巨人之战：引入与本土芦苇亚种间的克隆扩张竞争及其对湿地植物群落的影响

本刊推荐：本研究通过长期（8-12年）的共性园与野外实验，揭示了引入芦苇（Phragmites australis australis）相比本土芦苇（P. a. americanus）具有显著更强的克隆扩张能力、竞争优越性及生态影响。研究证实种内变异对群落动态的影响与种间变异相当，挑战了以物种为单位的传统研究范式，为入侵生态学提供了关键实证。

　　

引言

非本地物种在新环境中的建立和扩散及其对生态关系和自然对人类的贡献的影响受到了科学家、保护主义者、管理者和政治家的广泛关注。解释其成功的外来假说包括缺乏天敌、有益的植物-土壤反馈、新武器和化感作用、杂交、营养级简化、干扰制度变化、气候变化、污染、富营养化以及这些选择制度变化的进化后果。然而，大多数假说建立在很少的经验数据上，评估常常得出矛盾的结论。以物种为调查单位可能会阻碍进展，因为种内多样性（包括种群间的变异）可能与种间变异一样深刻和相似。

材料与方法

研究物种

北美芦苇属（Phragmites）有许多不同的谱系，目前公认有三个亚种。海湾沿岸谱系Phragmites australis berlandieri（单倍型I）起源可疑，局限于美国南部和南美洲，未包括在本研究中。地方性P. australis americanus和非本地P. australis australis在生活史上极其相似，都是长寿的克隆禾草，具有广泛的根茎系统、高大的茎（高达6米）和高茎密度（高达200/平方米），年苗在整个生长季节出现，伴随地下克隆扩张。植物在秋季开花，两个类群都能在各种生境条件下茁壮成长，从寡盐潮汐到淡水湿地、沼泽、沟渠和路边。种子结实多变，并非所有茎或甚至种群每年都产生可育种子，但种子传播现在被认为是扩散到新地点的重要方式。这三个不同的亚种可以通过可靠的形态学和遗传学方法区分，尽管在共性园中可以轻易实现杂交，但开花物候的差异可能导致野外更广泛的杂交缺乏。目前，在纽约州和拉斯维加斯地区只有两个确认的杂交种群。

共性园实验

为了评估P. australis australis和P. australis americanus之间的竞争相互作用，我们于2008年夏季在纽约州伊萨卡康奈尔大学建立了一个长期共性园。我们的实验设置包括10米长、50厘米宽、50厘米深的沟渠，间隔1米，每个内衬池塘衬垫（45密耳EPDM），并填充康奈尔堆肥混合物。我们从康奈尔维护多年的本地和非本地芦苇克隆收藏中通过根茎 cuttings（5-10厘米长）繁殖新个体。我们使用商业盆栽土壤种植这些植物，使我们能够避免原始野外采集地点生物或非生物条件差异的母体效应。我们繁殖了来自26个不同芦苇种群（13个本地，13个非本地）的新植物，遍布温带北美。在夏末当繁殖的植物大约20厘米高并有几片新叶时，我们在每个沟渠的每一端种植一个个体。每个沟渠总是包含两个个体，一个本地和一个非本地来自同一区域对，以交替方式种植在相对两端。每个种群由五个克隆个体代表，我们完全随机化选择接收配对种植的沟渠。我们允许植物通过克隆生长在每个沟渠中生长和扩张。我们最初通过定期除草去除竞争植物，但在2012年停止这种干扰，当时克隆已经很好地建立，沟渠中的裸土已经被芦苇苗填充。我们没有操纵自组装的草食动物群落，但记录了可见的攻击。

我们通过记录最远地上苗距原始种植位置的距离来跟踪克隆扩张，直到两个克隆相遇。我们通过亚种特异性形态特征区分本地和非本地芦苇。在大多数年份，我们在秋末或初冬苗衰老后（通常在11月，但偶尔在12月）收获所有地上苗，计算每个沟渠的茎数（按本地或非本地状态分开），然后干燥所有地上材料并记录干生物量。我们在2015年终止了实验，当时非本地芦苇已经开始通过共性园扩散，包括在线外沟渠外。

野外研究

从纽约州已知芦苇地点的可用池中，我们选择了五个有良好建立的非本地P. australis australis种群的地点和四个有P. australis americanus种群的不同地点进行长期监测。我们特意选择了只有一个亚种出现的地点。地点包括内陆盐沼、季节性湿草地、灌木芬和路边权旁的湿地，芦苇占据的面积从约300平方米到几公顷不等。任一天种的克隆生长形式允许将每个地点划分为具有高茎密度的核心区域、茎密度迅速下降的扩张前沿以及偶尔个体茎可以在周围湿地植物群落中找到的外围区域。

在2009年8月底/9月初，我们在每个地点建立了三条30-50米长的平行样带，横切芦苇种群的明显扩张前沿。根据芦苇种群大小，我们间隔样带5-15米。沿着每条样带，我们定位了五个或六个永久1平方米样方，间隔5-10米，每个样方在四个角用1.5米高的PVC导管标记。我们在2009年、2010年、2011年、2017年、2019年和2021年8月底至9月中旬之间记录了芦苇茎密度和估计覆盖度（中点：0.2、0.5、1、3、5、10，此后以5%为增量），并记录了样方中所有生根植物物种的存在和估计覆盖度。我们按地点、年份和样方编译数据，以评估芦苇茎密度和覆盖度、物种丰富度以及按起源（本地和非本地）和生活型（禾草、（双）年生、多年生草本、木本、蕨类和苔藓）的植被覆盖度的变化。与我们在共性园中的方法类似，我们没有尝试操纵自组装的草食动物群落，但记录了可见的攻击。

我们的共性园和野外工作都不需要特殊许可，除了土地所有者批准，我们在开始调查之前已获得。

统计分析

我们在R包的glmmTMB中拟合所有模型，并认为p < 0.05具有统计显著性。我们使用car包进行III型方差分析（ANOVA）和Wald Χ2检验。我们使用emmeans包估计边际均值和Tukey检验的成对比较。我们通过对数似然检验反向消除不显著项。我们使用MuMIn包估计条件性和边际R2，使用ggeffects包估计预测，并使用DHARMa包检查模型假设。

我们拟合GLMM和LMM独立模型来评估芦苇起源、年份及其相互作用对共性园中芦苇存活和生长的影响。所有模型包括种植地点和地点内种群（本地或非本地）的交叉随机效应（截距）。我们通过具有二项误差的GLMM模拟存活至2015年，通过LMM（平方根转换）模拟生物量，通过具有负二项误差的GLMM模拟茎数。我们仅包括生物量和茎数分析的非零值。我们计算了截至2010年的年扩散速率，并通过具有Gamma分布的LMM评估了作为芦苇起源、纬度和经度函数的差异。

我们通过具有二项误差的广义混合线性模型（GLMM）模拟了野外研究中随时间推移芦苇占据样方的比例。我们包括年份、芦苇起源（本地或非本地）、2009年存在/缺席（研究开始时）以及所有双向和三向交互作用作为固定效应，并包括地点和地点内样方作为随机效应（截距）以解释重复测量。

评估时间、芦苇起源和2009年芦苇存在/缺席对茎密度影响的初步分析表明违反了恒定方差假设。方差随时间变化，并且因采样地点而异。因此，我们拟合了具有负二项分布和2009年芦苇存在/缺席分散分量的GLMM。完整模型包括所有双向和三向交互作用，以及地点和地点内样方的随机效应（截距）以解释重复测量。

我们通过具有负二项误差（覆盖度和物种丰富度）或高斯误差（香农指数）的GLMM评估了芦苇密度、起源及其交互作用对本地覆盖度（%）、植物物种丰富度和香农多样性指数的影响。模型包括年份以及地点和地点内样方作为交叉随机效应（截距）。

我们将数据子集化为仅包括2009年芦苇缺席的样方，并评估芦苇殖民新样方的概率是否与样方的物种丰富度或香农多样性以及芦苇起源相关。我们包括起源和物种丰富度或香农多样性之间的双向交互作用。模型包括地点、地点内样方和年份的交叉随机效应（截距）。

我们使用mvabund包拟合多元广义线性模型，评估年份、芦苇密度、芦苇起源以及芦苇密度和起源的交互作用如何影响植物群落，使用负二项分布。mvabund函数不考虑嵌套随机效应，因此我们使用受限排列（N = 1000）来解释每个采样地点内样方缺乏独立性的问题。为了标准化跨地点的样本大小（N = 每地点14-18个样方），我们平均了模型的1000次迭代结果，每次使用每地点14个样方的随机集合。我们使用vegan包中的非度量多维标度（NMDS）使用Bray-Curtis相异性可视化植物群落组成。我们从植物群落分析中排除了本地和非本地芦苇以及出现次数少于三次的植物物种。

结果

共性园实验

芦苇的存活率因起源（估计SE：0.50 ± 1.25；Χ2 = 0.16；p = 0.69）、年份（-1.60 ± 0.18；Χ2 = 82.00，p < 0.001）及其交互作用（1.70 ± 0.2；Χ2 = 54.54；p < 0.001）而异。虽然非本地P. australis australis的存活率在整个研究期间很高（99%），但本地P. australis americanus的存活率随时间显著下降，到2015年降至<10%，只有6个本地种群存活到2015年。

非本地P. australis australis的年扩散速率（米/年）、茎数和生物量显著高于本地种群。2010年，种植后2年，非本地P. australis australis的扩散速率显著更高（估计±1 SE：1.16 ± 0.16；Χ2 = 49.61；p < 0.001；95% CI边际均值：2.61–3.52米/年）高于本地P. australis americanus的扩散速率（95% CI边际均值：0.69–1.29米/年；边际R2 = 0.66；条件R2 = 0.78）。年扩散速率不随纬度或经度变化（p > 0.05）。

我们发现年份（多项式）、起源及其交互作用对芦苇茎数和生物量有显著影响。茎数在2010年达到峰值，适用于本地和非本地种群，非本地P. australis australis在所有年份的茎数显著高于本地P. australis americanus（边际R2 = 66；条件R2 = 0.89）。本地和非本地芦苇的生物量在2011年之前增加，当时非本地P. australis australis的生物量趋于稳定，而本地P. australis americanus的生物量在少数沟渠（2015年为6个）中继续存在的种群中下降（边际R2 = 0.67；条件R2 = 0.77）。

野外研究

本地和非本地芦苇种群在所有野外地点在12年研究期间都扩张了。最初没有芦苇的样方随时间推移被占据的越来越多；到2021年，芦苇出现在最初未占据样方的78%的本地 stands 和82%的非本地 stands 中（条件R2 = 0.93；边际R2 = 0.60）。2009年占据的每个样方此后保持占据（除了偶尔最初只有一或几茎的样方），无论芦苇起源如何。

茎密度随时间在本地和非本地芦苇 stands 中增加。2009年芦苇缺席的样方中芦苇茎密度增加的模式在本地和引入种群之间没有差异。在所有年份，非本地芦苇的密度显著高于2009年最初占据的样方中本地芦苇的密度（条件R2 = 0.62；边际R2 = 0.90）。

本地植物覆盖度（%；条件R2 = 0.70；边际R2 = 0.17）、本地植物物种丰富度（条件R2 = 0.65；边际R2 = 0.13）和本地香农（条件R2 = 0.65；边际R2 = 0.17）随着芦苇密度的增加显著下降，并且下降速率在非本地P. australis australis地点比在本地P. australis americanus地点更陡。

芦苇扩张到2009年芦苇缺席的样方的概率与物种丰富度（条件R2 = 0.94；边际R2 = 0.04）和香农多样性（条件R2 = 0.95；边际R2 = 0.05）正相关，并且对本地芦苇高于非本地芦苇。

我们的野外地点显示芦苇覆盖度（16%–80%）、物种多样性（5–41）、非本地物种数量（0–11）或最常记录物种的身份有 large variation。每个地点内的植物群落在不同年份相似，并且在有本地或非本地芦苇的地点相似。增加的芦苇茎密度与不同的植物群落相关，无论芦苇起源如何。23种植物物种的覆盖度随着芦苇茎密度的增加显著下降，而其余物种（N = 114）的覆盖度不随芦苇茎密度变化（所有情况p > 0.05）。

讨论

我们长期共性园和野外实验评估许多不同种群两个极其密切相关的类群与入侵性、竞争能力和对其他湿地植物物种影响相关的性状的主要结论是起源重要。这两个同属种非常相似，但不相同，它们对相关湿地植物的影响不相等，尽管两者都竞争优越于其他草本湿地植物。克隆扩张速率在种群间不同，但非本地P. australis australis的竞争能力在直接与本地P. australis americanus竞争时总是更高，无论种群、它们在地区的居住时间或非本地种群间扩散速率的变化如何。这些结果支持我们的第一、第二和第四假设，但我们需要拒绝我们的第三假设，因为我们没有发现克隆扩散或茎密度东西梯度的证据。P. australis australis的区域居住时间不影响我们测量的任何性状。

生物量、高度和冠层直径是解释湿地植物群落竞争能力、组装规则和生态支配地位的前三个植物性状。尽管芦苇不在评估的几十个物种中，我们的结果完全符合这项工作的预测。非本地基因型在共性园中始终比本地基因型产生更多生物量和更高茎数，这最终导致竞争排除和从我们许多沟渠中消除本地P. australis americanus。重要的是，如果我们在第一个生长季节后终止实验，这个结果无法预测。试图理解入侵过程的短期研究的优势是我们更好地理解在几十年或几个世纪中发挥作用的过程的能力的重要限制。非本地和本地芦苇代表我们野外地点最高的个体，无论不同生境类型。正如湿地植物组装规则预测的那样，这种大小优势总是允许本地或非本地克隆竞争胜过其他草本湿地植物物种。增加的植物物种多样性和丰富度促进了克隆扩散，而不是如我们在第五假设中预测的那样阻止它。

尽管每个野外地点本地和非本地芦苇密度和覆盖度有变化，但最终结果，至少对其他草本湿地植物物种，总是相同——竞争支配由任一天种P. australis australis或P. australis americanus和随着芦苇茎密度增加其他本地或非本地物种多样性和丰度减少支持我们的第六假设。但再次，起源重要，因为P. australis australis不仅达到更高茎密度，而且在相似茎密度下比P. australis americanus对其他湿地植物物种有更强负面影响。虽然我们的工作支持来自其他地方的证据，即本地主导植物物种可以抑制本地植物多样性到类似程度作为主导非本地物种，我们不确定为什么在相似茎密度下，非本地P. australis australis比P. australis americanus对其他本地湿地植物有更强负面影响。非本地P. australis australis的更高生物量生产将需要增加资源捕获，潜在地创建更强地下竞争相互作用。或者，非本地植物可能积累更多土壤病原体，这些病原体对非本地物种本身没有成本，但这些病原体可能溢出创建与其他植物群落成员的明显竞争。

我们没有发现P. australis australis的入侵性或对本地群落的影响可能随时间减弱的迹象，如其他非本地物种报道的那样。一旦一个样方被任一天种P. australis australis或P. australis americanus占据在野外，它们的生态支配在我们的观察期间持续，持续超过十年。此外，我们没有发现我们研究系统中生物抵抗的证据，这在其他地方被报道广泛存在，这适用于本地和非本地芦苇，导致我们拒绝我们的第五假设。报告居民植物群落功能群身份和多样性可能提供生物抵抗芦苇扩散和支配的报道源自短期调查，在小实验单元中，使用种子和超过单个生长季节。如果有抵抗和优先效应，例如在重新播种后，这种优先效应是短暂的，无法停止最高产湿地群落成员的克隆扩散，无论起源。我们反而发现本地和非本地芦苇优先扩张到最多样化的样方，并且扩散速率在最多样化的湿地中最快。不幸的是，我们此时无法提供这种模式机制解释。资源丰度差异（养分可用性、水分）或地下天然微生物群落多样性和丰度可能有助于我们观察到的模式，但需要进一步工作开始梳理这些与我们第五假设矛盾的结果。

我们的实验和监测工作证实了非本地P. australis australis高入侵性和竞争优越性的众所周知模式，但我们的调查不是设计来阐明可能导致增加茎和生物量生产的潜在机制。高度和生物量生产都受遗传和环境因素影响，例如资源可用性，但为什么在相同资源可用性下，非本地基因型能够比本地基因型产生更多茎和更多地上生物量仍然不确定。这种增加的生物量生产被许多非本地物种报道，包括与本地同属种比较。调查比较不同本地和非本地芦苇种群性状、生长、生物量分配模式或微生物群落影响在欧洲和北美进行，与我们的结果广泛一致，尽管这些研究都不是长期调查，大多数比较少数种群，并且通常仅超过单个生长季节。在所有调查中，P. australis americanus总是产生最少量的生物量，并且通常（但不总是）祖先欧洲P. australis australis种群比非本地北美P. australis australis产生更少生物量。此外，叶绿素含量和光合能力在P. australis australis中相比P. australis americanus提高50%–100%，并且在非本地北美相比祖先欧洲P. australis australis种群略微增加。

非本地P. australis australis种群在北美增加的光合能力和生物量生产表明自两个世纪前最初引入北美以来发生了进化变化。这些结果也与进化增加竞争能力（EICA）假说的一部分一致。增加的竞争能力是否减少了天敌防御投资目前未知，尽管这种权衡，特别是与诱导防御投资，对其他非本地物种似乎常见。但我们不知道任何正式调查比较非本地北美和祖先欧洲P. australis australis的草食动物防御投资。在欧洲，>150种天敌，其中66种是单食性，已知攻击芦苇。广泛的欧洲芦苇种群以其丰富的无脊椎动物和鸟类多样性而闻名，并且由于昆虫草食性导致的衰退被报道，表明不仅天敌多样性在欧洲更高，而且它们的取食可能具有重要的 demographic 效应。相比之下，在北美已知<30种草食动物以芦苇为食，其中至少17种是最近意外引入。这些草食动物中的许多，特别是意外引入的蚜虫和Lipara gallflies，可以攻击两个亚种，出现在我们所有野外地点，但除了受攻击茎的发育受阻外，影响很小。这些草食动物似乎都没有达到可以 substantially 影响竞争能力和克隆扩张速率或提供足够选择压力触发分配模式变化导致减少生长和增加防御的密度和攻击速率，这将允许其他本地湿地植物物种更成功地竞争。随着草食性作为构建湿地植物群落竞争等级的重要新过滤器，最近释放高度特异性生物控制昆虫预计将减少非本地（但不是本地）芦苇的茎高度、生物量和开花频率，可能再次改变“游戏规则”。

我们的结果证明克隆扩张速率的种群内变异并不令人惊讶，因为以前的实验证明了芦苇种群间性状变异在解释 larval spotted salamanders（Ambystoma maculatum）生长和存活中的生态意义。在这个实验中，芦苇种群间皂苷浓度的变异解释了 salamander 性能（通过?影响氧气吸收），但起源不是一个显著因素（本地和非本地种群皂苷浓度变异性大）。类似地，芦苇种群，但不是起源，在解释实验移植的本地湿地植物可变存活方面是显著的。这种种群间性状和影响的变异使得得出关于非本地物种（人均）效应的可靠 generalization 具有挑战性，如果不是不可能的话，尽管这种种群间变异不影响对其他湿地植物的生态支配的最终结果。提出开发方法以克服生物入侵生态学研究结果的情境依赖性的提案不包括种内或种群间变异，因此不太可能成功使用物种作为调查的分类单位评估非本地生物的影响。开发一个综合数据库以补充当前存在的性状数据库，通过添加种内或种群间变异及其生态后果，也将需要 significant 资源和科学努力。但尚不清楚使用基于性状的方法或种群水平框架是否可以在非本地分类群的扩散和影响的可预测性方面取得 desired 进展。

我们的结果表明芦苇起源具有 significant 生态效应，至少对本地和非本地基因型之间的竞争以及相关湿地植物物种抑制的幅度。但我们的数据也证明，没有非本地P. australis australis基因型的存在，本地P. australis americanus可以在北美湿地茁壮成长。对本地P. australis americanus的唯一显著威胁，除了直接栖息地丧失，似乎是非本地P. australis australis。