種間競爭對兩種濕地植物非結構性碳水化合物含量的影響研究

王 穎，翟偲涵，袁繼紅，袁甜甜，王 平

(東北師范大學環(huán)境學院，國家環(huán)境保護濕地生態(tài)與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130117)

碳水化合物(carbohydrate)是植物光合作用的主要產物[1-2]，按存在形式不同可分為結構性碳水化合物(structural carbohydrate，SC)和非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC，又稱為可溶性碳水化合物).結構性碳水化合物主要包括木質素、纖維素和半纖維素等，是植物重要的結構成分[3].非結構性碳水化合物主要包括可溶性糖和淀粉[4].可溶性糖是植物新陳代謝過程中重要的反應物[5]，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、果聚糖和甘露醇等；淀粉作為植物主要的長期能量儲存物質之一，是植物貯藏器官中最主要的碳水化合物[6].

目前有關植物非結構性碳水化合物的研究多集中于不同季節(jié)[7-10]或不同發(fā)育期[11]植物非結構性碳水化合物的變化規(guī)律，以及各類非生物環(huán)境因子的影響[12]，如水分[7-9]、溫度[13-14]、營養(yǎng)[12-14]、鹽[15]和刈割[3，16-17]等.這些研究普遍表明，在非生物環(huán)境脅迫條件下，植物非結構性碳水化合物往往表現(xiàn)為積累趨勢.但植物非結構性碳水化合物在生物因子脅迫條件下(如競爭)的變化規(guī)律，以及植物是否采取相同的生理策略響應生物與非生物因子脅迫尚不明確，并且相關研究少有報道[16-17].植物競爭研究既是傳統(tǒng)古老的研究主題，又隨著生態(tài)學新觀念、新方法、新技術的誕生而不斷時時更新，由此形成日益豐富的有關競爭機理的眾多理論和假說[18].目前的研究多關注競爭對植物外部形態(tài)性狀的影響，如生物量、根冠比、株高、比葉面積等[19-20]，但對植物生理性狀的研究相對薄弱，尤其是非結構性碳水化合物.

作為植物各項生命活動的主要能源物質，以及植物響應環(huán)境變化的重要調節(jié)物質，非結構性碳水化合物在不同競爭環(huán)境下的變化特征及響應規(guī)律研究可為深入揭示競爭機制、豐富競爭理論開辟新的途徑，并可為制訂和應用退化植被恢復重建技術提供理論依據(jù).本文以東北泥炭沼澤濕地中兩種常見的物種——小星穗薹草(Carexangustior)和黃連花(Lysimachiadavurica)為實驗材料，測量并對比分析了不同光照和營養(yǎng)環(huán)境下，兩物種在種間競爭和無競爭條件下，植物根、葉中非結構性碳水化合物(可溶性糖、淀粉)的含量，以揭示競爭對兩物種非結構性碳水化合物供應狀況的影響及變化規(guī)律.

1 材料與方法

實驗在吉林省長春市(43°49′N，125°25′E)東北師范大學環(huán)境學院溫室及露天培養(yǎng)地進行.

1.1 實驗材料

本研究所用兩種植物均為北方泥炭沼澤草本群落中的常見種.小星穗薹草為莎草科薹草屬植物，多年生草本，聚叢生長，根系發(fā)達.黃連花為報春花科珍珠菜屬植物，多年生草本，分枝強，橫走根莖，葉呈披針狀.兩物種在自然群落中均為零散分布但分布范圍較廣，常相伴而生.小星穗薹草根系發(fā)達，營養(yǎng)競爭能力較強；而黃連花分枝強，光競爭能力較強.

實驗所用種子采自吉林省通化市輝南縣金川鎮(zhèn)泥炭沼澤濕地的自然群落中.自然風干后挑選飽滿成熟的種子備用.

1.2 種子萌發(fā)及幼苗培養(yǎng)

濕地植物種子較難萌發(fā)，故利用赤霉素處理以打破種子休眠促進植物種子萌發(fā)[21].2016年3月初將種子浸泡于赤霉素(200 mg/L) 中24 h，打破種子的休眠.然后將消毒處理(0.3%高錳酸鉀溶液浸泡10 min)后的種子平鋪在培養(yǎng)皿中，置于培養(yǎng)箱中萌發(fā)，萌發(fā)條件設置為光照12 h/黑暗12 h，溫度15℃～25℃.種子萌發(fā)后移入育苗盤中在溫室條件下培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為光照12 h/黑暗12 h，溫度22℃～30℃.

1.3 實驗處理

本研究共設置競爭(單株、競爭)，光照(全光照、遮陰)和營養(yǎng)(高營養(yǎng)、低營養(yǎng))三種實驗處理，每個實驗處理16個重復.高營養(yǎng)處理所用土為草本泥炭土(pH=5.73±0.02，全氮(17.24±0.34)g/kg，全磷(1.01±0.01)g/kg，有效氮(1 169.59±39.08)mg/kg，速效磷(89.11±5.42)mg/kg)；低營養(yǎng)處理為V(草本泥炭土)∶V(蛭石)=1∶1的混合土，即營養(yǎng)成分減半.

2016年5月中旬，分別選取長勢基本一致的小星穗薹草和黃連花幼苗，移入底部有孔的特制塑料盆(6 cm×6 cm×16 cm)中培養(yǎng).單株處理為每盆1株苗(小星穗薹草或黃連花)，競爭處理為每盆2株苗(1株小星穗薹草+1株黃連花).移栽兩周后在每個競爭處理盆的上方固定綠色鐵絲網(6 cm×6 cm×30 cm，網格規(guī)格為1 cm×1 cm)，以防止植株枝條外逸逃避地上競爭.

2016年6月末，將所有植株移至露天培養(yǎng)，同時設置光照處理.高光處理為植物接受全日照自然光，整個實驗期間晴天光照強度為10～11萬 lx，陰天為6～7萬lx；遮陰處理是在植物上方2 m處架設50%遮陰率的黑色遮陰網，實際測量的光照強度與理論遮陰效果相符.

因實驗物種的適宜生長環(huán)境為濕生條件，因此，在整個實驗過程中將所有塑料盆浸于水位低于盆口5 cm的水槽內，以穩(wěn)定維持土壤水分的飽和狀態(tài).不同光照和營養(yǎng)處理的植株分別浸于不同的水槽中.

1.4 樣品收獲及測定

2016年9月初收獲植物.將每個處理的8個重復株清洗干凈后，烘干稱重獲得每株植物的生物量.將另外8個重復株的新鮮根、葉分離后馬上置于液氮中冷凍24 h，然后以真空冷凍干燥機凍干，-80℃下保存.

研磨已凍干的植物根、葉樣品，以苯酚-硫酸法測量根、葉中的可溶性糖含量[22]，I2-KI比色法測定根、葉中的淀粉含量[23].

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

按照下列公式分別計算黃連花和小星穗薹草的競爭強度(CI)：

式中：W競爭為競爭條件下的全株生物量，W單株為單株生長條件下的全株生物量.當CI≥1時，表明不存在競爭抑制作用；當0

采用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析與制圖.以配對T檢驗分析相同光照不同營養(yǎng)間、相同營養(yǎng)不同光照間每個物種的生物量差異.對每種環(huán)境下植物生物量、可溶性糖和淀粉含量的競爭處理間差異進行獨立樣本T檢驗.以單樣本T檢驗分析競爭強度(CI)是否與1有顯著性差異，并以獨立樣本T檢驗分析種間競爭強度的差異是否顯著.

2 結果分析

2.1 生物量

無論有無競爭，生長在低營養(yǎng)條件下的黃連花和小星穗薹草生物量均顯著低于生長在高營養(yǎng)條件下的植株(P小=0.001，P黃=0.011)，但光照對兩種植物生物量的影響均未達到顯著水平(P小=0.653，P黃=0.079).種間競爭對黃連花生物量的影響僅發(fā)生在低營養(yǎng)條件下，并且在兩種光照環(huán)境里均表現(xiàn)為顯著的抑制作用；而對小星穗薹草生物量的抑制作用僅發(fā)生在遮陰條件下，并且在兩種營養(yǎng)條件下表現(xiàn)一致(見圖1).

圖1 不同環(huán)境條件下種間競爭對黃連花和小星穗薹草生物量的影響

2.2 競爭強度

低營養(yǎng)條件下的種間競爭對黃連花生長的抑制作用顯著大于對小星穗薹草的影響，而高營養(yǎng)條件下的競爭對雙方生物量的影響無顯著差異(見圖2).此外，在相同光照條件下，競爭對黃連花的抑制作用隨著營養(yǎng)水平的下降而顯著增加(P全光=0.009；P遮陰=0.001).而在相同營養(yǎng)條件下，競爭對小星穗薹草的抑制作用隨著光照水平的下降而增加，尤其是低營養(yǎng)條件下達到了顯著水平(P高營養(yǎng)=0.103；P低營養(yǎng)=0.002).

*表示CI值與1進行單樣本T檢驗存在顯著差異

2.3 非結構性碳水化合物

無論在哪種環(huán)境和競爭條件下，黃連花根、葉中的可溶性糖(P根=0.003，P葉=0.025)和淀粉含量(P根<0.001，P葉=0.001)均普遍高于小星穗薹草(見圖3和圖4).兩種植物根部的淀粉含量(P黃連花=0.005，P小星穗薹草=0.001)普遍高于其葉部含量，但可溶性糖含量在根、葉中的分布規(guī)律不同，黃連花根、葉中可溶性糖含量差異未達到顯著水平(P黃連花=0.090)，而小星穗薹草葉中的可溶性糖含量顯著高于根部(P黃連花=0.012).

種間競爭導致黃連花和小星穗薹草的可溶性糖和淀粉含量發(fā)生變化，并且多數(shù)變化達到顯著水平，但兩物種的變化趨勢因部位和環(huán)境條件的不同而表現(xiàn)出差異，具體變化規(guī)律如下.

2.3.1 可溶性糖

在四種環(huán)境條件下，種間競爭均導致黃連花根部可溶性糖含量顯著下降(見圖3A).競爭對葉部可溶性糖含量的影響在兩種營養(yǎng)條件下表現(xiàn)不同：高營養(yǎng)條件下競爭顯著降低了葉部可溶性糖含量，低營養(yǎng)條件下競爭促進黃連花葉部可溶性糖濃度上升(見圖3A).總體而言，種間競爭導致黃連花根、葉中可溶性糖含量下降，但土壤營養(yǎng)較低時，種間競爭促使其葉中可溶性糖含量上升.

與黃連花相反，種間競爭導致小星穗薹草根部可溶性糖含量上升(見圖3B).競爭對葉部可溶性糖含量的影響雖然也在兩種營養(yǎng)條件下表現(xiàn)各異，但與黃連花不同的是，高營養(yǎng)條件下競爭對小星穗薹草葉部可溶性糖含量的影響不明顯，低營養(yǎng)條件下競爭顯著促進了其葉部可溶性糖含量上升(見圖3B).總體而言，種間競爭導致小星穗薹草根、葉中可溶性糖含量上升，當土壤營養(yǎng)較低時，這種競爭導致的積累現(xiàn)象更加明顯.

圖3 不同環(huán)境條件下種間競爭對黃連花(A)和小星穗薹草(B)可溶性糖含量的影響

2.3.2 淀粉

種間競爭促使黃連花根部的淀粉濃度增加，但僅在全日照高營養(yǎng)和遮陰低營養(yǎng)條件下達到了顯著水平(見圖4A).競爭植物的葉部淀粉含量在不同光照條件下變化相反，即在全日照條件下競爭導致黃連花葉部的淀粉含量下降，而在遮陰條件下該指標顯著上升.

圖4 不同環(huán)境條件下種間競爭對黃連花(A)和小星穗薹草(B)淀粉含量的影響

種間競爭對小星穗薹草根部和葉部淀粉含量的影響在不同營養(yǎng)條件下表現(xiàn)不一.高營養(yǎng)條件下，種間競爭對根部和葉部淀粉含量影響不大，僅在全日照條件下競爭導致植物葉部增加的淀粉含量達到了顯著水平(見圖4B)；而在低營養(yǎng)條件下，競爭顯著降低了小星穗薹草葉中的淀粉含量，卻顯著增加了其根部的淀粉含量.

3 討論

3.1 種間競爭影響植物的非結構性碳水化合物含量

競爭的實質是競爭各方對共享資源的爭奪利用，在資源有限的情況下，競爭結果最直觀的表現(xiàn)是生物量下降[24].植物生物量的降低往往是各項新陳代謝活動響應競爭所致的可利用資源水平改變的作用結果，如植物在不同光照和或營養(yǎng)水平下碳代謝活動發(fā)生變化從而影響其干物質積累[25].因此，相對于生物量下降這種外部表現(xiàn)的競爭結果，植物內部生理水平的代謝活動可能更早對競爭壓力產生響應行為[26]，本文的實驗結果也證明了這一點.例如在全日照高營養(yǎng)條件下，競爭處理并未顯著降低黃連花生物量(見圖1)，但無論是根部還是葉部，無論是可溶性糖還是淀粉含量，均在競爭條件下產生顯著性變化(見圖3A和圖4A).因此，與非生物環(huán)境脅迫因子一樣，種間競爭同樣顯著影響植物的非結構性碳水化合物含量[15]，甚至相對于外部的形態(tài)性狀，植物體內的生理性狀對競爭壓力的響應可能更加敏感.

眾多研究表明，非生物環(huán)境脅迫因子對植物非結構性碳水化合物的影響大多表現(xiàn)為積累趨勢[3]，以提供能量、促進植物生長[17-19]，或是作為滲透調節(jié)物質減緩脅迫壓力[13，27]，還有一些非結構性碳水化合物成分作為信號分子，在植物抵抗脅迫時調節(jié)相關基因和酶活性的表達[22-24].在本研究的競爭實驗中，黃連花根、葉中的可溶性糖含量大多表現(xiàn)出下降趨勢(見圖3A)，而小星穗薹草根、葉中的可溶性糖在競爭條件下表現(xiàn)出較穩(wěn)定的積累現(xiàn)象(見圖3B).兩物種根部的淀粉含量在設置的四種環(huán)境條件下一半保持不變，一半穩(wěn)定增加，而葉部淀粉含量的變化受光照和營養(yǎng)條件影響較大(見圖4).因此，競爭環(huán)境下的植物也會采取積累非結構性碳水化合物的策略[17]，但這種策略因物種而異，并且受非生物環(huán)境因子影響較大.由于植物非結構性碳水化合物組成的復雜性[28-29]以及所參與生理活動的多樣性[30-31]，揭示其響應競爭壓力的普遍性規(guī)律還需要更多相關實驗數(shù)據(jù)的支持；同時，還應考慮環(huán)境因子對兩者關系的影響作用.

3.2 種間競爭對植物非結構性碳水化合物含量的作用受環(huán)境條件影響

研究發(fā)現(xiàn)，雖然種間競爭對少量指標的影響在所有環(huán)境條件下表現(xiàn)一致，如競爭狀態(tài)下黃連花根部可溶性糖含量在四種環(huán)境下均顯著下降(見圖3A)、小星穗薹草根部可溶性糖含量均顯著上升(見圖3B)，但對其他指標的影響存在明顯的環(huán)境差異性(見圖3和圖4).

全日照條件下，當土壤營養(yǎng)水平較高時，競爭雙方生物量都未受到顯著的抑制作用，但均將更多光合產物以淀粉形式貯存在資源競爭能力較弱的器官中(黃連花貯存在根中，小星穗薹草貯存在葉中).當營養(yǎng)水平下降時，兩物種面臨的競爭壓力更多來源于地下.依據(jù)資源最優(yōu)分配理論[32]，此時向根部分配更多光合產物的物種將會保持競爭優(yōu)勢[33].小星穗薹草以減少葉部淀粉含量為代價，大幅增加根、葉的可溶性糖含量，從而維持其生物量的穩(wěn)定.但黃連花根部非結構性碳水化合物含量卻未見增加，其生物量表現(xiàn)出強烈的受抑現(xiàn)象.

遮陰條件下，當土壤營養(yǎng)水平較高時，種間競爭對黃連花生物量的抑制作用未達到顯著水平.但與全日照高營養(yǎng)條件時淀粉的含量變化相比，競爭狀態(tài)下的黃連花通過降低根部、增加葉部淀粉含量的碳調節(jié)方式，維持該物種在光資源受限環(huán)境中的光競爭優(yōu)勢.而小星穗薹草則將更多可溶性糖運輸至根中以維持地下資源的競爭優(yōu)勢，但未能顯著增加其葉片中的可溶性糖含量以便在遮陰環(huán)境中爭取更多光資源，因此其生物量受到顯著的競爭抑制作用.在資源水平最低的遮陰低營養(yǎng)條件下，競爭雙方均采取積累非結構性碳水化合物的策略以減緩競爭壓力，但小星穗薹草非結構性碳水化合物的積累更多地發(fā)生在根部，黃連花更多地發(fā)生在葉部.由于該環(huán)境條件下競爭壓力主要來源于地下，因此投資葉部的黃連花受到了更強的競爭抑制作用.

4 結論

本文的研究結果表明，種間競爭顯著影響植物的非結構性碳水化合物含量，并且相對于生物量，可溶性糖和淀粉含量等生理性狀對競爭壓力的響應可能更加敏感.

響應競爭壓力時，植物也會采取積累非結構性碳水化合物的策略，但該策略因物種而異，并且受環(huán)境因子影響較大.

種間競爭對植物非結構性碳水化合物含量的作用受到環(huán)境條件的影響，黃連花和小星穗薹草根、葉中可溶性糖和淀粉含量對種間競爭的環(huán)境特異性響應可能與物種的資源競爭特性有關，并直接影響最終的競爭結果.