【摘要】：生物入侵已經成為全球性問題,要有效的防控生物入侵,認識入侵生物的特點和入侵機制是必要的前提。北美車前(Plantago virginica L.)原產于北美洲的一種車前科(Plantaginaceae)車前屬Plantago L.植物,一年生或二年生,1951年始見于江西南昌市。已入侵到我國華東、華南、華中等很多省份的農田、果園、菜地,近來對城市生態(tài)系統(tǒng),特別是草坪生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重威脅。本研究通過溫室培養(yǎng)實驗、同質園實驗和原產地和入侵地的野外調查,對入侵植物北美車前的化感作用、種間競爭、表型可塑性等入侵機制以及進行了研究。研究發(fā)現(xiàn),入侵植物北美車前入侵過程中,化感作用、種間競爭和表型可塑性等機制都發(fā)揮了作用,北美車前的能夠成功入侵是多種機制綜合作用的結果。化感作用機制研究:在北美車前對四種廣泛使用的草坪草,即剪股穎(Agrostis matsumurae Hack.ex Honda)、狗牙根(Cynodon dactylon(Linn.)Pers.)、高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)、早熟禾(Poa annua L.)種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用研究中,發(fā)現(xiàn)北美車前對四種草坪草均存在普遍的化感作用潛能,并且這種作用潛能隨著物種、發(fā)育階段的不同而不同。如剪股穎的種子發(fā)芽率在北美車前提取物濃度為100mg/m L處理下比對照組降低了51.4%,而對狗牙根和高羊茅種子萌發(fā)沒有顯著影響;在最高處理濃度下,剪股穎和狗牙根的幼苗高度分別比對照組降低了37.1%和34.2%,而高羊茅和早熟禾則無顯著差異。然而,通過添加北美車前提取液,發(fā)現(xiàn)其對大多數物種的影響是抑制的,也有一些是促進的,如剪股穎的地上部分生物量處理組與對照組均有所提升,支持了“新武器假說”。化學成分比較研究:在對入侵地北美車前與原產地北美車前,入侵地北美車前和土著車前(P.asiatica L.)器官中物質種類和含量進行比較研究發(fā)現(xiàn),北美車前入侵到新的環(huán)境后,根、葉、花序、種子中的物質種類和含量都發(fā)生了一定的變化,這可能是其具有化感作用的原因之一,如氣質聯(lián)用分析檢測入侵地北美車前葉中有25種物質,而原產地北美車前有28種,入侵地北美車前葉中相對含量最高的物質是6,10,14-三甲基-2-十五酮,相對含量達到6.85%,而原產地北美車前葉中相對含量最高的物質是1-十八烯,相對含量為5.33%。入侵地北美車前葉和種子中總黃酮含量分別為2.56±0.11%和7.68±0.16%,顯著高于原產地北美車前葉和種子中總黃酮含量:1.51±0.13%和2.88±0.08%。原產地北美車前種子中總黃酮含量不但低于入侵地與北美車前種子,也低于入侵地的土著車前種子。入侵地北美車前與原產地北美車前、入侵地土著車前葉中總多糖含量均無顯著差異,含量分別為0.24±0.05%、0.17±0.04%和0.26±0.07%。而種子中的總多糖含量則不同,入侵地種子中總多糖含量(6.60±0.10%)與原產地種子中總多糖含量(6.73±0.31%)無顯著的差異性,但二者都顯著高于本土車前種子中總多糖含量(3.20±0.26%)。入侵地北美車前種子多糖中的主要成分木糖和阿拉伯糖含量分別為23.49±0.71%和19.74±1.01%,與原產地北美車前的木糖和阿拉伯糖含量(分別為23.97±0.61%和19.54±0.73)之間沒有差異,但二者種子的木糖和阿拉伯糖含量均高于入侵地土著車前種子的木糖和阿拉伯糖含量(19.49±0.32%和14.55±0.65%)。種間競爭機制研究:在種間競爭試驗中,將北美車前與上述四種草坪草進行混合播種,在種子萌發(fā)期,北美車前的播種密度對不同種植物的種子萌發(fā)率影響有所不同,早熟禾和剪股穎相對敏感一些,在北美車前最高播種量處理下,早熟禾和剪股穎萌發(fā)率分別下降了21.15%和15.38%,而高羊茅和狗牙根則不敏感,最高播種量處理下萌發(fā)率分別下降了9.52%和9.23%;在幼苗成長階段,不同密度的北美車前對四種草坪草的修剪生物量和植物組織中可溶性糖含量均有顯著影響,如高羊茅和早熟禾可溶性糖含量受北美車前的影響相對較小,在最大密度北美車前處理下,其可溶性糖含量分別下降了31.72%和33.43%,而剪股穎和狗牙根則受北美車前的影響相對較大,在最大密度北美車前處理下,分別下降了66.38%和48.96%,從可溶性糖含量這一指標來看,高羊茅和早熟禾要比剪股穎和狗牙根的抗性更強一些。這些影響的機制較為復雜,既有種間競爭機制,也應該有化感作用機制。表型可塑性機制研究:通過對北美車前在原產地和入侵地種群生態(tài)學調查,并對其生理和生殖分配等特征進行分析,發(fā)現(xiàn)北美車前入侵后,在不同種群密度下,在形態(tài)、生理和生殖分配等特征方面,表現(xiàn)出不同程度的表型可塑性,如生長中后期的株高,原產地北美車前、入侵地低、中、高密度的北美車前分別為15.89±1.62 cm、25.87±5.59 cm、15.66±3.22 cm和8.69±1.30 cm。這種可塑性的最終目標是生產更多的繁殖器官,以達到定植、生長和擴散的目的,如原產地和入侵地北美車前果序生物量分別為48.77±16.65 g/m-2和158.16±25.66 g/m-2,入侵地是原產地的3.24倍。同時,北美車前入侵顯著降低了入侵地的生物多樣性。土壤理化性質和微生物種群和群落結構影響的研究:在對北美車前入侵地的土壤理化性質和微生物種群和群落結構進行研究中發(fā)現(xiàn),北美車前入侵后土壤理化性質發(fā)生了改變,以磷元素的變化最為顯著,入侵地土壤總磷的含量(0.09±0.04%)明顯低于未入侵地(0.58±0.03%),說明北美車前的生長消耗了大量的磷,這是其對環(huán)境有利的一個方面。另外,北美車前入侵增加了土壤有機碳和有機質的積累,入侵地和未入侵地土壤有機碳含量分別為2.01±0.08%和1.34±0.17%,而入侵地和未入侵地土壤有機質含量分別為3.47±0.14%和2.32±0.28%。對土壤微生物多樣性指數分析結果顯示,細菌的豐富度和多樣性均高于真菌及后生動物,細菌的生物多樣性指數分析表明,北美車前入侵地土壤中細菌的豐富度相對高于未入侵地,而細菌生物多樣性相反,在入侵地更低一些,但是無論是豐富度,還是多樣性,入侵地土壤與未入侵地土壤兩者之間均沒有顯著差異。真菌及后生動物的生物多樣性指數的變化趨勢與細菌相同。在門和屬的分類層次下,北美車前入侵地的土壤與未入侵的土壤中的細菌、真菌及后生動物類群均有所差異,在微生物的物種組成和群落結構方面存在可塑性適應機制。而這種變化在屬的水平上則更加顯著:與細菌相比,真菌的變化程度更大,入侵地的土壤和未入侵地土壤之間有差異的屬分別占了它們總數的77.3%和65.2%,而細菌這一數值則分別只有17.1%和13.5%。這些結果說明真菌在北美車前入侵過程中可能發(fā)揮的作用更大,這種變化是其適應入侵地的一種表現(xiàn),也是其入侵對環(huán)境造成影響的一個方面。本論文通過試驗研究了北美車前成功入侵可能的機制或策略,得出北美車前通過化感作用、種間競爭、表型可塑性等機制達到入侵和擴散的目的。該論文還研究了不同產地北美車前化學成分的變化;以及比較了入侵地和未入侵地土壤理化性質和微生物種群和群落結構之間的差異,并探討了與入侵之間的聯(lián)系。論文從多個方面揭示了北美車前的入侵機制及其對環(huán)境的影響,這將對北美車前的有效控制提供重要的依據。
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【學位授予單位】：上海師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S45

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