張付斗,岳英,申時才,徐高峰,郭晉,張玉華
1. 云南省農科學院農業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2. 云南省農業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站,云南 昆明 650034
菟絲子屬植物在云南對薇甘菊的控制效果及其安全性調查評價
張付斗1,岳英2*,申時才1,徐高峰1,郭晉2,張玉華1
1. 云南省農科學院農業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2. 云南省農業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站,云南 昆明 650034
利用菟絲子屬(Cuscuta spp.)植物控制薇甘菊(Mikania micrantha H.B.K)引起一定關注和爭議。以云南省薇甘菊入侵生境中的中國菟絲子(C. chinensis Lam)、云南菟絲子(C. reflexa Roxb)和日本菟絲子(C. japonica Choisy)為考察對象,通過調查和分析3種菟絲子屬植物對薇甘菊的控制效果及其在群落中的生態(tài)指標,認為對薇甘菊的防治效果以中國菟絲子最好,其次是云南菟絲子和日本菟絲子。結果表明:中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子寄生90 d后,薇甘菊的死亡率分別為97.9%、65.3%和44.1%;而生物量與對照比較的相對防效分別為93.6%、81.2%和77.5%。3種菟絲子寄生薇甘菊入侵的群落中,中國菟絲子的相對密度(RD)最大,為0.484 3;云南菟絲子的相對頻度(RF)最大,為0.396 1;日本菟絲子的相對優(yōu)勢度(RDE)最大,為0.886 4。這3種菟絲子屬植物的重要值(IV)分別為0.763 8、1.205 1和1.317 1。因此,應用菟絲子屬植物控制薇甘菊具有較好的效果,但同時存在不同程度的生態(tài)風險。此外,云南菟絲子的寄主植物種類最多,其中有23種寄主植物的生長受到影響;日本菟絲子主要危害12種高大的灌木和草本植物;中國菟絲子的寄主植物種類相對較少,僅有的6種被寄生植物均為雜草或其他入侵植物,而且受害程度最嚴重,因此其生態(tài)安全性相對較高。研究結果可對應用菟絲子控制薇甘菊危害的可行性研究提供科學基礎。
菟絲子屬;薇甘菊;防治效果;生態(tài)指標
薇甘菊(Mikania micrantha H. B. K)原產于中南美洲,現(xiàn)已成為熱帶、亞熱帶地區(qū)危害廣泛的入侵藤本植物(Luque et al.,2004;Mini et al.,2005;Zhang et al.,2009)。該物種上世紀入侵中國香港、臺灣、廣東和云南,本世紀入侵海南和廣西以來,給入侵地的農、林、牧業(yè)發(fā)展造成嚴重危害和經(jīng)濟損失(馮惠玲等,2002;杜凡等,2006)。在物理、化學、生物和生態(tài)控制薇甘菊的技術發(fā)展方面,生物生態(tài)技術因具有高效、安全與可持續(xù)治理的效果而倍受研究者和生產者重視(James et al.,2010;Shwley et al.,2010)。國內外對紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)、豚草(Ambrosia artemisiifolia)和黃頂菊(Flaveria bidentis)等入侵植物的生物控制研究已取得許多成功案例(李會娜等,2009;田耀華等,2009;閆素麗等,2011),證實生物控制外來入侵植物在一些生境中的應用具有顯著的生態(tài)控制與修復作用(Wan et al.,2010)。
目前,國內外開展控制薇甘菊的物種篩選和應用已取得積極進展和顯著效果(Shen et al.,2015)。自研究者發(fā)現(xiàn)菟絲子屬(Cuscuta)植物浸染和致死薇甘菊的現(xiàn)象以來(Shen et al.,2011;廖文波等,2002),已有中國菟絲子(又稱菟絲子,C.chinensis)、南方菟絲子(C.australis)、田野菟絲子(C.campestris)、日本菟絲子(C. japonica)和云南菟絲子(又稱大花菟絲子,C. reflexa)等寄生并致死薇甘菊的報道(昝啟杰等,2002;昝啟杰等,2003;澤桑梓等,2013)。研究發(fā)現(xiàn)薇甘菊入侵可以改變土壤微生物的生物量和酶活性,最終改變土壤化學特性,以利于其入侵;而田野菟絲子的寄生可以打破土壤微生物群落的動態(tài)平衡,引起土壤微生物生物量和酶活性的改變,進而引起土壤化學特性的改變(李鈞敏等,2008)。此外,田野菟絲子寄生還可對薇甘菊葉片的氣孔長寬比和氣孔面積產生顯著影響,直接影響寄主的光化學中心的活性和光合進程(陳華等,2008;陳華等,2010),對薇甘菊可溶性蛋白和抗氧化酶活性等均有顯著影響(劉夢佼等,2011);日本菟絲子和田野菟絲子等還對薇甘菊種子萌發(fā)和幼苗生長存在強烈的化感效應(胡飛等,2005;李秋玲等,2008)。這些研究結果對利用菟絲子屬植物開展生態(tài)控制薇甘菊奠定了科學基礎。
全世界有菟絲子屬植物170多種,主要分布在熱帶、亞熱帶及溫帶地區(qū),以美洲分布種類居多。該屬在中國有11種,大部分地區(qū)都有分布,但每種的分布均有一定的地域性。云南省境內主要分布有中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子(郭鳳根等,1999a)。盡管菟絲子中的一些物種可作為名貴中草藥被種植栽培,然而,菟絲子屬植物寄主廣泛,且大多為農林生產中防治困難的惡性雜草。如大花菟絲子在云南的寄主有66科161屬181種,日本菟絲子在云南的寄主有55科128種,中國菟絲子在云南的寄主有10種(郭鳳根等,1998;郭鳳根等,1999b)。田野菟絲子能以產生吸器進行寄生生長的植物報道有近80種。通過對田野菟絲子控制薇甘菊危害的11個樣地群落進行調查,發(fā)現(xiàn)喬、灌、草不同程度受到田野菟絲子的寄生影響(昝啟杰等,2003)。因此,菟絲子屬植物大面積應用于控制薇甘菊的生態(tài)風險性不容忽視。本研究通過云南省薇甘菊發(fā)生區(qū)域的野外調查和室內實驗,評價了現(xiàn)有的3種菟絲子植物防除薇甘菊的效果及其安全性,旨在進一步為該技術的應用提供科學依據(jù)。
1.1 不同菟絲子對薇甘菊的寄生試驗
試驗于2015年在云南省農業(yè)科學院隔離培養(yǎng)室中進行,測定薇甘菊在被不同菟絲子寄生后的生長情況。野外分別采集被中國菟絲子(C. chinensis Lam)、云南菟絲子(C. reflexa Roxb)和日本菟絲子(C. japonica Choisy)寄生的薇甘菊,帶回實驗室后分別剪取帶1個菟絲子寄生點的薇甘菊莖段(4~5 cm),先在Hoagland’s營養(yǎng)液中培養(yǎng)8 d成活生根后,再分別以1 m×1 m的株行距,雙行條栽入2 m×5 m的水泥池(土壤質地為沙壤土,主要營養(yǎng)指標為:有機質1.6%,總N 1.67 g·kg-1,總P 0.21 g·kg-1;總K 9.54 g·kg-1)。以未被菟絲子寄生的薇甘菊幼苗為空白對照。各處理設4次重復,在溫度為21~29 ℃,濕度為60%~85%的溫室中培養(yǎng)90 d,每隔15 d觀察1次薇甘菊被不同菟絲子寄生后的生長情況,主要包括寄生的吸器位點數(shù)量和發(fā)黃葉片的百分率(%)。薇甘菊生長至90 d,調查各小區(qū)薇甘菊的株數(shù)和生物量(鮮重g),分別以死亡率(%)為絕對防效(%),生物量抑制程度為相對防效(%)比較3種菟絲子對薇甘菊的寄生影響。相對防效=(空白對照的干重-處理的干重)×100%/空白對照的干重。試驗完成后將植株和土壤進行高溫烘烤處理,以免物種擴散。
1.2 薇甘菊樣地群落中的不同菟絲子發(fā)生情況調查
定位監(jiān)測樣地設置在在云南省德宏州瑞麗市郊區(qū)的摞荒地(東經(jīng)97°68′29″,北緯23°86′75″,海拔1206.3 m)。試驗區(qū)地貌類型為丘陵山地,土壤為黃紅壤,有機質4.12 g·kg-1,全氮0.44 g·kg-1,全磷0.29 g·kg-1,全鉀0.53 g·kg-1,pH 7.32。年均氣溫21.2 ℃,年降雨量1355.2 mm。該地塊為薇甘菊入侵較為嚴重、而且分布較均勻的生境,薇甘菊蓋度55%~60%;其他入侵的植物種類主要有飛機草(Eupatorium odoratum)、馬唐(Digitaria sanguinalis)、鬼針草(Bidens bipinnata)、藎草(Arthraxon hispidus)、飛蓬(Conyza canadensis)、龍葵(Solanum nigrum)、地毯草(Axonopus compressus)、粗毛耳草(Hedyotis verticillata)、勝紅薊(Ageratum conyzoides)、香附子(Cyperus rotundus)等30種灌木和草本植物。
2016年在監(jiān)測樣地,定點16個薇甘菊均勻分布且有菟絲子寄生的小區(qū)(面積均為25 m2),中國菟絲子(C. chinensis Lam)、云南菟絲子(C. reflexa Roxb)和日本菟絲子(C. japonica Choisy)寄生的小區(qū)各4個,分別按照按1 m×1 m面積拔除多余或者補足4株薇甘菊幼苗,每一小區(qū)內共100株。薇甘菊被菟絲子屬植物寄生3個月后,用方格法將10 m×10 m樣方分為100個方格,調查記錄:(1)密度D=樣方內菟絲子的個體數(shù)/樣方面積,相對密度RD=(菟絲子的密度/全部植物種的總密度)×100%,由于菟絲子和薇甘菊難以區(qū)分植株數(shù)量,以樣方內大于3 cm的枝條進行計數(shù);(2)頻度F=菟絲子出現(xiàn)的樣方數(shù)/全部樣方數(shù),相對頻度RF=(菟絲子的頻度/全部植物種的總頻度)×100%;(3)優(yōu)勢度DE=樣方內菟絲子蓋度,相對優(yōu)勢度RDE=(菟絲子優(yōu)勢度/所有種的優(yōu)勢度之和)×100%。并根據(jù)重要值IV=相對密度(RD)+相對頻度(RF)+相對優(yōu)勢度(RDE),分別計算3種菟絲子屬植物在群落中的重要值。
1.3 薇甘菊發(fā)生區(qū)的菟絲子屬的寄主植物調查
2016年3月、6月和9月,分別對中國菟絲子(C. chinensis Lam)、云南菟絲子(C. reflexa Roxb)和日本菟絲子(C. japonica Choisy)樣地寄生植物進行調查,調查受其所危害的植物及其程度,參照廖文波等(2002)的方法進行危害等級評價:(1)菟絲子屬植物不寄生危害所調查的植物,為不危害(定為0級);(2)菟絲子的寄主植物的生長受到較小或不明顯的影響,為輕度危害(定為+級);(3)菟絲子的寄主植物生長明顯受到較大影響,生長狀態(tài)較差,為中度危害(定為++級);(4)菟絲子的寄主植物生長嚴重受阻或瀕臨死亡或致死,為重度危害(定為+++級)。
1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析
所有數(shù)據(jù)采用DPS v9.01軟件進行分析,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)和Duncan’s新復極差法比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。
2.1 不同菟絲子對薇甘菊的防治效果
薇甘菊在被菟絲子植物寄生后,前期主要表現(xiàn)為葉片頂尖向下逐漸發(fā)黃、葉小、分枝數(shù)量少和莖短等特征。表1所示為在薇甘菊上寄生的中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子的表型特征,由表可知,中國菟絲子的生物量和覆蓋度相對較小,但寄生速度較快、吸器位點數(shù)量明顯較多,薇甘菊被寄生后90 d,每一個莖段(1 m)上附有的中國菟絲子吸器位點數(shù)量達到96.7個;其次是云南菟絲子和日本菟絲子。日本菟絲子的生物量和覆蓋度最大,但吸器位點數(shù)量相對較少,被覆蓋后的薇甘菊光合作用受到一定程度的影響,但被直接吸取養(yǎng)分和水分的現(xiàn)象不明顯,基本能生長。作為本地物種的云南菟絲子,其生物量和蓋度小于日本菟絲子,但顯著大于中國菟絲子;該物種對薇甘菊的寄生性較日本菟絲子強,但顯著低于中國菟絲子。對薇甘菊的防治效果以中國菟絲子最好,其次是云南菟絲子,日本菟絲子的防治效果相對較差,薇甘菊被3種菟絲子侵染后的死亡率分別為97.9%、65.3%和44.1%(圖1);生物量與空白對照比較的相對防效(%)分別為93.6%、81.2%和77.5%。
圖1 菟絲子屬3種植物控制薇甘菊的效果Fig. 1 The control effect of 3 species of Cuscuta on Mikania micrantha
表1 不同菟絲子的寄生薇甘菊后的表型特征Table 1 The phenotypic characteristics of different Cuscuta species parasitic on mikania micrantha
表2 不同菟絲子在薇甘菊群落中的發(fā)生情況Table 2 The occurrence of different species Cuscuta in communities with mikania micrantha
2.2 不同菟絲子在群落中的發(fā)生情況
監(jiān)測樣地中的3種菟絲子在寄主植物上生長至90 d,調查樣方內植物的密度、頻度和蓋度,結果見表2。未被菟絲子寄生的樣地,群落中植物密度均值為942.8 plant·m-2;而寄生中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子的樣地,薇甘菊和其他植物的種群密度顯著下降,全部植物的總密度分別為165.8、467.6和527.3 plant·m-2。由此可知,長期以薇甘菊種群為優(yōu)勢的群落結構,在被菟絲子屬植物寄生后,菟絲子屬植物快速繁殖取代薇甘菊成為密度較大的種群。中國菟絲子由于莖纖細、多分枝且較短的特點,其密度顯著較另外兩種菟絲子大,達到80.3 plant·m-2。通過菟絲子寄生小區(qū)的植株相對密度進行計算,得知中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子相對密度(RD)分別0.4843、0.1420和0.1111;相對頻度(RF)分別為0.1324、0.3961和0.3196,這與它們的寄主范圍密切相關;受到生物量、主莖、覆蓋度等表型特征的影響,3種菟絲子的相對優(yōu)勢度(RDE)分別為0.1470、0.6670和0.8864,這與其溫室栽培試驗(表1)結果吻合。由于受到菟絲子植物的繁殖、薇甘菊的死亡,以及其他物種的恢復或受害等多方面影響,中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子在群落中的重要重要值(IV)分別為0.7638、1.2051和1.3171。
2.3 群落中其它植物被菟絲子的寄生和受害情況
以野外薇甘菊為優(yōu)勢種群的群落,在被中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子侵染后,寄主植物及其受害情況結果見表3。薇甘菊被3種菟絲子寄生且受其影響較大,其中被中國菟絲子寄生的植株,表現(xiàn)出生長嚴重受阻或瀕臨死亡或致死,為重度危害(定為+++級);而被日本菟絲子寄生的植株,表現(xiàn)出生長明顯受到較大影響,生長狀態(tài)較差,為中度危害(定為++級),與溫室測定的結果一致。樣地調查證實,中國菟絲子寄生于6種植物(占樣地物種組成的20.0%)之上,并對其造成中度或重度危害;日本菟絲子寄生于12種植物(占樣地物種組成的40.0%)之上,并對其造成輕度和中度危害;云南菟絲子的寄主范圍廣,多達26種(占樣地物種組成的86.7%),其中重度危害僅見薇甘菊,其他物種表現(xiàn)為輕度和中度危害。從寄主植物的經(jīng)濟和生態(tài)價值角度進行分析,中國菟絲子主要寄生并危害矮小的雜草類型,而日本菟絲子多寄生于相對高大的灌草類型,表明中國菟絲子的生態(tài)安全性相對較高,而日本菟絲子的風險性較大。
表3 菟絲子的寄主植物及其受害情況Table 3 Effects of Cuscuta on their host plants
菟絲子與寄主接觸后產生吸器,導致寄主養(yǎng)分不足而生長受到抑制甚至死亡(廖文波等,2002)。菟絲子纏繞在薇甘菊的莖上,吸取其養(yǎng)分和水分,導致該外來入侵物種葉片發(fā)黃甚至整株枯死(澤桑梓等,2013)。研究表明,利用菟絲子作為防治薇甘菊的手段具有理想的效果。此外,由于菟絲子屬植物種類較多,不同種菟絲子的生物學、生態(tài)學特性差異顯著,而且其分布具有一定的地域性,故其在不同入侵地域的安全性存在差異(李鈞敏等,2008)。因此,該技術的應用不可忽視資源、環(huán)境和靶標雜草的相互關系。本研究基于云南省薇甘菊發(fā)生區(qū)菟絲子屬植物的調查結果,通過溫室觀測中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子對薇甘菊的影響,發(fā)現(xiàn)菟絲子植物對薇甘菊具有顯著的寄生和抑制效果。進一步研究發(fā)現(xiàn),在云南省的薇甘菊入侵生境中,中國菟絲子控制薇甘菊的效果顯著較另外兩種菟絲子好,其寄生90 d的薇甘菊死亡率達到97.9%,生物量與空白對照比較的相對防效為93.6%。
由于菟絲子屬植物的大多物種已成為中國入侵物種重點防控的對象,而且已許多成為農林生產中防治困難的惡性雜草。因此,評價其安全性是生物資源利用的前提。本研究樣地中30種主要植物的寄主種類調查結果也與文獻報道較為吻合(郭鳳根等,1999a)。野外調查發(fā)現(xiàn)云南菟絲子寄生的植物種類最多,其次是日本菟絲子和中國菟絲子,危害對象也表明中國菟絲子的生態(tài)安全性相對較高,而日本菟絲子的風險性最高。中國菟絲子、云南菟絲子和日本菟絲子在群落中重要值(IV)分別為0.7638、1.2051和1.3171,也表明菟絲子植物對薇甘菊和其他物種存在一定選擇性。中國菟絲子由于分枝多而蓋度小,寄生并致死薇甘菊的能力強,且其他寄主植物種類少,故其在以薇甘菊為種群優(yōu)勢的群落中具有較大的相對密度(0.4843),而相對頻度(0.1324)和相對優(yōu)勢度(0.1470)均較小的特征,表明中國菟絲子具有防效高和生態(tài)風險小的應用優(yōu)勢。日本菟絲子雖然繁殖速度快、且蓋度大,但對薇甘菊的寄生率相對較低,在群落中盡管表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢度(0.8864),但相對密度卻較?。?.1111),表明其具有生態(tài)風險較高的嚴重缺點。云南菟絲子作為3種寄生植物中唯一的本地物種,具有適應性強和寄主范圍廣等特點,表現(xiàn)為相對頻度(0.3961)較大,相對密度(0.1420)次于中國菟絲子,相對優(yōu)勢度(0.6670)次于日本菟絲子的特點,表明該物種盡管對薇甘菊具有較好控制效果,但可危及的其他植物的種類多且存在較高的擴散風險。因此,應用菟絲子屬植物防治薇甘菊,需要選擇地域、生境和群落類型,特別需防范其擴散風險。
利用菟絲子植物控制入侵植物薇甘菊具有諸多利弊性,因此如何利用其開展薇甘菊的生物防治還應開展更多的研究工作。基于云南省薇甘菊入侵生境及其被菟絲子侵染的研究結果,筆者認為如未具備消除生態(tài)風險的技術措施,需謹慎應用云南菟絲子,特別忌用日本菟絲子。第一,薇甘菊嚴重發(fā)生危害的局部地域可以根據(jù)寄主的種類,選擇性應用中國菟絲子,同時也有必要采取防范擴散和根除的技術手段;第二,菟絲子也是具有較高藥用價值的中藥資源,薇甘菊形成單優(yōu)種群的嚴重地段,可以發(fā)揮菟絲子的經(jīng)濟和生態(tài)價值(Satish et al.,2012);第三,文獻報道日本菟絲子對薇甘菊具有化感作用,通過提取和應用菟絲子的化感物質開展薇甘菊的防治,有利于消除菟絲子植物野外應用的生態(tài)風險(李秋玲等,2008;胡飛等,2005)??傊?,在當前尚不具備安全、高效和經(jīng)濟的前提下,建議不要盲目應用菟絲子屬植物。
綜上所述,3種菟絲子屬植物控制薇甘菊都具有一定的防治效果,也具有一定的生態(tài)風險性。其中,以中國菟絲子的控制效果最好,且生態(tài)風險性相對最低;而日本菟絲子控制薇甘菊的效果相對較差,生態(tài)風險性較大。不能盲目應用這幾種菟絲子控制入侵植物薇甘菊,需根據(jù)地域、生境和群落類型發(fā)揮菟絲子的經(jīng)濟和生態(tài)價值,特別需防范菟絲子對其他寄主植物的寄生危害。安全、高效的菟絲子應用技術的開發(fā)有賴于資源利用、化感作用和風險性評估等研究工作的深入開展。
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The Control Effect of Cuscuta on Mikania micrantha and Their Ecological Index in Yunnan
ZHANG Fudou1, YUE Ying2*, SHENG Shicai1, XU Gaofeng1, GUO Jing2, ZHANG Yuhua1
1. Agricultural Environment and Resource Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, China; 2. Yunnan Agricultural Environmental Protection and Monitoring Station, Kunming 650034, China
Cuscuta spp. could parasitize and control Mikania micrantha, which was a concerned and controversial measure in ecology. Cuscuta chinensis Lam, Cuscuta reflexa Roxb and Cuscuta japonica Choisy have found in the invasion area of Mikania micrantha . The control effect of 3 species of Cuscuta on Mikania micrantha and their ecological index in the community were investigated in Yunnan Province. Cuscuta chinensis Lam had better control effect on Mikania micrantha than that of Cuscuta reflexa Roxb and Cuscuta japonica Choisy. The results showed that the mortality rate of Mikania micrantha was 97.9%, 65.3% and 14.1%, respectively after 3 species of Cuscuta parasitized 90 days, and biomass of Mikania micrantha plants in treatments, the control effects was 93.6%, 76.2% and 52.3%, respectively. In the invasion community of Mikania micrantha, the high relative density was Cuscuta chinensis Lam with 0.484 3, the high relative frequency was Cuscuta reflexa Roxb with 0.396 1, and the high relative dominance index was Cuscuta japonica Choisy with 0.886 4. So, the important value of plant was 0.763 8, 1.205 1 and 1.317 1 for three Cuscuta species. Although 3 species of Cuscuta had good effects of control Mikania micrantha, they also had great risks for biology and ecology. In the community of Cuscuta spp. parasitizing, Cuscuta reflexa Roxb with the most types of host plant, it affected 26 species of plant growth. Cuscuta japonica Choisy main harmed 12 kinds of tall shrubs and herbaceous plants. The host biology types species of Cuscuta chinensis Lam were few, just serious suffering 6 species weeds or other invasive plants, so it with relatively high security. The research results were to credible basis for selection habitat of Cuscuta to control Mikania micrantha invasion.
Cuscuta spp.; Mikania micrantha; control effect; ecological index
10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.001
Q143; X173
A
1674-5906(2017)03-0365-06
張付斗, 岳英, 申時才, 徐高峰, 郭晉, 張玉華. 2017. 菟絲子屬植物在云南對薇甘菊的控制效果及其安全性調查評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 26(3): 365-370.
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云南省學術技術帶頭人培養(yǎng)項目(2014HB039);農業(yè)部昆明作物有害生物科學觀測實驗站
張付斗(1971年生),男,研究員,主要從事雜草生態(tài)控制研究。E-mail: fdzh@vip.sina.com
*并列第一作者與通信作者,岳英(1964年生),女,高級農藝師。E-mail: ynaep@sina.com
2017-02-04