芦苇和香蒲作为湿地中最常见的草本植物, 它们的生命力顽强, 繁殖迅速。研究发现, 芦苇的高竞争力和快速传播使其在北美演变为一种入侵植物^[1], 在世界其他地区的调查结果表明, 芦苇在改变生境的同时也导致了生物多样性和生态系统功能的丧失^[2], 通过显著改变原生生态系统的结构和功能而形成占主导地位的单一群落^[3-4]。香蒲与芦苇非常相似, 其密集的根状茎使得其根系快速繁殖, 往往形成巨大的几乎单一的群落, 对其他植物具有很强的竞争力^[5]。由于芦苇和香蒲具有许多共同的特征, 例如植株高大、枝条无分支、网状的根茎、主要靠根系无性繁殖、通常形成密集的单一群落、生境偏好和特征上的相似性, 使这两个物种之间可能存在较强的种间相互作用^[6]。Bellavance对芦苇与香蒲在路边沟渠和淡水沼泽接触带的群落动态进行了3年的调查, 并研究了相邻植物对目标植物形态的影响, 结果发现, 随着时间的推移, 芦苇的数量明显在增加, 而香蒲的数量在减少^[7]。有研究者以芦苇和香蒲为试验材料, 采用9株/m²的密度均等种植在人工湿地中, 并注入被污染的河水, 研究了混种对二者的植物功能、微生物及其相互作用的影响, 发现芦苇与香蒲间存在明显的竞争, 芦苇过度生长逐步侵占了香蒲的空间, 导致芦苇的植物密度和生物量分别是香蒲的20倍和10倍^[8]。而在盐沼中进行的盐度和水位控制试验发现, 香蒲比芦苇更具有竞争优势, 在低盐度条件下其地上生物量和存活率都相对较高^[9]。

目前关于芦苇和香蒲与其它植物生长发育、相互关联度及影响, 以及共生状态、生理生态效应、竞争关系、抵御各种逆境胁迫等探究越来越多^[10-11], 而且主要是通过调控环境资源介导的影响因素, 研究两者之间的相互作用。但对两物种共同生长时的生理生态状况、根系相互作用的研究鲜有报道。因此, 本试验通过对芦苇与香蒲的根系分隔试验, 研究芦苇与香蒲种间竞争对其生长形态的影响, 为控制和管理芦苇与香蒲的生长, 保护湿地和农田沟渠系统的生物多样性提供数据支撑。

1 材料与方法 1.1 试验材料

芦苇(Phragmites australis)与香蒲(Typha domingensis)购自江苏省宿迁市浩宇水生植物基地, 挑选大小一致(高30 cm, 茎粗5 mm)的幼苗, 用水冲洗掉根系附着物, 带回实验室。宿迁属于暖温带季风气候区, 年均气温15.2℃, 年均降水量为910 mm, 年均日照总时数为2291 h, 无霜期211 d。供试土壤采自农业农村部环境保护科研监测所武清基地, 去除有机残留物及大块石屑, 并过20目筛网备用, 土壤含有有机质20.53 g/kg, 全氮1.28 g/kg, 全磷0.74 g/kg, pH 8.23, 速效磷19.1 mg/kg。

1.2 试验设计

该盆栽试验在农业农村部环境保护科研监测所的网室进行, 该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候区, 年平均温度为13.5℃, 年均降水量为575 mm, 年均日照时数为2620 h, 无霜期221 d。供试塑料箱长72 cm, 宽52 cm, 高59 cm。本试验设置3个处理：塑料膜分隔(塑料厚度0.12 mm, 根系完全分隔, 无相互作用, 无物质交换)、尼龙网分隔(孔径25 μm, 根系部分分隔, 无相互作用, 有物质交换)和不分隔(根系完全相互作用, 有物质交换)^[12], 用乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)将孔径为25 μm的尼龙网和塑料膜分别固定于箱体中间(长边中间, 并以玻璃胶涂抹加固)。每箱装土约190 kg, 高度为45 cm, 以满足根系的生长深度, 每箱种植香蒲与芦苇各6株(图 1), 每个处理重复5次。于2019年7月10日将幼苗移栽至塑料箱中, 箱体水位保持在15 cm, 不施肥, 3个处理间地上部环境条件一致。2019年11月割除地上部分, 以减少调落物对其生长的影响, 便于观察苗期的种间相互作用。

1.3 样品采集与测定

地上部：2020年8月25日(已结蒲棒), 随机选取8株香蒲和芦苇样本, 测量密度、株高、茎粗、叶片数, 采用卷尺测量植株的高度(土表到植株顶端)、游标卡尺测量茎粗(芦苇选取第八叶处, 香蒲选取叶子刚开始分散处)、叶片数(土壤表面以上的所有叶片数量)和密度(每平方米的植株数量)。将所有植株的地上部剪下来, 于布袋(38 cm×28 cm)在105℃下杀青30 min, 并于65℃下烘干至恒重后称重记录。

地下部：2020年9月1日, 将种植箱体从中间(长边中间)锯开, 露出香蒲与芦苇根系生长的完整区域, 冲洗掉土壤, 根系清洗干净并分离, 装入塑封袋于-4℃冰箱内保存, 利用EPSON(EU-88)根系扫描仪进行扫描, 扫描后将根系置于布袋中烘干, 用电子天平称量。并用Win-Rhizo根系分析软件(WinRHIZO 2012)对扫描根系图进行处理, 对根系形态参数进行分析, 计算出总根长、总根表面积和总根体积。

1.4 数据处理与分析 1.4.1 数据处理

密度(株/m²), 是指箱体内香蒲与芦苇各自所在生长区域(0.2 m²)的植株数量的计算。

总根长(根表面积、根体积), 是指箱体内香蒲与芦苇各自所在生长区域(0.2 m²)根系相应参数之和。

相互作用强度Relative Interaction Index(RII)：RII=(B_w-B_o)/(B_w+B_o)^[13]

式中, B_w为植株在混种下的生物量, B_o为植株在单种下的生物量。当0 < RII≤1时, 表现为促进作用；当-1≤RII < 0时, 种间相互作用显著, 表现为抑制作用；当RII=0时, 抑制作用与促进作用相互抵消并达到平衡^[14]。RII值可以很好地用来比较植物间的竞争情况^[15]。

1.4.2 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2003整理后, 采用SPSS 20.0软件对试验数据进行单因素统计分析, 多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性, 并用Origin 9.1进行绘图。

2 结果与分析 2.1 不同分隔方式对香蒲与芦苇生物量的影响

不同根系分隔方式中, 与塑料膜分隔相比, 尼龙网分隔和不分隔处理显著减少了芦苇植株的生物量, 其地上部、地下部生物量和总生物量分别减少了38.66%、39.71%、39.14%和80%、84.52%、82.08%(图 2), 说明香蒲与芦苇根系的相互作用显著减少了芦苇的生物量, 且对地下部根系生物量的影响更大。香蒲的地上部、地下部生物量和总生物量在尼龙网分隔和不分隔中分别比塑料膜分隔增加33.25%、12.05%、23.22%和23.2%、4.69%、14.44%, 说明香蒲与芦苇的相互作用促进了香蒲植株的生长, 但3个处理间无显著差异(图 2)。在塑料膜分隔处理中, 香蒲的地上生物量是芦苇的0.27倍, 地下生物量是芦苇的0.28倍, 总生物量是芦苇的0.27倍, 而在不分隔处理中, 香蒲的地上生物量是芦苇的1.65倍, 地下生物量是芦苇的1.88倍, 总生物量是芦苇的1.74倍, 增加了约6倍, 表明芦苇与香蒲根系的完全相互作用, 显著削减了芦苇繁殖生长, 增加了香蒲植株的根茎的快速生长, 芦苇对种间竞争产生负响应, 而香蒲的反应较小。

2.2 不同分隔方式对香蒲与芦苇地上部生长指标的影响

在3种不同的分隔方式中, 与塑料膜分隔相比, 芦苇的植株密度在尼龙网分隔和不分隔处理中分别减少了49.41%和79.22%, 具有显著差异(图 3)；但芦苇的株高、茎粗和叶片数却在尼龙网分隔处理中达到最大值, 与塑料膜分隔和不分隔相比分别增加了6.22%、13.9%、25.33%和24.69%、25.22%、27.33%, 且与尼龙网分隔具有显著差异(图 3), 说明香蒲与芦苇根系的相互作用对芦苇植株密度具有抑制作用, 但在根系无相互作用的尼龙网分隔中, 增加了芦苇的株高、茎粗和叶片数。植株密度的减少, 使植物将更多的营养分配到其它部位, 给予生长补偿, 且表明根系的相互作用是植物形态产生变化的关键。

对于香蒲来说, 与塑料膜分隔相比, 植株密度和株高在尼龙网分隔和不分隔处理中分别增加了7.37%、8.12%和25.26%、7.01%, 具有显著差异(图 3, P < 0.05), 茎粗和叶片数的差异不显著(图 3, P>0.05)；说明香蒲和芦苇的相互作用促进香蒲的植株密度和株高增加, 对茎粗和叶片数影响较小。但在塑料膜分隔和不分隔处理中, 芦苇的植株密度分别是香蒲的1.12倍和6.74倍, 表明根系相互作用在抑制芦苇生长的同时, 促进了香蒲的繁殖。

2.3 不同分隔方式对香蒲与芦苇地下部根系生长的影响

不同分隔方式对芦苇根系形态具有显著的影响, 芦苇的总根长、总根表面积、总根体积在尼龙网分隔和根系不分隔处理中比塑料膜分隔处理分别减少了40.53%、44.84%、62.52%和85.7%、82.45%、89.67%(图 4, P < 0.01), 说明香蒲与芦苇间的相互作用明显削减了芦苇根系的生长。但对于香蒲来说, 与塑料膜分隔处理相比, 其总根长、总根表面积、总根体积在尼龙网分隔中分别增加了57.93%、26.5%、8.04%(P < 0.05), 在不分隔处理中分别减少了11.57%、14.92%、11.39%(图 4)。且在塑料膜分隔处理中, 芦苇的总根长、总根表面积、总根体积与香蒲的比值为2.7∶1、2.4∶1、5.3∶1, 在尼龙网分隔处理中, 比值为1∶1、1∶1、1.8∶1, 但在不分隔处理中, 比值为0.4∶1、0.5∶1、0.6∶1, 减少了2-8倍。说明香蒲与芦苇根系的完全相互作用对香蒲与芦苇的根系形态都有影响, 尤其对芦苇的抑制作用更强。但在尼龙网分隔处理中, 对于香蒲具有促进作用。其中在塑料膜分隔中, 芦苇的总根体积是香蒲是5倍, 是因为芦苇的根茎是管状的, 通常占据较大的体积。

2.4 相互作用强度(RII)

相互作用强度(RII)可以很好地用来比较植物间的竞争情况。RII的值域为[-1, 1], 正值说明种间相互作用对其具有促进作用, 负值说明种间相互作用对其具有抑制作用。将香蒲与芦苇的塑料膜分隔作为单种, 尼龙网分隔和不分隔作为不同的混种方式, 通过相互作用强度(RII)分析, 发现芦苇的RII值均小于0(图 5, P < 0.05), 说明对其抑制作用显著, RII值在尼龙网分隔和不分隔中分别为-0.24、-0.25、-0.24和-0.67、-0.73、-0.7, 其中在不分隔处理中竞争作用更显著。香蒲的RII值均大于0, 但差异不显著, 混种尼龙网分隔和不分隔对香蒲促进作用的影响较小。说明在共存关系中对芦苇具有显著地抑制作用, 表明根系的相互作用对芦苇的抑制作用更强, 对香蒲没有显著的影响。

3 讨论

物种间相互作用一直是众多学者关注的热点, 研究发现植物群落的组成主要由种间关系决定^[16], 种间关系又受到地上部和地下部的影响, 但地下部的竞争是植物生长的最大影响因素^[17]。因此本研究设置根系不同分隔处理的试验, 研究香蒲与芦苇根系相互作用对其生长的影响。研究发现香蒲与芦苇根系的完全相互作用(不分隔处理)相比于完全无相互作用(塑料膜分隔处理)显著减少了芦苇的植株密度和生物量, 而香蒲的表现却与此相反。种群密度是植物研究中的重要变量, 是一种更好地理解植物竞争的方法^[18]。相对来说高密度的植物比低密度的植物可以更有效地利用所在区域的土壤面积, 并抑制低密度植物的生长^[19], 导致其根系生物量和根系形态发生变化。但在一些植物生长系统中, 植物根系行为也取决于邻近物种^[20]。在香蒲与芦苇根系的完全相互作用中, 高密度的香蒲削弱了芦苇的生长, 从而导致芦苇生物量的减少。

另外, 与塑料膜分隔相比, 在尼龙网分隔处理中, 芦苇植株密度在减少的同时, 芦苇的株高、茎粗和叶片数却有所增加, 展示出其地上部生长形态的增加和植株繁殖的减少, 说明根系物质的交换使芦苇即使处于劣势, 也并未抑制其生长^[21]。香蒲的株高在尼龙网分隔和不分隔处理中, 均显著高于塑料膜分隔处理(P < 0.05), 但茎粗和叶片数无显著差异。这一研究与香蒲和三棱草的研究结果相似, 两者根系物质的交换, 降低了三棱草的叶、根、茎和总生物量^[22], 表明香蒲与芦苇种间竞争对香蒲地上部的影响较小。越来越多的证据表明植物地下相互作用对植物生长形态和生态系统功能的重要性^[23-24]。

在分隔试验中, 种间竞争显著改变了植物的根系形态, 这种改变对芦苇根系的影响更明显, 尤其在不分隔处理中所导致的芦苇根系总根长、根表面积和根体积的明显减少(P < 0.05), 这个结果可能是由于邻间物种的入侵和根系的回避生长, 主要是因为根系的完全相互作用^[25], 而且根系的完全相互作用引起的空间竞争对植物生长具有抑制作用, 且通常对植物根系的影响更大^[26]。例如, 野草莓根优先生长于欧活血丹, 而欧活血丹根生长受到抑制, 以避开野草莓, 根系的物质交换介导了这些竞争模式^[25]。而且根系中的化感物可以直接或间接改变邻近植物的生长和功能, 例如通过干扰根系的生长和发育、根系养分的吸收或生理过程, 也可以通过改变地下土壤的性质, 改变植物的生长和功能^[27]。在本试验中, 不同分隔方式下芦苇根系的生长状况也印证了此现象。另外, 虽然根系的生长分布涉及多种非生物和生物因素, 例如土壤养分^[28], 微生物介质和根系分泌物中所含的代谢物^[29], 但根系分泌物是植物与植物根系相互作用的关键, 不仅抑制邻间物种也可能具有自毒作用^{[3, 30]}, 在植物的交流和防御中发挥作用^[31], 对于解决未来可持续农业中的病虫害和杂草以及生态系统中植物入侵问题具有重要科学意义。

在本研究中, 根系分隔方式的不同影响了香蒲与芦苇的RII值, 说明根系物质的交换和根系的相互作用对植物竞争的主导作用较为明显, 其中对芦苇RII值的影响更为显著, 并且在尼龙网分隔和不分隔中都为负值, 具有显著差异。表明不分隔处理对其有更强地抑制作用, 而香蒲的RII值都为正值, 都没有显著差异, 即在两者的种间关系中, 对香蒲具有促进作用但差异不显著, 对芦苇具有抑制作用且在不分隔中更为显著, 这与Semchenko (2014)对相邻根系的识别通过根系物质的交互控制植物行为变化的研究相近^[20]。因此, 芦苇与香蒲地下部根系的完全相互作用不仅有利于控制芦苇生长的范围, 还有利于湿地和农业沟渠的管理, 保护植物的生物多样性, 维护生态平衡。

4 结论

研究结果表明, 在芦苇与香蒲的种间竞争中, 根系不分隔处理和尼龙网分隔处理条件下, 根系物质的交换以及根系的相互作用使芦苇的生物量、地上部植株生长形态及地下部根系生长形态均显著受到抑制作用, 且芦苇的植株密度、总根长、总根表面积、总根体积与生物量呈正相关, 表现为塑料膜分隔>尼龙网分隔>不分隔, 而香蒲除了植物密度和生物量有所增加, 其它均无显著差异, 且植株密度与芦苇呈现相反性。与塑料膜分隔根系完全无相互作用相比, 不分隔处理中香蒲与芦苇根系完全相互作用对抑制芦苇生长起关键作用。因此, 本研究利用根系分隔方式探究芦苇与香蒲的种间竞争关系, 对于具有入侵性植物的管理也具有重要意义。