吴 昊，姜俊慧，罗 莉，马佳宁

(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)

全球化背景下，外来生物入侵态势日益加剧。入侵植物通过提高适应性进化、次生代谢防御和天敌逃逸等方式不断增强入侵能力，加速排挤本土种并反馈作用于入侵地生境，对生物多样性及生态系统健康造成严重威胁[1]。入侵植物的形态、生理等功能性状通常优于本地种[2]；资源波动假说认为，外来植物入侵成功的主要原因在于其具有比本土植物更强的养分吸收能力[3]。生态化学计量学是研究生物系统能量和碳(C)、氮(N)、磷(P)等重要生命元素平衡的科学，能准确评估植物养分利用效率及竞争性吸收状况[4]。由于入侵植物和本土植物对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二者的资源分配与权衡以及本土群落的可入侵性[5]。

入侵植物对环境扰动的响应通常比本土植物更为强烈，生境异质性也会显著影响二者的营养策略[6-7]。胡朝臣等[8]发现，入侵植物飞机草Chromolaena odorata、紫茎泽兰Ageratina adenophora的叶片N、P含量均显著高于本土共存植物，且入侵导致本土植物的N∶P下降。陈文等[9]发现，入侵植物红毛草Rhynchelytrum repens茎N、P含量和叶N含量均高于其本土伴生种马唐Digitaria sanguinalis的，而其C∶P和N∶P均低于马唐的，表明该入侵种选择以高生长率和繁殖输出实现成功入侵的“生长竞争策略”战胜本土种。蒋利玲等[10]发现，外来种互花米草Spartina alterniflora入侵本土植物短叶茳芏Cyperus malaccensis种群后，互花米草生长由受N、P含量共同限制转变为受P含量限制，导致短叶茳芏受N含量限制，较高的N∶P化学计量内稳性有助于其入侵。入侵植物的化学计量特征也受到环境的影响。Wang等[11]发现，在低N含量土壤环境中，入侵种三叶鬼针草Bidens pilosa叶片C∶P 和 N∶P 较低，根系 C∶P、N∶P 及 C∶N 较高，表明其选择了“资源保守策略”，即其能够快速高效吸收和利用营养资源，对限制性资源需求量较少，以战胜对资源需求量大的本土种[12]；而在高N环境中，三叶鬼针草根系的C∶P、N∶P均较低，表明其选择了“生长竞争策略”。黄顶菊Flaveria bidentis、微甘菊Mikania micrantha等入侵植物随环境N含量的增加亦表现出类似的营养策略转换现象[13-14]。

空心莲子草Alternanthera philoxeroides为原产于南美洲的苋科莲子草属杂草，具有强大的克隆繁殖能力及生态适应性，可在水、陆两境中生长，目前已广泛入侵中国南北方20余省，对生态环境和生物多样性造成极大威胁[15]。莲子草Alternanthera sessilis为苋科莲子草属植物，是空心莲子草的近缘本土种，可在陆生环境中与空心莲子草共存[16-17]。我国学者围绕空心莲子草、莲子草的相关特性已经开展了一些研究，空心莲子草N∶P随经度和纬度的上升而增加、随海拔和年均气温的上升而降低[18]；在混播试验中，施N使得空心莲子草将更多生物量分配到茎，而莲子草将更多生物量分配到根[19]；气候变暖导致空心莲子草的专食性天敌昆虫莲草直胸跳甲Agasicles hygrophila对莲子草取食强度增大，从而加剧“非靶标效应”[20]；莲子草根系的病原菌及根结线虫侵染率随纬度上升而降低，但空心莲子草无此纬度梯度变化，故在高纬度地区莲子草对空心莲子草入侵的生物抗性可能增加[21]。但关于野外共存群落中二者的化学计量特征及其主导性环境因子鲜见报道。探讨空心莲子草-莲子草的生态化学计量特征差异及其环境驱动力，对于理解植物入侵的内稳态和入侵群落物种共存机制具有重要意义。本研究拟对野外生境中空心莲子草-莲子草共存群落和莲子草单生群落进行调查取样，对比分析其C、N、P含量及化学计量比，探讨地理、气候及土壤等多环境因素对二者营养策略的影响，以期为预测空心莲子草入侵群落动态及生物防治提供参考。

1 材料与方法

1.1 野外调查

于2020年7月，在野外踏查的基础上，对空心莲子草-莲子草共存群落以及莲子草单生群落进行调查。分别选择空心莲子草-莲子草共存面积超过50 m2以及莲子草单生面积超过25 m2的区域设置调查样地(共存样地6个、单生样地7个)，分布于广西自治区、广东、江西和河南省等地区。每个共存群落样地面积为 10 m × 5 m、单生群落样地面积为 5 m × 5 m。在共存群落样地中央设置 1 条 10 m长的样带，沿样带均匀布设 5 个面积为 0.5 m × 0.5 m的样方。在各单生群落样地的4个对角及中心位置共布设 5 个 0.5 m × 0.5 m 的样方。以具有 100 分格的样方框测量各样方中空心莲子草及莲子草的盖度。共存群落中，空心莲子草和莲子草的平均盖度分别为52%和27%；单生群落中，莲子草的平均盖度为63%。对于共存群落样地，从每个样方中随机采取5株空心莲子草及5株莲子草的地上生物量；对于单生群落样地，从各样方中随机采取10株莲子草的地上生物量。将所有植物样品置于自封袋中并倒入变色硅胶保存。植物调查结束后，沿共存样地的样带及单生样地的任意1条对角线均匀设置3 个土壤取样点，采集 0～20 cm 土层土壤约 250 g，装进自封袋后置于车载冰箱(Mobicool CF-50DC，德国)冷藏保存，及时带回实验室备测。

1.2 指标测定

利用手持式GPS定位仪(Garmin eTrex20，美国)测量各样地所在生境的经度、纬度和海拔数据。将土壤样品自然晾干磨碎后，分别过20目和100目筛，利用全自动化学分析仪(Easychem Plus，意大利)测定20目土壤样品中铵态氮和硝态氮含量，利用碳氮分析仪(Elementar，德国)测定100目土壤样品中总C和总N含量，使用溶酸法-钼锑抗比色法[18]测定100目土壤样品中总P含量。在中央气象台国家气象中心(http://www.nmc.cn)在线信息库中获取样地所在城市近50年以来的年均气温及年均降雨量数据。各样地10项环境因子的实测值如表1所示。

表1 野外调查样地的环境概况Table 1 The environmental survey of sampling plots in the field

将采集的植物样品置于75℃烘箱中烘干至恒质量，充分研磨后过60目筛，利用碳氮分析仪和溶酸法-钼锑抗比色法分别测定空心莲子草及莲子草的总C、总N及总P含量，并据此计算其化学计量比。

1.3 统计分析

分别计算空心莲子草和莲子草的w(C)、w(N)、w(P)及其化学计量比的平均值、标准差和变异系数。其中，变异系数 (Coefficient of variation，CV)=标准差/平均值，可反映各指标的空间变异程度，CV＜0.1 为弱变异性，0.1 ≤CV≤ 1.0 为中等变异性，CV＞1.0为强变异性[18]。使用 SPSS 16.0软件(SPSS Inc，美国)分别对共存群落中空心莲子草-莲子草、共存-单生群落中莲子草的各项w(C)、w(N)、w(P)及化学计量比进行独立样本t检验。使用SPSS 16.0软件对共存、单生群落中10项环境因子与2种植物的元素含量及化学计量比进行单因素回归分析，以该软件提供的11种曲线方程建立模型并检验其显著性，最终选择回归显著且拟合系数最大者进行讨论。

为了探讨多个环境因子对2种植物的综合效应，分别建立 6 × 10(共存)和 7 × 10(单生)的环境矩阵，以及 6 × 6(共存)和 7 × 6(单生)的植物矩阵，利用 Canoco 4.5软件 (Microsoft，美国)对植物w(C)、w(N)、w(P)及其化学计量比沿着环境梯度的分布进行典范对应分析(Canonical correspondence analysis，CCA)，并使用 Monte-Carlo 检验 (499 次置换)判断环境因子与CCA排序轴相关系数的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同类型群落中植物C、N、P含量及化学计量比

不同类型群落中植物的w(C)、w(N)、w(P)及化学计量比测定结果如表2所示。共存群落中莲子草和空心莲子草的w(C)表现为弱变异性，其余指标均表现为中等程度的空间变异性。单生群落中莲子草的C∶N表现为中等变异性，其余指标均表现为弱变异性。独立样本t检验表明，共存群落中莲子草-空心莲子草、共存-单生群落中莲子草之间的各项w(C)、w(N)、w(P)及其化学计量比均无显著性差异。

表2 不同类型群落中空心莲子草和莲子草的养分含量及其化学计量比Table 2 Nutrients and stoichiometry of Alternanthera philoxeroides and A. sessilis in different types of communities

2.2 环境对共存群落中莲子草营养元素及化学计量比的影响

回归分析表明，共存群落中的莲子草w(C)与纬度、年均温分别具有显著的二项式(P=0.017)和三项式(P=0.019)拟合关系，其随纬度及年均温的上升均呈“先上升后下降”趋势(图1A、1C)；w(C)与海拔具有显著的三项式拟合关系(P=0.029)，其随海拔上升呈现“先下降后上升”趋势(图1B)；w(C)与年均降雨量具有显著的反函数拟合关系(P=0.004)，其随年均降雨量上升而增加(图1D)。莲子草w(N)与年均降雨量具有显著的二项式拟合关系(P=0.035)，其随降雨量增加呈“先下降后上升”趋势(图1E)。莲子草w(P)与海拔具有显著的对数拟合关系(P=0.001)，其随海拔上升而增加(图1F)。

图1 环境因子与共存群落中莲子草元素含量及化学计量比的回归拟合Fig. 1 Regressions between environmental factors and element content,stoichiometry of Alternanthera sessilis in coexistent communities

对于化学计量比而言，莲子草C∶N和C∶P与海拔分别具有显著的三项式(P=0.014)和S型曲线(P=0.003)拟合关系，C∶N随海拔增加呈“先下降后上升”趋势、C∶P随海拔增加而下降(图1G、1H)。莲子草 N∶P与土壤中w(NH4+-N)、w(N)以及w(C)之间分别具有显著的线性(P=0.040)、反函数(P=0.035)和二项式(P=0.044)拟合关系，其随土壤中w(NH4+-N)上升而增加、随土壤中w(N)上升而下降、随土壤中w(C)增加呈现“先下降后上升”趋势(图1I、1K、1J)。

2.3 环境对共存群落中空心莲子草营养元素及化学计量比的影响

回归分析表明，共存群落中空心莲子草w(C)与年均温具有显著的二项式拟合关系(P=0.011)，其随年均温上升呈现“先上升后下降”趋势(图2A)。空心莲子草w(N)与纬度(P=0.037)及年均温(P=0.038)具有显著的三项式拟合关系，其随纬度及年均温增加均呈现“先下降后上升”趋势(图2B、2C)；空心莲子草w(N)与年均降雨量具有显著的反函数拟合关系(P=0.013)，其随降雨量增加而下降(图2D)。

图2 环境因子与共存群落中空心莲子草元素含量及化学计量比的回归拟合Fig. 2 Regressions between environmental factors and element content,stoichiometry of Alternanthera philoxeroides in coexistent communities

对于共存群落中空心莲子草化学计量比而言，仅C∶N与环境因子间具有显著关系。其中，C∶N与纬度及年均温分别具有显著的三项式(P=0.032)和二项式(P=0.035)拟合关系，其随纬度及年均温上升均呈现“先上升后下降”趋势(图2E、2G)；C∶N与海拔具有显著的三项式拟合关系(P=0.037)，其随海拔上升呈现“先下降后上升”趋势(图2F)；C∶N与年均降雨量具有显著的S型曲线拟合关系(P=0.011)，其随降雨量增加而上升 (图2H)。

2.4 环境对单生群落中莲子草营养元素及化学计量比的影响

回归分析表明，单生群落中莲子草w(C)分别与土壤中w(NH4+-N)及年均降雨量具有显著的生长函数(P=0.041)和S型曲线(P=0.036)拟合关系，其随土壤w(NH4+-N)上升而降低、随降雨量上升而增加(图3A、3B)。莲子草w(P)与海拔及土壤中w(N)分别具有显著的生长函数(P=0.044)和复合函数(P=0.015)拟合关系，其随海拔及土壤中w(N)增加而下降 (图3C、3D)。

图3 环境因子与单生群落中莲子草元素含量及化学计量比的回归拟合Fig. 3 Regressions between environmental factors and element content,stoichiometry of Alternanthera sessilis in single communities

莲子草C∶N与土壤w(NH4+-N)(P=0.017)及土壤w(NO3--N)(P=0.045)均具有显著的生长函数拟合关系，其随土壤w(NH4+-N)及土壤w(NO3--N)增加而下降 (图3E、3F)。莲子草 C∶P与土壤中w(N)具有显著的三项式拟合关系(P=0.005)，其随土壤中w(N)上升而增加(图3G)。莲子草N∶P与土壤w(NO3--N)具有显著的三项式拟合关系(P=0.002)，其随土壤w(NO3--N)增加而呈明显波动趋势 (图3H)。

2.5 植物营养元素及化学计量比沿着环境因子的CCA排序

CCA排序结果如图4所示，图中代表各指标的圆点与环境矢量连线的垂直距离越近，表示二者相关性越大；环境矢量箭头方向代表其与排序轴的正负关系，环境矢量连线越长、与排序轴间夹角越小，则表示该环境因子的主导性越强。

图4 共存和单生群落中植物营养元素含量、化学计量比沿环境因子的CCA排序Fig. 4 CCA ordination of element content and stoichiometry in coexistent and single communities along environmental factors

对于共存群落而言，前2个排序轴累计包含88.6%的生态信息(第1轴54.8%，第2轴33.8%)，第1轴起到决定性作用。由图4A与表3可知，第1轴的主导性环境因子为海拔，所有因子均未对第2轴产生显著影响。其中，莲子草w(P)与海拔具有极大的正向关系，这与回归分析结果高度一致；莲子草C∶P处于海拔矢量反向增加处，即莲子草C∶P与海拔具有较大负向关系，这也与回归分析结果相吻合。莲子草N∶P也与海拔具有极强负向关系。空心莲子草w(P)与海拔具有较大正向关系。此外，空心莲子草和莲子草的w(C)均位于排序图的中心位置，表明这2种植物的w(C)在中等环境梯度下具有最大值。

表3 环境因子与CCA排序轴的相关系数(r)及显著性检验1)Table 3 Correlation coefficient (r) between environmental factor and the CCA ordination axis and its significance test

对于莲子草单生群落而言，前2个排序轴累计包含97.9%的生态信息(第1轴71.1%，第2轴26.8%)，第1轴起到决定性作用。由图4B与表3可知，第1轴的主导性因子依次为土壤w(NH4+-N)和土壤w(NO3--N)，第2轴的主导性因子依次为土壤中w(N)和海拔。莲子草N∶P与土壤w(NO3--N)具有极强的正向关系。莲子草C∶N与土壤w(NH4+-N)及土壤w(NO3--N)均具有极强的负向关系，这与回归分析的结果高度一致。莲子草w(P)与海拔、土壤中w(N)均具有极强的负向关系，这也与回归分析的结果高度一致。莲子草w(C)位于CCA排序图的中心位置，表明其在中等环境梯度下具有最大值。

3 讨论与结论

3.1 植物 C、N、P 元素含量对环境的响应

C是植物生理生化过程中的底物和能量来源。本研究中，共存群落的莲子草和空心莲子草w(C)均随温度升高呈“先上升后下降”趋势，这是由于莲草直胸跳甲的活动强度和卵块孵化率在一定范围内随温度上升而增加，使得其对空心莲子草的取食程度及对莲子草的“非靶标效应”增强，这2种植物体内大量合成类黄酮、单宁和多酚等含C化学防御物质以抵抗昆虫取食[16,22]。但温度过高，莲草直胸跳甲的生长发育速率及繁殖力下降，对植物造成的取食压力减小[23]，空心莲子草和莲子草体内w(C)下降。空心莲子草的“生长-防御”权衡策略使得其在天敌取食压力降低的情况下优先利用资源合成大量含N化合物以维持较高的生长速率[24]，故其w(C)、w(N)随温度上升呈现相反的变化格局。莲子草w(C)均随降雨量上升而增加，是因为生境水分增加可提高植物叶片的气孔导度，在一定程度上促进光合光用[25]，即降雨量增加缓解了水分对莲子草生长的限制性作用，有助于提高其光合C同化产物储量。而空心莲子草在异质环境中的形态可塑性及生态适应能力较高[26]，故生境水分变化并未对其C代谢造成显著影响。

高降雨强度会对土壤净N矿化速率和净硝化速率产生抑制作用，导致土壤中植物可利用的速效N含量下降[27]。特别是对于N素富集能力高于本土植物的空心莲子草而言[28]，降雨量增加导致的N可利用性下降使得其体内w(N)显著降低。此外，降雨量增加还可抑制土壤微生物活性，这也可能导致与空心莲子草互利共生的丛枝菌根真菌的生长、代谢速率下降，从而使得空心莲子草N同化量降低[21,29]。共存群落中莲子草w(N)随降雨量增加呈“先下降后上升”趋势，是由于降雨量增加削弱了空心莲子草对土壤N的竞争优势，莲子草的N吸收能力相对得以增强。与共存群落不同，单生群落中莲子草w(N)与环境因子之间无显著关系，表明解除空心莲子草的种间竞争后，作为群落优势种的莲子草对外源性N的吸收与利用效率比较稳定。

P是合成蛋白质及遗传物质的重要功能性元素[30]。回归分析和CCA排序均表明，共存群落中莲子草w(P)随海拔上升而增加。Sterner等[31]研究认为，植物为了实现快速生长，其体内需要有大量核糖体rRNA合成蛋白质以维持机体正常生命活动，而核糖体rRNA中含有丰富的P；但海拔上升导致植物的代谢酶活性降低，含有大量P元素的RNA合成受阻，使得植物代谢速率减慢，高海拔区域的植物为了抵制低温对代谢反应造成的负面效应，自身通常维持较高的P含量水平[32]。张小芳等[33]也发现，祁连山不同海拔段火绒草Leontopodium leontopodioides叶片的总P含量随海拔上升而增加，这与本研究共存群落中莲子草w(P)的变化趋势相类似。与共存群落相反，单生群落中莲子草w(P)随海拔上升而下降，且共存群落中空心莲子草w(P)对环境变化不敏感，这和吴昊等[18]调查发现的单生空心莲子草总P含量随海拔上升而增加的结果不相一致，表明共存群落中莲子草w(P)对于海拔变化的异质性响应程度高于空心莲子草。

3.2 植物 C、N、P化学计量比对环境的响应

C∶N反映了植物同化C以及贮藏光合产物的能力，其值越高代表植物贮藏同化产物的能力越强[30]。共存群落中，2种植物的C∶N随海拔升高均呈“先下降后上升”趋势，主要是由于生境温度随海拔升高而明显降低[15]，植物w(C)随温度增加表现出显著的“先上升后下降”趋势造成的。前人研究也认为，植物在低海拔具备较高的C∶N可降低其适口性以抵抗天敌取食[34-35]，而在高海拔具备较高的C∶N则有助于提升植物对低温逆境的耐受性[36]。与共存群落不同，影响单生群落中莲子草C∶N的主导性因子为土壤速效N。外源环境中，植物可吸收的无机N主要以NO3--N和NH4+-N这2种形式存在[37]，尤其是解除空心莲子草的竞争作用后，具有更强扎根能力的莲子草对可利用性N素的吸收与同化能力显著增加[19]，从而使得其C∶N随土壤w(NH4+-N)及w(NO3--N)增加而显著下降。相较于共存群落中空心莲子草C∶N受到更多无机环境因子的影响，莲子草则保持了相对较为稳定的C∶N。

C∶P和N∶P 反映了植物的生长状况及元素利用效率，其值越低则植物生长速率越高[30]。N∶P还是判断植物受营养元素限制的重要指标，N∶P＜14时植物生长受N含量限制，N∶P＞16时受P含量限制[38]。共存群落中莲子草和空心莲子草的N∶P分别为8.513和10.514，表明这2种植物的生长均严重受到N含量限制。共存群落中空心莲子草的C∶P、N∶P与无机环境之间均无显著关系，与陈文等[9]、蒋利玲等[10]关于入侵种红毛草和互花米草具有稳定的C∶P和N∶P的研究结果相类似，即C∶P和N∶P化学计量内稳性可能是外来植物成功入侵的重要原因之一。

共存群落中莲子草C∶P随海拔上升而下降，主要是由于其w(P)随海拔上升而显著增加造成的。高海拔的胁迫环境通常会削弱本土植物的光合速率及营养元素利用效率[39]，入侵种空心莲子草具有极强的生态适应性及无性克隆能力，因而能够补偿环境波动造成的生命能量损失[40]；莲子草C∶P随海拔上升而下降，表明其倾向于选择“生长竞争策略”以提高生长速率[30]，从而实现与空心莲子草在高海拔区域的持续共存。单生群落中莲子草C∶P与土壤中w(N)具有显著正向关系，是由于土壤总N中90%为有机N，其主要来源于有机质，而微生物在分解有机质过程中需先将其C骨架破坏掉，使得土壤C、N元素的释放具有同步性[41-42]，从而增加了莲子草的C吸收量；刘德燕等[43]、俞琳莺等[44]还发现，过量的外源性N输入会降低湿地植物对P的累积，这均导致莲子草C∶P随土壤总N含量增加而上升。而共存群落中，莲子草N∶P与土壤中w(N)呈显著负向关系，可能是由于随着外源N输入的增加，入侵种空心莲子草作为“机会物种”能够利用生境中波动的资源迅速生长和繁殖[15,45]，其对N素竞争性吸收能力的剧增相对削弱了莲子草的N同化量，导致莲子草N∶P下降。本研究回归分析的大部分结果与CCA具有高度一致性，表明异质性环境因子在不同层次上对莲子草、空心莲子草的元素含量及其化学计量比产生了显著影响。

3.3 结论

入侵植物空心莲子草与其共存本土同属种莲子草的C、N、P化学计量比对环境因子的响应不同。共存群落中空心莲子草的C∶P和N∶P较为稳定，而莲子草的C∶N较为稳定，且莲子草在高海拔区域倾向于选择“生长竞争策略”以应对空心莲子草入侵。莲子草具有与空心莲子草相近的w(C)、w(N)、w(P)以及莲子草化学计量比对异质生境更高的响应程度使得其可广泛分布于空心莲子草入侵群落中。但与王桔红等[30]调查发现的空心莲子草C∶N、C∶P和N∶P均显著小于其本土伴生种银花苋Gomphrena celosioides的结果不同，本研究中空心莲子草的各项元素含量及化学计量比与莲子草之间均无明显差异，这可能与二者同为苋科莲子草属植物因而具有相似的功能性状有较大关系。此外，共存群落中莲子草N∶P随土壤中w(C)上升而呈凹型变化以及共存、单生群落中莲子草N∶P对不同形态土壤N异质性响应的原因尚不明确，有待进一步深入探讨。