趙 飄, 劉振亞, 王 娜, 牛孟瑩, 艾 靜, 肖德榮, 王 行*
( 1. 西南林業(yè)大學(xué) 云南省高原濕地保護(hù)修復(fù)與生態(tài)服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650224; 2. 西南林業(yè)大學(xué) 國(guó)家高原濕地研究中心/濕地學(xué)院, 昆明 650224; 3. 西南林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 昆明 650224; 4. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所, 云南 開遠(yuǎn) 661600; 5. 溫州大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 浙江 溫州 325035; 6. 溫州大學(xué) 城鎮(zhèn)水污染生態(tài)治理技術(shù) 國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心, 浙江 溫州 325035 )
生長(zhǎng)與繁殖是植物實(shí)現(xiàn)種群維持與擴(kuò)散的重要途徑(王志保等,2018a),易受環(huán)境的變化而發(fā)生改變,進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響(Sherry et al., 2007)。植物生長(zhǎng)與繁殖對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)受到廣泛關(guān)注(Roa-Fuentes et al., 2012;王志保等,2018b)。高原湖泊湖濱帶植物對(duì)氣候變化高度敏感(劉振亞等,2017),因此研究湖濱帶植物生長(zhǎng)與繁殖對(duì)外界環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律,是科學(xué)評(píng)估未來氣候變化對(duì)高原湖泊有何影響和如何影響的基礎(chǔ)。
地形(經(jīng)緯度、海拔)、氣候(降水、溫度)和土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子均對(duì)植物的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生影響(Gong et al., 2019;Zhang et al., 2019)。海拔是影響植物生長(zhǎng)和繁殖的主導(dǎo)因子(K?rner, 2007),其中植物物候(Walker et al., 2014)、葉片功能性狀(Jiang & Ma, 2015)與海拔密切相關(guān)。隨著海拔的升高,植物的生物量增加(李亞芳,2015)、高度降低(Liu et al., 2016)、個(gè)體變小(Méndez & Traveset, 2003),而對(duì)繁殖的投入增加(Fabbro & K?rner, 2004)。除海拔因素外,植物株高與緯度呈駝峰關(guān)系,中緯度最高(Liu et al., 2016),而隨著緯度的增加,植物的株高降低(Moles et al., 2009)。地理空間的變化,使植物生境有所差異,有研究表明,溫度增加對(duì)植物克隆生長(zhǎng)或促進(jìn)(Li et al., 2014)、或抑制(Kreyling et al., 2008)、或無顯著影響(Bloor et al., 2010),對(duì)其有性繁殖具有明顯的促進(jìn)作用(王志保等,2018a;Xiao et al., 2019)。降水增加導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉、光合速率降低,植物克隆生長(zhǎng)受到抑制(K?rner, 2007),降水增加也能促進(jìn)植物克隆生長(zhǎng)(Roa-Fuentes et al., 2012)。增加土壤養(yǎng)分可促進(jìn)植物個(gè)體的生長(zhǎng)(Nasto et al., 2019),增加植物種子產(chǎn)量(王亞等,2021)。一般情況下,植物生長(zhǎng)及繁殖在大尺度上受氣候因子的影響(Svenning & Sandel, 2013),而在山地等區(qū)域尺度上則受海拔梯度的影響(唐志堯和方精云,2004)。在低海拔地區(qū),土壤養(yǎng)分對(duì)植物生長(zhǎng)與繁殖的影響更為顯著,而在高海拔地區(qū)則是溫度更為顯著(Sang, 2009)。可見,研究植物生長(zhǎng)和繁殖策略對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)是生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn),然而當(dāng)前研究結(jié)果尚存在較多的不確定性。
云南省地形極為復(fù)雜多樣,其西北部為橫斷山脈、東部為云貴高原,最大垂直高差達(dá)6 663.6 m,地形、氣候及土壤等環(huán)境因子的空間差異明顯,具有獨(dú)特的地質(zhì)和植被及立體氣候特征(楊嵐和李恒,2010)。湖泊作為云南高原生態(tài)屏障的重要組成,具有典型的“面山-湖濱-湖盆”的生態(tài)特征,在生物多樣性和特有性保育等方面發(fā)揮著不可替代的作用,且對(duì)環(huán)境變化高度敏感(Xiao et al., 2019)。挺水植物是云南高原湖泊湖濱帶的重要組成,是高原湖泊生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)。水蔥()是納帕海、瀘沽湖、拉市海、滇池、杞麓湖及異龍湖等6個(gè)高原湖泊湖濱帶的共有種(楊嵐和李恒,2010),其克隆生長(zhǎng)和有性繁殖是其維持種群空間分布和擴(kuò)散的重要途徑。因此,研究水蔥對(duì)不同地理空間環(huán)境因子的響應(yīng),能很好地詮釋湖濱帶挺水植物生長(zhǎng)與繁殖對(duì)未來氣候變化的適應(yīng)策略。
本研究利用云南的立體地形及其獨(dú)特氣候,選擇6個(gè)不同區(qū)域的高原湖泊,以其湖濱帶共有分布的挺水植物水蔥為研究切入點(diǎn),研究水蔥克隆生長(zhǎng)(密度、株高、基徑、地上生物量)以及有性繁殖(結(jié)實(shí)率、穗生物量、穗生物量投資比、單位面積種子產(chǎn)量、單位面積活性種子數(shù))等在不同區(qū)域的差異特征,分析環(huán)境因子(地理位置、氣候、土壤和水等環(huán)境因子)與水蔥生長(zhǎng)和繁殖指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,擬解決以下科學(xué)問題:(1)高原湖泊挺水植物水蔥生長(zhǎng)和繁殖特征在地理空間分布是否存在地理分布差異;(2)其生長(zhǎng)和繁殖特征是否存在經(jīng)緯度、海拔地帶性分布規(guī)律;(3)由于地理空間的差異而發(fā)生的環(huán)境變化對(duì)植物克隆生長(zhǎng)與有性繁殖造成什么樣的影響,其影響程度如何。以期為掌握高原湖泊對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
選擇納帕海、瀘沽湖、拉市海、滇池、杞麓湖、異龍湖等6個(gè)湖泊為研究地。納帕海、瀘沽湖、拉市海位于滇西北高原,是滇西北高原生物多樣性和特有性保護(hù)的熱點(diǎn)區(qū)域,其中納帕海和拉市海為國(guó)際重要濕地。滇池、杞麓湖、異龍湖位于滇中高原,既是滇中城市群經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障,也是關(guān)注水生態(tài)安全和生物多樣性保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。6個(gè)湖泊所處地形差異大,地理位置為99.66°—102.77° E、23.67°—27.85° N,海拔在1 412 ~ 3 260 m之間,跨經(jīng)度、緯度分別為3.11°和4.18°,海拔高差達(dá)1 848 m。所處地理位置的差異,使6個(gè)湖泊的氣候、水、土壤等環(huán)境因子存在一定差異(表1)。
2020年8—10月,分別在納帕海、瀘沽湖、拉市海、滇池、杞麓湖、異龍湖湖濱帶水蔥典型分布區(qū)域,設(shè)置3 ~ 6個(gè)1 m × 1 m樣方,其中納帕海6個(gè)、瀘沽湖4個(gè)、拉市海3個(gè)、滇池3個(gè)、杞麓湖3個(gè)、異龍湖4個(gè),共計(jì)23個(gè)。野外測(cè)定樣方內(nèi)水蔥總株數(shù)、結(jié)穗數(shù)等指標(biāo),并在樣方內(nèi)選取10株成熟結(jié)穗植株,測(cè)定植株高度,用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量基徑。將結(jié)穗植株剪下帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定穗的形態(tài)、生物量和種子活性參數(shù)。采用收割法,將樣方內(nèi)25 cm × 25 cm地上植株帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定水蔥地上生物量等參數(shù)。用GPS分別記錄植物樣方的經(jīng)緯度和海拔。用定深泥炭鉆(荷蘭Eijkelkamp)采集每個(gè)樣方內(nèi)表層(0 ~ 10 cm)土壤樣品,裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,以測(cè)定土壤理化指標(biāo)。用500 mL塑料瓶采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定有關(guān)理化指標(biāo)。
1.3.1 地上生物量及有性繁殖指標(biāo)的測(cè)定 采用烘干稱重法,將刈割帶回的植株樣品放置65 ℃的烘箱中烘至恒重,測(cè)定地上生物量。首先,在室內(nèi)用精度為0.1 cm的直尺測(cè)定每個(gè)樣方帶回的10株水蔥的穗長(zhǎng),記錄每穗小穗數(shù)、種子數(shù)等指標(biāo),計(jì)算水蔥的結(jié)實(shí)率(結(jié)實(shí)株數(shù)/總株數(shù)×100%)、種子產(chǎn)量(每平方米種子數(shù)=單株平均種子數(shù)×每平方米結(jié)實(shí)株數(shù))。然后,將分株裝袋植株自然風(fēng)干后,分別測(cè)定穗生物量和植株生物量,計(jì)算有性繁殖生物量投資比,即穗生物量投資比=穗生物量/植株生物量×100%。最后,將每個(gè)樣方種子混勻,每個(gè)樣方分別選取水蔥種子200粒,3個(gè)重復(fù),通過物理方法剝?nèi)シN殼,用解剖刀沿種子側(cè)面將胚縱切開,放置在1%四唑磷酸緩沖液中,在(30±1)℃條件下染色24 h,在10倍放大鏡下分別觀察其著色情況及種子活性。胚主要構(gòu)造呈鮮紅色,或胚根尖端2/3不染色而其他部分正常染色的種子為有生活力種子。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算單位面積活性種子數(shù)量,即活性種子數(shù)=種子產(chǎn)量×(著色種子數(shù)/染色種子數(shù)×100%)。
1.3.2 土壤和水體環(huán)境指標(biāo)的測(cè)定 土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon,SOC)采用酸洗法測(cè)定(唐偉祥等,2018),土壤全氮(soil total phosphorus,STN)、全磷(soil total phosphorus,STP)采用HSO-HO消煮法測(cè)定。水樣全氮(water total nitrogen,WTN)、全磷(water total nitrogen,WTP)采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó) SEAL Analytical AA3)測(cè)定。通過全球網(wǎng)格數(shù)據(jù)(precision: 0.16°×0.16°;http://www.paleo.bris.ac.uk/),分別獲取各采樣點(diǎn)的年均溫(mean annual temperature,MAT)、最暖月均溫(mean temperature of the warmest month,WMT)、最冷月均溫(mean temperature of the coldest month,CMT)、年均降水(mean annual precipitation,MAP)等氣候參數(shù)。各湖泊湖濱帶土壤、水體采樣點(diǎn)環(huán)境參數(shù)見表1。
利用SPSS 19.0軟件,對(duì)不同區(qū)域水蔥密度、株高、基徑、地上生物量、結(jié)實(shí)率、穗生物量及其投資比、單位面積種子產(chǎn)量、單位面積活性種子數(shù)量等生長(zhǎng)繁殖指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANVOA),差異顯著性水平設(shè)定為= 0.05。通過Pearson相關(guān)性分析法,研究水蔥生長(zhǎng)和繁殖指標(biāo)與氣候、土壤、水文因子的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上,通過Stepwise回歸分析方法,進(jìn)一步篩選影響水蔥生長(zhǎng)與繁殖特征的關(guān)鍵因子。使用R 4.01軟件中Agricolae軟件包對(duì)影響水蔥生長(zhǎng)與繁殖的關(guān)鍵因子進(jìn)行路徑分析,研究關(guān)鍵影響因子對(duì)水蔥生長(zhǎng)和繁殖的作用路徑和貢獻(xiàn)率。
由表2可知,除地上生物量外,水蔥生長(zhǎng)與繁殖參數(shù)在不同地理空間上存在顯著差異(<0.05)。其中,密度在納帕海最高(853±99 plant·m),滇池最低(256±43 plant·m),在不同采樣點(diǎn)間存在顯著差異(<0.05);株高在異龍湖最高(209±28 cm),納帕海最低(128±5 cm),在不同采樣點(diǎn)間存在極顯著差異(<0.001);基徑在異龍湖最高(13.3±0.5 mm),拉市海最低(6.4±1.4 mm),在不同采樣點(diǎn)間存在極顯著差異(<0.001);結(jié)實(shí)率在異龍湖最高(71%±6%),在納帕海最低(35%±6%),在不同采樣點(diǎn)間存在極顯著差異(<0.01);穗生物量在異龍湖最高(457±390 g·m),在拉市海最低(46±17 g·m),在不同采樣點(diǎn)間存在顯著差異(<0.05);穗生物量投資比在異龍湖最高(13.9%±3.9%),在納帕海最低(2.2%±1.3%),在不同采樣點(diǎn)間存在極顯著差異(<0.001);單位面積種子產(chǎn)量在瀘沽湖最高(18.0×10±6.6×10grain·m),在滇池最低(3.8×10±0.6×10grain·m),在不同采樣點(diǎn)間存在顯著差異(<0.05);單位面積活性種子數(shù)量在瀘沽湖最高 (16.0×10±7.1×10grain·m),在滇池最低(2.7×10±0.3×10grain·m),存在極顯著差異(<0.01)。
水蔥種群生長(zhǎng)和繁殖指標(biāo)在地理空間上存在一定的規(guī)律性變化(圖1)。水蔥密度隨經(jīng)度的增加而減小(圖1:A),株高、結(jié)實(shí)率、穗生物量、穗生物量投資比指標(biāo)隨經(jīng)度的增加而增大(圖1:D,G,J,M);密度隨緯度的增加而增加(圖1:B),株高、結(jié)實(shí)率、穗生物量、穗生物量投資比等指標(biāo)隨緯度的增加而減小(圖1:E,H,K,N);水蔥密度隨海拔的增加而增大(圖1:C),株高、結(jié)實(shí)率、穗生物量、穗生物量投資比等指標(biāo)隨著海拔的增加而減小(圖1:F,I,L,O)。
水蔥密度與地上生物量、種子產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(<0.01),株高與穗生物量、種子產(chǎn)量、活性種子呈顯著正相關(guān)(<0.05),與穗生物量投資比呈極顯著正相關(guān)(<0.01),基徑與穗生物量呈顯著正相關(guān)(<0.05),地上生物量與穗生物量、種子產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(<0.01),地上生物量與種子活性呈顯著正相關(guān)(<0.05)(表3)。
水蔥生長(zhǎng)和繁殖指標(biāo)與區(qū)域氣候因子和土壤因子存在顯著相關(guān),而與湖泊水因子無顯著相關(guān)(表4)。其中,水蔥密度與年均溫、最暖月均溫、最冷月均溫、年均降水呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01),與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)(<0.01),和全磷呈顯著正相關(guān)(<0.05)。植株株高與年均溫、最暖月均溫、最冷月均溫、年均降水呈極顯著正相關(guān)(<0.01),水蔥基徑和地上生物量與本研究環(huán)境因子無顯著相關(guān)性(>0.05)。水蔥結(jié)實(shí)率與年均溫、最暖月均溫、最冷月均溫、年均降水呈極顯著正相關(guān)(<0.01),與土壤全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)。穗生物量、穗生物量投資比與年均溫、最暖月均溫、最冷月均溫、年均降水呈顯著正相關(guān)(<0.05)。水蔥單位面積種子產(chǎn)量、活性種子與本研究環(huán)境因子無顯著相關(guān)性(>0.05)。
由圖2可知,最暖月均溫、最冷月均溫、土壤全氮和全磷是影響水蔥克隆生長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。其中,土壤全氮是影響水蔥密度的主要因子,其路徑系數(shù)為0.59,貢獻(xiàn)度為35%;最暖月均溫、最冷月均溫、土壤全磷是影響水蔥株高的主要因子,路徑系數(shù)分別為0.74、-0.67、0.04,其對(duì)株高的貢獻(xiàn)度超過90%(圖2:A)。土壤有機(jī)碳、年均降水是影響水蔥有性繁殖參數(shù)的關(guān)鍵因子,其中,年均降水直接影響水蔥結(jié)實(shí)率、穗生物量、穗生物量投資比, 路徑系數(shù)分別為0.81、0.56、0.82, 土壤有機(jī)碳直接影響水蔥穗生物量投資比,其路徑系數(shù)為0.32。年均降水對(duì)結(jié)實(shí)率和穗生物量的貢獻(xiàn)度為66%和31%,年均降水和土壤有機(jī)碳對(duì)穗生物量投資比的貢獻(xiàn)度為78%(圖2:B)。
植物生長(zhǎng)和繁殖性狀能夠反映其對(duì)空間資源的利用和適應(yīng)策略(陳玉寶等,2014)。本研究發(fā)現(xiàn),水蔥克隆生長(zhǎng)(除地上生物量)和有性繁殖參數(shù)在不同分布空間存在較大差異,既是所在湖泊氣候、土壤、水等環(huán)境因子協(xié)同作用的結(jié)果,也是水蔥生長(zhǎng)和繁殖策略對(duì)不同環(huán)境因子響應(yīng)的體現(xiàn)。與前人對(duì)文冠果生長(zhǎng)性狀和水蔥種子繁殖的研究結(jié)果一致(王志保等,2018b;張毅等,2019)。但是,不同研究地水蔥地上生物量無顯著差異,表明湖濱帶植物生物量不受地理環(huán)境條件的影響,其生物產(chǎn)量適用于最終產(chǎn)量恒定定律。
克隆生長(zhǎng)和有性繁殖是植物生活史策略中的兩個(gè)重要方面,在不同的環(huán)境條件下植物不同性狀間的關(guān)系反映了這些性狀的功能聯(lián)系。本研究中,水蔥克隆生長(zhǎng)與有性繁殖密切相關(guān)。水蔥有性繁殖特征大小對(duì)植物個(gè)體大小表現(xiàn)出較強(qiáng)的依賴性,植物生長(zhǎng)性狀株高和基徑與植物對(duì)光的捕獲能力、抗機(jī)械損傷能力以及對(duì)有性繁殖器官的支持能力密切相關(guān)。主要表現(xiàn)為株高越高越容易使植物伸展獲得更多的光照,但抗機(jī)械損傷能力就越弱;基徑越大植物的抗機(jī)械損傷能力越強(qiáng),同時(shí)能支持更粗的維管結(jié)構(gòu)(Sun et al., 2016),在植物良好生長(zhǎng)的同時(shí)有性繁殖性狀得到促進(jìn)。隨著植物個(gè)體的增大,單株植物種子總數(shù)及種子總重量會(huì)增加(Susko & Lovett-Doust, 1998),這可以解釋為植物個(gè)體越大,獲得的總資源量越多,投入到有性繁殖部分的資源量會(huì)增加。
本研究中,水蔥株高與溫度因子密切相關(guān),表明水蔥克隆生長(zhǎng)主要受溫度因子的影響。這是因?yàn)闇囟鹊纳呖梢蕴岣咧参锏墓夂闲?、抑制植物的呼吸作用,使植物生長(zhǎng)得到促進(jìn),同時(shí),在較高溫度下,植物生長(zhǎng)季延長(zhǎng),升溫加速了有機(jī)質(zhì)的分解和土壤礦化,植物提高了對(duì)土壤養(yǎng)分的利用效率,從而促進(jìn)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和碳積累(楊兵等,2010)。本研究結(jié)果與增溫條件下植物根莖長(zhǎng)度變化的研究結(jié)果一致(Li et al., 2014),有研究者采用OTC增溫技術(shù)對(duì)極地物種的研究表明溫度升高能使有性植株的株高增加(Stenstr?m et al., 1997)。然而,在以往的研究中發(fā)現(xiàn)溫度增加對(duì)植物克隆生長(zhǎng)有抑制作用,存在這種差異的原因可能是非生物應(yīng)激條件下植物對(duì)資源的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生了負(fù)面影響。另外,本研究結(jié)果顯示水蔥在降水量高的湖泊有更高的有性繁殖投資,而水體氮磷含量對(duì)植物生長(zhǎng)和繁殖的影響不顯著,這表明豐富的降水能促進(jìn)挺水植物的有性繁殖,這可能與降水對(duì)湖泊湖濱帶水淹情況的影響有關(guān)。由于挺水植物生境的特殊性,因此水作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的三大要素之一,通常包括水量和水質(zhì)兩個(gè)方面。對(duì)于云南高原湖泊而言,其徑流主要由降水補(bǔ)給(楊嵐和李恒,2010),水蔥花果期為6—9月,而云南雨季集中在5—10月,且降水量從南到北(緯度增加)呈遞減的趨勢(shì)(晏紅明等,2018),其湖濱帶水位情況發(fā)生改變。已有研究發(fā)現(xiàn),地面水位變?yōu)榱悴焕谏[生長(zhǎng)(趙湘江等,2015);香蒲在0 ~ 0.5 m水深范圍內(nèi),隨著水深的增加,有性繁殖比例增大(Sorrell et al., 2012)。本研究發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分含量對(duì)植物生長(zhǎng)和繁殖有重要影響,其中土壤氮含量對(duì)植物的克隆生長(zhǎng)影響較大,這是因?yàn)橹参镏饕獜耐寥乐蝎@取養(yǎng)分,而氮元素能促進(jìn)細(xì)胞的分裂和增長(zhǎng),植物葉面積增長(zhǎng)快,有更多的葉面積來進(jìn)行光合作用,進(jìn)而促進(jìn)植物的克隆生長(zhǎng),本研究結(jié)果與增加土壤養(yǎng)分對(duì)植物個(gè)體生長(zhǎng)的研究一致(Nasto et al., 2019)。本研究通過對(duì)植物克隆生長(zhǎng)和有性繁殖特征的環(huán)境影響因子研究發(fā)現(xiàn),其貢獻(xiàn)度表現(xiàn)為氣候因子>土壤因子>水因子。這表明在云南高原湖泊,相對(duì)于土壤、水等環(huán)境因子,區(qū)域氣候因子(最暖月均溫、最冷月均溫和年均降水)是影響云南高原湖泊湖濱帶植物水蔥生長(zhǎng)和繁殖的主要環(huán)境因子。因此,區(qū)域氣候條件在高原湖泊植物生長(zhǎng)和繁殖過程中影響最大,土壤養(yǎng)分含量對(duì)植物生長(zhǎng)和繁殖有著顯著影響,在未來環(huán)境變化下水環(huán)境因子對(duì)高原湖泊植物繁殖特征的影響需要進(jìn)一步深入研究。