食草作用对本地植物和外来植物对土壤养分异质性反应的不同影响

《NeoBiota》：Contrasting effects of herbivory on responses of a native and an alien plant to soil nutrient heterogeneity

　　**摘要**
土壤养分异质性可能影响本地植物和外来植物的生长表现。然而，这种影响可能会受到本地广食性食草动物的调节，而且由于与食草动物的共同进化历史不同，这种调节作用在本地植物和外来植物之间可能存在差异。在温室实验中，我们分别在均质土壤和异质土壤中单独或以本地-外来植物组合的形式种植了两种本地植物和两种外来植物，并观察了有无本地广食性食草动物Spodoptera litura的影响。结果表明，本地植物Alternanthera sessilis和外来植物Celosia argentea在异质土壤中的总生物量低于均质土壤，表明土壤养分异质性总体上对植物生长有负面影响。尽管养分异质性与食草动物之间的交互作用不显著，但事后比较揭示了物种特定的模式：对于Alternanthera sessilis，其在有食草动物的异质土壤中的总生物量最低；而对于Celosia argentea，只有在无食草动物的情况下，两种土壤之间的总生物量才有显著差异。地下生物量分析表明，这种差异可能是由于不同物种在异质土壤中根系觅食的收益与成本之间的权衡所致。然而，这些效应在本地植物Achyranthes bidentata和外来植物Amaranthus retroflexus中并未观察到。与外来植物的竞争减少了两种本地植物的地上生物量，而外来植物则不受与本地植物竞争的影响。这些结果表明，土壤养分异质性和本地广食性食草动物可能以物种特定的方式共同影响本地植物和外来植物的生长表现，无论它们之间是否存在竞争。

**引言**
土壤养分异质性是陆地生态系统的常见特征（García-Palacios等人，2011, 2012；Xue等人，2023）。它指的是土壤中养分可用性的空间变化，这种变化可以发生在从细根级微环境到群落级养分斑块的不同尺度上（Hutchings等人，2003；Hodge，2004；Stein等人，2014）。土壤养分异质性在影响单个物种和整个群落的植物生长表现方面起着重要作用（Hutchings等人，2003；Stein等人，2014；Wang等人，2022）。在物种层面，土壤养分异质性可以影响单个植物的生物量生产（Zhou等人，2023）、根系与地上部分的生物量分配（Liu等人，2021）以及根系的空间分布（Liu等人，2017b）。在群落层面，土壤养分异质性可以通过改变物种间的竞争关系来影响群落的生产力和多样性（Xue等人，2019, 2021, 2023）。这些效应可能因植物根系的大小和土壤养分异质性的颗粒大小而异（Hutchings等人，2003；Liu等人，2019；Xue等人，2019）。只有当植物的根系大小与土壤养分异质性的颗粒大小相匹配时，植物才能对土壤养分异质性作出反应，即根系不应比养分异质性的颗粒大得多或小得多（Hutchings等人，2003；Adomako等人，2021b；Huang等人，2023）。植物可以通过将更多的根系和/或地上部分分配到养分丰富的区域来应对土壤养分异质性，这种行为被称为觅食行为（Hutchings和de Kroon，1994；Fransen和de Kroon，2001；McNickele等人，2009；Li等人，2024）。外来植物通常比本地植物具有更大的表型可塑性和更高的生长速率，使它们能够更快、更精确地利用高质量养分斑块（Drenovsky等人，2008；James等人，2009；van Kleunen等人，2010；Davidson等人，2011；Keser等人，2015；Chen等人，2019）。因此，土壤养分异质性可能对外来植物和本地植物的影响不同，从而改变它们之间的种间相互作用。在竞争条件下，外来植物可能从土壤养分异质性中获益更多，最终超过本地植物（Liang等人，2020；Wei和van Kleunen，2022, 2024）。土壤养分异质性对本地植物和外来植物的影响可能会受到地上食草动物的调节（Bardgett和Wardle，2003；Liu等人，2017a；Zhang等人，2020）。当外来植物被引入新区域时，它们可能会面临本地广食性食草动物的挑战（Levine等人，2004；Meijer等人，2016；Shan和Hou，2024）。由于土壤养分异质性，外来植物和本地植物的生长增加可能会增加被本地广食性食草动物攻击的可能性（Pérez-Harguindeguy等人，2003；Adler等人，2006；Cherif和Loreau，2013）。因此，本地广食性食草动物的存在可能会减少土壤养分异质性对两种植物的积极作用。在野外，外来植物经常与本地植物共存于被入侵的群落中。当本地广食性食草动物由于外来植物较低的抵抗力而更多地攻击外来植物时（即生物抗性假说；Levine等人，2004；Allen等人，2021；Guo等人，2024），外来植物从土壤养分异质性中获得的生长效益将大于本地植物。相反，当本地广食性食草动物由于“敌人释放”效应（即敌人释放假说；Liu和Stiling，2006；Schultheis等人，2015；Brian和Catford，2023）而更多地攻击本地植物时，本地植物从土壤养分异质性中获得的生长效益将减少。然而，我们仍对本地广食性食草动物如何在异质土壤中影响外来植物和本地植物的生长表现知之甚少。

**方法**
实验设计了两种土壤养分异质性处理（均质土壤与异质土壤）、两种竞争处理（无竞争与有竞争）以及两种食草动物处理（有食草动物与无食草动物），并进行了完全交叉实验。在异质土壤处理中，我们将每个实验盆（10厘米×10厘米×9厘米）分成四个小区，并用泥炭（Klasmann-Deilmann，中国；氮：0.14克/升；磷：0.10克/升；钾：0.18克/升）、沙子和田间土壤按2:1:1的体积比混合填充每个小区。我们在每个盆中随机选择两个相对的小区，并在每个选定小区的中心钻一个直径1厘米、深4厘米的孔（图1）。然后向每个孔中加入1克缓释肥料（Everris International B.V.，荷兰；氮：磷：钾 = 14:14:14；有效期3-4个月），并用盆中的土壤填满孔洞（图1）。在均质土壤处理中，我们将2克缓释肥料均匀混合到每个盆中，使两种土壤处理的总养分含量相同。

**实验材料**
实验中使用了两种原产于中国的植物（Alternanthera sessilis L.和Achyranthes bidentata Blume）和两种引入中国的外来植物（Celosia argentea L.和Amaranthus retroflexus L.），它们都属于苋科。2022年7月15日，我们将每种植物的种子分别均匀播种在装有泥炭的托盘中，并每天浇水。7月22日，选择大小相似的幼苗并移植到均质土壤和异质土壤中。在无竞争处理中，每种植物在每个盆的中心种植一株幼苗（图1），每种土壤处理每个盆种植10株幼苗，共80个盆（4种植物×2种土壤×10个盆）。在有竞争处理中，我们随机选择一种本地植物和一种外来植物的幼苗（共四种不同组合），并将它们一起种植在每个盆的中心（图1）；每种土壤处理每种组合种植两个盆，共16个盆（4种组合×2种土壤×2个盆）。实验前两周内，死掉的幼苗会被替换。

**实验过程**
2022年10月8日，我们使用悬挂式网笼（直径20厘米，高度100厘米）将每个盆单独围起来，并在一半的盆中引入了四龄期的Spodoptera litura幼虫。S. litura是一种夜行性蛾类，其幼虫会大量啃食植物，常常导致叶片完全破坏。我们选择这种昆虫是因为它是中国的常见本地食草动物，会对许多作物和野生植物造成严重损害。2022年10月15日，经过一周的啃食后，我们移除了所有幼虫并收获了植物。实验期间的平均气温和相对湿度分别为27.9°C和76.2%。

**数据收集与分析**
实验结束时，我们分别测量了每个盆中每株植物的地上生物量。在异质土壤处理中，我们从每个盆内每个小区的中心取了一个直径2.5厘米的土壤样本（图1）。将两个相对小区的土壤样本合并，以便将两个养分富集区的地下生物量与两个养分贫瘠区的地下生物量分开。在均质土壤处理中，我们采用与异质土壤相同的采样方法取土壤样本。然后收集了每个盆中所有剩余的地下物质（仅限于无竞争条件下的异质土壤和均质土壤处理）。在有竞争处理中，由于无法分离每种植物的地下生物量，因此将所有地下物质一起收集。所有地下物质都用0.5毫米的筛网清洗后干燥，干燥温度为70°C，时间至少48小时。

**数据分析**
在盆水平上，我们分析了整个盆中每种植物的总生物量（地上和地下）。我们使用三因素方差分析（ANOVA）来研究土壤养分异质性（均质土壤与异质土壤）、食草动物（有食草动物与无食草动物）和竞争（无竞争与有竞争）对每种植物地上生物量的影响。我们使用两因素方差分析来研究土壤养分异质性和食草动物对每种植物总生物量和地下生物量的影响；由于无法分离竞争处理中每种植物的地下生物量及其总生物量，因此将竞争因素排除在模型之外。当检测到显著效应（P < 0.05）时，使用emmeans函数（版本1.10.2）进行Tukey事后检验。在斑块水平上，我们分析了均质土壤以及异质土壤中养分富集区和养分贫瘠区的地下生物量，仅考虑在没有竞争条件下生长的植物。在一些从斑块中心取出的土壤样本中未检测到根系。这些观察结果并不代表样本缺失或植物死亡，而是表明在特定空间位置没有根系存在；因此，这些土芯的地下生物量被记录为零，而不是编码为NA。我们使用了线性混合效应模型（通过nlme包（版本3.1-164）来测试食草作用和斑块类型（均匀土壤与富营养斑块与低营养斑块）对每种植物物种每个土芯地下生物量的影响。在这些模型中，食草作用、斑块类型及其交互作用被作为固定效应纳入；盆栽身份被作为随机效应纳入，以解释同一盆内不同斑块测量结果的非独立性。当检测到显著效应（P < 0.05）时，进行了Tukey事后检验，以比较不同食草处理下每种土壤斑块类型的地下生物量。所有分析均在R（版本4.4.0；http://www.r-project.org）中完成。对于所有方差分析（ANOVA）和混合效应模型，在分析之前，通过图形检查了所有变量的残差的正态性和方差齐性。

**对本地植物生长的影响（在盆栽水平上）**
本地植物Alternanthera sessilis的总生物量受到土壤异质性的显著影响，在异质土壤中的总生物量低于均匀土壤（图2A；表1：A）。然而，事后比较未在任一食草水平上检测到土壤处理之间的显著差异（图2A）。同样，A. sessilis的地上生物量在异质土壤中也显著低于均匀土壤（图2B；表1：A），而事后比较未在任何食草×竞争组合中检测到土壤处理之间的显著差异（图2B）。当A. sessilis与外来物种竞争生长时，其地上生物量也显著减少（图2B；表1：A）。相比之下，食草作用对A. sessilis的地上生物量没有显著的主效应，也未检测到因素之间的显著交互作用（表1：A）。此外，土壤营养异质性、食草作用及其交互作用对A. sessilis的地下生物量没有显著影响（图2C；表1：A）。

**对本地植物生长的影响（在盆栽水平上）**
本地植物Alternanthera sessilis的总生物量受到土壤异质性的显著影响，在异质土壤中的总生物量低于均匀土壤（图2A；表1：A）。然而，事后比较未在任一食草水平上检测到土壤处理之间的显著差异（图2A）。同样，A. sessilis的地上生物量在异质土壤中也显著低于均匀土壤（图2B；表1：A），而事后比较未在任何食草×竞争组合中检测到土壤处理之间的显著差异（图2B）。当A. sessilis与外来物种竞争生长时，其地上生物量也显著减少（图2B；表1：A）。相比之下，食草作用对A. sessilis的地上生物量没有显著的主效应，也未检测到因素之间的显著交互作用（表1：A）。此外，土壤营养异质性、食草作用及其交互作用对A. sessilis的地下生物量没有显著影响（图2C；表1：A）。

**对外来植物生长的影响（在盆栽水平上）**
土壤异质性也显著影响了外来植物Celosia argentea的总生物量，在异质土壤中的生物量低于均匀土壤（图3A；表2：A）。事后比较表明，在对照条件下，C. argentea在异质土壤中的总生物量显著低于均匀土壤，而在食草条件下未检测到土壤处理之间的显著差异（图3A）。土壤异质性还对C. argentea的地上生物量有显著影响，对地下生物量有边际影响；然而，事后成对比较未检测到特定处理组合之间的显著差异（图3B，C；表2：A）。

**在斑块水平上对本地和外来植物生长的影响**
在无食草控制条件下，本地植物A. sessilis每个土芯的地下生物量在富营养斑块中显著高于低营养斑块，而在均匀土壤和富营养或低营养斑块之间没有差异（表3：A；图4A）。相比之下，在食草条件下，事后比较未检测到不同斑块类型之间地下生物量的显著差异（图4A）。

**讨论**
我们的结果显示，土壤营养异质性显著降低了本地植物A. sessilis和外来植物C. argentea的生长。尽管土壤营养异质性与食草作用之间的交互作用不显著，但事后比较揭示了在不同食草处理下异质性效应的表达存在物种特异性模式。具体来说，在小区水平上，均匀土壤与异质土壤之间的总生物量差异在无食草条件下对C. argentea最为明显，而对于A. sessilis，在任一食草水平下均未检测到土壤处理之间的显著差异。在斑块水平上，只有在无食草条件下，A. sessilis在异质土壤中富营养斑块中的地下生物量显著高于低营养斑块；而对于C. argentea，在任一食草水平下均未检测到斑块类型之间的显著差异。相比之下，土壤营养异质性和食草作用均未影响本地植物A. bidentata或外来植物A. retroflexus的生长。此外，与外来植物的竞争减少了两种本地植物的生长，而与本地植物的竞争并未影响这两种外来植物的生长。我们没有发现证据表明竞争改变了土壤营养异质性或食草作用的效果。

我们的结果表明，土壤营养异质性显著降低了本地植物A. sessilis和外来植物C. argentea的生长。尽管土壤营养异质性与食草作用之间的交互作用不显著，但事后比较揭示了在不同食草处理下异质性效应表达的物种特异性模式。具体来说，在小区水平上，均匀土壤与异质土壤之间的总生物量差异在无食草条件下对C. argentea最为明显，而对于A. sessilis，在任一食草水平下均未检测到土壤处理之间的显著差异。在斑块水平上，只有在无食草条件下，A. sessilis在异质土壤中富营养斑块中的地下生物量显著高于低营养斑块；而对于C. argentea，在任一食草水平下均未检测到斑块类型之间的显著差异。相比之下，土壤营养异质性和食草作用均未影响本地植物A. bidentata或外来植物A. retroflexus的生长。此外，与外来植物的竞争减少了两种本地植物的生长，而与本地植物的竞争并未影响这两种外来植物的生长。我们没有发现证据表明竞争改变了土壤营养异质性或食草作用的效果。

我们的结果与第一个假设相反，土壤营养异质性对本地植物A. sessilis和外来植物C. argentea的总生物量产生了负面影响。类似地，Leymus chinensis（Adomako等人2021a）、Lolium perenne（Nakamura等人2008）和Plantago lanceolata（Tsunoda等人2014）也报告了对营养异质性的负面反应。通常，植物预计会从土壤营养异质性中受益，通过优先将根系分配到高营养斑块中，从而增强资源获取和整体植物生长（Dong等人2015；Liu等人2017b；Chen等人2019）。与这一预期一致，本地植物A. sessilis和外来植物C. argentea在异质土壤中的富营养斑块中产生的地下生物量高于低营养斑块。然而，这种局部化的根系觅食并未转化为总生物量的增加，表明利用细尺度营养斑块的成本超过了收益。与以往研究中使用的常见棋盘设计（例如Xue等人（2019，2021）；Yao等人（2021）不同，我们通过在一个小空间离散斑块（直径1厘米）中添加缓释肥料来创建营养异质性。结果，植物可能花费了更多能量来利用富营养斑块，但获得的收益较少，导致在异质条件下的整体植物生长减少。

事后比较揭示了土壤营养异质性效应表达的物种特异性模式。本地植物A. sessilis和外来植物C. argentea的不同反应可能反映了它们在食草压力下的地下觅食策略和相关成本的差异。在异质土壤中，A. sessilis在无食草条件下表现出明显的根系觅食行为（图4A），表明食草限制了其利用富营养斑块的能力。因此，A. sessilis可能在异质土壤中经历了营养吸收减少和地上损伤同时发生，导致其生物量特别低。相比之下，C. argentea缺乏强烈的根系觅食反应（图4C），可能限制了利用细尺度营养异质性的成本。这种策略可能使C. argentea能够在食草压力下保持生长，从而减轻了土壤异质性的影响。这种模式也可能反映了外来植物相对于本地植物通常具有更强的环境耐受性，包括对普遍食草动物造成的损害的更高抵抗力或补偿能力（Alpert等人2000；Keane和Crawley 2002；Fornoni 2011）。

另一种可能的解释与本地普遍食草动物与本地植物和外来植物之间的不同共同进化历史有关。由于长期共同进化，本地植物可能对食草作用有更强烈或不适应的反应，而外来植物由于共同进化历史较短，可能受到较少损害（Kirichenko等人2013；Yoon和Read 2016；Ameline等人2023）。因此，本地普遍食草动物的存在可能大大消除了本地植物从异质土壤中获得的好处，但对外来植物的影响则不然。这些结果表明，当地的本土广食性草食动物可以通过改变各个物种在草食压力下平衡地下觅食的成本和收益的方式，以物种特异性的方式影响土壤养分异质性对植物生长的影响。在竞争情况下，两种本土植物的地上生长都比单独生长时有所减少，但竞争并未影响外来植物的生长。这与先前的研究结果一致，即外来植物通常由于快速生长策略（Leishman等人，2014年）、化感作用（Yuan等人，2021年）和正的植物-土壤反馈（Yuan等人，2025年）而能够胜过本土植物。这些过程也可能在我们的研究中发生，但需要进一步的研究来探讨它们对本土植物和外来植物对竞争的不同反应的相对贡献。然而，我们没有发现证据表明竞争改变了土壤养分异质性或草食作用的影响。这可能是因为竞争的影响超过了土壤养分异质性和草食作用的影响。在我们的研究中，竞争导致的地上生长减少分别为：本土植物A. sessilis减少了49.6 ± 9.1%，A. bidentata减少了62.2 ± 11.4%；而异质性导致的减少分别为：A. sessilis减少了31.6 ± 6.8%，A. bidentata减少了33.1 ± 7.9%。草食作用使A. sessilis的生长减少了14.3 ± 6.1%，但使A. bidentata的生长增加了25.1 ± 9.3%。这些结果表明，在调节本土植物和外来植物的生长方面，直接竞争可能比土壤养分异质性和草食作用更为重要。

结论
我们得出结论，土壤养分异质性可以抑制本土植物A. sessilis和外来植物C. argentea的生长，而本土植物A. bidentata和外来植物A. retroflexus对土壤资源的空间变化基本上不敏感。尽管在盆栽水平上土壤养分异质性与草食作用之间的相互作用没有统计学意义，但事后比较揭示了植物对异质土壤反应的物种特异性模式：A. sessilis在草食作用下在异质土壤中的生长最低，而对于C. argentea来说，土壤异质性的抑制作用在没有草食者的情况下最为明显。本土植物和外来植物之间的竞争并未改变植物对土壤养分异质性或草食作用的反应。总体而言，这些发现强调了土壤养分异质性和本土广食性草食动物对植物生长的影响取决于具体物种的身份。

附加信息
利益冲突
作者声明不存在任何利益冲突。

伦理声明
未报告伦理声明。

人工智能的使用
未报告使用人工智能的情况。

资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFE0124900）和中国国家自然科学基金（编号：32201296）的支持。

作者贡献
Wei Xue提出了研究思路并设计了方法。Xiao-Yan Na、Yin-Ni Wu和Lin Huang进行了实验并收集了数据。Xiao-Yan Na在Wei Xue的指导下进行了数据分析。Xiao-Yan Na在Wei Xue的指导下撰写了初稿。Kai Ou-Yang负责修订并重新提交了该手稿。所有作者都讨论了结果，修订了手稿，对草稿做出了实质性贡献，并最终批准了发表。

作者的ORCID
Kai Ou-Yang https://orcid.org/0009-0002-4359-3128
Lin Huang https://orcid.org/0000-0002-8369-2705
Wei Xue https://orcid.org/0000-0002-2230-8570
Fei-Hai Yu https://orcid.org/0000-0001-5007-1745

数据可用性
支持本研究发现的原始数据可向相应作者索取。