近年来，入侵植物介导的生物入侵已对全球范围的环境健康与生态安全构成了严重的威胁，特别是导致本地生物多样性的减少和丧失。所以，解析并阐明入侵植物成功入侵的关键驱动机理，已成为当前入侵生态学领域中备受关注的重大前沿科学问题之一。
阐明入侵植物成功入侵的驱动机理可对有效实现其环境风险评估和生态防控管理奠定坚实的理论基础。当前，已有数十种学（假）说来阐释入侵植物成功入侵的机理，如多样性阻抗假说（Diversity Resistance Hypothesis）、天敌逃逸假说（Enemy Release Hypothesis）、新武器假说（Novel Weapons Hypothesis）等。现已有的入侵机理和假说，主要基于入侵植物的生理生态层面（即：入侵力层面）、生境结构组成层面（即：可入侵性层面或入侵抵抗力层面）以及入侵植物与生境互作层面，均能在一定程度上很好的阐明部分入侵植物成功入侵的关键机理。
更为重要的是，入侵塌陷假说（Invasional meltdown）认为：同一生境可能遭受到两种甚至是多种入侵植物的共同入侵，特别是一种入侵植物成功入侵后，可能通过凋落物分解或化感作用或植物-土壤互作等多重途径改变环境条件，进而增强其它种类的入侵植物成功入侵的概率，从而在同一生境中出现两种甚至是更多种类的入侵植物的共存现象，即：共同入侵，也称入侵塌陷，或次生入侵，或入侵漩涡。所以，根据入侵塌陷假说，一个生境一旦被一种入侵植物成功入侵，在可预期的时间范围内，将可能有更多种类的入侵植物入侵该生境，并进而形成共同入侵（似乎有一点类似于古人所言的“物以类聚，人以群分”）。而在苏南地区，菊科入侵植物更容易形成共同入侵。然而，两种或多种入侵植物的共同入侵，可能对环境健康与生态安全造成新的、更严重的威胁。
此外，入侵植物的入侵进程与其它全球环境变化组成要素密切相关，并对其入侵进程可能产生显著影响，如酸雨（酸沉降）。近几十年全球酸雨发生频率和强度日益升高，且在未来几十年内还会呈持续递增趋势。当前，继北美与北欧之后，中国已成为世界第三大酸雨沉降区，且发展趋势日益严重。当前，我国酸雨类型虽然以硫型酸雨为主，但是由于能源结构调整等因素已向氮型酸雨或混合型酸雨转变，且当前我国硫型酸雨的沉降量、氮型酸雨的沉降量以及酸雨的总沉降量均位居世界前列。酸雨类型的转变及其多样化将会对生态系统产生更为复杂的影响，同时也使得入侵植物的入侵机理更趋于复杂化。
再者，入侵植物在其入侵进程中可通过改变其凋落物的降解速率、土壤理化性质、土壤营养水平和土壤微生物群落结构等诸多途径影响并改变土壤营养（特别是氮）循环，进而更利于其进一步的入侵进程。此外，相关研究表明：增加外源营养（特别是氮）输入和（或）提高土壤氮可利用水平还会进一步促进共同入侵的发生。因此，入侵植物对土壤营养（特别是氮）循环的影响及对其入侵进程的促进作用在其成功入侵进程中扮演着举足轻重的作用。所以，基于土壤微生物群落结构（特别是固氮菌）视阈下，探究并阐明两种入侵植物凋落物的共同降解对参与土壤氮循环的关键微生物群落结构的影响及其生态学驱动机理，对阐明在以酸雨为典型代表的全球环境变化下入侵植物共同入侵的微生物生态学机理以及构筑入侵植物防控理论体系和实践基础具有重要的支撑作用。
基于此，本所王从彦老师课题组聚焦当前入侵生态学领域备受关注的重大前沿科学问题之一，并独辟蹊径，重点解析两种均起源于美洲的恶性菊科入侵植物凋落物共同降解对土壤理化性质和土壤酶活以及土壤固氮菌群落结构之影响，以希冀进一步阐明酸雨胁迫下两种入侵植物通过凋落物降解进程介导耦合的共同入侵的关键驱动机理，从而为新时代下有效实现入侵植物环境风险评估和预警防控奠定强有力的理论支撑和实践基础。
本研究具体以加拿大一枝黄花（Solidago canadensis L.）和鬼针草（Bidens pilosa L.）为研究材料，选择这两种入侵植物的主要原因如下：（1）这两种入侵植物均隶属于菊科，以尽量减少植物亲缘关系所致的差异，且在物种组成方面，我国已分布的入侵植物和华东地区已分布的入侵植物隶属于菊科的种类最多。其中我国已分布的入侵植物隶属于菊科的物种数高达92种，约占我国已分布的入侵植物总物种数的17.86%（Yan et al. 2014, 2021; Wang et al. 2016）。此外，近年来，在苏南地区（特别是镇江市）常常可以形成大范围单优群落的入侵植物，主要以菊科入侵植物为主，如加拿大一枝黄花、鬼针草、小飞蓬（Conyza canadensis (L.) Cronq.）、一年蓬（Erigeron annuus (L.) Pers.）、钻形紫菀（Aster subulatus Michx.）等。更为关键的是，在华东地区，特别是苏南地区，与其它种类的入侵植物相比，菊科入侵植物似乎更容易形成共同入侵现象，如加拿大一枝黄花、鬼针草、小飞蓬和一年蓬常常形成两种入侵植物共同入侵。（2）这两种入侵植物均原产于美洲，以尽量减少植物地理起源所致的差异，且我国已分布的入侵植物和华东地区已分布的入侵植物原产于美洲的种类最多。其中我国已分布的入侵植物原产于美洲的种类引入频次高达137，约占我国已分布的入侵植物总引入频次的21.47%（Yan et al. 2014, 2021; Wang et al. 2016）。（3）这两种入侵植物均具有类似的生境（均以农田、荒地、道路两侧、林地边缘和草地等生境类型为主）、生活型（均为草本，且株高基本处于同一水平）和生长周期（在苏南地区生长期主要为3月至10月，其中生长旺盛期约为5月至8月）。（4）这两种入侵植物均已在我国大部分地区（特别是华东地区）造成了显著的环境生态影响，并均已被国家环境保护部（现为生态环境部）列入了《中国外来入侵物种名单》（国家环境保护部 2010, 2014）。（5）这两种入侵植物在苏南地区（特别是镇江市）野外常常在同一生境可以形成共同入侵。（6）这两种入侵植物在我国的分布区（包括苏南地区），已成为我国酸雨危害较为严重的区域之一（Wang et al. 2007; Ling et al. 2010; Nowlan et al. 2014; Xu et al. 2018; Gao et al. 2019）。
本研究通过进行人工手段模拟不同酸度和类型的酸雨胁迫，即：酸雨类型按照SO42– / NO3–摩尔比设为三种类型：硫型酸雨，SO42– / NO3– = 1:0；混合型酸雨，SO42– / NO3– = 1:1；氮型酸雨，SO42– / NO3– = 0:1。喷施酸雨pH值设为4.5，以pH值为5.6的混合型酸雨（其SO42– / NO3–摩尔比的设置同pH值为4.5的酸雨）作为对照。其中5.6为大气正常降雨的酸度，4.5为当前苏南地区（即本项目研究开展的所在区域）的大气降雨的大致酸度（Wang et al., 2007, 2016; Liu et al., 2018; Du et al., 2020）。人工酸雨用H2SO4和HNO3按不同配比进行配制。凋落物类型设为设为三种类型：加拿大一枝黄花凋落物，鬼针草凋落物，加拿大一枝黄花和鬼针草等比例混合凋落物。所有类型的凋落物的增施量设为5 g / 降解袋。
本研究主要结果如下：鬼针草凋落物单一降解速率显著高于加拿大一枝黄花凋落物单一降解速率；强酸度的酸雨胁迫显著促进加拿大一枝黄花凋落物单一降解速率以及加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物共同降解速率；混合型酸雨胁迫和氮型酸雨胁迫下加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物复合降解效应为拮抗作用，但硫型酸雨胁迫下加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物复合降解效应为中和作用；与弱酸度的酸雨胁迫相比，强酸度的酸雨胁迫削弱了加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物复合降解效应的拮抗作用之强度。因此，强酸度的酸雨胁迫可能通过促进加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物共同降解速率以及削弱加拿大一枝黄花和鬼针草凋落物复合降解效应的拮抗作用之强度，进而促进加拿大一枝黄花和鬼针草共同入侵进程。
Fig. 1 Differences in the litter decomposition rate of the two Asteraceae invasive plants (yellow bars, S. canadensis litter; red bars, B. pilosa litter; blue bars,the equally mixed litter of the two Asteraceae invasive plants) (Subgraph A: differences in the litter decomposition rate of S. canadensis litter and that of B. pilosa litter; Subgraph B: differences in the litter decomposition rate of S. canadensis litter and that of the equally mixed litter of the two Asteraceae invasive plants; Subgraph C: differences in the litter decomposition rate of B. pilosa litter and that of the equally mixed litter of the two Asteraceae invasive plants). Bars with different lowercase letters indicate statistically significant differences between different litter sources from the two Asteraceae invasive plants under the same type of acid deposition, and bars with different capital letters indicate statistically significant differences among different types of acid deposition with the same litter source from the two Asteraceae invasive plants (P< 0.05). “ns” means no statistically significant difference (P > 0.05). Abbreviations: SN1, mixed acid deposition at pH 5.6; SN2, mixed acid deposition at pH 4.5; S, sulfuric acid at pH 4.5; N, nitric acid at pH 4.5.
Fig. 2 Differences in the observed (purple bars) and expected (green bars) litter decomposition rate (Subgraph A) as well as the mixing effect intensity during the co-decomposition of the two Asteraceae invasive plants (Subgraph B). Abbreviations have the same meanings as presented in Figure 1.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.114012
