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入侵杂草紫茎泽兰与非入侵草本植物竞争的生理生态机理研究

蒋智林  
【摘要】: 入侵我国西南地区的恶性杂草紫茎泽兰(Ageratina adenophora(Sprengel))对农业、林业、草场牧场以及自然生态系统带来了严重的危害,常导致入侵生境生态系统结构和功能发生改变,降低生物多样性且造成巨大的经济损失。为控制这一恶性杂草,人们尝试了多种方法,“以草制草”和恢复本地植物群落多样性控制紫茎泽兰入侵扩张为最有潜力的途径。本文围绕紫茎泽兰的竞争替代控制这一科学问题,采用植物竞争的现代生态学理论和方法,重点研究了紫茎泽兰与几种非入侵草本植物的竞争效应及其竞争策略,阐明了紫茎泽兰与几种非入侵草本植物的竞争替代效应及资源利用的生理生态机理,对揭示紫茎泽兰的种群扩张和实施紫茎泽兰入侵生境的植物替代控制策略具有重要的理论指导意义与实践价值。主要研究结果如下: 1.在温室采用取代系列试验研究了紫茎泽兰与三种非入侵草本植物(马唐、牛膝菊和非洲狗尾草)幼苗的基本生物学特征及其竞争效应,以及施氮对其生长和竞争的影响。结果表明,四种植物同期播种,与紫茎泽兰相比三种非入侵草本植物植株高大、分蘖数多且生物量大,但不同物种植株叶片数关系各异;施氮对植物生长发育均具有促进作用,但非入侵草本植物增长能力更强;在种间竞争中,紫茎泽兰植株株高、分蘖数、叶片数和生物量均随其相对密度的下降而显著降低或呈降低趋势,但非入侵草本植物则随其相对密度的下降而显著升高或无显著变化。进而表明,紫茎泽兰幼苗期的竞争能力较非入侵草本植物马唐、牛膝菊和非洲狗尾草弱;施氮更有利于非入侵草本植物幼苗的生长和竞争;紫茎泽兰相对密度越低,在竞争中受到的抑制作用越大。 2.在温室比较研究了非洲狗尾草和紫茎泽兰在不同氮磷肥力条件下的竞争效应及其光合生理。结果表明,非洲狗尾草根生物量和总生物量较紫茎泽兰的高,施肥显著提高了非洲根狗尾草的相对生物量,其中施氮作用更为明显。未施肥时,紫茎泽兰的光合养分(氮素、磷素、水分)利用效率均比非洲狗尾草的高,施肥时非洲狗尾草的光合养分利用效率、相对生长速率和净同化速率均显著升高,而紫茎泽兰的降低或无显著变化,这些生理变化在施用氮肥时比施用磷肥时更为明显。说明非洲狗尾草的相对竞争能力较紫茎泽兰强,施氮比施磷更有利于非洲狗尾草对紫茎泽兰的竞争。 3.在野外建立不同密度非洲狗尾草和紫茎泽兰单种及两物种1:1混种种群,比较研究了两物种2年期间的生长特征及其竞争效应。结果表明:非洲狗尾草植株生物量、相对产量和竞争平衡指数均较紫茎泽兰的高,相对产量总和小于1,且均随种群密度增大而更加明显。紫茎泽兰在混种密度为20株·m~(-2)、45株·m~(-2)和175株·m~(-2)时植株生物量较其在单种对应密度时分别降低了33.0%、38.5%和70.1%,而非洲狗尾草植株生物量在单混种时无明显变化。两物种混种时,非洲狗尾草的根茎比比其在单种时降低,但紫茎泽兰的根茎比比其在单种时升高。说明在2年期间非洲狗尾草具有较强的竞争能力,其地上竞争作用更为明显,在密度较高时对紫茎泽兰的控制效果较好。 4.对上述种群中非洲狗尾草和紫茎泽兰植株氮、磷、钾养分含量和养分利用效率,以及植株养分生产力和养分平均滞留时间的研究表明:(1)非洲狗尾草植株氮和钾含量均显著比紫茎泽兰的高,而其磷含量显著比紫茎泽兰的低;两物种植株氮和钾含量均随密度增大均显著降低,而其磷含量则均显著升高。(2)非洲狗尾草植株氮素利用效率显著比紫茎泽兰的高,但其磷素利用效率和钾素利用效率均显著比紫茎泽兰的低;非洲狗尾草植株养分利用效率均随种群密度增大显著升高,紫茎泽兰则显著降低。与在单种时相比,在混种竞争中非洲狗尾草植株养分利用效率均降低;紫茎泽兰在密度为20株·m~(-2)和45株·m~(-2)时植株养分利用效率均显著升高,但在密度为175株·m~(-2)时急剧降低低。(3)两物种植株养分生产力和养分平均滞留时间均显著负相关,但对密度变化和竞争的反应策略不同。说明非洲狗尾草氮素利用能力比紫茎泽兰强,而磷素和钾素利用能力比紫茎泽兰弱;在密度较低时紫茎泽兰对养分的竞争能力较强,而在高密度时对养分的竞争能力较弱。 5.对紫茎泽兰和非洲狗尾草单种及两物种1:1混种种群根际土壤中4种土壤酶活性和土壤有效养分的研究表明:(1)非洲狗尾草种群根际土壤NH_4~+-N和NO_3~--N含量均显著比在紫茎泽兰种群的高,而与在混种种群的无显著差异;非洲狗尾草种群根际土壤有效磷和有效钾含量均显著比在紫茎泽兰种群的低,但显著比在混种种群的高。(2)非洲狗尾草种群根际土壤蛋白酶和脲酶活性均显著比在紫茎泽兰种群的高,但其磷酸酶和蔗糖酶活性均显著比在紫茎泽兰种群的低,在单种和混种种群中不同酶活性高低关系不一致。(3)不同种群根际土壤有效养分与土壤酶活性具有较一致的相关性。这说明非洲狗尾草对土壤含氮化合物的活化能力比紫茎泽兰强,且在种间竞争中能够抑制紫茎泽兰对土壤含磷和含钾化合物的活化能力,这可能是其竞争取胜的原因之一;土壤酶活性对根际土壤有效养分的变化可能具有重要作用。 6.不同植物功能型群落对紫茎泽兰种子发芽存活率和幼苗生长影响的研究表明:(1)紫茎泽兰种子在非洲狗尾草种群和非洲狗尾草与牛膝菊混种种群中均不能发芽存活,在禾本科植物群落中的发芽存活率比在非禾本科植物群落低,而在混种群落的发芽存活率比在单种种群的低;(2)紫茎泽兰在非洲狗尾草和野艾蒿种群的生产力最小,而在大狗尾草种群的生产力最大;两种植物功能型混合群落的生产力介于单一植物功能型种群的生产力之间;与单一植物功能型和紫茎泽兰混种比较,两种植物功能型植物与紫茎泽兰混种时的相对产量与相对产量总和均呈降低趋势。这说明不同植物功能型对紫茎泽兰入侵抵御能力不同,植物功能型多样性越高的群落对紫茎泽兰的抵御能力越强。


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