹽度處理下都顯著減慢(圖1),但在相同鹽度條件下,互花米草種子的萌發速度均顯著高于海三棱藨草(淡水處理下平均萌發時間：互花米草(4.19±0.66) d,海三棱藨草(6.24±0.58) d,t檢驗,P<0.01；1%鹽度處理下平均萌發時間：互花米草(7.80±1.08) d,海三棱藨草(17.19±1.07) d,t檢驗,P<0.01)。因此,即使土壤鹽度未超過海三棱藨草的耐鹽閾值,在同等鹽度條件下互花米草種子的萌發速度相比于海三棱藨草也更占優勢,進一步增加了其幼苗建成階段的競爭能力。互花米草一旦成功定居后,其競爭優勢更加明顯,且能夠通過強大的無性和有性繁殖來擴大種群,極易造成更大規模的入侵[22]。

需要注意的是,海水的組成比較復雜,對種子萌發的影響可能與NaCl溶液之間存在差別。張麗平等[23]的研究發現,重金屬鎘與鹽度存在交互作用,能夠加強NaCl對互花米草的脅迫。此外,對九段沙互花米草及海三棱藨草的研究發現,高鹽度環境下,氮、磷營養鹽尤其是氮的添加能顯著促進互花米草地上部分的生長,而在低鹽度環境下,氮添加則能促進海三棱藨草種子的萌發[24]。管博等[25]詳細比較了NaCl、NaHCO3及海水溶液對鹽地堿蓬種子萌發的影響,發現離子濃度相近時,NaCl溶液與海水處理下鹽地堿蓬的萌發情況不存在顯著差異。這一結果表明,海水對鹽沼植物萌發的影響主要是由于NaCl的滲透脅迫和離子脅迫造成的,其他組分的影響較小。因此,NaCl溶液處理能夠較好地代表海水的影響。植物的表現是不同環境因子共同作用的結果,除了海水鹽度之外,其他環境因子也會產生重要影響。例如,水淹時間與鹽度的交互作用對海三棱藨草幼苗的葉綠素及SOD含量有顯著影響[26]。在今后的研究中,需要更多關注多種環境因子對植物的綜合效應,以全面了解真實海水環境及其他環境因子對植物表現的影響。

3.2 種間作用對互花米草、海三棱藨草萌發及生長的影響

種間作用是影響植物種群建成的另一個重要因子。然而,除了少數研究之外,對于種子萌發階段的種間相互作用及其內在機制了解仍十分有限[27]。種間競爭萌發實驗中,脅迫較強的鹽水環境中混種使海三棱藨草萌發率顯著提高,互花米草的萌發率也略有上升(圖1),此時種間具有一定的促進作用。而在淡水環境中,種間作用對互花米草、海三棱藨草種子的萌發基本沒有影響,表明種間作用的類型和強度會受到鹽度的調控。種間競爭機制實驗中,互花米草、海三棱藨草種子在添加競爭者浸泡液處理組的萌發率、最終鹽度均與單種組相近,而兩個物種混種組的萌發率則顯著高于單種組,且萌發結束后培養皿中溶液鹽度顯著降低(圖2)。上述結果表明,互花米草與海三棱藨草在萌發階段的相互促進并非是通過化感作用實現的,可能是由于種子萌發時對鹽分的吸收減弱了鹽脅迫的影響。有研究表明,鹽脅迫會導致種子在萌發過程中胚細胞吸水困難,造成種子休眠或延遲萌發,鹽度過高時,則會破壞細胞膜的完整性,造成種子死亡[28]。在種子萌發初期,鹽度對于兩個物種都是主要的限制因子,萌發時種子能夠吸收一部分鹽,使滲透脅迫得以緩解,提高了各自的萌發率,而萌發率的提高又進一步增加了對鹽分的吸收,導致環境鹽度顯著降低。萌發階段種間促進作用的具體機制還需要進一步深入研究。

需要注意的是,盆栽實驗的結果與培養皿實驗存在差異,混種并沒有顯著提高互花米草和海三棱藨草種子的萌發率。這可能是由于在培養皿中萌發時,種子之間相距較近,相對密度較大,鹽度對于種子的影響更為直接,且培養皿容積較小,局部微環境較易受到種子生命活動的影響。在花盆中萌發時,種子相對密度較小,對局部微環境的影響相對較弱,因此互花米草與海三棱藨草之間的促進作用不明顯。盆栽實驗和培養皿實驗確實能提供一些有價值的信息,但是將相關結果推廣到野外時,需要更加謹慎[29]。

3.3 植物生存對策在不同生長發育階段的變化

種間關系是影響群落構建的重要因素,但以往的研究大多聚焦于成體階段外來入侵物種與土著物種之間的相互作用。長江口濕地的野外操縱實驗及同質園受控實驗均表明,入侵物種互花米草的種間競爭能力大于海三棱藨草[30—31]。兩物種共存時,互花米草的種間競爭強度大于種內競爭,而海三棱藨草的種內競爭強度大于種間競爭[12]。將互花米草移栽至崇明東灘海三棱藨草群落后,隨著其生長與擴散,海三棱藨草的多度、蓋度、生物量、種子和球莖產量顯著降低[32]。在長江口九段沙濕地,互花米草的擴散也導致了海三棱藨草群落的分布面積急劇減小[33]。因此,互花米草成體階段強大的競爭力是其在長江口海三棱藨草群落成功入侵的重要機制之一。

植物在不同生長發育階段受到干擾的強度不同,對于外界因子的響應機制同樣存在差異[22,34],因此種間競爭的重要性和強度會隨之發生變化[35]。已有研究發現,互花米草種子對鹽水中海三棱藨草種子的萌發有顯著促進作用,更新階段植物種間相互作用的類型及強度與生活史后期階段并不完全一致,僅考慮成體階段在群落構建中的作用是有局限性的[27]。本研究結果表明,崇明東灘群落建成早期階段,環境干擾較大,脅迫程度較高,競爭作用較弱,種間關系傾向于相互促進。種間競爭機制實驗中,競爭處理下種子對鹽分的吸收可以減緩鹽脅迫,促進海三棱藨草及互花米草種子的萌發,有利于各自種群迅速占據新生境。一旦成功定居,隨著植物的繼續生長發育,生物量不斷提高,干擾帶來的影響逐漸降低,植株之間對于土壤養分、空間等資源的爭奪加劇,競爭的重要性和強度也隨之增加[22]。盆栽生長競爭實驗持續時間更長,因而結果有所不同。混種組互花米草和海三棱藨草的株高、生物量相比于單種組均有所下降,這表明兩物種間產生了一定的競爭作用,但是差異并不顯著。這可能是由于在本次實驗中使用的材料是由種子萌發產生的實生苗,而非營養繁殖形成的無性系分株。有研究表明,互花米草的無性繁殖體定居成功率、生長、繁殖等相關指標均遠高于有性繁殖[36]。

在潮間帶環境中,潮汐運動引起的灘涂淤積過程不斷營造出新的生境,植物擴散到脅迫較大的新生境后,萌發階段可能存在種間促進作用。然而,當群落發育到一定規模后,種群的進一步擴張及對資源的爭奪會導致種間關系朝著競爭的方向演變,最終形成一個個單優勢種的群落斑塊。總之,物種之間促進或競爭的關系在環境因子及自身生長發育階段的共同影響下不斷波動,并處于一種動態平衡之中。

3.4 鹽沼植物群落的構建機制

植物分布格局及各物種的共存關系一直是群落生態學的核心議題[37]。群落演替的早期階段受種子影響較大[38],種子的擴散、萌發在較大程度上決定了種群在空間上的分布,但生境中有限的生態位和特定的環境條件又會約束種群的進一步發展[39]。本研究主要探討了鹽度及種間作用對崇明東灘優勢物種互花米草、海三棱藨草的影響。在群落形成的早期階段,種子散布及鹽度等環境因子決定了空間內物種的基本組成,隨著群落繼續發育,種間相互作用開始取代其它環境因子成為新的主導因子,決定群落的結構和物種組成[40—41]。 互花米草與海三棱藨草存在著一定的競爭關系,并形成了明顯的競爭位序。在崇明東灘中低潮帶光灘區域,萌發階段海三棱藨草與互花米草種子之間的競爭效應較弱,能否成功在新生境定殖主要取決于種子到達該區域的能力及對鹽脅迫和潮水沖刷的耐受能力。相比于存續時間不超過一年的互花米草種子庫,海三棱藨草2—3年的種子仍具有萌發能力,增大了種群存活幾率。然而,植物群落地上部分密集的植株對海三棱藨草種子具有較強的截留能力,使大量種子在中高潮帶沉積,大大降低了光灘區域的種子供應[42]。此外,在成熟群落中,互花米草與海三棱藨草均主要通過營養繁殖進行更新,由于競爭的不對稱性,個體更大的互花米草占據顯著優勢,并逐漸取代海三棱藨草成為優勢物種。因此,入侵種互花米草對海三棱藨草的威脅主要來自于成體植株。

在對鹽沼濕地進行修復的過程中,除了加大對入侵植物互花米草的治理力度外,還需關注土著植物的恢復。要提高恢復效率,應根據不同物種在萌發及生長階段對于環境因子和競爭的響應特征,采取適當干預措施,增大土著植物種子萌發和幼苗定植的成功率。在中低潮帶,可以撒播預萌發的海三棱藨草種子或移栽幼苗,同時密切監測互花米草種子擴散形成的新生斑塊,盡早加以清除,防止其發展為成熟群落。在中高潮帶,清除互花米草后,可移栽海三棱藨草、蘆葦幼苗,并充分利用濕地土壤種子庫的潛能促進土著群落的自然恢復[43]。在高潮帶,除了清除互花米草的無性分株外,還應注意控制其種子的生產與散布,蘆葦、堿蓬、堿菀等土著植物則以自然恢復為主。總之,在長江口鹽沼濕地治理過程中,應密切監測防控互花米草的再度入侵,因地制宜促進海三棱藨草等土著植被的恢復,提高濕地生態保護效率[44]。

致謝:約熱尼沙對實驗給予幫助，上海崇明東灘國家級自然保護區對調查采樣提供幫助，特此致謝。