外来植物入侵已成为严重的全球性生态环境问题,影响生物多样性安全和生态系统结构与功能,危害农林牧业生产,甚至危及人类健康。为揭示外来植物的入侵机制,大量研究比较了外来入侵植物和本地植物的差异,但结论并不一致,这可能与不同研究比较的物种数量较少、特性不同及实验条件的差异等有关,即这类研究的结论可能具有物种和环境特异性。而且,文献中两类植物个体水平上的比较研究很多,但群落水平上的比较研究很少,把二者结合起来的研究几乎还是空白。环境影响外来植物的功能性状及被入侵群落的物种组成和结构等,进而影响外来植物入侵。因此,本研究在土壤和气候条件均不同的3个地点设置样地,从叶功能性状、根围土特性、凋落物性质及分解等角度,在物种和群落水平上比较研究外来入侵植物与共生本地植物的差异及环境的影响,探讨外来植物成功入侵不同环境的机制。通过对3个研究地点35种植物的44个功能性状的测定与分析,本研究主要得出如下结论:在物种水平上,与共生本地植物相比,在3个研究地点外来入侵植物总体上均具有较高的叶片养分含量、最大光合速率及光合资源利用效率,根围土养分含量、酶活性及氮转化速率,较高的叶和根凋落物氮含量及分解速率,较低的凋落物碳、总酚、(半)纤维素和木质素含量,碳/氮比、木质素/氮比及凋落叶氮回收效率。在各研究地点,上述参数几乎都与两类植物在群落中的相对丰度显著相关,表明上述性状差异能较好地解释外来植物的入侵性,也说明外来入侵植物与共生本地植物的差异受两类植物物种特性的影响,为文献中不一致的比较结果提供一个合理的解释。凋落叶和凋落根分解速率与其氮含量、成熟叶(只与凋落叶分解相关)氮磷钾含量及比叶面积呈正相关,与凋落物碳、(半)纤维素、木质素含量,碳/氮比、木质素/氮比等呈负相关,表明两类植物凋落物理化特性的差异是其分解速率差异的重要原因。凋落叶碳和氮含量、碳/氮比几乎都与成熟叶养分特性显著相关,表明物种间成熟叶养分特性的差异能够预测凋落叶分解速率的差异。凋落叶氮回收效率与其氮含量、成熟叶氮磷含量及比叶面积呈负相关,与凋落物(半)纤维素和木质素含量及碳/氮和木质素/氮比等呈正相关,表明高的凋落叶氮回收率是植物适应贫瘠生境的策略之一。上述结果表明,与本地植物相比外来入侵植物在土壤养分循环和叶功能性状方面均具有显著优势,这与其在3个研究地点的成功入侵(较高的相对丰度和重要值等)密切相关。环境条件显著影响物种水平上外来入侵植物与共生本地植物各参数差异的方向(谁高)及程度。最典型的例子是比叶面积,在水热条件较好的丹东外来入侵植物比叶面积显著高于本地植物,在沈阳样地两类植物比叶面积的差异不显著,而在干旱瘠薄的朝阳外来入侵植物比叶面积显著低于本地植物。随着环境的改善,其他性状上外来入侵植物的优势也逐渐升高。例如,在丹东,两类植物叶片最大光合速率、光合资源利用效率、根围土净矿化速率、凋落叶和根分解速率、凋落根半纤维素和纤维素含量等的差异程度均最大。上述结果与不同环境下两类植物平均相对丰度和重要值的差异程度(丹东最大)一致,较好地解释了环境与入侵性的关系,也为文献中外来入侵植物和本地植物比较研究结果不一致提供了可能的解释。在群落水平上,外来入侵植物的优势更明显,其全部叶功能性状(除沈阳叶碳/氮比),全部根围土特性相关参数(除朝阳净矿化速率),以及凋落叶和凋落根分解速率、氮和碳含量和凋落根纤维素含量的群落加权均值(功能组成)均显著高于本地植物。两类植物上述性状的功能差异指数均显著大于0,进一步表明两类植物在群落水平上发生了性状分化,支持限制相似性假说,即外来入侵植物与本地植物的性状分化(差异)促进其入侵。与物种水平上的研究结果类似,在群落水平上,环境条件也显著影响两类植物各参数的差异程度,随环境的改善,外来入侵植物的功能性状优势也逐渐升高。例如,在水热条件较好的丹东,两类植物比叶面积、叶磷含量、叶片建成成本、叶片光合速率、光合资源利用效率、根围土净矿化速率、凋落叶和根分解速率等的群落加权均值的差异程度及功能差异指数均较高,即群落内两类植物上述生长相关性状的分化程度更高。上述结果表明,在较好的环境下,限制相似性假说能更好地解释外来植物的入侵性。但不同性状对环境的响应并不完全相同,如在水分和土壤氮素有效性均较低的朝阳,两类植物叶片钾和灰分含量及碳/氮比等的群落加权均值的差异程度和功能差异指数均较高,即在群落内的分化程度更高,这表明不同植物适应水分和养分逆境的机制不同。分析不同环境下群落全部植物功能组成和功能多样性的差异,也能反映环境条件对外来植物入侵的影响。在水热条件较好的丹东,比叶面积、叶碳和磷含量、叶片建成成本、叶片最大净光合速率和光合资源利用效率、根围土铵态氮含量、凋落叶和根碳含量及分解速率等的群落加权均值和功能多样性(除根围土铵态氮含量)均最高,即群落内不同植物的性状趋异,表现为性状分化,支持限制相似性假说。但在干旱瘠薄的朝阳,叶钾和灰分含量及碳/氮比等的群落加权均值和功能多样性均最高,表现为性状分化。上述结果表明,性状分化还是聚集既受环境也受性状本身的影响。
| 中文摘要 |
| 英文摘要 |
| 第一章 国内外研究现状 |
| 1.1 群落物种组成、功能性状和多样性及对环境的响应 |
| 1.1.1 群落物种组成和多样性及对环境的响应 |
| 1.1.2 植物功能性状及对环境的响应 |
| 1.1.3 群落功能组成和多样性及对环境的响应 |
| 1.2 环境和群落特性及植物功能性状对外来植物入侵的影响 |
| 1.2.1 环境对外来植物入侵的影响 |
| 1.2.2 群落特性对外来植物入侵的影响 |
| 1.2.3 功能性状对外来植物入侵性的影响 |
| 1.3 外来植物入侵对土壤养分的影响 |
| 1.4 研究目的和内容 |
| 1.5 技术路线 |
| 第二章 材料与方法 |
| 2.1 研究地点及样地设置 |
| 2.2 三个样地的土壤理化性质 |
| 2.3 三个样地的群落特征 |
| 2.4 性状的测定 |
| 2.4.1 叶片功能性状的测定 |
| 2.4.2 根围土理化性质的测定 |
| 2.4.3 凋落物相关参数的测定 |
| 2.5 群落水平参数的计算 |
| 2.6 统计分析 |
| 2.6.1 叶片功能性状 |
| 2.6.2 根围土理化性质 |
| 2.6.3 凋落物相关参数 |
| 第三章 入侵植物与本地植物叶功能性状的差异及环境的影响 |
| 3.1 材料与方法 |
| 3.2 结果与分析 |
| 3.2.1 物种水平上两类植物叶片功能性状的差异及环境的影响 |
| 3.2.2 群落水平上两类植物叶片功能性状的差异及环境的影响 |
| 3.2.3 叶功能性状群落功能组成和多样性在研究地点间的差异及环境的影响 |
| 3.3 讨论 |
| 3.3.1 物种水平上两类植物叶功能性状的差异及环境的影响 |
| 3.3.2 群落水平上两类植物叶功能性状的差异及环境的影响 |
| 3.3.3 环境对全部植物叶功能性状群落功能组成和多样性的影响 |
| 3.4 小结 |
| 第四章 入侵植物与本地植物根围土特性的差异及环境的影响 |
| 4.1 材料与方法 |
| 4.2 结果与分析 |
| 4.2.1 物种水平上两类植物根围土特性的差异及环境的影响 |
| 4.2.2 群落水平上两类植物根围土特性的差异及环境的影响 |
| 4.2.3 根围土特性群落功能组成和多样性在研究地点间的差异及环境的影响 |
| 4.3 讨论 |
| 4.3.1 物种水平上两类植物根围土特性的差异及环境的影响 |
| 4.3.2 群落水平上两类植物根围土特性的差异及环境的影响 |
| 4.3.3 环境对全部植物根围土特性群落功能组成和多样性的影响 |
| 4.4 小结 |
| 第五章 入侵植物与本地植物凋落物性质和分解的差异及环境的影响 |
| 5.1 材料与方法 |
| 5.2 结果与分析 |
| 5.2.1 物种水平上两类植物凋落物相关参数的差异及环境的影响 |
| 5.2.2 群落水平上两类植物凋落物相关参数的差异及环境的影响 |
| 5.2.3 凋落叶和根相关参数群落功能组成和多样性在研究地点间的差异及环境的影响 |
| 5.3 讨论 |
| 5.3.1 物种水平上两类植物凋落物相关参数的差异及环境的影响 |
| 5.3.2 群落水平上两类植物凋落物相关参数的差异及环境的影响 |
| 5.3.3 环境对全部植物凋落物相关参数群落功能组成和多样性的影响 |
| 5.4 小结 |
| 第六章 全文讨论 |
| 6.1 植物群落特征与外来植物入侵性的关系 |
| 6.2 物种水平上两类植物功能性状的差异及环境的影响 |
| 6.3 群落水平上两类植物功能性状的差异及环境的影响 |
| 6.4 环境对群落全部植物功能性状功能组成和多样性的影响 |
| 第七章 结论和展望 |
| 7.1 结论 |
| 7.2 本文创新性 |
| 7.3 展望 |
| 参考文献 |
| 附录 |
| 致谢 |
| 攻读学位论文期间发表论文 |
| [1] 入侵豚草与本地植物竞争对丛枝菌根真菌多样性的影响[J]. 菌物学报 2019(11) |
| [2] 入侵植物黄顶菊与本地植物的竞争[J]. 生态学杂志 2011(04) |
| [3] 深圳市植物物种指数与本地植物指数分析[J]. 中国城市林业 2009(03) |
| [4] 紫茎泽兰入侵地土壤微生物对紫茎泽兰和本地植物的反馈[J]. 中国农业科技导报 2014(04) |
| [5] 土壤真菌差异影响入侵豚草与本地植物生长及互作[J]. 生态学杂志 2010(03) |
| [6] 土壤微生物增强了外来植物紫茎泽兰对本地植物种的竞争力（英文）[J]. 生物安全学报 2014(03) |
| [7] 中国本地植物作为抗肿瘤药物梗概[J]. 食品与药品 2013(05) |
| [8] 入侵植物与本地植物互作对丛枝菌根真菌AMF侵染率的影响[J]. 菌物学报 2019(11) |
| [9] 华南地区3种入侵植物与本地植物叶片建成成本的比较[J]. 生物多样性 2009(04) |
| [10] 成长的快乐与烦恼[J]. 人与生物圈 2013(04) |
| [11] 基于元胞自动机的黄河三角洲互花米草种群扩散动态模拟[J]. 北京师范大学学报(自然科学版) 2021(01) |
| [12] 两种本地植物种子和幼苗对紫茎泽兰化感作用的响应[J]. 山地农业生物学报 2011(01) |
| [13] 黄顶菊入侵对土壤养分和酶活性的影响[J]. 生态学杂志 2010(07) |
| [14] 紫茎泽兰与本地植物群落根际土壤酶活性和土壤肥力的差异[J]. 农业环境科学学报 2008(02) |
| [15] 外来植物薇甘菊对本地植物凋落物分解的影响[J]. 中山大学学报(自然科学版) 2008(06) |
| [16] 入侵植物曼陀罗对本地植物功能性状和土壤碳、氮、磷化学计量特征的影响[J]. 植物研究 2020(06) |
| [17] 外来植物对本地植物的影响及对策研究[J]. 农村科学实验 2018(10) |
| [18] 沈阳市维康医院户外植物景观现状调查及分析[J]. 花卉 2015(09) |
| [19] 外来的“植物杀手”[J]. 百科知识 2013(10) |
| [20] 施肥与竞争生长对入侵植物黄顶菊和本地植物光合特性的影响[J]. 生物安全学报 2015(03) |
| [21] 入侵植物与本地植物的功能性状和繁殖分配之差异（英文）[J]. Journal of Central South University 2018(03) |
| [22] 天津机场高羊茅草坪建植稳定性以及与机场本地植物的竞争[J]. 天津师范大学学报(自然科学版) 2019(03) |
| [23] 施肥对农田入侵杂草光合作用特性的影响[J]. 现代农业科技 2017(23) |
| [24] 紫茎泽兰化感作用对6种贵州本地植物种子萌发的影响[J]. 贵州农业科学 2010(03) |
| [25] 黄顶菊与本地植物群落对土壤微生物影响的差异性研究[J]. 现代农村科技 2011(02) |
| [26] 三叶鬼针草与不同本地植物竞争对土壤微生物和土壤养分的影响[J]. 生物多样性 2016(12) |
| [27] 入侵植物加拿大一枝黄花和本地一枝黄花的遗传多样性比较[J]. 生态与农村环境学报 2012(02) |
| [28] 紫茎泽兰与3种同属本地植物种子特性比较[J]. 种子 2010(02) |
| [29] 植物入侵对城市湿地生态系统中本地植物的影响[J]. 杭州师范大学学报(自然科学版) 2014(06) |
| [30] 紫茎泽兰种子形态特征和萌发特性与其入侵性的关系[J]. 生态学报 2014(13) |
