实验3.1入侵植物对本土植物的影响
【实验目的】
1.了解入侵植物对本土植物生长发育的影响，深刻理解生态入侵概念及其入侵机制。
2.掌握植物浸提液的提取、制备方法。
3.学会用常规的数理统计方法比较和分析实验结果。
【实验原理】
生态入侵是当今人类社会面临的一个自然现象。生态入侵是指人类有意或无意的行为，将某物种带入到一个比较适宜其生长的区域，由此导致该种群数量不断增加，分布区面积不断扩大的生态过程。生态入侵的物种被称作入侵种，近年在我国常见的入侵植物种有加拿大一枝黄花、飞机草（Eupatorium odoratum）、北美商陆（Phytolacca americana）、喜旱莲子草、脉草（Ambrosia artemisifolia）、微甘菊和银胶菊（Parthenium argentatum）等。
生态入侵过程的实质包括两层含义：一是指入侵物种的种群数量不断增加；二是指入侵物种的分布区面积不断扩大。一个物种能否成功入侵取决于物种本身的生物学特征（如生长速度、竞争能力、繁殖方式、繁殖能力、扩散能力）、环境的可入侵性（是否缺乏天敌、是否具有空的生态位、气候条件或与原产地的相似度）以及人类活动的干扰强度等。从生活史对策看，生态入侵的物种一般具有r-对策。
在生态入侵过程中，入侵物种的生长能力较强，并能产生大量的种子；其次，入侵物种常具有强大的营养繁殖能力（主要通过根状茎的拓展生境）；再者，入侵物种常通过淋溶、挥发、残体分解和根系分泌向环境释放化学物质，对周围植物（包括微生物）产生间接或直接有害或有利的作用，即化感作用。
【实验仪器和材料】
1.仪器和设备
小锄、剪刀、培养皿、蒸馏水、烧杯、电子天平、纱布、滤纸、镊子、记录本、恒温箱等。
2.材料
在周边地区踏查，调查入侵植物种类和分布，可就近选取入侵物种，如加拿大一枝黄花、北美商陆、豚草、微甘菊和北美车前（Plantago virginica）等。然后再选取一些本地常见农作物，如萝卜、长梗白菜、番茄、辣椒、小麦等植物的种子供试键议选取1~2种）。
【操作建议】
1.取样：选取发育良好的正常入侵植物种若干株，分别采集各株植物地上的茎叶部分，并挖取其地下部分，洗净、自然风干后，混合，用剪刀剪成1~2cm碎片备用。
2.浸提液的制备：称取剪碎的供体植物50~100g，放入烧杯中，分别加10倍重量的蒸馏水浸泡48h，其间可间歇振荡，三层纱布过滤后得到浸提液的原液（浓度为0.100 g·mL-1）。
3.浸种与培养：将供试的作物种子先用0.5%的硫酸铜溶液浸泡1~2h后，再用蒸馏水冲洗干净。事先用0.15%的福尔马林溶液对培养皿灭菌，然后在培养皿内放置滤纸或纱布，在每只培养皿中放入选好的30~50粒健康饱满、大小均匀的作物种子，然后将培养皿放入22°C左右的恒温箱内进行培养。
4.实验处理：入侵物种的地上部位和地下部位的浸提液均设0.025g·mL-1、0.05 g·mL-1、0.075g·mL-1，3个浓度梯度，用蒸馏水作为对照（CK）。每种实验做3个重复。在种子发芽生长期间，每天分别用蒸馏水以及入侵物种的不同部位的不同浓度的浸提液浇灌处理。
5.数据统计记录：在种子培养期间，每天定时记录不同处理作物种子的发芽数（以幼根达到种子长作为萌发标志），按下式计算种子发芽率。
发芽率=种子发芽数/种子数*100%
从第二天开始，测定幼根的长度（mm）、苗高（mm）数据，计算根伸长抑制率、下胚轴伸长抑制率等。每个处理重复10次取平均值，分别填入表中。根伸长抑制率、下胚轴伸长抑制率分别用下式计算。
根伸长抑制率=对照组对照组处理组根长*100%
下胚轴伸长抑制率=（对照组下胚轴长－ 处理组下胚轴长）/对照组下胚轴长*100%
6.数据分析：将实验记录数据整理后输入电脑。用Excel或SPSS 11.0软件检验分析（one-way ANOVA）不同处理之间的发芽率、根伸长抑制率、下胚轴伸长抑制率等的差异，包括入侵植物的不同部位（地上和地下部位）的不同浓度的浸提液对作物种子萌发和生长的影响及其差异显著性检验。绘制不同浸提液浓度与各作物种子萌发率、根伸长抑制率、下胚轴伸长抑制率等指标之间的关系图。
【实验注意事项】
1.不同物种的记录观察时间略有不同，如萝卜、长梗白菜和小麦可连续记录7天，番茄和辣椒可以连续记录14天。
2.注意种子萌发后根和下胚轴的区别。发芽前（即实验第一天）幼根和下胚轴的界限并不明显，因此这两项指标从第二天开始计量。若幼根或下胚轴在生长过程中出现扭曲现象，可先用细线量出欲测指标的总长并做标记，然后用刻度尺测定。
【实验拓展】
实验拓展1入侵植物的群落结构调查
外来入侵种在自然、半自然生态系统中定居下来，常影响群落的组成和结构，引起生态系统多样性、物种多样性、生物遗传多样性的变化，最终可能导致生态系统功能退化。很多入侵植物以种子和根状茎繁殖，常抑制生境中其他植物的生长；同时，如果本地群落为外来种提供了适宜的生境条件，特别是有利于外来种群生活史中关键阶段（如种子萌发、幼苗生长、成年个体繁殖交配期）发展的生境条件，入侵种可以逐步扩展并发生大规模的爆发，在自然生态系统、农业生态系统，以及城镇庭院、城郊、撂荒地、河岸、公路、铁路沿线等广泛分布，最终形成单优势种群落。
在校园周边地区踏查，调查不同生境中入侵植物种类、空间分布格局、生长情况、危害程度、伴生植物种类、分布生境条件，通过群落学实验方法，了解植物入侵的趋势，比较分析入侵植物对群落结构的影响，最后提出合理的防控措施。
{供参考的实验流程}
1.文献资料查阅：通过文献资料，了解本地区危害严重的入侵植物3~5种，掌握其基本的生物生态学特性、入侵概况和防控对策。
2.踏查选择样地：选取3~5个不同程度遭受外来植物入侵的草本群落，同时选择一处没有入侵植物的草本群落。在每个群落中设置3个1m*1m样方。
3.按本书“校园内植物群落多样性调查”中介绍的方法，描述生境条件，测定生态因子，调查群落的种类组成，然后进行多样性计算。
4.分析入侵植物对群落结构的影响，包括各群落中物种种类、群落多样性、各物种的重要值。
5.分析各群落生境的土壤pH值、土壤含水量、土壤紧实度、光照状况等生态因子状况。另外，在条件允许的情况下，在所调查的不同入侵群落中用梅花形取样方法取土样，带回实验室，测定下列指标：土壤有机质、土壤全N、土壤全P、可溶性P、土壤全K、可溶性K等（每个样品应做3次重复分析）。
6.在分析入侵植物对群落结构及群落生态环境影响的基础上，提出防控对策。
{实际应用}
通过对校园及周边地区的外来入侵植物状况进行综合的群落学调查与分析，可以认识入侵植物对自然生态环境、生物多样性及农林业生产等造成的巨大损失，提高学生的生态学综合实验技能与环保意识。
实验拓展2入侵植物与本土植物的资源分配策略
生物在进化过程中，为了保证种群的适合度达到最佳水平，其生活史会发展出一种最适的生态对策（即生活史对策），并在生物量配置、能量投资、生殖对策等方面表现出来。
一般认为，在一个资源有限的环境中，植物所获得的物质和能量是有限的，投入到某一功能（生活史特征）的资源量增加必然会降低投入到其他功能的资源量，即在植物的生长、维持、繁殖等功能之间存在着“此消彼长”的权衡关系。而植物必须要权衡好这些方面的关系，才能使其适合度达到最高。生物量配置即是植物权衡其器官（根、茎、叶、花、果实）功能之间关系的一种表现。而生殖分配则是一定时间下植物权衡生殖和营养功能关系的具体体现。
本实验可在之前的实验拓展1的基础上进行拓展。通过对校园生境的实地踏查，调查入侵植物种类、分布、生长情况，伴生植物种类及入侵物种的危害程度，然后，选择入侵物种及群落内的其他伴生植物，测定这些物种在不同群落内的生物量配置格局及生殖分配状况，使学生了解入侵植物与本土植物的资源分配策略。
{实验材料的选择}
可选择之前的实验拓展1所调查的群落。
{供参考的实验流程}
1.取样：选取生长状况一致或接近、发育良好的入侵植物5~10株，同时选取群落内的其他植物5~10株（如少于5株，则全取），将其连根挖起。
2.样品处理和称重：将所取各物种的植株带回实验室后洗净，晾干，将植物分割成根、茎、叶、花、果实等部分，分装在不同的纸袋中，放置在85°C的烘箱内烘24h至恒重，用电子天平称各器官干重，将数据记录在表。
3.生物量配置和生殖分配：依据以下公式计算出各器官的生物量配置及生殖分配。
计算出每个个体的生物量配置和生殖分配后，填入表，求出每个物种种群各器官的生物量分配和生殖分配的平均值。
4.数据分析：用Excel或SPSS 11.0处理数据，分析入侵物种在不同群落中的生物量配置和生殖分配的异同，以及同一群落中入侵物种与其他物种在生物量配置和生殖分配的异同，并用图表的形式表示出来。同时，探讨入侵物种与其他物种生物在资源分配和环境之间的关系。
{操作要点}
1.挖取植株时，注意保证植株的完整性。
2.在分割植物各器官时，不同的植物采用不同的处理方法。如一些莎草科、禾本科植物或菊科植物中的某些种，由于茎的短缩（如禾本科的分蘖），应特别注意分离。
3.有些植物的花和果实难以分开（如菊科的蒲公英），此时可将花和果实混在一起计算生物量配置，计为（花十果）生物量配置，事实上即为生殖分配。
{实际应用}
入侵植物种类繁多，在生长发育过程中，其资源获取及配置特征应引起注意。该实验可让学生了解植物资源分配的研究方法。
实验3.2光周期对植物花期的调控作用
【实验目的】
1.了解生物的光周期现象及光周期的诱导机理。
2.了解植物光周期反应的类型。
3.初步掌握利用光周期控制植物花期的基本技术。
【实验原理】
植物通过感受昼夜长短变化而控制开花的现象称为光周期现象。某些植物（如小麦、玉米等）每日接受光照的时间必须超过某个数值才能开花，被称为长日照植物；某些植物（如水稻、大豆等）每日接受光照的时间必须少于某个数值才能开花，被称为短日照植物。研究表明，叶是感受光周期影响的器官，叶内形成某些特殊的代谢产物，传递到生长点，导致生长点形成花芽。
植物在达到一定生理年龄时，经过足够天数（周期数）的适宜光周期处理，以后即使处于不适宜的光周期下仍然能开花，这种诱导效应叫做光周期诱导。植物所需的适宜光周期数，也会因植物种类、年龄及环境条件的不同而不同。如苍耳、水稻、浮萍等只需要1个短日照周期，其他短日照植物，如大豆需要2~3d，菊花需要12d；油菜、菠菜等需要1个长日照光周期，其他长日照植物，如天仙子需要2~3d，拟南芥需要4d，一年生甜菜需要13~15d，胡萝卜需要15~20d。当短于其诱导周期的最低天数时，不能诱导植物开花；而增加光周期诱导的天数则可加速花原基的发育，花的数量也增多。
本实验以短日照植物为材料，探讨光周期的光照时间和周期数对其蕾期或始穗期的影响。
【实验仪器和材料】
1.仪器与设备
暗箱或暗室、日光灯、定时开关自动控制装置。
2.材料
短日照植物（如大豆、苍耳、水稻、菊花等）的种子或幼苗。
【操作建议】
1.材料选择
以大豆、水稻和苍耳为例，选择长出第一片复叶的大豆幼苗，或长出五六片叶的水稻或苍耳幼苗。
2.实验处理
除对照组外，其余处理组在暗箱内进行。
（1）自然光照：为对照组。
（2）短日照：每日给予光照8h，即通过定时开关设置每天早上8时至下午4时进行光照，周期数为1或3个，然后从暗箱移至自然光照处。
（3）长日照：每日给予光照14h，即通过定时开关设置每天早上5时至下午7时进行光照，周期数为1或3个，然后从暗箱移至自然光照处。
3.实验记录
记录上述植物在各种处理下的蕾期或始穗期。
【实验注意事项】
1.培养环境的夜温应在20°C以上。
2.培养土质要好，适当浇水，使土壤保持一定的水分。
3.大豆黑暗期需要超过9.5~10h，至少两三个周期数；苍耳黑暗期需要超过8.5h，至少1个周期数；水稻黑暗期需要超过12h，至少1个周期数；菊花黑暗期需要超过9h，至少12个周期数。
