UV-B輻射增強和氮添加及其互作對空心蓮子草-馬唐競爭的影響

吳 昊,姜俊慧,羅 莉,崔益萌,張婉瑩

(1. 信陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河南 信陽 464000;2. 河南大別山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,鄭州 450046;3. 信陽生態(tài)研究院,河南 信陽 464000)

【研究意義】伴隨全球環(huán)境變化及經(jīng)濟(jì)全球化,外來植物入侵愈加嚴(yán)重[1]。入侵植物因具有強大的適應(yīng)力與次生防御能力、營養(yǎng)吸收與同化能力以及表型可塑性,且其對環(huán)境變化的響應(yīng)程度通常高于本土伴生種,使得其可通過種間競爭大量排擠本土植物,對本土物種多樣性、群落穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)功能造成極大破壞[2]。當(dāng)前人類活動導(dǎo)致全球環(huán)境發(fā)生劇烈變化,化石燃料的使用使得全球年均氮沉降總量較18世紀(jì)增加了4倍,中國已成為繼歐洲、北美之后的世界第三大氮沉降區(qū)[3];而氟氯烴等污染物的大量排放致使臭氧層空洞加劇,并最終導(dǎo)致地表紫外輻射強度增加,其中UV-B(280～320 nm)增幅尤為明顯[4];這些環(huán)境變化顯著影響外來植物的生態(tài)效應(yīng)及其入侵態(tài)勢。空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)為原產(chǎn)于南美洲的莧科蓮子草屬雜草,具備克隆生長習(xí)性及水、陸兩生性,其廣泛入侵中國南北方20余省,對生態(tài)環(huán)境、物種多樣性及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅,被列入中國首批外來入侵物種名單[5]。馬唐(Digitariasanguinalis)為一年生禾本科植物,由于其具備較強的生態(tài)適應(yīng)性及分蘗生長特性,是空心蓮子草入侵群落中的優(yōu)勢本土伴生種[6]。深入探討空心蓮子草-馬唐種間競爭關(guān)系有助于制定更為有效的入侵防控措施。【前人研究進(jìn)展】已有較多關(guān)于氮沉降或UV-B輻射對植物種間競爭的研究。如:相較于本土伴生種,氮添加顯著促進(jìn)加拿大一枝黃花(Solidagocanadensis)和大花金雞菊(Coreopsisgrandiflora)等入侵植物的葉面積、葉綠素含量、分枝數(shù)及生長速率,進(jìn)而提升其對于本土植物的競爭優(yōu)勢[7];但氮素富集對于植物入侵的促進(jìn)作用也受到氮形態(tài)及其濃度的影響,部分學(xué)者還發(fā)現(xiàn)氮添加使得入侵-本土植物長勢均受到抑制[8-9]。Bornman等[10]發(fā)現(xiàn),UV-B輻射對本土植物生長具有抑制作用,其顯著削弱植物葉片蒸騰速率及凈光合速率;Fenollosa等[11]發(fā)現(xiàn),入侵植物對UV-B輻射的響應(yīng)程度通常高于本土植物,其可通過啟動多種光保護(hù)機制以緩解紫外輻射傷害并產(chǎn)生適應(yīng)性進(jìn)化;入侵美國的烏桕(Triadicasebifera)優(yōu)先將資源分配于地上葉片以抵抗UV-B輻射脅迫[12];入侵新西蘭的紫花柳穿魚(Linariapurpurea)和紅車軸草(Trifoliumpratense)功能性狀則表現(xiàn)出較高可塑性,其可通過降低比葉面積及提高多酚含量以增強對UV-B輻射的耐受性[13]。此外,UV-B輻射還可與氮沉降產(chǎn)生交互效應(yīng),進(jìn)而改變“入侵植物-土壤微生物-本土植物”多級互作關(guān)系[14-15]。部分學(xué)者也圍繞氮素對空心蓮子草入侵態(tài)勢的影響開展了相關(guān)工作,如:Wang等[16]發(fā)現(xiàn),施氮使得空心蓮子草增大對葉片的投入以提升對地上資源的競爭力,同時使得空心蓮子草在與其本土同屬種蓮子草(A.sessilis)競爭時具有較高莖生物量[16];Zhang等[17]發(fā)現(xiàn)空心蓮子草在濕生環(huán)境中的氮素遷移利用能力高于陸生環(huán)境;姜帆等[18]則發(fā)現(xiàn)氮沉降對空心蓮子草的入侵無顯著影響。【本研究切入點】目前關(guān)于UV-B輻射、氮添加及其互作對空心蓮子草-馬唐種間競爭影響的研究尚未見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】探討空心蓮子草和馬唐在單種、混種模式下對于環(huán)境變化的異質(zhì)性響應(yīng),深入分析氮添加及UV-B輻射對空心蓮子草和馬唐的生物量、形態(tài)、生理和光合特性的影響,以期為全球變化下的空心蓮子草入侵態(tài)勢預(yù)測及其及生物替代提供參考。

1 材料與方法

1.1 植物材料

本試驗所使用的空心蓮子草母株和馬唐種子均采集于野外環(huán)境空心蓮子草-馬唐共生群落。采用莖節(jié)扦插的方法進(jìn)行空心蓮子草繁殖,用剪刀剪取帶有莖節(jié)部分的空心蓮子草約2 cm埋于穴盤中進(jìn)行育苗;從共生群落中選取顆粒飽滿、健康無損的馬唐種子進(jìn)行干燥保存并帶回實驗室備用,采用種子播種的方式進(jìn)行馬唐育苗[19]。待植物幼苗長出兩片真葉后,將長勢相似的馬唐幼苗與空心蓮子草幼苗移栽至花盆中進(jìn)行試驗處理。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗設(shè)置單種、混種兩種栽培模式,采用de Wit取代試驗法控制每盆植物總株數(shù)為2株(馬唐∶空心蓮子草的比例分別為1∶0、0∶1和1∶1)[19]。在單種、混種模式中分別設(shè)置處理方式(對照、施氮、UV-B輻射、施氮×UV-B輻射)和物種屬性(馬唐、空心蓮子草)共2個因子,每個處理組合重復(fù)5次。試驗用土以挖取的野外空心蓮子草-馬唐共生環(huán)境土壤(銨態(tài)氮101.136 mg/kg、硝態(tài)氮106.758 mg/kg、速效磷117.534 mg/kg、速效鉀41.573 mg/kg、pH 6.86)與珍珠巖、細(xì)沙以4∶2∶1混合比例制得。將試驗用土置于立式滅菌器(博科BKQ-B12011,中國)121 ℃高壓濕熱持續(xù)滅菌120 min后分裝于花盆中。試驗中使用的塑料花盆規(guī)格為直徑20 cm,高17 cm。

試驗布設(shè)完畢后,各盆中植物以高50 cm網(wǎng)罩覆蓋并移入智能溫室培養(yǎng)。氮添加量采用中國南方最大氮沉降量63.53 kg/(hm2·a)[3],換算到本試驗中為每盆0.570 g 硝酸銨(NH4NO3)。將NH4NO3晶體(分析純)溶解于去離子水中配成溶液分3次噴灑至花盆中(施氮時間為將植物移入溫室后的第10、20、30天)。通過安裝40W UV-B 燈管(北京電光源研究所,中國)進(jìn)行UV-B輻射增補,燈管以普通燈架安裝在植株上方,每日輻射時間為8∶00—16∶00,共8 h(植物移入溫室后的第5～30天接受UV-B輻射)。每3 d變換1次燈管中央及其周圍花盆的擺放位置,以保證各植株接受均勻輻射。施氮×UV-B輻射處理為以上兩種處理措施的組合。對照處理中噴灑與NH4NO3溶液等量的去離子水,各處理間其它日常管護(hù)措施均保持一致。待所有處理全部完成后繼續(xù)培養(yǎng)植物10 d,測定各項指標(biāo)。本實驗中植物在溫室內(nèi)培養(yǎng)周期為40 d。

1.3 指標(biāo)測定

每株植物上隨機選擇3個葉片,以手持式植物多酚—葉綠素測量儀(Dualex,法國)測定其葉綠素a指數(shù)(Chlorophyll a index,Chla)和花青素指數(shù)(Anthocyanin index,Anth)并取平均值。對各植株進(jìn)行遮光暗處理15 min后,利用開放式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)(FluorCam,捷克)測定其暗適應(yīng)后最小熒光(F0)、暗適應(yīng)后最大熒光(Fm)、最大光量子產(chǎn)率(QY_max)、穩(wěn)態(tài)光適應(yīng)光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP_Lss)、穩(wěn)態(tài)熒光衰減率(Rfd_Lss)和穩(wěn)態(tài)光量子效率(QY_Lss)等6項光合熒光指標(biāo)。

以鋼卷尺測得各植株的最大莖長。將植物從土壤中挖出沖洗擦凈后,以Microtek掃描系統(tǒng)(ScanMaker i800, 中國)測定各植株的總根長。每株植物隨機選取3個葉片,以Microtek掃描系統(tǒng)測定其葉面積并取平均值。將各植物全株洗凈后置于鼓風(fēng)干燥箱(雷韻101-4A,中國)中75 ℃烘干48 h至恒重,以萬分位電子天平(力辰FA224,中國)測定其總生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0軟件(SPSS Inc,美國)提供的二因素方差分析(Two-way ANOVA)探討處理方式、物種屬性其交互效應(yīng)對空心蓮子草、馬唐各項指標(biāo)的影響。方差分析前對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行齊性檢驗,若方差齊性則進(jìn)行分析,若不齊性則對數(shù)據(jù)進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換以符合方差齊性要求。對于方差分析結(jié)果顯著(P<0.05)的處理組合,進(jìn)一步采用最小顯著差數(shù)法(Least significant difference,LSD)多重比較探討其差異性來源。優(yōu)先分析處理方式效應(yīng)顯著、處理方式×物種屬性交互效應(yīng)顯著的結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮及UV-B輻射對植物長勢的影響

單種情況下,處理方式×物種屬性交互效應(yīng)對總生物量(F7, 27=5.621,P=0.004)和葉面積(F7, 27=4.116,P=0.016)產(chǎn)生顯著影響,處理方式對莖長(F7, 27=11.871,P<0.001)產(chǎn)生顯著影響(表1)。相較于對照處理,施氮、施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)導(dǎo)致空心蓮子草總生物量分別顯著下降40.612%、79.310%(圖1-a),施氮、UV-B輻射導(dǎo)致植物最大莖長分別顯著上升207.154%、117.607%(圖1-b),施氮、UV-B輻射導(dǎo)致馬唐葉面積分別顯著上升297.643%、151.557%(圖1-c)。處理方式未對單種植物根長產(chǎn)生顯著影響。

不同大寫字母代表處理方式×物種屬性交互效應(yīng)顯著;不同小寫字母代表處理方式的單因素效應(yīng)顯著,下同。Different capital letters indicate significant interactive effects between treatment method and species, while different lowercase letters indicate significant single effect of treatment method. The same as below.圖1 不同處理方式對植物生物量及形態(tài)特征的影響Fig.1 Effect of different treatment methods on plant biomass and morphological traits

表1 植物生物量及形態(tài)特征的方差分析Table 1 Analysis of variance for plant biomass and morphological traits

混種情況下,處理方式×物種屬性交互效應(yīng)分別對根長(F7, 27=4.339,P=0.013)和葉面積(F7, 27=8.308,P<0.001)產(chǎn)生顯著影響(表1)。相較于對照處理,施氮、UV-B輻射以及施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)導(dǎo)致空心蓮子草根長分別顯著下降76.051%、58.824%和50.121%(圖1-d),施氮導(dǎo)致馬唐葉面積顯著增加254.259%(圖1-e),這與其在單種中的表現(xiàn)類似。處理方式未對混種中植物總生物量及最大莖長產(chǎn)生顯著影響。

2.2 施氮及UV-B輻射對植物色素的影響

處理方式、處理方式×物種屬性交互效應(yīng)均未對植物Anth產(chǎn)生顯著影響。單種情況下,處理方式對植物Chla(F7, 27=3.454,P=0.031)產(chǎn)生顯著影響;混種情況下,處理方式×物種屬性交互效應(yīng)對植物Chla(F7, 27=4.175,P=0.016)產(chǎn)生顯著影響(表2)。相較于施氮處理,單種中施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)導(dǎo)致植物Chla顯著下降23.015%(圖2-a);混種中施氮導(dǎo)致馬唐Chla顯著上升53.018%,而導(dǎo)致空心蓮子草Chla顯著下降12.084%,UV-B輻射使得空心蓮子草Chla顯著上升45.434%(圖2-b)。

圖2 不同處理方式對植物色素的影響Fig.2 Effect of different treatment method on plant pigment

表2 植物色素的方差分析Table 2 Analysis of variance for plant pigment

2.3 施氮及UV-B輻射對植物光合熒光的影響

處理方式未對植物Fm及Rfd_Lss產(chǎn)生顯著影響。單種情況下,處理方式×物種屬性交互效應(yīng)分別對F0(F7, 27=9.166,P<0.001)、QY_max(F7, 27=14.919,P<0.001)、qp_Lss(F7, 27=7.124,P=0.001)和QY_Lss(F7, 27=26.788,P<0.001)產(chǎn)生顯著影響(表3)。相較于對照處理,UV-B輻射、施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)分別導(dǎo)致馬唐F0顯著上升114.757%、87.085%,而分別導(dǎo)致空心蓮子草F0顯著下降33.106%、34.819%(圖3-a)。施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)導(dǎo)致馬唐QY_max顯著下降18.984%,UV-B輻射、施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)分別導(dǎo)致空心蓮子草QY_max顯著上升404.459%、685.350%(圖3-b)。施氮使得空心蓮子草qp-Lss顯著下降52.381%,相較于單一施氮處理,UV-B輻射導(dǎo)致馬唐qp-Lss顯著下降34.764%(圖3-c)。UV-B輻射、施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)分別導(dǎo)致馬唐QY_Lss顯著下降45.605%、19.304%,而分別導(dǎo)致空心蓮子草QY-Lss顯著上升835.714%、1556.429%(圖3-d)。

圖3 不同處理方式對植物光合熒光的影響Fig.3 Effect of different treatment method on plant photosynthetic fluorescence

表3 植物光合熒光的方差分析Table 3 Analysis of variance for plant photosynthetic fluorescence

混種情況下,處理方式對QY_max(F7, 27=5.127,P=0.007)和QY_Lss(F7, 27=5.122,P=0.007)產(chǎn)生顯著影響(表3)。相較于對照處理,施氮導(dǎo)致植物QY_max、QY_Lss分別顯著下降82.700%(圖3-e)、92.275%(圖3-f)。

3 討 論

外源氮輸入可通過影響植物資源分配策略以加劇種間競爭,并導(dǎo)致養(yǎng)分失衡進(jìn)而削弱其生產(chǎn)力。本研究中,施氮降低單種中空心蓮子草總生物量,是由于空心蓮子草在氮富集土壤環(huán)境中偏向資源獲取型策略,即降低其干物質(zhì)含量以減少構(gòu)建成本、增加最大莖長以實現(xiàn)迅速生長[25];或是由于氮素富集導(dǎo)致的土壤陽離子可用性降低及土壤酸化使得空心蓮子草體內(nèi)氮/磷失衡加劇、葉片光合速率及生產(chǎn)力降低,進(jìn)而削弱其生物量[26]。此外,高氮輸入后植物適口性增強導(dǎo)致天敵昆蟲種群數(shù)量上升,取食壓力增強也會降低植物生產(chǎn)力[27];且植物體內(nèi)氮素濃度上升易引起病原物侵染并加其繁殖速率,進(jìn)而制約植物生長[28]。施氮×UV-B輻射交互作用使得植物體內(nèi)用于調(diào)控激素合成路徑的生理反應(yīng)加劇、干物質(zhì)消耗量增加,削弱植物光合作用積累干物質(zhì)的能力,加劇擾亂植物的“生長-防御”權(quán)衡策略[29]。

花青素是具有較強抗氧化能力的類黃酮類化合物,其可清除UV-B輻射誘導(dǎo)形成的活性氧從而減緩植物細(xì)胞受到的毒害作用[30]。前人研究表明,低溫促進(jìn)植物體內(nèi)花青素積累,高溫則會加速其降解[31]。本研究中植物體內(nèi)花青素對于各類處理的響應(yīng)并不顯著,可能是由于本試驗時值夏季,溫室內(nèi)較高的氣溫加速了花青素降解,從而降低其對UV-B輻射及施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)的響應(yīng)程度。葉綠素反映了植物光合作用強度及制造有機物質(zhì)的能力[23],單種條件下UV-B輻射削弱施氮對于提升植物葉綠素含量的效果,是由于紫外輻射脅迫導(dǎo)致植物DNA同一鏈上相鄰的2個嘧啶偶聯(lián)成嘧啶二聚體,造成DNA損傷[14,32];同時UV-B輻射使得葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞使其類囊體片層變形,導(dǎo)致植物吸收氮素以合成葉綠素的速率顯著下降[14,29,33]。

混種條件下,施氮促進(jìn)混種馬唐的葉綠素含量上升,這是由于施氮使得混種馬唐葉面積顯著升高,且其提高葉片可溶性氮含量并協(xié)同促進(jìn)葉綠素積累以抵抗空心蓮子草入侵[23],此外,馬唐對于土壤氮素的爭奪也使得施氮情況下混種中的空心蓮子草葉綠素含量下降。但UV-B輻射促進(jìn)空心蓮子草葉綠素含量上升,是由于空心蓮子草自身具有較強的表型可塑性及極高的耐受性得以適應(yīng)UV-B輻射[6,34];且由“競爭能力增強進(jìn)化假說”(Evolution of increased competitive ability,EICA)可知,入侵物種傾向?qū)⒏噘Y源分配至營養(yǎng)生長而非抵御外界逆境,使得逆境中的入侵植物比本土伴生種具有更高的光合電子傳遞率和實際光能轉(zhuǎn)化率[32],其光合結(jié)構(gòu)效能增強,導(dǎo)致UV-B輻射下空心蓮子草葉綠素含量顯著上升[33-34]。這也表明空心蓮子草和馬唐在競爭過程中對施氮及UV-B輻射存在明顯性的異質(zhì)性響應(yīng),即UV-B輻射可刺激空心蓮子草合成更多葉綠素以具備更強的種間競爭優(yōu)勢。與此結(jié)果相類似,Roleda等[35]發(fā)現(xiàn)UV-B輻射導(dǎo)致新西蘭入侵藻類真江蘺(Gracilariavermiculophylla)的葉綠素和類胡蘿卜素含量均有所上升,這種應(yīng)對紫外線增強的防御機制有助于其成功入侵。

光合熒光參數(shù)表征了植物PSⅡ反應(yīng)系統(tǒng)活性狀況[33-34]。其中,F0和Fm反映了植物生理狀態(tài)與其所處生境的關(guān)系,QY_max是評價環(huán)境脅迫對光合作用影響的重要指標(biāo),QY_Lss代表葉綠體實際光化學(xué)效率的高低,qP_Lss反映環(huán)境脅迫下植物光合活性的高低,Rfd_Lss常用于評估環(huán)境脅迫下植物的抗性水平[34]。本研究中,UV-B輻射及其交互效應(yīng)使得單種情況下馬唐F0升高、QY_Lss降低,表明馬唐對于UV-B輻射更為敏感,其通過提高光合初始熒光的方法增強自身的抗逆性[33]。而UV-B輻射及其交互效應(yīng)使得單種中空心蓮子草F0降低、QY_Lss升高,是由于空心蓮子草在逆境狀態(tài)下選擇以降低初始熒光產(chǎn)量為代價獲得更高葉綠體光合作用效率,這與本研究中UV-B輻射導(dǎo)致空心蓮子草Chla上升相吻合,即入侵植物通過增加葉綠素含量以緩解UV-B輻射損傷[36]。兩種植物各自的F0與QY_Lss呈完全相反的變化趨勢,表明不同防御策略使得入侵植物在逆境條件下具有更強抗性[12, 28]。李良博等[37]研究發(fā)現(xiàn),入侵雜草紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)對UV-B輻射增強環(huán)境的適應(yīng)力及抗逆性均較強,UV-B輻射使得其抗氧化酶活性及損傷修復(fù)能力明顯增強,這與本研究結(jié)果相一致。UV-B輻射損害了馬唐的PSII光化學(xué)反應(yīng)中心,導(dǎo)致其光合效率和光能轉(zhuǎn)換率均明顯降低[38],而UV-B輻射及其與施氮交互效應(yīng)提升了單種空心蓮子草QY_max,是由于空心蓮子草抗逆性較強且UV-B輻射進(jìn)一步刺激其增強了光化學(xué)量子效率及利用率。

本研究中,施氮削弱單種中空心蓮子草qp_Lss,是由于施氮雖然使得空心蓮子草葉片單位光反應(yīng)中心吸收了較多能量,但其并沒有用來促進(jìn)捕獲光能及推動電子傳遞,而是以熱能及熒光形式散失掉,這也可能是空心蓮子草為避免光抑制而形成的光保護(hù)機制[34]。但施氮顯著削弱混種條件下兩種植物整體的QY_max及QY_Lss,是由于施氮雖可促使植物轉(zhuǎn)化的光量子總數(shù)增加,但一定時間內(nèi)植物光量子數(shù)已處于極高水平,轉(zhuǎn)化量增多反而導(dǎo)致其利用效率的相對下降[27];同時,大量氮素輸入導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)逐漸走向氮飽和,甚至使得系統(tǒng)由氮限制轉(zhuǎn)變?yōu)榱紫拗?從而降低植物光合固碳能力對于氮輸入的響應(yīng)能力,反而導(dǎo)致其利用效率相對下降[26]。此外,植物氮素水平與光合作用之間的關(guān)系是非線性的,葉片中剩余的氮素并未被用于優(yōu)化碳同化[39],高氮輸入下土壤二氧化碳排放量也會趨于飽和,使得植物遭受更大程度的光能過剩并產(chǎn)生過多活性氧,從而降低PSII光化學(xué)效率[40]。

4 結(jié) 論

入侵植物空心蓮子草與其本土優(yōu)勢伴生種馬唐的種內(nèi)、種間競爭能力對環(huán)境變化的響應(yīng)存在明顯差異。施氮加劇空心蓮子草的種內(nèi)競爭強度而相對提升馬唐在形態(tài)和生物量上的競爭優(yōu)勢;UV-B輻射削弱馬唐的光合活性而刺激空心蓮子草合成更多葉綠素以具備更高種間競爭優(yōu)勢;UV-B輻射、施氮×UV-B輻射交互效應(yīng)顯著提升空心蓮子草的實際光化學(xué)效率。總體而言,UV-B輻射增強及其與氮添加互作提升了入侵植物空心蓮子草對于本土種馬唐的光合效率優(yōu)勢;未來應(yīng)更加重視對空心蓮子草入侵?jǐn)U散的監(jiān)控,以防全球環(huán)境變化下多類因子復(fù)雜的交互效應(yīng)進(jìn)一步加劇該入侵種對于本土植物的競爭替代。