外来入侵种紫茎泽兰竞争策略与扩散动态

摘要

紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum Spreng.)作为重要的外来入侵种之一，已严重破坏了入侵地生态系统的结构与功能，同时使当地农林业生产蒙受巨大的损失。因此，明确紫茎泽兰的竞争策略与扩散潜力，对制定合理的控制措施具有重要意义。
　　 土壤氮素增加常常有助于外来种的入侵，那么降氮能否抵制入侵呢?向土壤中添加碳素，增强微生物对氮素的吸收，从而降低土壤中可被植物吸收的氮素是目前常用的降氮方法。为检验这一假说对入侵种紫茎泽兰的适用性，选取入侵种紫茎泽兰和本地种禾本科雀麦(Bromus japonicus)、菊科鱼眼草(Dichrocephala integrifolia)，分别单栽或与紫茎泽兰混栽，向各植物组合中添加碳素(按1650克有机质/平方米计)或氮素(按30克氮素/平方米计)，并设立对照进行盆栽实验。在碳素添加条件下，紫茎泽兰地上与地下生物量分别比对照降低了71.9％和74.9％，而本地种的生物量却没有受到显著影响。同时，碳素添加导致紫茎泽兰对本地种的竞争强度(RII)明显下降。氮素添加则减弱或逆转了上述碳素的作用。因此，向土壤中添加碳素有助于抵抗氮沉降对外来种入侵的促进作用，特别对抵御那些与氮素有亲和力的入侵种更为有效。在不同氮素条件下，紫茎泽兰对本地种竞争中，资源竞争强度均明显大于化感作用。尽管在紫茎泽兰发育早期化感作用较小，但是，碳素添加使紫茎泽兰可利用氮素减少，激发了化感作用在竞争中占有更大的比例，说明资源竞争与化感是相互结合、共同发挥作用的。
　　 去叶作为模拟采食方法之一，至少可以通过两种方式影响植物竞争。一是去叶对目标种生长产生负面影响，二是邻种去叶有利于目标种生长，进而改变种间竞争关系。基于以上假定，对紫茎泽兰与相邻本地种分别单栽、同种合栽和异种混栽，进行去叶处理。结果恰与假定相悖：在整个生长季内，去叶增加目标株生物量的1.0-198.9％。对于入侵种而言，当邻居本地种去叶时，紫茎泽兰能完全弥补竞争产生的负面效应，即它与未去叶的单栽紫茎泽兰生长无显著差异；而紫茎泽兰去叶降低了相邻本地种的生长，加剧了原本由于竞争给对本地种带来的负面影响。因此，去叶效应与邻种的存在与否及邻种的类型均有关。在应用生物控制对目标株采食时，特别是在没有造成严重伤害或致死情况下，可以使本来具有竞争优势的入侵种变得更具强势。竞争与去叶之间存在复杂的相互作用，采食带来的间接效应可能比预想的更为复杂。因此，在生物控制措施实施之前，充分地估计生物控制的间接作用至关重要。
　　 为检验反应—扩散模型(reaction-diffusion model)能否正确模拟紫茎泽兰小尺度扩散速率，本研究调查了四川攀枝花山区5个不同的生境的紫茎泽兰群落。对各样地内紫茎泽兰定位和年龄确定，基于克里金插值法做出其入侵格局的等年线图，通过等年线之间的垂直距离即可得到紫茎泽兰扩散速率的经验值。同时，计算内禀增长率和扩散系数，根据模型计算得到扩散速率的预测值。结果表明：紫茎泽兰扩散速率经验值明显小于模型预测值。因此，尽管反应—扩散模型已在大尺度扩散预测方面得到广泛的应用和验证，但在小尺度上，由于没有借助于复杂的生活史模型和分层模型，单凭反应—扩散模型不足以得到准确的预测。另外，在没有遭受干扰的生境中，可以发现紫茎泽兰扩散早期存在明显的时滞期。倘若这种时滞效应在入侵扩散中是频繁发生的，那么在判定物种是否具有入侵性时，很可能由于物种处于时滞期而被误认为非入侵种。
　　 基于紫茎泽兰入侵至中国60年来所收集到的441已知分布记录和23个环境变量，采用GARP模型对其潜在分布范围做出了预测，并通过Kappa和ROC(receiver-operator characteristic)对预测结果进行检验。结果表明紫茎泽兰目前分布以云贵高原为主体，逐渐向四川盆地东部、山东半岛、东南沿海、台湾沿海以及海南岛等地扩散。冷季降水量、年极端低温和年均最高温对分布影响较大。RDA(Redundancy Analysis)分析结果显示温度和降水是限制紫茎泽兰扩散的重要因素。在过去的20年里，紫茎泽兰已经从温度较高、天气波动较小的亚热带气候逐渐向气候温凉、降水减少的高海拔地区扩散。紫茎泽兰可以适应相对较宽的温度和降水梯度，年均温度在10-22℃，年降水量在800-2000 mm区间均有分布。本研究结果为发展早期预警工作、防止紫茎泽兰在中国进一步入侵提供了科学依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前 言

1.1入侵种的概念

1.2入侵种扩散的机理

1.3入侵种扩散的模式

1.4入侵种扩散的预测

1.5物种的空间分布模拟与生物入侵预测

1.5.1基于气候—植被匹配的物种分布模拟

1.5.2基于统计模型技术的物种分布模拟

1.5.3入侵种分布的研究意义

1.5.4入侵种空间分布数据的获取途径

1.6植物对去叶的响应机制与生物入侵防治

1.6.1采食的影响

1.6.2植物对去叶的响应

1.6.3影响植物响应的因素

1.6.4模拟采食在入侵防治方面的应用

1.7已有研究的不足

1.8紫茎泽兰的入侵与本研究主要意义和内容

1.8.1紫茎泽兰的入侵

1.8.2本研究的目的与意义

1.8.3本研究的内容与技术路线

第二章紫茎泽兰与本地植物种间竞争对氮素的响应

2.1引言

2.2研究材料与方法

2.2.1植物材料

2.2.2实验处理

2.2.3数据分析

2.2.4统计检验

2.3研究结果

2.3.1紫茎泽兰与本地种单栽

2.3.2紫茎泽兰与本地种混栽

2.3.3紫茎泽兰对本地种的竞争强度及策略

2.4讨论

2.4.1竞争与成功入侵

2.4.2化感在竞争中作用

2.4.3 降氮效应

2.5小结

第三章紫茎泽兰与本地植物种间竞争对去叶干扰的响应

3.1引言

3.2研究材料与方法

3.2.1植物材料

3.2.2实验处理

3.2.3数据分析

3.2.4统计检验

3.3结果与讨论

3.3.1竞争

3.3.2去叶

3.4小结

第四章紫茎泽兰在不同生境下小尺度的种群扩散格局

4.1引言

4.2研究方法

4.2.1样地概况

4.2.2紫茎泽兰起源和年龄测定

4.2.3入侵历史等年线分布图

4.2.4反应—扩散模型

4.3结果与讨论

4.3.1种群年龄格局

4.3.2入侵格局与扩散速率

4.3.3模型模拟与评估

4.4小结

第五章紫茎泽兰大尺度的空间分布预测

5.1引言

5.2研究方法

5.2.1数据库

5.2.2生态位模型

5.2.3模型检验方法

5.2.4模型的评估

5.2.5环境包络分析

5.3研究结果

5.3.1时空扩散动态

5.3.2模型的检验

5.3.3紫茎泽兰地理分布的预测

5.3.4决定紫茎泽兰入侵格局的环境变量

5.3.5紫茎泽兰二维空间上的生态位分布

5.4讨论

5.4.1模型的预测能力与应用

5.4.2紫茎泽兰扩散模式与入侵格局

5.5小结

第六章总结

6.1氮素降低有利于控制紫茎泽兰入侵

6.2紫茎泽兰入侵策略以资源竞争为主，低氮诱发化感作用增强

6.3对紫茎泽兰采食加剧了相邻本地种所遭受的负面效应

6.4干扰打破了紫茎泽兰入侵的时滞期

6.5紫茎泽兰将进一步向东南沿海和山东半岛等地扩散

参考文献

致谢

个人简历

文章的撰写与发表情况