張運(yùn)春，歐春予，張橋英

1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637009；2.西華師范大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637009

喜旱蓮子草（Alternantheraphiloxeroides）是莧科蓮子草屬的強(qiáng)入侵性草本植物，又稱空心蓮子草，原產(chǎn)于南美洲，20世紀(jì)30年代引入中國(guó)，后在人為作用下逸為野生，泛濫于中國(guó)南方大部分地區(qū)（郭連金等，2009），造成了嚴(yán)重的生態(tài)經(jīng)濟(jì)損失。喜旱蓮子草能夠成功入侵水生和陸生環(huán)境，主要?dú)w功于其表型可塑性（Yang et al.，2019）。

植物的表型可塑性，可以增強(qiáng)入侵植物對(duì)多樣環(huán)境的耐受性和適應(yīng)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(diào)整植物的表型特性對(duì)多變的環(huán)境因子產(chǎn)生可塑性響應(yīng)（Luo et al.，2019），包括植物的形態(tài)特性、生理特性和繁殖特性等（劉建等，2010），從而增強(qiáng)了其入侵能力（Spector et al.，2006）。例如，可以通過改變植株的分枝數(shù)（Wang et al.，2018）、種子發(fā)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(dá)到成功入侵的目的。

近年來，由于工業(yè)活動(dòng)加劇，農(nóng)田的過度施肥等人類活動(dòng)導(dǎo)致環(huán)境中的氮元素大大增加，使得許多地區(qū)土壤中的氮含量過剩，如華南甘蔗種植區(qū)氮沉降量超過陸地生態(tài)系統(tǒng)的臨界負(fù)荷（黃金生等，2019）。而氮元素是植物細(xì)胞的重要組成元素，大氣氮沉降的增加改變了土壤的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了一定影響。有研究表明，氮沉降量的增加促進(jìn)了入侵植物節(jié)節(jié)麥（Aegilopstauschii）競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)的實(shí)質(zhì)是植物種群不同個(gè)體間對(duì)相似資源的競(jìng)爭(zhēng)作用，種群密度增加，相鄰植物對(duì)有限的光照、水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)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(kuò)大種群密度，分枝數(shù)減少，莖生物量降低，增大根和葉的生物量，通過莖葉的形態(tài)可塑性生長(zhǎng)來促進(jìn)對(duì)新生境的入侵（蒲高忠等，2010）。同時(shí)，還有研究發(fā)現(xiàn)入侵植物水浮蓮（Eichhorniacrassipes）種群密度增大，對(duì)土壤養(yǎng)分的消耗減少（申時(shí)才等，2013），有利于入侵種群的擴(kuò)散。

目前，關(guān)于氮添加與密度交互作用對(duì)植物的影響研究已取得相關(guān)進(jìn)展，比如高密度增加桉樹（Eucalyptusrobusta）幼苗對(duì)莖的碳分配比例，降低了對(duì)葉的分配比例，同時(shí)氮添加緩解了桉樹幼苗高密度下的養(yǎng)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(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)（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(nèi)競(jìng)爭(zhēng)情況。本研究以入侵植物喜旱蓮子草為研究對(duì)象，探討氮添加與植株密度的交互作用下種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)及其對(duì)入侵能力的影響，為未來氮沉降環(huán)境下喜旱蓮子草的入侵機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

本實(shí)驗(yàn)地設(shè)置于四川省南充市順慶區(qū)西華師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)地內(nèi)（106°4′1″E，30°48′45″N）。屬亞熱帶季風(fēng)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(jī)質(zhì)含量略偏低。本次實(shí)驗(yàn)用土是將當(dāng)?shù)赝寥琅c營(yíng)養(yǎng)土（含有少量珍珠巖，優(yōu)質(zhì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采集試驗(yàn)地附近喜旱蓮子草的莖段（大小、長(zhǎng)度基本相同）扦插在培養(yǎng)箱內(nèi)，在相同的外界環(huán)境下生長(zhǎng)12 d后，再移植到內(nèi)徑18.5 cm，深11 cm的塑料花盆內(nèi)。采用兩因素隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素一為密度，采用加性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（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(gè)重復(fù)。

1.3 采樣與測(cè)定

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年4月10日—2019年6月30日。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定每盆中心喜旱蓮子草的葉量、莖長(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)、葉面積（掃描儀掃描后用Image J測(cè)量其葉面積）；將根、莖、葉分別裝入信封袋中，編號(hào)，在 65 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定后稱量其質(zhì)量，記錄各部分的生物量。測(cè)定指標(biāo)包括：（1）形態(tài)：葉量（Number of leaves）、莖長(zhǎng)（Stem length）、莖節(jié)數(shù)（Number of stem nodes）、莖分支數(shù)（Number of branches）、葉面積（Leaf area）；（2）生物量：?jiǎn)沃晟锪浚˙iomass）、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(shù)：根據(jù)Valladares et al.（2000）計(jì)算所測(cè)量指標(biāo)的可塑性指數(shù)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of the experiment

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用SPSS 23.0進(jìn)行分析，將部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以滿足方差齊性，用雙因素方差分析（Two way ANOVA）檢驗(yàn)不同植株密度和氮素水平對(duì)入侵植物喜旱蓮子草的影響的差異性，采用SNK進(jìn)行多重比較，用Microsoft Excel完成作圖。

2 結(jié)果

2.1 植株密度和氮素水平對(duì)喜旱蓮子草形態(tài)特征的響應(yīng)

植株密度和氮素水平對(duì)喜旱蓮子草的葉量、莖長(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)、葉面積均影響顯著（P＜0.05），植株密度和氮素水平對(duì)葉量、莖長(zhǎng)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(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)減小，密度對(duì)喜旱蓮子草的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用；不加氮處理顯然不利于植物的生長(zhǎng)，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(shí)表現(xiàn)最為顯著；除葉面積外，在低、中密度下，氮素的促進(jìn)作用較為明顯，而高密度下氮素的促進(jìn)作用不顯著。

2.2 植株密度和氮素水平對(duì)喜旱蓮子草生物量積累和分配的響應(yīng)

植株密度對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，加氮處理與不加氮之間有顯著差異（P＜0.05），而中、高密度時(shí)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(shí)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(shí)，差異達(dá)到最大；高密度不加氮處理下的根生物量比達(dá)到最大值。根冠比具有和根生物量比一樣的變化趨勢(shì)。

表2 植株密度和氮添加對(duì)喜旱蓮子草形態(tài)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(duì)喜旱蓮子草形態(tài)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(duì)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(duì)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(biāo)都是加氮處理下對(duì)密度響應(yīng)的可塑性指數(shù)較大；喜旱蓮子草的葉量、莖長(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)以及單株生物量隨著密度增大，對(duì)氮素響應(yīng)的可塑性指數(shù)呈減小趨勢(shì)；而且對(duì)密度響應(yīng)的可塑性指數(shù)要高于對(duì)氮素的響應(yīng)值，說明植株密度對(duì)喜旱蓮子草形態(tài)生長(zhǎng)的影響占主導(dǎo)地位。

表3 喜旱蓮子草各變量對(duì)密度和氮素響應(yīng)的表型可塑性指數(shù)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(duì)喜旱蓮子草的生長(zhǎng)表現(xiàn)出顯著的負(fù)效應(yīng)，而氮添加表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)，二者對(duì)喜旱蓮子草的生長(zhǎng)產(chǎn)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(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)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(fù)效應(yīng)。氮素通過促進(jìn)喜旱蓮子草葉片生長(zhǎng)，伸長(zhǎng)莖長(zhǎng)，產(chǎn)生分支來占據(jù)地上資源，增強(qiáng)光合作用，進(jìn)行生物量的積累，資源利用率大大提高；同時(shí)喜旱蓮子草產(chǎn)生的分支往往能夠形成蔭蔽環(huán)境抑制其他物種的生長(zhǎng)繁殖（全國(guó)明等，2014），在生產(chǎn)力較高的生境中，喜旱蓮子草占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（潘曉云等，2006）。已有研究表明，氮沉降在一定范圍內(nèi)可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，但氮含量過高會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)（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(duì)氮的需求，所以其形態(tài)特征和生物量積累還未產(chǎn)生氮過量的負(fù)效應(yīng)。

入侵植物的生物量分配對(duì)策對(duì)新環(huán)境產(chǎn)生的可塑性響應(yīng)有利于提高其適應(yīng)性（Portela et al.，2019）。研究表明，喜旱蓮子草的入侵策略可能表現(xiàn)為通過調(diào)節(jié)各構(gòu)件生物量的投資來增強(qiáng)氮素吸收能力，進(jìn)而增強(qiáng)其入侵競(jìng)爭(zhēng)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(shì)，而葉生物量比變化趨勢(shì)完全相反。密度增加，種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，由于養(yǎng)分的限制，抑制了葉片的生長(zhǎng)，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(jìn)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，滿足生長(zhǎng)發(fā)育；而氮添加為植物提供了充足的養(yǎng)分，喜旱蓮子草將更多的生物量分配到碳同化器官，提高對(duì)光源的捕獲和吸收，增強(qiáng)光合作用，占據(jù)地上空間資源，進(jìn)而提高植物的競(jìng)爭(zhēng)力（荀摯峰等，2017）。本研究結(jié)果與前人對(duì)唯一入侵到南極洲的外來物種早熟禾（Poaannua）的研究結(jié)果一致，即在惡劣環(huán)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(xiàn)生物量的再分配，表明其在氮沉降環(huán)境下入侵能力更強(qiáng)。

表型可塑性在生物對(duì)異質(zhì)生境的適應(yīng)過程中發(fā)揮了重要作用（耿宇鵬等，2004）。研究表明，可塑性指數(shù)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(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、莖分支數(shù)、葉面積、單株生物量對(duì)密度響應(yīng)的可塑性指數(shù)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(yīng)種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)入侵種群的擴(kuò)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(duì)密度響應(yīng)的可塑性指數(shù)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供自身生長(zhǎng)，以適應(yīng)資源的缺乏。

4 結(jié)論

本研究中，氮添加緩解了密度增加的負(fù)效應(yīng)，削弱了種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度，促進(jìn)喜旱蓮子草地上部分的生長(zhǎng)來達(dá)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(yīng)種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的生物量分配策略，促進(jìn)碳同化器官對(duì)光源的利用，有利于在地上資源的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。由喜旱蓮子草在氮添加條件下的一系列可塑性響應(yīng)可預(yù)測(cè)未來氮沉降增加會(huì)加劇喜旱蓮子草的入侵。本研究設(shè)置的氮添加量是當(dāng)前環(huán)境中的氮沉降量，但目前氮沉降還有增加的趨勢(shì)，未來應(yīng)長(zhǎng)期持續(xù)地跟蹤研究，以期能更準(zhǔn)確地探討喜旱蓮子草在氮沉降下的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)及其入侵能力變化，為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)入侵物種的防控提供理論支撐。