不同入侵程度白花鬼针草碳氮磷化学计量干湿季节动态特征

崔现亮，王桔红，罗娅婷，赵利坤，郭 洁

（1. 云南省高校亚热带药用食用生物资源开发与利用重点实验室 / 普洱学院, 云南 普洱 665000；2. 韩山师范学院食品工程与生物科技学院, 广东 潮州 521041）

外来生物入侵严重威胁着生物多样性[1]，其改变了被入侵生态系统的结构和功能，已成为全球重大环境问题之一[2]。因此，寻找外来植物的入侵机制及防控机制已经成为入侵生态学研究的重点及热点。不同入侵植物的入侵机制会因植物种类和入侵生境有差异，但植物入侵成功的关键因素主要表现在入侵植物自身的资源利用特征和入侵特性[3]。所以，研究入侵植物的资源利用方式及营养策略在入侵生态学上是非常重要的。

不同入侵植物在不同入侵程度下体内C、N、P元素有自己分配策略及变化规律，入侵植物C、N、P 含量及其元素比能反映植物对元素的吸收和利用状况[3-8]。如对飞机草(Eupatorium odoratum)和紫茎泽兰(Ageratina adenophora)[3]、红毛草(Rhynchelytrum repens)[4]、曼陀罗(Datura stramonium)[5]、喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)[6]、薇甘菊(Mikania micrantha)[7]等的研究。不同植物和同一种植物不同器官对土壤C、N、P 吸收有一定差异，从而表现出其含量和化学计量比的差异，可以在一定程度上解释植物的元素策略[9]，进一步反映出植物间的竞争能力。季节变化也会影响到植物的生态化学计量特征[10]，在不同季节，外界环境条件发生变化，群落的物种种类及数量也会产生波动，相应的种间、种内竞争会发生改变，在此过程中植物体内元素分配也会产生一定季节动态[10-12]。在入侵植物碳氮磷元素分配策略的研究中，与入侵程度相关的研究很丰富，而关于季节动态的比较少。在云南省普洱地区主要有干、湿两个季节，气候差异明显，入侵植物的生长相应有差异。因此，结合入侵程度和季节动态来剖析入侵植物生态化学计量特征是非常有必要的。

白花鬼针草(Bidens alba)是菊科鬼针草属的一年生草本植物，在路边、废弃耕地成片存在，已经成为危害最严重的世界性杂草之一。前人已从药用价值、形态生理、化感作用、繁殖特性、种间竞争等方面进行了研究[2,13-15]，也得出了其入侵成功的部分机制，但缺少从生态化学计量学的角度来说明其入侵后碳氮磷化学计量的数据。所以本研究将以普洱市郊区废弃耕地内入侵植物白花鬼针草为研究对象，系统研究在不同入侵程度、不同季节其不同器官的生态化学计量特征，拟解决以下问题：1)干湿季节、入侵程度是否对白花鬼针草根际土养分含量有影响？ 2)揭示季节、入侵程度对白花鬼针草碳氮磷化学计量特征的影响。3)探讨季节和入侵程度是否对白花鬼针草的化学计量特征有综合作用？上述问题的明晰，可以丰富入侵植物生态化学计量特征的研究，亦可为入侵植物的防控提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究样地位于云南省普洱市思茅区废弃耕地(22°45′ N, 101°00′ E)，海拔1 245～1 320 m，该地区有5 年荒废，植物种类少，且人为因素干扰少。该地域属于亚热带季风气候，夏无酷暑，冬无严寒，干湿季分明，年平均气温15.0～20.3 ℃，年均降水量1 100～2 780 mm。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

在本研究区内共划分10 个试验区，5 个轻度入侵区(白花鬼针草单种盖度30% 以下) 和5 个重度入侵区(白花鬼针草单种盖度60%以上)，每个试验区设置为10 m × 10 m 样地，采用5 点取样法，分别采集10～15 株成熟的生长良好的白花鬼针草植株全株样品，并取植物根际混合土样200～300 g (去除根系周围大块土壤，轻轻抖下植株根系表面土壤，混合均匀)；各试验区间隔距离为100～150 m，各入侵程度区的光照、水分、土壤类型等生境条件基本一致。分别于2019 年3 月、5 月进行干季采样，7 月、9 月进行湿季采样，每个月每个试验区共采集1 个混合植株样，1 个混合土样，共采集40 个植株样和40 个土样。采样前对入侵区进行植物种类样方调查，发现4 个月白花鬼针草在该研究区域的入侵程度没有变化，每个入侵程度伴生种情况如表1所列。

1.2.2 样品处理

将采集的植物全株清洗干净，用吸水纸迅速将水吸干，用剪刀将根、茎、叶剪开，于烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，实验室干燥保存，粉碎过0.25 mm 筛，贴好标签保存，以备分析。将采集到的土壤样品自然风干，研磨后过0.25 mm 筛，放在铝盒中保存待用[16]。

1.2.3 样品测定

植株全氮(NY/T2017-2011)、全磷(NY/T2017-2011)，土壤全氮(NY/T1121.24-2012)、全磷(NY/T88-1988)测定均采用中华人民共和国农业行业标准。植株全氮测定采用硫酸-过氧化氢消煮自动定氮仪法；植株全磷测定采用硫酸-过氧化氢消煮钼锑抗紫外可见分光光度计比色法；土壤全氮测定采用自动定氮仪法；土壤全磷测定采用钼锑抗紫外可见分光光度计比色法。植物和土壤有机碳(SOC)测定均采用中华人民共和国国家环境保护标准(HJ695-2014)[16]。

1.3 数据分析

利用SPSS 16.0 软件进行统计分析，以单因素方差分析(one-way ANOVA)对白花鬼针草各器官(根、茎、叶)之间、不同入侵程度之间C、N、P 含量以及元素比(C ∶ N、C ∶ P、N ∶ P)进行分析，LSD 法进行多重比较；采取Pearson 双尾检验对白花鬼针草各器官 C、N、P 含量和元素比与土壤营养元素之间进行相关性分析[3]。采用GLM 模型中的多因素方差方法分析不同季节、不同入侵程度和不同器官对植物C、N、P 含量及其化学计量比的影响[12]。

2 结果与分析

2.1 白花鬼针草根际土壤养分含量

方差分析结果显示，入侵程度、季节对白花鬼针草根际土壤C、N 含量均有显著影响(P＜ 0.05)，对P 含量影响不显著(P＞ 0.05)；入侵程度与季节交互作用对白花鬼针草根际土壤C、N、P 含量影响均不显著。

白花鬼针草种群根际土壤C、N 含量在轻度入侵地，干季 ＞ 湿季(P＜ 0.05)；在重度入侵地，干季 ＞湿季(P ＞0.05)。重度入侵地根际土壤C、N 含量较轻度入侵地高，湿季显著(P＜ 0.05)，干季不显著(P＞0.05)；而根际土壤P 含量随入侵程度和干湿季节的变化不明显(表2)。

表2 白花鬼针草根际土壤养分含量Table 2 The C，N and P contents in soil rhizosphere of Bidens alba with different invasion degrees in two different seasons

2.2 不同入侵程度白花鬼针草各器官 C、N、P 含量

在湿季，白花鬼针草叶C 含量和茎N 含量均为轻度入侵 ＞重度入侵(P＜ 0.05)；叶P 含量表现为重度入侵 ＞ 轻度入侵(P＜ 0.05) (表3)； 其他器官各元素含量在不同入侵程度间差异均不显著(P＞ 0.05)。轻度入侵，C 含量表现为根、叶 ＞ 茎 (P＜ 0.05)；重度入侵，C 含量表现为根 ＞ 叶、茎 (P＜ 0.05)。两种入侵程度白花鬼针草各器官N 含量均表现为叶 ＞ 根 ＞茎，P 含量均表现为叶 ＞ 根、茎(P＜ 0.05)。

表3 不同季节、不同入侵程度白花鬼针草各器官 C、N、P 含量Table 3 The C，N and P content in different organs of Bidens alba in different seasons and invasions

在干季，白花鬼针草根、叶中C 含量均为轻度入侵 ＞ 重度入侵(P＜ 0.05)。入侵程度对其他同种器官、同种元素含量没有显著影响(P ＞0.05)。两种入侵程度的白花鬼针草叶中C 含量不同程度的大于根，显著高于茎；叶中N 含量显著高于根、茎；叶中P 含量与茎中P 含量无显著差异，但显著高于根中P 含量。

2.3 不同入侵程度白花鬼针草各器官化学计量比

在 湿 季，茎C ∶ N 重 度 入 侵 ＞ 轻 度 入 侵(P＜0.05)；叶N ∶ P 轻度入侵 ＞ 重度入侵(P＜ 0.05)；其他同种器官元素化学计量比在不同入侵程度间差异不显著(P ＞0.05) (图1)。白花鬼针草不同器官间的C ∶ N、C ∶ P、N ∶ P 均具有不同程度的差异，这种差异在两个入侵程度下基本一致，C ∶ N 为茎 ＞ 根 ＞叶，C ∶ P 为根 ＞ 茎 ＞ 叶，N ∶ P 为叶 ＞ 根 ＞ 茎。

在干季，入侵程度对白花鬼针草根、茎、叶C ∶ N、C ∶ P、N ∶ P 均没有显著影响(P ＞0.05)。两个入侵程度白花鬼针草根与茎的C ∶ N 没有显著差异(P ＞0.05)，均显著高于叶的C ∶ N；叶与茎的C ∶ P 没有显著差异(P ＞0.05)，均显著低于根的C ∶ P；不同器 官 间 的N ∶ P 具 有 显 著 差 异(P＜ 0.05)，为 叶 ＞根 ＞ 茎。

2.4 白花鬼针草各器官 C、N、P 含量及其化学计量比的季节动态

两种入侵程度白花鬼针草根、茎、叶C 含量，以及茎P 含量在干季均不同程度高于湿季(表3)。在湿季，轻度入侵白花鬼针草叶N ∶ P，重度入侵白花鬼针草茎C ∶ N，以及两种入侵程度白花鬼针草茎C ∶ P叶N 含量均显著高于干季(P＜ 0.05)。其他器官中的其他营养元素及元素比在季节间没有显著差异(P ＞0.05) (表3、图1)。

图1 不同季节、不同入侵程度白花鬼针草各器官C、N、P 化学计量比Figure 1 C, N, P element ratios in root, stem, and leaf of Bidens alba with different invasion and seasons

2.5 白花鬼针草各器官与根际土壤营养元素含量的关系

相关性分析显示，在干季，白花鬼针草根C 含量与根际土壤C ∶ N，茎P 含量与根际土壤N ∶ P 之间有显著的负相关关系，茎N ∶ P 与根际土壤C ∶ P、N ∶ P 之间有显著的正相关关系，茎C ∶ P 与根际土壤N ∶ P 之间有显著的正相关关系，其他指标之间没有显著相关性。

在湿季，叶C 含量、茎N 含量、叶C ∶ P、茎N ∶ P、叶N ∶ P 与根际土壤中的N 含量有显著或极显著负相关关系；茎C 含量、茎N 含量、茎N ∶ P、叶N ∶ P与根际土壤C 含量间有显著的负相关关系；茎C、N 含量与根际土壤C ∶ P 间有显著和极显著的负相关关系；叶C 含量、茎N 含量与根际土壤N ∶ P 间有显著和极显著的负相关关系；茎C ∶ P 与根际土壤P 含量间有极显著的负相关关系；茎C ∶ N 与根际土壤N 含量、C 含量、C ∶ P、N ∶ P 有极显著的正相关关系；茎P 含量与根际土壤P 含量间、叶P 含量与土壤N 之间有极显著和显著的正相关关系(表4)。

表4 白花鬼针草植株各器官、根际土壤中碳氮磷含量及化学计量比之间的相关性Table 4 Correlation between the carbon, nitrogen and phosphorus content and stoichiometry in different organs of the plant and soil

2.6 白花鬼针草 C、N、P 含量及其化学计量比的整体变异分析

通过生长季节、不同器官、不同入侵程度对白花鬼针草 C、N、P 含量及其化学计量关系影响的一般线性模型分析(GLM) 发现，不同器官对 C、N、P 含量及其化学计量关系的影响均达到极显著水平(P＜ 0.01)；生长季节对白花鬼针草C 含量、P 含量、C ∶ P、N ∶ P 的影响极显著(P＜ 0.01)，对C ∶ N 的影响显著(P＜ 0.05)；入侵程度仅对C 含量、N ∶ P 有极显著影响(P＜ 0.01)；不同器官与入侵程度的交互作用仅对C 含量有显著影响(P＜ 0.05)；不同季节与入侵程度的交互作用对C 含量影响显著(P＜0.05)，对N、C ∶ N、N ∶ P 影响极显著；不同器官与不同季节的交互作用对C、N、P、C ∶ N、C ∶ P 均有极显著影响(P＜ 0.01)；不同器官、不同季节和不同入侵程度三者的交互作用仅对C ∶ N 有显著的影响(P＜0.05) (表5)。

表5 季节、器官、入侵程度对白花鬼针草 C、N、P 含量及其计量比影响的一般线性模型( GLM) 分析Table 5 General linear model ( GLM) analysis of effects of seasons, organs and invasions on C, N and P concentration and their ratios in Bidens alba

3 讨论与结论

3.1 入侵程度、季节对白花鬼针草根际土壤养分的影响分析

土壤有机碳和全氮是土壤的重要组成部分，也是植物养分的主要来源，对于土壤肥力维持至关重要[17]。本研究发现入侵程度和季节均能影响到白花鬼针草根际土壤的养分含量。白花鬼针草种群根际土壤有机碳、全氮含量在干季高于湿季，这种趋势在轻度入侵地表现明显，重度入侵地表现不明显。一般情况下，植物在湿季的光合作用、水分利用效率等各种生理活动要高于干季，植物对养分的需求加大，再加上湿季雨水充足，土壤元素受到淋溶作用，最终导致白花鬼针草干季根际土壤中有机碳、全氮含量不同程度高于湿季。随入侵程度的增加，白花鬼针草根际土壤有机碳、全氮含量均不同程度的增加，这和Cheng 等[18]对互花米草(Spartina alterniflora)、 宋 红 霞[19]对 紫 茎 泽 兰(Ageratina adenophora)的研究结果一致，与朱金方等[17]对飞机草的研究、Zhang 等[20]对加拿大一枝黄花(Solidago canadensis)、王桔红等[7]对薇甘菊(Mikania micrantha)的研究结果相反。说明植物入侵可以改变根际土壤有机碳、全氮元素[4,21]，但机制可能有差别。白花鬼针草根际土壤有机碳、全氮含量随入侵程度增加而增加，主要原因可能有两个方面：一是入侵程度越高，种间关系越弱，资源利用竞争减弱，植物对养分的吸收从而减弱。二是白花鬼针草的入侵提高了土壤中功能微生物群落和土壤养分循环，并且增加了植物可以直接吸收利用的土壤养分[19]。具体哪种原因，需在后期研究中进一步探索。

3.2 季节对白花鬼针草养分含量的影响分析

随着季节的变化，植物细胞内储藏物质会发生改变，植物体内C、N、P 化学计量特征可能会出现一定的差异[11,22]。本研究显示，两种入侵程度下，根、茎、叶C 含量均为干季 ＞ 湿季，这与Wu 等[23]对空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)的研究相反。植物在光照充足的干季光合作用较强，使得糖类在叶中得到了有效的积累；而在湿季雨水充足，属于植物生长的旺季，根、茎、叶细胞生长迅速，但光照强度不足，从而导致植物对C 元素的吸收赶不上植物细胞生长的速率，稀释了C 的浓度[24]，从而导致湿季植株中的C 含量不同程度低于干季。

两种入侵程度下均有，茎P 含量在干季 ＞ 湿季(P＜ 0.05)，叶N 含量在湿季 ＞ 干季(P＜ 0.05)；而重度 入 侵 地 茎N 含 量 在 干 季 ＞ 湿 季(P＜ 0.05)。叶N 含量增加，有利于叶片中蛋白质和酶的增加，增加光合作用的效率，可以在生长季节制造更多的能量，以满足植物湿季快速生长需要[25]；而在干季更多的N 和P 主要储藏在茎中，叶中更少，主要和干季不利的环境因素有关，干季干旱缺水，植物叶片的光合作用、蒸腾作用较弱，对N 的需求更少。在湿季时不同器官的C ∶ N (茎 ＞ 根 ＞ 叶)、C ∶ P (根 ＞茎 ＞ 叶)有显著差异，而到了干季这种差异变得不明显，说明在不同季节茎均具有较快的生长速率[9]，而在干季贮藏同化产物的能力更强[26]，从而产生生长竞争优势而获取更多资源。

续表5Table 5 (Continued)

3.3 入侵程度对白花鬼针草养分的影响分析

入侵程度可以影响到植株不同器官元素的分配。在湿季，叶P 含量为重度入侵显著高于轻度入侵，茎N 含量为轻度入侵显著高于重度入侵，而到了干季没有显著差异。在湿季，在轻度入侵区域，相对较高的N 含量、低的C ∶ P 对应高的生长速率，可使白花鬼针草在与其他植物竞争中迅速生长占有生态位空间，从而在种间竞争中占有优势。而在重度入侵区域，主要体现种内竞争激烈，P 含量的增加有利于白花鬼针草的叶片活跃生长[27]，有利于增加光合作用的效率，从而在种内光竞争中存在一定的优势。而到了干季，根C、叶C 含量均为轻度入侵显著高于重度入侵，在缺水的条件下，根的生长优势有利于在种间竞争中获得更多的元素和水分，C 含量增加有利于叶中糖类的积累，从而起到地上、地下种间竞争的优势。

在湿季，茎C ∶ N 表现为重度入侵显著大于轻度入侵，叶C ∶ P、N ∶ P 表现为轻度入侵显著 ＞ 重度入侵，说明随入侵程度的增加，白花鬼针草叶的生长速率加快，茎的贮藏同化物质的能力增强；而到了干季，不同入侵程度的元素比没有了显著差异。

3.4 白花鬼针草N、P 元素限制性分析

叶片N ∶ P 值是判断植物受营养限制状况的有用指标。不同地域、不同物种种类的N ∶ P 限制的临界值应该是有差异的。有研究认为植物叶N ∶ P 值小于14 时，植物受N 限制，大于16 时受P 限制[28]；也有报道认为临界值应为小于10 和大于20[29]；还有研究报道应该考虑N 和P 的具体含量，N 含量低于13～14 g·kg-1，P 含量高于0.7 g·kg-1时，分别受N 限制和P 限制[30]。结合以上N ∶ P 临界值，本研究的 白 花 鬼 针 草 叶N ∶ P 值 为5.6～7.5 mg·g-1，应为N 限制。但本研究白花鬼针草叶N 的含量为28.6～33.9 g·kg-1，明显高于13～14 g·kg-1，P 含量高于0.7 g·kg-1，按照Wassen 等的标准[30]应为不是N 限制和P 限制。出现这种结果的原因可能是白花鬼针草对P 吸收的能力相对高于N 吸收能力[7]。白花鬼针草营养限制状况，不随季节和入侵程度的变化而变化。

白花鬼针草在生长过程中的N 主要分配给叶，这样可以有利于光合作用制造同化产物[4]。白花鬼针草叶N 含量均明显高于Han 等报道[31]的中国753种植物叶N 平均值(19. 09 g·kg-1) 和任书杰等研究[27]的中国东部654 种陆地植物的叶N 平均值(17.55 g·kg-1) 。白花鬼针草两个季节、两种入侵程度P 含量(2.5～5.7 g·kg-1)均高于已经报道的全国平均水平[27,31]。以上说明白花鬼针草对N、P 均有很强的富集能力，已达到养分快速积累、快速生长目的，保持种间竞争优势。

3.5 白花鬼针草植株养分与土壤养分的相关分析

植株N、P 含量水平取决于土壤 N、P 养分状态和植物种的 N、P 吸收能力。本研究中白花鬼针草植株元素与土壤元素间的相关性受到季节的影响。在干季，白花鬼针草植株C、N、P 养分与土壤中C、N、P 养分间没有相关性；在湿季，叶C 含量、茎N 含量与土壤中的N 含量以及茎C 含量、茎N 含量与土壤C 含量间有显著的负相关关系。说明白花鬼针草叶对C、茎对C 和N 富集能力很强，其可以在C、N 贫瘠的生境生长，这可以增加白花鬼针草的入侵能力。在湿季，白花鬼针草茎P 含量与土壤P 含量间、叶P 含量与土壤N 之间有显著的正相关关系，说明白花鬼针草P 含量与土壤中的N 和P 的含量有关，土壤中N、P 含量越高越有助于植株P 的积累。那么，在N、P 污染严重的区域，白花鬼针草的入侵能力也应该会增强。

3.6 结论

入侵程度和季节均能影响到白花鬼针草根际土壤的养分含量。干季根际土壤中有机碳、全氮含量不同程度高于湿季；根际土壤有机碳、全氮含量随入侵程度增加而增加。干季比湿季更有利于白花鬼针草根、茎、叶有机碳含量的积累；在干季更多的N 和P 主要储藏在茎中，叶中相对较少，以此来适应干旱缺水的环境。在湿季时不同器官的C ∶ N(茎 ＞ 根 ＞ 叶)、C ∶ P (根 ＞ 茎 ＞ 叶)有显著差异，而到了干季这种差异变得不明显。入侵程度可以影响到植株不同器官元素的分配，仅在湿季表现明显。叶P 含量、茎C ∶ N 为重度入侵 ＞ 轻度入侵(P＜0.05)，茎N 含量、叶C ∶ P 值、N ∶ P 值为轻度入侵 ＞重度入侵(P＜ 0.05)。白花鬼针草植株元素与土壤元素间的相关性受到季节的影响。白花鬼针草叶对C、茎对C 和N 富集能力很强，雨水充足时白花鬼针草可在C、N 贫瘠的生境生长；白花鬼针草植株P 含量与土壤中的N 和P 的含量有关，土壤中N、P 含量越高越有助于植株P 的积累。以上现象仅在湿季出现。