外来植物春一年蓬入侵生物学研究

摘要

外来植物春一年蓬(Erigeron philadelphicus)是我国境内的新入侵植物，在上海郊区已普遍分布，局部区域形成危害。为有效地预测该外来植物的入侵潜力和生态风险，本文从种群和群落生态学、抗逆生理学、繁殖生物学、根系特点和化学防治等方面，研究了春一年蓬的入侵生物学问题。主要研究结果如下： (1)野外调查了上海市郊261个样地早春杂草的生态重要值，共计出现106种杂草，计测了其中84种主要杂草的生态位宽度和生态位重叠值。以生态位重叠值为指标，采用主坐标排序法对84种主要杂草的生态位重叠关系进行了二维排序，并分析了春一年蓬与主要伴生种的生态位重叠关系。结果表明：①春一年蓬的生态位宽度为0.1768，比春一年蓬生态位宽的伴生杂草有猪殃殃Galiumaparina (0.4419)、加拿大一枝黄花Solidago canadensis(0.3413)、刺果毛莨Ranunculus muricatus(0.3362)、野胡萝卜Daucus carota(0.2997)、大巢菜viciasativa(0.2974)、泽漆Euphorbia beliocopia(O.2970)、荠菜Capsella bursa-pastoris(0.2923)、野塘蒿Conyza bonarinisis(0.2780)、波斯婆婆纳Veronica persica(0.2556)、葎草Humulus scandens(0.2361)、野老鹳草Geranium carolinianum(0.2360)、鹅观草Roegneria tsukushiense(0.1997)和羊蹄Rumex japonicus(0.1906)等，看麦娘Alopecurus aequals(0.1776)、蚊母草Voronica peregrina(0.1669)与春一年蓬的相近，续断菊Sonchus asper(0.1598)、苦苣菜Sonchusoleraceus(0.1485)、通泉草Mazus pumilus(0.1450)和牛繁缕Stellaria uliginosa(0.1393)的生态位宽度比春一年蓬的要小，这20种杂草也是本地区生态适应性强，危害相对较重的杂草种类。②与春一年蓬生态位重叠较大的有：续断菊(0.501)、羊蹄(0.480)、野塘蒿(0.471)、野老鹳草(0.356)、蔊菜(0.347)、看麦娘(O.327)和加拿大一枝黄花(0.318)等杂草。③从春一年蓬与其他主要早春杂草生态分布相似性的CCA排序图上可以看出，春一年蓬与上述菊科外来杂草位于排序图相近的区域，这说明菊科杂草在入侵生境方面的极大相似性，分布于较为干旱、人为干扰强的空阔地带。 (2)测定了不同环境胁迫下营养生长时期春一年蓬的膜相对透性、叶绿素、丙二醛、游离脯氨酸和可溶性糖的含量以及过氧化物酶的活力。与5℃和22℃处理相比，35℃处理的春一年蓬植株的膜相对透性、丙二醛含量、脯氨酸含量最高。用pH 7的溶液处理的春一年蓬植株，其体内的膜相对透性，丙二醛、游离脯氨酸和可溶性糖含量要低于用pH10或pH4的溶液处理的植株。随着其生长环境中NaCL含量的增加，丙二醛、游离脯氨酸和可溶性糖的含量以及膜相对透性也相应地增加。而且，膜相对透性和丙二醛含量与土壤NaCL含量呈明显的正相关。春一年蓬叶片组织内含水量附着土壤环境中的含水量的下降而减少，这导致了其丙二醛、可溶性糖和游离脯氨酸和膜相对透性的增加。也就是说，干旱胁迫导致了春一年蓬产生更多的丙二醛、可溶性糖和游离脯氨酸。以上结果可以得出以下结论：①与高温环境(35℃)相比，春一年蓬更适合于生长于低温(5℃)的环境；②中生或湿性环境适合于春一年蓬生长，过酸(PH4)或过碱环境(pH10）均会对春一年蓬产生有害影响；③春一年蓬对土壤中的NaCl比较敏感；④春一年蓬具有一定抗旱能力。 (3)通过种子萌发、幼苗和幼根生长实验，初步研究了春一年蓬地上部分水提液、地下部分水提液、地上部分乙醇提液对4种受体作物油菜、长梗白菜、番茄、黄瓜的化感作用，同时采用索氏提取法提取春一年蓬地上和地下部分粗提物并进行GC-MS分析。结果表明：①不同提取方式下的浸提液对作物种子的最终萌发率和幼根生长具有显著的抑制作用，且随着溶液浓度的升高抑制作用不断增强。②不同提取方式下的浸提液对幼苗生长的影响表现为低促高抑的双重效应。③春一年蓬地上部分和地下部分粗提物经GC-MS分析共鉴定出28种化合物，包括酸、醇、醛、酮、酯、萜等，其中酸、酮、酯、萜类是其主要化感成分。 (4)通过对不同采样点的春一年蓬体内的5种重金属元素含量测定，发现不同器官对重金属的富集吸收能力有所不同，其中根对Cu、Cd、Cr的富集能力较强，富集系数接近或超过1，茎和叶对Cu、Cd也有较强的富集能力。不过春一年蓬对Pb、Zn的富集能力相对较弱些，尤其是对Pb的富集系数均小于0.50。5种重金属元素在植物体内的平均含量大致遵循根>叶>茎的规律。 (5)通过对春一年蓬的种子有性繁殖指标的测定发现，春一年蓬的种子千粒重在0.033±0.003g，种子含水量70.573±5.871％。适宜条件下种子一般3d后开始大量萌发，第5d～8d种子萌发陆续进入高峰期，12d后种子萌发速率明显开始下降。春一年蓬更适合在中温(25℃)或稍低温(10℃～15℃)、中性、低盐(≤0.02 mo1·L-1)且土壤稍湿润(湿度在30％左右)的环境下萌发生长，种子萌发率大约为70％。 (6)春一年蓬花粉萌发最适培养基为：0.5％琼脂+20％蔗糖+15ppm硼酸+104mol-L-1硝酸钙，pH为7，在温度25℃下，花粉萌发率可达50％左右。草甘膦、百草枯和消禾3种不同类型的除草剂对春一年蓬花粉萌发均具有抑制效应，而且都随着药剂浓度的升高萌发率逐渐降低。其中，草甘膦这类内吸型除草剂能够显著抑制花粉萌发，其次是白草枯，消禾的抑制效果最差。当用体积分数为0.2％的草甘膦药剂处理种子时，种子累积萌发率仅在10％左右，而百草枯、消禾除草剂处理后大约为30％。 根据以上结果，可以预计春一年蓬会继续向地理和环境条件与目前扩散区相似的地区，如湖北、湖南、山东、江苏、安徽等一带进一步入侵扩散。在机械和化学防除方面，建议在高温无风的天气，喷洒低浓度的草甘膦(0.5％～0.8％)以抑制其产生有活力种子；同时要注意轮换使用作用机制不同的除草剂或同一除草剂品种的不同剂型，从而延缓或阻止入侵杂草抗性的产生；另外，积极开展小麦、水稻、高粱、棉花等重要农作物对入侵杂草的化感抑草作用研究，不仅可以减少对作物栽培对化学除草剂的依赖，还可以保护生态环境和生物多样性，使作物栽培技术向高产、优质、生态、安全生产方向发展；在春一年蓬发生量大的地段，可以通过水旱轮作的方式来控制其危害。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1背景

1.2有关外来种、外来入侵种、外来入侵植物的概念

1.3外来入侵植物对生态系统的危害

1.3.1竞争、占据本地物种生态位，使本地种失去生存空间

1.3.2释放化感物质，抑制其他物种生长

1.3.3影响土壤水分、盐分和营养物质的循环

1.3.4破坏景观的自然性和完整性

1.3.5影响本地物种生物多样性

1.3.6影响初级生产力

1.4外来入侵植物有性繁殖特性的多样性

1.4.1惊人的种子产量

1.4.2种子数量的高度可塑性

1.4.3种子大小的多样性

1.4.4种子拟态的多样性

1.4.5种子的持久生命力

1.4.6种子成熟和萌发时期参差不齐

1.4.7种子具有较高的萌发率

1.5外来入侵植物的生态位特点

1.6外来入侵植物的入侵地环境特点

1.7我国外来杂草的研究进展

1.7.1我国外来杂草的种类、科属组成、分布格局和主要来源

1.7.2杂草资源在重金属污染土壤修复中的利用

1.7.3我国对菊科外来杂草的研究进展

1.7.4飞蓬属植物的在我国境内的危害及其研究进展

1.8本研究的目的与意义

第二章春一年蓬及其入侵地主要伴生杂草的生态位计测

2.1研究区域和调查方法

2.1.1自然概况

2.1.2调查方法

2.1.3数据处理

2.2结果与讨论

2.2.1上海市郊春季外来杂草种类组成

2.2.2春一年蓬及其主要伴生杂草的生态位宽度分析

2.2.3春一年蓬及其主要伴生杂草的生态位重叠分析

2.3 讨论

第三章春一年蓬及其入侵地杂草群落学研究

3.1研究方法

3.1.1野外调查方法

3.1.2数据统计方法

3.2结果与分析

3.2.1向指示种分析结果

3.2.2春一年蓬及其伴生种与环境因子关系的典范对应分析

3.3讨论

第四章春一年蓬对不同环境的生理适应性研究

4.1材料与方法

4.1.1取材与盆栽实验

4.1.2生理指标测定

4.1.3数据统计

4.2.结果与分析

4.3讨论

第五章春一年蓬的化感作用研究

5.1材料与方法

5.1.1供试材料

5.1.2方法

5.2结果与分析

5.2.1不同提取方式对作物种子最终萌发率的影响

5.2.2不同提取方式对作物种子根长的影响

5.2.3不同提取方式对作物种子苗高的影响

5.2.4春一年蓬地上部分和地下部分主要化感物质成分分析

5.3小结与讨论

5.3.1春一年蓬化感效应的特点

5.3.2春一年蓬化感作用的化学基础

第六章春一年蓬种子生物学研究

6.1研究材料与方法

6.1.1春一年蓬种子千粒重、含水量

6.1.2不同环境因子对春一年蓬种子萌发的影响

6.2结果与分析

6.2.1春一年蓬种子千粒重和含水量

6.2.2不同环境因子对春一年蓬种子萌发的影响

6.3小结与讨论

6.3.1春一年蓬种子形态学的生态适应性

6.3.2从春一年蓬种子萌发特性分析其生态适应特点

第七章不同除草剂对春一年蓬花粉和种子萌发的影响研究

7.1材料与方法

7.1.1不同环境因子对春一年蓬花粉萌发的影响

7.1.2不同除草剂对春一年蓬种子形态和萌发的影响

7.1.3模拟不同湿度环境对春一年蓬种子形态和萌发的影响

7.2结果与分析

7.2.1蔗糖和硼酸浓度对春一年蓬花粉萌发的影响

7.2.2温度和pH对春一年蓬花粉萌发的影响

7.2.3春一年蓬的花粉萌发速率

7.2.4钙离子浓度对春一年蓬花粉萌发的影响

7.2.5不同除草剂对春一年蓬花粉萌发的影响

7.2.6不同除草剂对春一年蓬种子形态和萌发的影响

7.2.7模拟不同湿度环境对春一年蓬种子形态和萌发的影响

7.3小结与讨论

7.3.1春一年蓬花粉离体萌发最适条件的探讨

7.3.2不同类型除草剂对春一年蓬花粉萌发的影响

7.3.3不同类型除草剂的防除效果比较

7.3.4不同湿度环境对春一年蓬种子形成的影响

第八章春一年蓬地下部分的形态特点研究

8.1材料采集与测定方法

8.2结果与分析

8.3讨论

第九章 春一年蓬对不同重金属的富集能力比较研究

9.1材料采集与测定方法

9.1.1土壤生境因子调查

9.1.2土壤与植物体内重金属含量测定

9.2结果与分析

9.2.1土壤理化性质比较

9.2.2春一年蓬对5种不同重金属的富集特点

9.3讨论

第十章小结

10.1春一年蓬与菊科主要入侵杂草的生态分布关系

10.2春一年蓬对土壤环境的适应特点

10.3春一年蓬的化感作用特点

10.4春一年蓬的机械与化学防除对策

致谢

参考文献

硕士期间发表的论文