楊紫玲,喻舞陽,鄭維列,羅 建,王國嚴,5,*,盧 杰,李江榮

1 西藏高原森林生態(tài)教育部重點實驗室, 林芝 860000

2 西藏農牧學院高原生態(tài)研究所, 林芝 860000

3 西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站, 林芝 860000

4 西藏農牧學院資源與環(huán)境學院, 林芝 860000

5 成都理工大學生態(tài)資源與景觀研究所, 成都 610051

杜鵑屬(RhododendronL.)植物廣布于北半球溫帶地區(qū),其花色艷麗,具有較高的水土保持和觀賞與藥用價值[1-3]。全球約有1000種杜鵑花,中國的杜鵑花種類占世界種類的半數(shù)以上,除寧夏和新疆以外均有野生杜鵑花種質資源分布,主要集中在西南地區(qū),其中西藏共有野生杜鵑花170種左右,約占世界的1/5,特有種37種,是我國杜鵑花最大的分布中心之一[1,4],是開展杜鵑花生態(tài)學研究的理想?yún)^(qū)域。

薄毛海綿杜鵑(Rhododendronaganniphumvar.schiaopeplum)在藏東南地區(qū)大面積連續(xù)分布,是色季拉山林線(4320 m)的指示種和優(yōu)勢種[5-7],對林線地區(qū)水土保持具有重要意義[8]。作為高山林線優(yōu)勢植物,認識薄毛海綿杜鵑對高山環(huán)境特有的適應性[9]以及對不同環(huán)境因子的響應特征,是理解該區(qū)域林線形成和變化機制的基礎。

植物的果實和種子是物種繁殖系統(tǒng)中受遺傳控制較強的兩個性狀,在強大的選擇壓力之下,會表現(xiàn)出對環(huán)境獨特的適應性[10-11]。結實特性不僅是植物種群生殖生態(tài)學研究的重要內容[10],有助于認識種群在特定環(huán)境的繁殖投入等生態(tài)策略,也是理解植物種群更新和繁殖適合度的基礎[12]。種子作為植物的生活史中唯一有移動力能力的階段[13],也是種群在特定環(huán)境下成功延續(xù)和發(fā)展的重要生活史階段[14]。

高山杜鵑多以種子為主要繁殖方式,研究其結實和種子萌發(fā)特征對于認識種群的更新策略、對高寒環(huán)境的適應機制以及群落演替規(guī)律具有重要意義。然而,對西藏高海拔(高山)杜鵑的種實特性研究資料較少[15-16]。本研究選擇青藏高原東南林線地區(qū)優(yōu)勢植物薄毛海綿杜鵑為對象,研究薄毛海綿杜鵑結實和萌發(fā)特性隨海拔(4183—4673 m)、坡度、坡向等環(huán)境梯度的變化,旨在闡明不同海拔薄毛海綿杜鵑結實和萌發(fā)特性與環(huán)境之間的關系,認識該種群在藏東南地區(qū)的分布和繁殖狀況,為高山杜鵑的種質資源保護和氣候變化背景下藏東南林線動態(tài)預測提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 研究地概況與實驗材料

研究地位于青藏高原東南部的色季拉山(西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站附近)。色季拉山系念青唐古拉山向南延伸的余脈,屬濕潤山地暖溫帶、半濕潤山地溫帶氣候[17],該區(qū)域杜鵑花資源豐富,面積可達1000 km2以上[18]。薄毛海綿杜鵑(又稱裂毛雪山杜鵑)隸屬常綠杜鵑亞屬(Subgen.Hymenanthes(Blume)K.Koch)常綠杜鵑組(Section.PonticumG.Don),原產(chǎn)芒康、察隅、米林,果實粗短而直立或略彎,花冠粉紅色至白色,是高山林線灌叢優(yōu)勢植物[19]。

2017年10月5日—10日在色季拉山沿海拔梯度設置八個樣點(4183、4270、4330、4390、4480、4577、4673、4724 m),在每個海拔帶隨機選取>5株薄毛海綿杜鵑,共采摘果實數(shù)量>100個,帶回實驗室常溫條件(約15 ℃)下自然晾干備用。薄毛海綿杜鵑采種地環(huán)境數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 采種地環(huán)境數(shù)據(jù)

1.2 實驗方法

1.2.1結實特性實驗

將果實根據(jù)海拔分為8個組,每組設置4個重復,每個重復隨機選取25個果實。用電子天平稱量果實的干重；用游標卡尺進行果實的長寬測量；再隨機從25個果實中隨機選3—5個健康的果實對種子數(shù)量進行計數(shù)；每個海拔隨機取種50粒,分別稱重,重復三次,其平均重量乘以20為種子的千粒重。

1.2.2種子萌發(fā)特性實驗

設置5/1、15/2、25/5 ℃三個溫度梯度,每個溫度設置光照(12 h光照/12 h黑暗)和黑暗兩個處理。3個溫度梯度分別代表野外5月和10月(5/1 ℃)、9月(15/2 ℃)、6月至8月(25/5 ℃)。每個海拔選取600粒外觀良好的種子,每25粒種子為一組放入墊有雙層濾紙(濾紙已用鉛筆標號)的培養(yǎng)皿中,4個重復為一個處理。在培養(yǎng)皿中加入適量蒸餾水(約2 mL),每4個培養(yǎng)皿裝入一個自封袋密封,黑暗處理的4個培養(yǎng)皿用以兩層錫箔紙封窗,之后分別放入3個溫度梯度的人工氣候培養(yǎng)箱內進行培養(yǎng)。

2017年11月3日將種子放入培養(yǎng)箱培養(yǎng),隨后每7 d觀察一次(每周五),持續(xù)6周,每次觀察時將已經(jīng)發(fā)芽的種子(以胚根突破種皮為標準)挑出培養(yǎng)皿,根據(jù)需要補充蒸餾水,保持濾紙濕潤、清潔。黑暗處理的種子萌發(fā)的觀測在暗室中的安全綠光LED燈(中國深圳萬科,光譜輸出為515 nm—530 nm,吸收峰值為520 nm)下進行。每次記錄種子發(fā)芽數(shù)以及出現(xiàn)的特殊情況(如是否發(fā)霉等),最后一次觀察時統(tǒng)計未發(fā)芽種子數(shù)(本研究的目標是檢驗新成熟種子的萌發(fā)能力與環(huán)境的關系,因此對未發(fā)芽種子不進行是否有活力試驗)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

采用廣義線性模型(GLMs)檢驗各環(huán)境因子及其交互作用對種實性狀以及萌發(fā)率的影響(對所有模型的主因子和交互因子執(zhí)行遞歸法模型篩選,直到模型僅包含顯著的主因子/交互作用(P<0.05)),用卡方(X2)檢驗顯著性。其中萌發(fā)率服從二項分布,果實重量、長、寬、長寬比、種子千粒重服從正態(tài)(高斯)分布,種子數(shù)量服從泊松分布。利用Tukey檢驗比較不同海拔果實和種子性狀的平均值之間的顯著差異性。

數(shù)據(jù)分析在R(3.5.1)中進行。二項分布誤差和廣義線性模型基于lme4包、MASS包、lmerTest包、plyr包、car包進行；Tukey檢驗基于multcomp包進行。文中和圖形中的數(shù)據(jù)采用原始數(shù)據(jù)的均值(±se)展示。

2 結果分析

2.1 果實與種子表型性狀

薄毛海綿杜鵑的果實為蒴果,干燥后呈棕褐色,因長寬比的差異,形狀由橢圓形至倒卵形,果柄朝上。不同海拔的薄毛海綿杜鵑果實和種子在數(shù)量性狀上存在顯著差異(P<0.05,種子千粒重除外)。種子細小扁平為粉末狀,顏色隨海拔的變化由黑棕色(4183—4480 m)過渡至黃色(4527—4724 m)。果實干重(25個果實)為(2.13±0.18)g—(4.03±0.06)g,海拔4724 m樣點果實最重,海拔4183 m樣點果實最輕。果實長度為(10.50±0.25)mm—(14.91±0.28)mm。果實寬度為(4.52±0.09)mm—(6.22±0.16)mm。4183、4673、4724 m的果實長寬比均在2.30以上,果實外形較瘦長,其他幾個海拔的杜鵑果實長寬比較小,長寬比均在2.30以下,果實外形較肥碩。單果種子數(shù)最少為(73.50±7.69)粒(海拔4183m樣點處),單果種子個數(shù)最多為(435.25±50.8)粒(海拔4673 m處)。種子千粒重為(0.05±0.01)g—(0.10±0.01)g,4183—4577 m種子千粒重差異不大,而海拔4673 m和4724 m的種子千粒重較小,分別為(0.05±0.005)g、(0.06±0.01)g。

2.2 果實重量隨環(huán)境因子的變化

海拔、坡度、土壤濕度顯著影響果實重量(P<0.05,表3)。果實重量隨著海拔、坡度升高而增加,隨土壤濕度增大果實重量減小(圖1),果實重量最小值(2.13±0.18)g出現(xiàn)在海拔4183 m、坡度較小(2.5°)和土壤濕度47.4%環(huán)境條件下,而果實重量最大值(4.03±0.06)g在海拔4700 m、坡度37°和土壤濕度18.5%環(huán)境條件下(圖1)。

圖1 果實重量隨海拔、坡度、土壤濕度的變化

2.3 果實長度、寬度、長寬比隨環(huán)境因子的變化

海拔、坡向和坡度交互作用顯著影響果實長度(P<0.01,表3),其他環(huán)境因子間無顯著交互作用(P>0.05)。果實長度隨著海拔升高而增加,最大值(14.91±0.28)mm出現(xiàn)于海拔4724 m處；最小值(10.50±0.25)mm出現(xiàn)于海拔4270 m處(圖2)。

坡度、坡向以及土壤濕度顯著影響果實寬度(P<0.05,表3)。果實的寬度隨坡度的增大而增加,隨坡向和土壤濕度的增大而減小,最大值(6.22±0.16)mm出現(xiàn)于海拔4724 m處；最小值(4.52±0.09)mm出現(xiàn)于海拔4183 m處(圖2)。

表3 環(huán)境因子對薄毛海綿杜鵑單果個數(shù)、種子千粒重以及對果實的重量、長度、寬度與長寬比的影響

圖2 果實長度、寬度、長寬比隨顯著相關環(huán)境因子的變化

而海拔、坡度、土壤溫度、坡向和坡度交互作用顯著影響長寬比(P<0.05,表3)。果實長寬比隨海拔、坡度、土壤溫度的增加而呈現(xiàn)兩端大中間小的“U”型變化,最大值(2.50±0.05)mm出現(xiàn)于海拔4183 m處；最小值(1.88±0.04)mm出現(xiàn)于海拔4270 m處(圖2)。

2.4 單果種子數(shù)隨環(huán)境因子的變化規(guī)律

除土壤溫度(P=0.725)外,海拔、坡度、坡向、土壤濕度和坡向與坡度的交互作用顯著影響單果種子數(shù)(P<0.05,表3)。單果種子數(shù)隨海拔升高而增加；隨坡向增大而減少,且呈現(xiàn)陰坡(315°—45°)>半陰坡(45°—90°和270°—315°)>半陽坡(90°—135°和225°—270°)>陽坡(135°—225°)的規(guī)律；隨坡度和土壤濕度的增大單果種子數(shù)呈先減少后增加的趨勢。單果種子數(shù)最大值為(435.25±50.8)粒,出現(xiàn)于海拔4673 m處；最小值為(73.50±7.69)粒,出現(xiàn)于海拔4183 m處(圖3)。

圖3 單果種子數(shù)隨海拔、坡度、坡向、土壤濕度的變化

2.5 種子千粒重隨環(huán)境因子的變化

坡度(P=0.068)、坡向(P=0.779)、土壤溫度(P=0.308)、土壤濕度(P=0.452)對種子千粒重無顯著影響,只有海拔因子顯著影響種子的千粒重(P<0.05,表3)。海拔4390 m種子的千粒重最大,為(0.10±0.01)g；海拔4673 m最小,為(0.05±0.005)g,且總體呈隨海拔的增大而千粒重減小的趨勢(圖4)。

圖4 種子千粒重隨海拔的變化

2.6 種子萌發(fā)對母體環(huán)境和培養(yǎng)光照、溫度的響應

除海拔顯著影響薄毛海綿杜鵑的種子萌發(fā)(P<0.01)外,其他因子對薄毛海綿杜鵑的種子萌發(fā)無顯著影響(P>0.05),種子萌發(fā)率隨著海拔的升高呈現(xiàn)出兩端低中間高的倒“鐘型”變化趨勢(圖5)。

圖5 海拔、溫度和光照海拔薄毛海綿杜鵑種子發(fā)芽率的影響

種子的萌發(fā)實驗在模擬日光照(12 h/12 h)和持續(xù)黑暗兩種條件下進行,結果顯示薄毛海綿杜鵑的種子在黑暗條件下發(fā)芽率較低,且在有光條件下,第二周開始出現(xiàn)萌發(fā),在第六周時達到46.2%。

在5/1 ℃條件下8個海拔的種子均不萌發(fā)；在15/2 ℃條件下,海拔4183m的種子從第4周開始出現(xiàn)萌發(fā),且隨著海拔的升高,種子起始萌發(fā)時間縮短為3周；25/5 ℃條件下,種子起始萌發(fā)時間在高海拔4673 m、4724 m和低海拔4183 m時均為3周,其余中海拔均為從第2周開始萌發(fā)；海拔為4673 m和4724 m時,兩個可萌發(fā)溫度(15/2 ℃、25/5 ℃)對種子萌發(fā)起始時間沒有影響。

除了海拔4724m的種子外,其他海拔的種子萌發(fā)率在20/5 ℃下的比15/2 ℃下高,且相同培養(yǎng)溫度條件下海拔間的種子萌發(fā)率存在顯著差異(P<0.05)。在25/5 ℃條件下,最高種子萌發(fā)率出現(xiàn)在海拔4480 m(97.0%)處,最低出現(xiàn)在海拔4270 m和4673 m(56.0%)處,其中在海拔4330、4390、4480、4577 m處種子萌發(fā)率均高于80.0%；在15/2 ℃條件下,種子萌發(fā)率最高出現(xiàn)在海拔4724 m(81.0%)處,最低出現(xiàn)在海拔4577 m(45.0%)處,其中萌發(fā)率在海拔4270 m(48.0%)—4330 m(79.0%)與海拔4673 m(49.0%)—4724 m(81.0%)之間存在顯著差異。

3 討論

3.1 結實特性

不同環(huán)境條件下薄毛海綿杜鵑的果實重量、形狀之間存在顯著差異(表2),隨著海拔升高和坡度增加,果實更重更大；坡向越小、土壤濕度越低時果實更重更大,最高海拔(4724 m)所采果實最大最重,長(14.91±0.28)mm、寬(6.22±0.16)mm、重(4.03±0.06)g。即在高海拔、坡度大、坡向小、土壤濕度低的區(qū)域,薄毛海綿杜鵑果實干重較重、長寬也較大。單從果實的重量、形狀來看,生活在較強脅迫(高海拔)條件下的薄毛海綿杜鵑繁殖投入比較大。惡劣環(huán)境條件下,常綠植物在長期進化過程中形成了加大繁殖投入的生存策略,即將同化的資源更多地分配到繁殖器官(果實和種子)中[20],進而可以產(chǎn)生更多的種子來完成繁殖過程。薄毛海綿杜鵑在高海拔脅迫環(huán)境(如氣溫低,土壤濕度低、土壤溫度低等)條件,通過提高自身的繁殖能力來結又大又重的果從而產(chǎn)生更多的種子使種群得到穩(wěn)定發(fā)展。

表2 不同海拔樣點的果實和種子性狀

海拔越高種子的千粒重越小,單果種子數(shù)也越多(P<0.05,圖3,圖4)。可能與高海拔生長季更短有關,導致種子生長所需的營養(yǎng)生長和發(fā)育時間減少[21],陳學林研究[22]也發(fā)現(xiàn)較短的生長季使種群更趨向于產(chǎn)生重量小的種子,但本研究中在高海拔較大繁殖分配策略的驅使下,杜鵑以更大量的種子來彌補和權衡。另外,小種子較大種子而言有更遠的傳播距離[23-25],這可能是高山植物應對環(huán)境脅迫、維持種群穩(wěn)定發(fā)展的對策,從而保證有足夠的種子數(shù)量、較強的種子擴散傳播能力以及增加種群更新成功幾率。

坡向是影響薄毛海綿杜鵑種子數(shù)量的主要環(huán)境因子(坡向和坡度之間有較強的交互作用,P<0.05),除陰坡的單個果實種子數(shù)顯著大于陽坡外,還表現(xiàn)出坡度較大或較小時的單果種子數(shù)顯著大于坡度適中時單果種子數(shù)的規(guī)律。這與陰坡的水分、土壤養(yǎng)分條件要比陽坡好有關,生活在陰坡的薄毛海綿杜鵑具有更強的繁殖能力。該結果也與郭其強等人調查[26]所得的分布規(guī)律一致。

在土壤濕度較高或較低時雖然單果種子數(shù)較多(P<0.05,圖3),但結合萌發(fā)實驗結果來看較高或較低的土壤濕度條件產(chǎn)生的種子萌發(fā)力低。低海拔4270 m的薄毛海綿杜鵑種群生活在河邊沼澤地,水分優(yōu)越(土壤濕度53.2%),單果種子數(shù)可達(310.25±34.3)粒,但種子的萌發(fā)率卻較低(< 60%)。而土壤濕度在28.3%—32.5%時單果種子數(shù)較少(99.75±20.5)?！?158±72.9)粒,但種子的萌發(fā)力卻較高(> 60%)?？赡芤驗榉N子在成熟的過程中如果受到水分脅迫(濕度過低或過高),導致種子的活力較低,萌發(fā)率不高[27],故生長在土壤濕度較適中環(huán)境里的薄毛海綿杜鵑種子的萌發(fā)能力較高,種子更為健康,種群發(fā)展更穩(wěn)定。同時,生活在土壤濕度較高或較低的薄毛海綿杜鵑通過加大繁殖投入(即產(chǎn)生大量的種子)的調整使適合度最大化[28-29]以保障幼苗能成功建植,來維持種群的生存。

3.2 萌發(fā)特性

薄毛海綿杜鵑種子的發(fā)芽能力與母體植株海拔密切相關。海拔作為間接影響因子,影響了溫度從而影響了薄毛海綿杜鵑種子的萌發(fā)能力。同高海拔、低海拔的種子相比,中間海拔的種子萌發(fā)率更高、萌發(fā)速率更快,可能是由于植物個體對低溫的適應性導致了同種之間種子萌發(fā)能力的差異。在西藏色季拉山,海拔4300—4500 m是薄毛海綿杜鵑的主要分布范圍[6],從本研究結果來看,不同溫度條件下所產(chǎn)種子的萌發(fā)能力是決定薄毛海綿杜鵑分布范圍的重要因素之一。

種子的萌發(fā)要求種子必須有活力且已打破休眠,其他環(huán)境需求如溫度、光照等也是影響種子萌發(fā)的重要因素[30-34]。而種子的萌發(fā)特性恰恰反映了物種對生存環(huán)境的適應能力[35]。

光是植物的生命活動中必不可少的因子之一[32],本研究中,種子經(jīng)過了六周的培養(yǎng),薄毛海綿杜鵑種子在光照條件下能發(fā)芽,萌發(fā)率為(46.25±0.37)%,而黑暗條件下種子極少萌發(fā)(萌發(fā)率<1%)。張茂林[36]也發(fā)現(xiàn)光照是影響杜鵑花種子萌發(fā)的重要環(huán)境因素。在溫帶的高海拔地區(qū),由于光照受到冬季積雪和夏季太陽輻射的強烈影響,光是反映種子在土壤中的位置/雪埋深度的空間信號[37],光照成為影響薄毛海綿杜鵑種子萌發(fā)的一個重要環(huán)境因子。薄毛海綿杜鵑的蒴果中種子數(shù)量多,但種子個體呈粉末狀,Milberg[38]提出種子萌發(fā)對光的需求與種子質量共同進化,小種子的萌發(fā)更加依賴光照。薄毛海綿杜鵑的種子屬于需光性種子,對光的響應有利于種子等待冬春季融雪或土壤干擾后,接近地面(有光照)再萌發(fā),降低小種子在冬季較深雪埋環(huán)境或較深的土埋條件下萌發(fā)但出土失敗的概率,有利于儲存能量有限的小種子的幼苗建成。

溫度顯著影響薄毛海綿杜鵑種子萌發(fā)率和萌發(fā)速率,除在5/1 ℃條件下8個海拔的種子均不萌發(fā),而在15/2 ℃(萌發(fā)率63.0%)和25/5 ℃(萌發(fā)率75.8%)條件下種子均有大量萌發(fā),且適當?shù)母邷乜杉涌旆N子的萌發(fā)進程。薄毛海綿杜鵑的萌發(fā)溫度需求與大白杜鵑(R.decorum)和秀雅杜鵑(R.concinnum)的生長需求相似[39-40],其最適宜的生長溫度為 15—25 ℃,在 5 ℃條件生長趨于停滯,因而適宜在比較溫暖的春夏季萌發(fā)。薄毛海綿杜鵑種子萌發(fā)對溫度的響應,調控種子在高寒地區(qū)相對高溫條件下萌發(fā)(春夏季),而在低溫條件下(秋冬季)不萌發(fā),這有利于高寒植物種子避免在種子成熟的晚秋、冬季寒冷條件下萌發(fā),從而保證幼苗的存活,是種子萌發(fā)階段對高寒環(huán)境的適應。

4 結論

本研究通過調查和實驗闡明了海拔梯度上(4183—4673 m)薄毛海綿杜鵑結實和萌發(fā)特性與環(huán)境之間的關系,主要結論如下：

(1)在高海拔低溫脅迫環(huán)境下,薄毛海綿杜鵑的生殖投入加大,果實大且質量重,而種子數(shù)量多但質量輕,該特征有利于種子的擴散和種群在脅迫環(huán)境下繁衍成功；

(2)坡向是影響單果種子數(shù)量的主要環(huán)境因子,陰坡單果種子數(shù)顯著大于陽坡,生活在陰坡的薄毛海綿杜鵑的繁衍能力更強；

(3)較高和較低土壤濕度都會影響薄毛海綿杜鵑的種子質量,中等土壤濕度(28.3%—32.5%)薄毛海綿杜鵑種子萌發(fā)能力最強；

(4)薄毛海綿杜鵑的種子是需光性種子且適宜在溫暖的春夏季萌發(fā),體現(xiàn)出種子萌發(fā)特性對高寒地區(qū)萌發(fā)季節(jié)的篩選功能,是一種對高寒地區(qū)生長季短、春季雪埋等特殊生境的適應策略。

薄毛海綿杜鵑作為高山林線的一種指示灌叢,海拔4330—4480 m的薄毛海綿杜鵑與其他海拔的薄毛海綿杜鵑相比,無論是結實特性或萌發(fā)特性其性狀指數(shù)均較高,可知海拔4330—4480 m為薄毛海綿杜鵑種群的最適分布范圍。全球變化背景下,未來藏東南的暖濕化可能會導致薄毛海綿杜鵑種群的分布區(qū)向高海拔擴張。