外来植物入侵引起入侵地生态系统群落结构和功能的改变,特别是导致入侵地生物多样性的减少,引起了一系列的生态环境问题。因此,外来植物入侵被认为是全球生态环境保护面临的主要挑战之一。为应对入侵植物的威胁,降低入侵地的生态风险,深入地探究植物入侵的驱动因子以及其与本地植物的相互作用关系已成为控制植物成功入侵的关键。当入侵植物被引入新的栖息地时,它必然会与本地植物存在不同程度的种间竞争。而外来植物的入侵潜力可能得益于其在限制资源方面的竞争优势,这不仅取决于入侵植物本身的生物学特征,还与入侵地中生物作用及人类活动导致的环境变化等因素密切相关。然而以往大部分关于入侵植物资源竞争的研究仅仅侧重于一方面的考察,要么是关注于入侵植物的生物特征,要么关注于入侵地的环境因子,往往具有孤立性和片面性。本研究从入侵植物的生物学特征、微生物作用及环境资源变化在入侵植物资源竞争,特别是磷资源竞争中的作用三个方面来综合探讨入侵植物成功入侵的机制。本研究选取已在中国大部分地区造成严重生态和经济危害的入侵植物加拿大一枝黄花(Solidago canadensis L.)为研究对象,采用室内盆栽试验,从植物生物学特性、丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)共生、环境氮磷资源变化等方面综合分析了加拿大一枝黄花在难溶性磷源条件下的生长及竞争响应。旨在明确加拿大一枝黄花的磷资源竞争策略,为其潜在入侵的预测、管理和控制提供强有力的理论支撑和实践指导。本研究的创新点主要有:(1)以克隆植物在入侵植物和本地植物竞争下克隆整合效益差异为对比指标,直接、简单地反映出入侵植物和本地植物竞争能力大小,为其他入侵植物竞争优势的验证提供了新的研究方法;(2)阐明了植物生物学特征、丛枝菌根真菌共生和氮沉降对加拿大一枝黄花在难溶性磷源条件的生长和竞争中作用,可为加拿大一枝黄花在中国的地区分布和扩散预测提供重要信息。具体体现以下几个方面:1.本研究以竞争条件下克隆整合作用的大小为参考以反映入侵植物加拿大一枝黄花和本地植物多裂翅果菊的竞争能力差异。研究结果显示:当莲子草先端无竞争时,莲子草克隆整合作用不明显;而当莲子草先端存在竞争时,莲子草先端的生长显著地被抑制了。但在克隆整合作用下,其生长有所改善。相比在多裂翅果菊竞争下,克隆整合作用效应在加拿大一枝黄花竞争下显著地下降。本研究从不同竞争者条件的克隆整合效应不同的角度明确了入侵植物相比本地植物具有更强的竞争优势。2.本研究为了探究入侵植物的竞争优势的成因,从资源竞争策略的角度,以植物生长所必需的磷作为竞争资源进行了更深入的研究。本研究考察了不同磷源条件下加拿大一枝黄花生长响应。研究结果表明:(1)加拿大一枝黄花可直接利用磷酸铝,而不能直接利用磷酸铁和羟基磷灰石;(2)氮增加时,磷酸铝条件下的加拿大一枝黄花通过产生更多更长的根,提高对磷吸收的效率,磷吸收显著与生物量呈显著的正相关;(3)当磷资源有效性高时,植株的磷吸收的含量随着氮水平增加而显著增加。本研究表明了加拿大一枝黄花在不同磷源条件的生长响应不仅取决于无机磷源的有效性,还与植物自身的生物学特征和基质中氮资源水平密切相关。3.野外调查发现加拿大一枝黄花主要以羟基磷灰石存在的中国北方地区现也有广泛分布,这与上章的加拿大一枝黄花不能直接利用羟基磷灰石研究结果不一致。而加拿大一枝黄花为典型的AMF共生植物,丛枝菌根真菌(AMF)能促进植物磷的吸收。因此,本研究进行了在羟基磷灰石条件下的加拿大一枝黄花无菌苗接种AMF试验。研究结果表明:羟基磷灰石条件下,接种AMF后,加拿大一枝黄花的AMF的定植率显著提高,促进了植株磷吸收和生长。本研究为无菌培养体系试验,该研究结果是AMF在加拿大一枝黄花磷吸收和生长中的贡献中的直接反映,避免潜在的植物内生菌或其他土壤微生物对难溶性磷酸盐的增溶作用对试验结果的干扰。4.氮沉降可能导致土壤酸化,而酸化有利于羟基磷灰石溶解,提高其有效性。而当磷源有效性提高时,植株的磷吸收的含量会随着氮水平增加而显著增加。因此,为进一步探究加拿大一枝黄花在中国北方定殖和扩散的成因,本研究模拟了氮沉降对羟基磷灰石条件加拿大一枝黄花的生长、种内及种间竞争能力的作用。研究结果表明:随着氮水平的增加,加拿大一枝黄花和多裂翅果菊的磷吸收和生长均显著增加了,然而,当种内或种间竞争存在时,氮添加的促进效果会降低。氮添加改变了加拿大一枝黄花和多裂翅果菊之间的竞争关系,氮添加使得在羟基磷灰石条件的加拿大一枝黄花竞争能力高于多裂翅果菊。因此,本研究结果揭示了在环境变化的背景下,氮沉降可能是加拿大一枝黄花在中国北方定植和扩散的另一重要驱动因子。5.通过前人和以上章节的结果,即加拿大一枝黄花在低磷条件下表现出更强的竞争优势,可推测相比多裂翅果菊而言,加拿大一枝黄花可能是磷资源的有利竞争者。因此,本研究依据资源比率假说进行了磷添加试验,验证磷有效性增加抑制加拿大一黄花的生长的假设。研究结果表明:在无氮磷添加对照组条件下,多裂翅果菊生长显著被加拿大一枝黄花所抑制。磷添加氮对照组促进多裂翅果菊的生长,但对加拿大一枝黄花的生长影响不大,这使得加拿大一枝黄花对多裂翅果菊的抑制作用减小。在磷添加高氮组处理下,多裂翅果菊的竞争能力反而强于加拿大一枝黄花。因此,本研究结果表明环境氮磷有效性的比值可能是决定外来加拿大一枝黄花和本地植物多裂翅果菊竞争力的关键因素之一。综上所述,加拿大一枝黄花通过其自身的生物学特性、与AMF共生及环境变化背景下可在不同的磷资源环境中具有更强的磷资源竞争能力,这有助于其在多种环境中分布和扩散。