基于種子發芽率評估長芒莧在我國不同緯度地區的入侵風險

曹晶晶,王 瑞,劉萬學,萬方浩,郭建英

(中國農業科學院植物保護研究所,植物病蟲害生物學國家重點實驗室,北京 100193)

隨著國際經濟貿易的發展,許多外來物種隨著人類活動有意或無意地傳入多個國家和地區,這些物種一旦成功定殖勢必會給當地的生態系統和農業生產造成危害,從而形成外來生物入侵[1]。外來生物入侵是由傳入、定殖、擴散和暴發危害等多個階段構成的一個動態有序的生態學過程[2]?；谏锶肭诌^程的時序性和階段性,在入侵的早期階段及時進行監測預警和預防控制是減少危害的關鍵,外來生物入侵的防控重點應該集中在防范未傳入物種的傳入和控制已傳入種群的早期定殖兩個階段[3]。由于許多外來物種可通過國際貿易、旅游攜帶等多種途徑傳入我國的不同地區,亟須準確評估其在傳入地區建立可持續自我繁殖種群的風險，以進行精準防控[4]。

我國地域遼闊,南北跨度大,氣候環境復雜多樣,具有熱帶、亞熱帶、溫帶等多種氣候帶。物種，尤其是外來物種通常具有特定的環境適應范圍氣候帶，一旦傳入適宜環境就會造成危害。我國氣候環境呈緯度地帶性分布，導致外來物種的入侵風險也具有緯度地帶性差異。外來植物入侵不同緯度地區的風險是由傳入種子量、傳入后種子發芽率、成苗率、存活率以及繁殖產生的種子量等共同決定的[5]。但是,目前的研究主要是采用物種分布模型,基于已知分布點的氣候環境參數,預測適生區等來評估外來植物的廣義入侵風險,缺少試驗數據支撐的生活史各階段主導的入侵風險評估[6]。根據外來植物的生活史過程,種子的發芽率是決定外來植物入侵風險的首要因素[7-8]。已有的研究表明,外來植物傳入不同地區尤其是不同緯度地區其種子發芽率存在差異[7-8]。因此,系統研究外來植物種子傳入不同緯度環境中的發芽率,對定量評估外來物種的入侵風險、進而制定針對性的管理措施具有重要意義。

外來植物種子的發芽率會受到傳入地氣候環境和種子自身特性的影響[9-10]。通常情況下,氣候環境和種子自身生物學特性間是存在互作效應的,如氣候環境既可以直接影響入侵植物的發芽率,也可通過改變種子的生物學特性來影響發芽率[10]。因此,氣候對外來植物種子發芽率的影響可體現在兩個方面:一是溫度、水分等直接影響種子尤其是首次傳入種子的發芽率。如同一來源的種子傳入不同地區后,其發芽率會因氣候環境的差異而不同。二是氣候會通過影響傳入種群在本地繁殖產生種子的千粒重等生物學特性變化間接影響后代種子的發芽率。氣候與種子自身生物學特性間的這種互作可導致本地適應性進化,從而提高外來植物的入侵性[11]。如有研究發現已經傳入種群產生的種子通常比最初傳入種子的發芽率高,說明入侵種群可通過調控種子發芽率來提高其在入侵地的適應能力和入侵性[9]。因此,系統研究外來植物在不同緯度環境下發芽率的變化,明確緯度、種子生物學特性及它們之間的互作效應對種子發芽率的影響,對于評估外來植物在異質環境下的入侵風險具有重要意義。

長芒莧AmaranthuspalmeriS.Watson是莧科莧屬異株莧亞屬一年生草本植物,競爭能力強、危害性大,是具有多種除草劑抗性的檢疫性有害“超級雜草”[12-13]。長芒莧原產于北美洲,最早于20世紀80年代傳入我國北京市豐臺區[14]。目前,已在我國從南到北不同緯度的多個地區定殖,部分傳入點并不在預測的適生區范圍內[15]。長芒莧能否在我國的不同緯度地區形成入侵并造成危害是當前亟須解決的問題。理論上,不同緯度下,氣候環境條件的差異會影響長芒莧種子傳入后的成功定殖與可持續種群的建立,種子發芽率又是決定種群定殖與繁殖增長的入侵風險的首要條件。此外,在高緯度地區，由于溫度等因素的影響,存在外來植物傳入后種子雖能發芽,但不能完成生活史的情況。我們野外調查時發現長芒莧在我國東北地區盛夏發芽的種子大多數不能完成生活史。因此，對于不同緯度地區，長芒莧能夠傳入并形成種群的入侵窗口期存在差異?；诖?本研究通過對中國11個不同緯度入侵的長芒莧種群和原產地美國種群的種子發芽率進行比較,通過分析緯度環境與發芽率的關系,明確種子發芽率是否隨緯度發生快速適應,評估長芒莧在不同緯度地區的入侵窗口期和入侵風險,為制定區域化的精準防控措施提供指導。

1 材料與方法

1.1 種子樣品采集

從2012年至2018年，在我國11個省市采集了長芒莧的成熟種子樣品(表1)，2019年初又在這11個省市重新采集了種子。室內發芽率測定表明，同一地點兩個年份采集的種子的發芽率沒有差異，均在44.00%以上。因此選用2019年采集的樣品分析不同緯度種群種子發芽率的差異。所有采集的種子帶回實驗室自然干燥后均測定千粒重，重復4次[16]。同時，還獲得了原產地美國的種子作為供試樣品。

表1 不同長芒莧種群的樣品采集信息Table 1 Sampled information of Amaranthus palmeri populations

1.2 紙皿法和盆栽法測定不同緯度長芒莧種群的種子發芽率

采用紙皿法在人工氣候箱完全控制的最優環境下測定種子的發芽率。在直徑為9 cm的培養皿中鋪兩層濾紙,每個培養皿中隨機均勻放置50粒種子,用移液槍在每個培養皿中加入等量的水,保證水分條件一致。每個長芒莧種群設置3個重復。將培養皿置于25℃、L∥D=12 h∥12 h、RH 70%的恒溫人工氣候箱中[15]。從第1天起每天統計發芽數,直至連續3 d不再發芽停止計數,計算每個培養皿中的種子發芽率[17]。

采用盆栽法在溫室控制條件下測定發芽率,目的是模擬野外適宜環境下種子在土壤中的發芽率。每個育苗盤中放入營養土并種植50粒種子,播種深度0.5 cm,保持澆水量一致。每個長芒莧種群設置3個重復。溫室的溫濕度和光照條件與紙皿法保持一致。每天記錄種子發芽數,連續3 d不再發芽停止計數,最終確定每個育苗盤中的種子發芽率。該試驗在中國農業科學院植物保護研究所廊坊科研中試基地開展。

1.3 交互種植條件下不同緯度長芒莧種群的種子發芽率測定

為了進一步分析不同緯度長芒莧種群的種子發芽率差異并判斷其是否會在入侵地發生本地適應，從采集的11個種群中選擇了4個具緯度代表性的種群，包括低緯度的浙江寧波種群(ZJ)、中低緯度的河南安陽種群(HN)、中高緯度的河北石家莊種群(HB)和高緯度的吉林長春種群(JL)及美國種群(US)(表1)，連續1年分別在吉林省(高緯度)、河北省(中高緯度)、河南省(中低緯度)和廣東省(低緯度)4個緯度環境下多次多地交互種植，檢測緯度對種子發芽率的影響。

為了確定長芒莧種子在不同緯度地區的入侵窗口期，明確其在野外的發育起點溫度，自2019年4月起，每個月將這4個代表種群分別在 4個緯度地區的室外環境下各開展1次種子發芽測定的盆栽試驗。每個月在每個種植地點，將長芒莧種群的種子播種到盛有營養土的育苗盤中，每個育苗盤種植50粒種子，種植深度0.5 cm，每個種群設置3個重復。不定時澆水保持水分充足。同時記錄每日最低溫度和最高溫度。以月為單位持續觀測不同種群在每個緯度種植點的種子發芽率，直至種子不再萌發為止。記錄長芒莧種子能發芽的起始月份和能發芽且能完成生活史的終止月份。將種子能發芽的起始月份到發芽且能夠完成生活史的月份這段時間段定義為長芒莧在該地區的入侵窗口期。

1.4 數據分析

計算不同長芒莧種群的種子在不同種植條件下發芽率的平均值和標準差,通過HSD(Tukey’s honestly significant difference)法進行顯著性檢驗和多重比較,確定95%置信區間的種群間發芽率的差異[18]。通過單因素方差分析比較不同檢測方法和不同種植地點所測定的種子發芽率之間是否具有顯著性差異。對種子千粒重和緯度與種子發芽率分別進行Pearson相關性分析[19]?；诎l芽率的差異對種群、種植緯度和種植時間對發芽率的影響進行三因素方差分析,確定種群、種植緯度和種植時間及它們之間的互作對種子發芽率的影響是否顯著。所有數據統計分析和作圖在Excel 2010和R 3.5.1軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 同質園條件下不同長芒莧種群的種子發芽率

在同質園條件下,通過紙皿法和盆栽法測定的同一種群長芒莧種子的發芽率之間的差異不顯著(P=0.59)(表2)。兩種檢測方法均表明不同緯度種群的發芽率間存在顯著差異(P<0.05)。US種群的種子發芽率低于我國采集的長芒莧種群的種子發芽率。在我國采集種群中,低緯度的福建福州種群(FJ)的種子發芽率顯著低于其他種群的種子發芽率,而高緯度的吉林長春(JL)、遼寧錦州(LN)種群和中高緯度的北京(BJ)、天津(TJ)和山東濱州(SD)種群的種子平均發芽率均達到80%以上(表2)。通過紙皿法,所有長芒莧種群種子的平均發芽率為51.30%～92.00%。LN種群的種子平均發芽率最高(92.00%),US種群的平均發芽率最低(51.30%)(表2)。通過盆栽法,所有長芒莧種群種子的平均發芽率為46.20%～92.67%。BJ種群的種子平均發芽率最高(92.67%),US種群的平均發芽率最低(46.20%)(表2)。

表2 同質園條件下用紙皿法和盆栽法測定的不同長芒莧種群的種子發芽率1)Table 2 Seed germination rates of different Amaranthus palmeri populations by paper-dish and pot-planting methods in common gardens

2.2 不同緯度種群種子發芽率的影響因子分析

11個長芒莧種群的種子千粒重在0.25～0.45 g,種群間的種子千粒重差異不顯著(圖1)。但是Pearson相關性分析表明,通過紙皿法和盆栽法檢測的不同長芒莧種群的種子發芽率與種子千粒重之間均存在線性正相關關系(圖2)。

圖1 不同長芒莧種群的種子千粒重Fig.1 Thousand-seed weights of different Amaranthus palmeri populations

圖2 通過紙皿法和盆栽法測定的不同長芒莧種群的種子發芽率與千粒重的關系Fig.2 The relationships between seed germination rates of different Amaranthus palmeri populations and thousand-seed weights measured by paper-dish and pot-planting methods

為了確定緯度環境對種子發芽率的影響。通過Pearson相關性分析,紙皿法和盆栽法測定的不同長芒莧種群的種子發芽率與種群所處緯度之間均存在顯著的線性正相關關系(圖3)。高緯度種群的種子發芽率高于低緯度種群的種子發芽率(P<0.05)。

2.3 交互種植條件下長芒莧的入侵窗口期

根據對長芒莧種子發芽和完成生活史數據的統計分析,當日最低溫度達到10℃,長芒莧種子開始萌發。由于長芒莧種子發芽后需要達到一定的有效積溫才能完成生活史,這就導致了種群在不同緯度地區的入侵窗口期存在差異。長芒莧在高緯度中高緯度、中低緯度和低緯度的入侵窗口期分別為2個月(5月-6月)、3個月(5月-7月)、4個月(4月-7月)和5個月(4月-8月)(圖4)。

圖3 通過紙皿法和盆栽法測定的不同長芒莧種群的種子發芽率與緯度的關系Fig.3 The relationships between seed germination rates of different Amaranthus palmeri populations and latitudes measured by paper-dish and pot-planting methods

圖4 不同長芒莧種群的種子在不同緯度地區種植的發芽率Fig.4 Seed germination rates of different Amaranthus palmeri populations planted at different latitudinal areas

2.4 交互種植條件下不同長芒莧種群種子發芽率比較

在入侵窗口期內,4個緯度交互種植地點的發芽率分析表明,美國種群的種子發芽率顯著低于我國HN、HB和JL種群的種子發芽率(圖4)。在高緯度的吉林省試驗地,5個供試種群種子的平均發芽率為(70.80±14.43)%(圖4a)。6月種植的種子發芽率較5月高。5月和6月的兩次種植均表明，高緯度JL種群的發芽率顯著高于低緯度的ZJ種群,表現出了本地適應(圖4a)。在中高緯度的河北省試驗地,種群的平均發芽率為(64.87±10.07)%(圖4b)。5月-7月的3次種植均表明，中高緯度HB種群的發芽率高于其他種群的發芽率,且顯著高于低緯度ZJ種群的發芽率,表現出了本地適應(圖4b)。在中低緯度的河南省試驗地,種群的平均發芽率為(58.83±11.24)%(圖4c)。中低緯度HN種群4、5、7月的發芽率顯著高于高緯度JL種群和低緯度ZJ種群的發芽率,表現出了本地適應(圖4c)。在低緯度的廣東省試驗地,種群的平均發芽率為(62.28±22.29)%(圖4d)。低緯度ZJ種群的發芽率低于其他種群的發芽率,沒有表現出本地適應。在不同時間種植的種子的發芽率存在顯著差異,6月份種子的發芽率最低，小于30%(圖4d)。

種群、種植緯度和種植時間對種子發芽率的三因素方差分析結果表明，種子的發芽率受到種群、種植緯度和種植時間的共同顯著性影響(P<0.01)(表3)。

表3 種群、種植緯度和種植時間對長芒莧種子發芽率影響的三因素方差分析Table 3 ANOVA analysis of three factors,population,latitude and planting time influencing seed germination rate of Amaranthus palmeri

3 結論與討論

3.1 長芒莧在入侵地的本地適應導致了不同緯度種群的種子發芽率差異

受全球經濟貿易的影響,外來植物長芒莧的種子可以隨著人類活動傳入不同緯度的環境中。根據本試驗結果,傳入我國的長芒莧種群的種子發芽率高于或者顯著高于美國種群種子的發芽率(表2),表明長芒莧傳入后能通過提高種子發芽率來促進種群的定殖[9]。但是,傳入不同地區種群的種子發芽率存在差異,傳入種群所在緯度不同程度地影響種子發芽率。同質園試驗表明,長芒莧種群所在緯度與種子發芽率之間存在顯著的線性正相關關系,高緯度種群的種子具有更高的發芽率,而低緯度種群的發芽率較低(表2，圖3)。種子發芽率隨緯度的變化表明緯度環境可能導致種群發生適應性進化,使得高緯度種群采集的種子具有更高的發芽率[20]。種群對緯度環境的快速適應可能受到表型可塑性或本地適應性進化的調控[21]。交互種植試驗的結果表明,在入侵窗口期內,我國高緯度、中高緯度和中低緯度的種群都發生了本地適應(圖4)。而低緯度種群的種子發芽率顯著低于其他緯度的種群(6月份種植除外),且發芽率在低緯度地區也沒有表現出本地適應(圖4)。由于溫濕度、光照等環境條件的差異,不同緯度地區適合種群生長并完成生活史的時期的長短以及在適合生長期內溫濕度、光照強度不一致,可能導致不同種群后代產生的種子的發芽率存在差異。在高緯度地區,適合種群生長的時期相對較短,但是植株的生長期一直處于較為合適的溫濕度環境中,適宜的環境條件有利于植株和種子更好地完成發育,種群能夠產生更高的種子量且種子千粒重較大,有利于提高種子的發芽率。因此,高緯度的長芒莧種群可能通過提高種子的發芽率來增加種群在該地區的繁殖體壓力和繁殖量,增強其在高緯度環境中的適應與成功入侵[22-23]。在低緯度地區,雖然適合長芒莧的生長期長,但是植株完成生活史所需的有效積溫等能量積累是固定的,因此該區域持續性高溫和降水導致的濕熱過?？赡懿焕陂L芒莧植株的生長發育,使得植株快速達到完成生活史所需的能量,導致最終繁殖產生的種子量較少且種子千粒重較低(圖1)。千粒重越大,種子的發芽率越高(圖2),種子達到一定的千粒重才能保證其有足夠的營養供其繁殖生長[24-25]。因此,長芒莧種子千粒重和發芽率均隨緯度環境表現出梯度變化,緯度環境和種子千粒重又導致了種子發芽率的差異。緯度和種子千粒重的互作效應導致的長芒莧在入侵窗口期內種子發芽率的差異,可能使其在不同緯度地區具有不同的入侵風險。

3.2 基于長芒莧的種子發芽率和入侵窗口期評估其入侵不同緯度地區的風險

長芒莧在不同緯度環境中存在能夠發芽并完成生活史的入侵窗口期,但是不同緯度地區溫濕度、光照等環境條件的差異導致各地區入侵窗口期長短不一致(圖4)。長芒莧在不同緯度地區入侵窗口期的長短和種子在窗口期內發芽率的高低共同決定了長芒莧入侵該地區的風險?；谌瓴煌暥榷啻味嗟氐慕换シN植試驗,長芒莧種子在高緯度地區要在5月-6月發芽才能形成入侵,在該地區的平均發芽率為(70.80±14.43)%。在中高緯度和中低緯度地區,長芒莧種子在入侵窗口期5月-7月和4月-7月的平均發芽率分別為(64.87±10.07)%和(58.83±11.24)%。在低緯度地區,長芒莧的種子在入侵窗口期4月-8月的平均發芽率為(62.28±22.29)%,在6月份的種子發芽率低于30%(圖4)。通過對試驗數據和緯度環境的結合分析,長芒莧在低緯度地區較低的發芽率可能是由于降水過多導致的。根據長芒莧在不同緯度地區表現出種子發芽率和入侵窗口期的梯度變化,可以對長芒莧入侵不同緯度地區的風險進行評估。中高緯度和中低緯度地區種子發芽率較高且入侵窗口期較長,導致長芒莧在中低緯度至中高緯度地區具有較高的入侵風險。高緯度地區種子發芽率高但是入侵窗口期短,低緯度地區雖然入侵窗口期長但發芽率低,因此長芒莧在高緯度和低緯度地區的入侵風險相對較低。

根據基于種子發芽率和入侵窗口期對長芒莧入侵風險的評估結果,建議在不同緯度地區開展區域化精準防控。長芒莧在中低緯度的華中地區至中高緯度的華北地區入侵風險較高,應該重點加強防控,建議對所有可能的入侵地進行監測預警,在7月底種子成熟前,對已經定殖的種群通過農業、物理、人工、化學防治等多種防治技術相結合的方式進行綜合防除,阻止其種群擴張蔓延。此外,長芒莧的種子在野外成熟后可以形成土壤種子庫,第一年未能發芽的種子還可以在接下來的幾年中不斷發芽,有利于種群的維持[26-27]。因此,對區域內已經定殖的長芒莧種群,由于其產生的種子量大,種子發芽率高,應該在每年7月底前開展一次綜合防除工作,進行連續3～5年的持續防控,以達到徹底清除土壤種子庫和消除種群定殖風險的目的。長芒莧在高緯度的東北地區由于入侵窗口期短,建議在6月底前集中對營養生長期的植株開展物理或者人工全面滅除,可以達到早期根除的目的。長芒莧在低緯度的華南地區種子發芽率低,但是入侵窗口期長,建議應該全年加強監測預警以防止種子的不斷傳入。

綜上所述,不同緯度長芒莧種群的種子發芽率隨緯度升高而增高,而入侵窗口期隨緯度升高而縮短。根據不同緯度長芒莧種群的種子發芽率和入侵窗口期的差異,長芒莧在中低緯度至中高緯度地區入侵風險較高,應該重點防控。長芒莧在高緯度和低緯度地區的入侵風險相對較低,但是長芒莧種子發芽率的本地適應有利于增加其在高、低緯度地區的入侵風險。因此應該加強對我國已傳入長芒莧種群監測與防控力度以抑制其進一步擴散蔓延。