吴 昊，韩美旭，韩 雪

(1. 信阳师范学院生命科学学院，河南 信阳 464000；2. 中国科学院武汉植物园，湖北 武汉 430074)

【研究意义】作为全球变化的重要组分，外来生物入侵已给全球生态环境、生物多样性保护以及生态系统稳定性造成严重威胁[1]。入侵物种可通过生理适应、生物互作等途径削弱本土群落抗性[2]，同时，外来种入侵进程也受到各类环境因素的显著影响。如：全球变暖促使入侵植物向高纬度和高海拔地区扩散，加剧其入侵蔓延态势[3]；氮沉降可显著提升入侵植物的丰富度、生物量及种间竞争力，从而大量排挤本土物种[4]；降雨量变化导致的水体营养改变及水位波动会加剧入侵植物的形态可塑性及克隆整合能力，提高其在群落中的入侵优势度[5]；纬度梯度变化所导致的温度、降水、光照等环境因素改变也显著影响入侵植物的生理特征及其生态学效应[6]。生态化学计量学是研究生态系统物质能量及多重化学元素质量平衡的科学[7]，由于入侵及本土植物对各类养分的需求及吸收能力存在差异，因此生态化学计量特征可在一定程度上反映出外来植物的入侵性及本土群落可入侵性状况[8]。空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)为苋科莲子草属杂草，20世纪30年代被作为牲畜饲料从南美洲引入到中国。由于其具有极高的克隆繁殖能力及强大的表型可塑性，能够同时入侵水、陆生境，目前已在中国南北方20 余省的稻田、麦田及茶园等农业生态系统中大量定殖，对经济建设、生态环境和农业安全生产造成严重破坏[9]。探讨异质性生境对空心莲子草生态化学计量特征的影响有助于制定更为有效的入侵防治策略。【前人研究进展】目前已有较多关于环境因子-入侵植物关系以及入侵植物生态化学计量的研究，如：Richardson等[10]发现，在美国草原的低纬度区域，入侵杂草抑制本土植物建群，但在环境压力较大的高纬度地区，入侵杂草则可以作为先锋物种改善生境条件并提高本土植物多样性；Xiao等[11]关于入侵植物美洲商陆(Phytolaccaamericana)的大纬度梯度调查表明，该入侵种在高纬度地区具有更多的分枝数及更高的果实皂苷含量，以提高其生长及防御能力；屠臣阳等[12]发现入侵种黄顶菊(Flaveriabidentis)叶片P含量、C∶N与入侵地土壤的P含量、C∶N呈显著正相关，而其N含量与土壤N含量呈显著负相关；胡朝臣等[13]发现中国西南地区入侵植物飞机草(Chromolaenaodorata)和紫茎泽兰(Ageratinaadenophora)的叶片N、P含量明显高于共生本土植物，且入侵种具有更低的N∶P值；蒋利玲等[14]通过对闽江河口湿地入侵植物互花米草(Spartinaalterniflora)的调查研究认为，该入侵种比本土伴生种具有更高的N、P生态化学计量内稳性。诸多学者近期围绕环境对空心莲子草的影响也展开了大量研究，如：Wu等[3, 6]发现，陆生型空心莲子草在中国境内的入侵态势随纬度上升而增加，且增温可能加剧空心莲子草在高纬度地区的种间竞争力；Wu等[15]还发现，决定陆生系统中空心莲子草入侵群落物种多样性的因素为土壤硝态氮，而其在水生系统中的决定性因素为经度；Lu等[16]发现，温度上升会促进空心莲子草在高纬度区域的“天敌逃逸”现象，并造成对其生物防治的“非靶标效应”，加剧对本土植物的竞争排挤。李金枝和王晓燕[17]发现，空心莲子草在干旱胁迫条件下比水稻具有更高的CAT 抗氧化酶活性，其通过减少膜质过氧化产物的积累等途径加剧对水稻的竞争。但目前关于空心莲子草生态化学计量特征的研究依然缺乏，尤其是野外系统中环境因子对空心莲子草营养元素含量及其化学计量特征的影响尚未见报道。【本研究的切入点】本研究通过在广西及河南两地对陆生型空心莲子草进行野外调查取样，分析其全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)和全钾(K)的含量变化及其计量比的差异，并探讨了经度、纬度、海拔、年均气温和年均降雨量等5项环境因子对其元素化学计量的影响。【拟解决的关键问题】以期为阐明该外来杂草内稳性入侵机制及农业生态系统中的空心莲子草入侵防治提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究在广西壮族自治区桂林市、来宾市以及河南省信阳市采集空心莲子草样品，采样点地理位置介于114.035°E～110.582°E，24.123°N～32.171°N，横跨8个纬度梯度。桂林市位于广西东北部，地处109°36′E～111°29′E， 24°15′N～26 °23′N，属中亚热带季风气候区，年平均温度 19 ℃，年均降雨量1900 mm，全年无霜期300 d，年均日照1550 h以上。土壤属以红壤为主的红壤土带，pH 4.5～6.5，市郊多属冲积砂质壤土和水稻土。桂林市植物种类繁多，共计2329种，隶属于247科969属[18]。来宾市位于广西的中低山丘陵区，介于108°50′E～109°02′E，23°38′N～23°55′N，地貌类型以山地丘陵为主，属亚热带季风气候区，年平均气温20 ℃，年均日照1582 h，年均降雨量1360 mm。据统计，来宾市目前共有入侵植物85种，隶属于32科63属，其中以菊科物种最多[19]。信阳市位于河南省最南部，介于113°45′E～115°55′E，30°23′N～32°27′N，属亚热带向暖温带过渡区。年均气温15 ℃，年均日照时间2000 h，无霜期平均230 d，年均降水量900～1400 mm，年均相对湿度77 %。土壤主要为黄棕壤、石质土和水稻土，质地黏重，pH值多呈酸性。信阳市具有高等植物2200多种，占河南省同类总科数95 %以上。近年来，信阳市入侵植物数量迅速上升，以菊科(Asteraceae)、禾本科(Poaceae)和苋科(Amaranthaceae)植物居多[20]。

表1 空心莲子草调查样地概况

1.2 实验方法

1.2.1 样品采集 于2018年4月对信阳、桂林和来宾市郊的空心莲子草入侵种群进行野外考察，选择陆生型空心莲子草种群连续入侵面积超过100 m2且生境类型基本一致的地区设置调查点。在桂林市和来宾市各设置3个样地，在信阳市设置5个样地(样地概况如表1所示)。在每个样地中随机采取10株空心莲子草的地上部分生物量，置入塑封袋内并倒入硅胶保存。将采集的样品尽快带回实验室内烘干、粉碎，过60目筛，密封保存以供元素测定。

1.2.2 数据测定 利用手持式GPS定位仪(Garmin eTrex20)记录样地生境的经度、纬度和海拔，样地所在城市近50年的平均气温及平均降水量数据来源于中央气象台国家气象中心(http∶//www.nmc.gov.cn)。对空心莲子草样品的全碳(C)、全氮(N)、全磷(P)和全钾(K)等4项元素的含量进行测定。其中，全碳含量采用总有机碳分析仪高温燃烧催化氧化法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；全磷的测定采用酸溶法-钼锑抗比色法；全钾含量采用火焰光度计法测定。采用元素质量比分别计算空心莲子草的C∶N、C∶P、C∶K、N∶P、N∶K和 P∶K等6项化学计量特征值。

1.2.3 统计分析 分别计算广西、河南及样地整体空心莲子草的C、N、P、K元素含量及其化学计量比的平均值、标准差和变异系数(c.v.)。其中，c.v.=标准差/平均值，其反映了研究变量的空间变异程度，c.v.<0.1 为弱变异性，0.1≤c.v.≤1.0 为中等变异性，c.v.>1.0 为强变异性[21]。对样地整体的空心莲子草元素含量及化学计量比与5项环境因子(经度、纬度、海拔、年均温、年均降水量)进行单因素回归分析，以SPSS 16.0提供的11种曲线方程建立回归模型并检验其模型的显著性，选择回归显著(P<0.05)且拟合系数最高者进行讨论。分别建立11×5的环境因子矩阵、11×4的化学元素矩阵以及11×6的化学计量比矩阵，利用数量生态学软件Canoco4.5提供的冗余分析(redundancy analysis, RDA)探讨多重环境变量对空心莲子草营养元素及化学计量特征的影响，并利用基于499次置换的Monte-Carlo检验来判断环境因子与RDA排序轴相关系数的显著性。

2 结果与分析

2.1 元素含量及其化学计量比与环境因子的回归分析

研究区空心莲子草C、N、P、K等4项元素含量及其化学计量比测定结果如表2所示，样地整体空心莲子草的各项指标的平均值分别为：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项统计指标中，除广西地区空心莲子草的全C表现为弱变异性之外，其余指标均表现为中等程度的空间变异性。

对环境因子与空心莲子草营养元素含量进行单因素回归分析，结果表明(图1)，年均降雨量与全C之间具有显著的线性拟合关系(R2=0.450，P=0.024)，随着降雨量的增加，空心莲子草的全C明显上升；海拔、年均气温与全P之间分别具有显著的对数拟合关系(R2=0.444，P=0.025)和线性拟合关系(R2=0.376，P=0.045)，随着海拔和年均气温的升高，空心莲子草的全P显著增加。全N、全K与5项环境因子之间均无显著性关系。

表2 空心莲子草营养元素含量及其化学计量比

由空心莲子草化学计量比与环境因子的回归分析结果(图2)可知，经度、纬度分别与N∶P之间呈显著的增长曲线拟合关系(R2=0.395，P=0.038)和S型曲线拟合关系(R2=0.422，P=0.031)，随着经度和纬度的增加，N∶P显著上升；海拔、年均气温分别与N∶P之间呈显著的三项式拟合关系(R2=0.558，P=0.038)和增长曲线拟合关系(R2=0.475，P=0.019)，N∶P随海拔和年均气温的上升而明显下降。P∶K与纬度之间呈显著的二项式拟合关系，其随纬度增加而表现出“先下降-后上升”的变化趋势；海拔、年均气温与P∶K之间均具有显著的二项式拟合关系(R2=0.737，P=0.005；R2=0.682，P=0.010)，P∶K随海拔和年均气温的上升而明显增加；年均降雨量与P∶K呈显著的三项式拟合关系(R2=0.682，P=0.010)，P∶K随降雨量的增加而表现出“先上升-后下降”的趋势。

2.2 元素含量与环境因子的RDA排序

RDA结果表明，前两个排序轴累计包含了元素含量-环境因子关系的80.1 %解释率(其中第一轴 51.5 %，第二轴28.6 %)，采用前两轴的数据作RDA二维排序图(图3)。由环境因子与排序轴相关系数的显著性结果可知，对第一排序轴起到决定性作用的因子依次为年均气温(r=0.848，P<0.01)、纬度(r=-0.817，P<0.01)、经度(r=-0.810，P<0.01)和海拔(r=0.794，P<0.01)，5项环境因子均未对RDA第二排序轴产生显著性作用(表3)，即决定研究区空心莲子草营养元素含量的主导因子为年均气温、纬度、经度和海拔。其中，年均气温、海拔与全磷具有密切的正向关系，经度、纬度与全P具有极强的负向关系；全N、全K与经度和纬度存在一定程度的正向关系，与年均气温、海拔存在一定的负向关系，但环境因子对这两项营养指标的影响力较弱；全C含量基本不受决定第一排序轴的4项环境因子的影响。

2.3 元素化学计量比与环境因子的RDA排序

RDA结果表明，前两个排序轴累计包含了化学计量比-环境因子关系的88.5 %解释率(其中第一轴 56.9 %，第二轴31.6 %)，故采用前两轴的数据作RDA二维排序图(图4)。由环境因子与排序轴相关系数的显著性检验结果可知(表4)，决定第一排序轴的主导性环境因子依次有海拔(r=0.892，P<0.01)、年均气温(r=0.800，P<0.01)、纬度(r=0.718，P<0.01)和经度(r=-0.697，P<0.05)，而环境因子未对第二轴产生显著性影响，故可认为决定研究区空心莲子草化学计量特征的环境因素为海拔、年均气温、纬度和经度。其中，海拔和年均气温与P∶K具有密切的正向关系，而与N∶P、C∶P具有极强的负向关系；纬度和经度与N∶P具有密切正向关系，而与P∶K具有极强的负向关系；C∶P与纬度和经度均具有较强的正向关系；C∶N与纬度和经度均具有较强的负向关系，而与海拔和年均气温具有较强的正向关系。C∶K和N∶K与决定第一排序轴的4项环境因子之间均无明显的相关性，表明研究区空心莲子草具有极强的C∶K和N∶K内稳性化学计量特征，这2项指标受外界环境因素的影响较弱，主要是由该入侵植物自身的生物学属性所决定的。

图1 环境因子与空心莲子草营养元素的回归分析Fig.1 Regression analysis between environmental factors and nutritive elements of A. philoxeroides

图2 环境因子与空心莲子草化学计量比的回归分析Fig.2 Regression analysis between environmental factors and stoichiometric ratio of A. philoxeroides

表3 环境因子与空心莲子草营养元素RDA前两个排序轴的相关系数(r)

粗箭头代表环境矢量，细箭头代表元素矢量；箭头方向代表矢量与排序轴的正负相关性，箭头连线与排序轴夹角代表矢量与排序轴间的相关性大小(夹角越小，相关性越大)；箭头连线的夹角代表矢量间的相关性大小(夹角越小，相关性越大) 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)图3 空心莲子草营养元素含量与环境因子的RDA排序Fig.3 RDA ordination between environmental factors and nutritive elements of A. philoxeroides

表4 环境因子与空心莲子草化学计量比RDA前两个排序轴的相关系数(r)

3 讨 论

N、P含量表征了植物营养储存能力及种间竞争吸收的差异性，而N∶P化计量关系则能够反映出植物生长受N、P限制状况[22]。本研究中，空心莲子草的平均N含量为33.825 mg·g-1，高于我国陆生植物(20.20 mg·g-1)和全球陆生植物(20.60 mg·g-1)平均水平[23-24]；平均P含量为1.802 mg·g-1，与全球陆生植物P含量的平均水平相接近(1.77 mg·g-1)，但略高于我国陆生植物的平均P含量(1.46 mg·g-1)[23-24]；N∶P平均值为20.513，高于我国(16.30)及全球(12.70)陆生植物的平均水平[23-24]。N∶P是限制陆地生态系统植物生长速率及生长策略的重要指标[25]，根据Koerselman限制性养分理论，当N∶P<14时，植物生长主要受N限制，而当N∶P>16时，植物生长主要受P限制[26]。任书杰等人发现中国东部植物叶片具有相对较高的N∶P，表明局域植被生产力受P的限制作用较大[27]；本研究中空心莲子草的平均N∶P>16，表明其具有较高的N吸收和富集能力，生长发育也受P元素的限制。

图4 空心莲子草化学计量比与环境因子的RDA排序Fig.4 RDA ordination between environmental factors and stoichiometric ratio of A. philoxeroides

年均气温、海拔的增加显著提升空心莲子全P和P∶K，明显抑制N∶P。Sterner等认为生物体营养元素分配状况与其生长速率有很大关系，生物体快速生长需要大量核糖体rRNA合成蛋白质，而核糖体rRNA中含有大量P，从而使得生长率高的物种具有较高P含量[28]。空心莲子草具有的无性繁殖能力及表型可塑性使得其生长率极高，且其原产于气候温暖的南美洲，故温度升高可促进该杂草在入侵地中的生长态势[3]，使得其体内P含量随年均气温增加而升高。海拔差异会影响植物的生长周期和物质代谢，从而改变植物营养元素分配格局[29]。高海拔的低温条件制约了植物体内代谢酶的活性及含大量P元素的RNA的合成，进而导致植物生理生化速率减慢，因此高海拔区域的植物需维持较高的P含量以抵抗低温对代谢反应的抑制作用，何桂萍等[30]关于摩天岭乔木营养元素沿海拔变化的研究也表明，植物P含量随海拔升高而增加，这与本研究结果相类似。此外，大量研究表明，低温抑制土壤微生物活性，减缓土壤N素矿化及循环速率，导致植物N含量随海拔增加和年均气温降低呈现下降趋势[ 8, 31-32]，故 N∶P随海拔升高而显著降低。

纬度包含了复杂多变的生物与非生物因素，低纬度拥有更优的水热件合，因此植物在低纬度地区的生理代谢及生长速率较高，其体内积累大量的P元素[6]。N的是衡量植物对生境适应力强弱的重要指标[33]，高纬度地区的热稳定性极低，植物需消耗大量能量用以抵抗环境波动，从而造成体内N储存量的损失[34]。Vilà 等[35]认为外来植物通过提升其对N的吸收富集来增强对入侵生境的适应性；黄成成等[33]发现，空心莲子草从入侵地环境中高效吸收利用N素是影响其生长发育的核心因子之一；与这些结果相类似，本研究中空心莲子草N∶P随纬度上升显著增加，可能与其在高纬度地带通过改变各构件生物量投资来增强N的吸收及迁移能力有关，也表明该入侵种通过增加对生境N素的吸收能力以维持其在高纬度地区的入侵优势度[6, 33]。经度通过与降雨量的共变效应影响植物营养元素[27]。随着经度上升，中国大陆自西向东年均降雨量逐渐增加，降雨改变了土壤微生物分解和矿化作用，进而影响土壤N、P的可利用性[36]。Reich & Oleksyn[23]发现降水较多的区域其土壤淋溶严重、养分有效性减弱，导致植物N、P含量较低；丁小慧等[29]关于呼伦贝尔草原植物化学计量的研究也表明，P含量随经度上升呈现降低趋势，这与本研究中空心莲子草P含量随经度变化的结果一致。N∶P随经度上升而增加，可能是由于在降水丰富的高经度区域，空心莲子草对N的利用效率高于对P。本研究的降水量因子在RDA排序中的效应并不显著，可能是由于大空间尺度上的经度变化掩盖了降水对于植物营养的直接作用。

C∶N、C∶P表征了植物吸收N、P 时能同化积累C的能力，反映出植物体的生长速率及营养元素利用效率[37-38]，C∶N和C∶P值越低，则植物生长率通常越高[27]。空心莲子草作为外来物种在入侵生境(尤其是水分较高的湿地环境)中调整了元素分配策略，其降低体内N、P等营养元素含量而提高了C含量，导致其植株的纤维素含量高、适口性差，可有效降低天敌昆虫取食度[33, 39]，以保证自身较高的生长及繁殖速率。本研究RDA排序图中，经度和纬度上升促进C∶P但抑制C∶N，海拔和年均气温上升促进C∶N但抑制C∶P，表明生境波动导致空心莲子草在同化C的同时其对于N、P等营养元素的吸收能力有所减弱。K作为多种酶的活化剂参与光合作用，促进植物体内碳水化合物的合成与运输，可提高植物抵抗干旱、低温等不良环境[40]。本研究中，空心莲子草K含量的空间变异性极小(CV=0.195)，表明稳定的K含量可能有助于空心莲子草入侵蔓延，同时也使得其P∶K的变化趋势主要取决于P含量。P∶K在单因素回归中与纬度、年均降雨量分别呈“凹”和“凸”的单峰模式，这与RDA排序不相一致，可能是由于多个环境因子的交互效应造成的。

生态化学计量内稳性是植物在进化过程中对异质性环境长期适应所形成的，是植物所固有的特性[22]。本研究发现，空心莲子草具有较高的C∶K和N∶K内稳性，异于入侵植物互花米草所表现出的较高的N∶P内稳性，这可能与植物自身的生物学属性、入侵种对环境适应力的差异性以及生境中营养元素的空间异质性有关。本研究中单因素回归分析的大部分结果与RDA排序具有高度一致性，表明各环境因子在不同生态层次上均对空心莲子草化学计量产生了显著影响。关于空心莲子草内稳性形成机制、多重环境因子对空心莲子草化学计量特征的交互效应等科学问题尚待设置控制实验进行深入研究。

4 结 论

通过对广西、河南两地的入侵杂草空心莲子草取样分析，发现异质性生境对其营养元素含量及其化学计量比产生了显著影响。空心莲子草的N∶P>16 表明其N吸收和富集能力极高，生长受P元素的限制；年均气温和海拔的增加显著提升空心莲子草的全P和P∶K、抑制N∶P；经度和纬度抑制空心莲子的全P和P∶K、促进N∶P；空心莲子草具有较高水平的C∶K和N∶K化学计量内稳性。