王 娜, 夏 敏, 王 行, 劉振亞, 劉耘碩, 王好才, 肖德榮, 呂 梅

(1.西南林業(yè)大學(xué) 國家高原濕地研究中心/濕地學(xué)院, 云南 昆明 650224;2.溫州大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 浙江 溫州 325035; 3.貴州省威寧縣林業(yè)局, 貴州 威寧 553100)

地下芽庫在維持植物群落的結(jié)構(gòu)和功能，以及在受損植被的恢復(fù)中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用[1-4]。研究發(fā)現(xiàn)，在未受破壞的高草草原中有超過99%地上植株來源于地下芽庫[5]，在受破壞的高草草原中也有80%～85%的地上植株來自地下芽庫[6]。環(huán)境因子影響甚至決定著植物地下芽的形成和發(fā)展[7]。掌握地下芽庫多樣性特征及環(huán)境作用機制，對于保護和恢復(fù)植物多樣性具有重要的理論價值。

當(dāng)前，環(huán)境因子對植物地下芽庫的影響正受到越來越多的關(guān)注[8]。水分是影響植物地下芽庫類型和密度的關(guān)鍵因子[9]。植物芽庫的數(shù)量隨著降水量或土壤水分含量的增加而顯著增加[10]，土壤水分的虧缺可導(dǎo)致地下芽庫密度的下降[11]或無明顯影響[2]；另外，土壤水分也對植物芽庫的類型產(chǎn)生影響[12]。土壤養(yǎng)分是影響植物地下芽庫建成和動態(tài)的另一重要因素[3]。適度的土壤養(yǎng)分，有利于植物芽庫的形成和萌發(fā)，其中，增加土壤氮素可有效提高植物地下芽庫的密度[13]。外界干擾對植物地下芽庫也會產(chǎn)生影響[14]。放牧可顯著增加植物地下芽庫的總密度[15]，或?qū)е潞滩蓊怺16]、非禾本草本[17]植物芽庫中芽的數(shù)量減少；隨放牧強度的增加，根莖芽和鱗莖芽的密度顯著降低，但芽庫總密度保持不變[1]。通常情況下，植物地下芽庫的密度隨著海拔的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢[15]。可見，植物地下芽庫的多樣性與環(huán)境因子間有著極為復(fù)雜的關(guān)系。

在高寒地區(qū)，地下芽庫對植物種群及多樣性的維持發(fā)揮著重要作用[18]。在北美高寒草原，99%的地上植物莖來自地下芽庫[10]；在阿爾卑斯山，84%的高山草原以克隆植物為主導(dǎo)[19]。若爾蓋高原濕地是中國“兩屏三帶”生態(tài)安全格局中“川滇生態(tài)屏障”的重要組成，具有重要的生物多樣性與特有性保護價值，但其生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱[20]。研究表明，中國高寒地區(qū)分布的大部分植物都具有較強的無性繁殖能力[21]，其植物通過強大的克隆繁殖，在區(qū)域水土保持、生物多樣性保護中發(fā)揮著不可替代的作用。若爾蓋高原濕地生境的空間異質(zhì)性高，生境間環(huán)境因子存在較大差異[22]。若爾蓋高原濕地不同生境間的植物地下芽庫多樣性是否存在差異？影響這種差異的環(huán)境因子是什么？其影響途徑如何？目前尚缺乏研究。

本研究選擇若爾蓋高原濕地的沼澤、沼澤化草甸和草甸3種生境(見圖1)，重點研究各生境下芽庫的組成和密度，芽形態(tài)及生物量，芽生態(tài)化學(xué)計量特征，環(huán)境因子對植物芽密度、形態(tài)、生物量及生態(tài)化學(xué)計量的影響規(guī)律。通過研究，擬為若爾蓋高原濕地植物多樣性的保護和恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

圖1 若爾蓋高原濕地典型生境類型

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處青藏高原東北麓，橫斷山脈北段，四川省阿壩藏族羌族自治州北部，若爾蓋縣、紅原縣、瑪曲縣等境內(nèi)，地理位置為北緯32°25′—34°6′，東經(jīng)102°4′—103°8′，平均海拔3 430 m，屬高原寒溫帶濕潤氣候，年均溫0.7 ℃。年降水量660～750 mm，86%降雨量集中于4—10月，相對濕度64%～73%，年均蒸發(fā)量1 232 mm，日照2 389 h。

隨地形及水文條件的差異，若爾蓋高原濕地在空間形成了沼澤、沼澤化草甸和草甸等主體生境類型[23]。若爾蓋高原濕地植物物種分布較為豐富，主要有木里苔草(Carexmuliensis)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)，以及毛果苔草(Carexlasiocarpa)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)、四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、無脈苔草(Carexennrvis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2018年5—6月和2019年5—6月，在植物的生長初期，分別在以木里苔草(Carexmuliensis)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)為優(yōu)勢物種的沼澤(MA)、沼澤化草甸(MM)和草甸(ME)3種生境設(shè)置1 m×1 m樣方共計51個，其中，沼澤樣方11個，沼澤化草甸樣方17個，草甸樣方23個。分別調(diào)查樣方內(nèi)3種優(yōu)勢物種植物高度、蓋度、生物量等(表1)。在每個樣方，用剪刀齊地刈割25 cm×25 cm[24]面積內(nèi)的地上植物并裝袋，以測定植物地上生物量。高原濕地植物根系集中分布于土壤表層[25]，因此，用小刀和鐵鏟將刈割地上植物后的20 cm的地下土塊(地下植物及土壤)取出，裝袋帶回實驗室以測定植物芽庫和地下生物量。用定深泥炭鉆(型號：荷蘭Eijkelkamp 0 423SA)采集0—20 cm混合土壤樣品，用環(huán)刀(D:37 mm，H:50 mm)對泥炭鉆中的土壤進行取樣，剩余混合土壤裝入自封袋帶回實驗室，以測定土壤理化指標(biāo)。

表1 3種生境中優(yōu)勢植物物種的高度、蓋度及生物量特征

2.2 室內(nèi)分析

2.2.1 芽指標(biāo)的測定 依據(jù)芽在母株上的位置[26]，本研究將地下芽的類型分為水平生長根莖頂芽、向上生長根莖頂芽、根莖節(jié)芽和分蘗節(jié)芽4種類型。

在室內(nèi)，通過手工初步去除用于芽庫的研究樣品的泥土，然后放置清水池中洗凈以取出植物樣品(盡量避免傷害根莖和芽之間的連接)。將取出的植物樣品放置實驗室晾干，采用放大鏡(放大10倍)對不同生境的植物芽和芽痕進行觀察，并分別記錄芽的類型及數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，計算植物芽庫的總密度(芽/m2)，以及4種類型芽的分密度(芽/m2)[26]。用游標(biāo)卡尺測定地下芽的長度(mm)和直徑(mm)，并計算芽長/直徑比等形態(tài)指標(biāo)。用小刀將植物芽從根莖上取下，采用烘干稱重法(65 ℃，48 h)，測定地下芽的生物量[26]。采用H2SO4-H2O2消煮法，測定地下芽的全氮、全磷等化學(xué)計量指標(biāo)。

2.2.2 土壤理化指標(biāo)的測定 土壤含水率、pH值參照《土壤農(nóng)化分析》進行測定。采用H2SO4-H2O2消煮法，測定土壤全氮、全磷。采用1 mol/L氯化鉀溶液浸提法，測定土壤速效氮。采用M3浸提法，測定土壤的速效磷。采用酸洗法，測定土壤有機碳含量。通過公式(1)計算土壤容重(SBD)[27]：

SBD=0.857 2e-0.033 1OC+0.744 6e-0.002 7OC

(1)

式中：SBD為土壤容重(g/cm3)；OC為土壤有機碳含量(g/kg)。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 25.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)法，對3種生境植物地下芽庫的數(shù)量組成、形態(tài)及生物量，以及芽化學(xué)計量指標(biāo)等進行差異性檢驗。對不符合單因素方差齊性檢驗的數(shù)據(jù)進行l(wèi)g(x+1)的處理，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。通過Pearson相關(guān)性分析法，研究地下芽庫的密度、形態(tài)及生物量，以及化學(xué)計量學(xué)指標(biāo)與土壤的理化指標(biāo)，采樣的地理位置(經(jīng)緯度、高程)、大氣溫度、降水，以及植物蓋度、生物量的相關(guān)性。

在上述基礎(chǔ)，進一步選取與芽庫密度、形態(tài)、生物量及芽化學(xué)計量存在著顯著相關(guān)性的指標(biāo)，通過Stepwise回歸分析方法再進一步篩選影響芽庫特征的關(guān)鍵因子。使用R語言3.6.3版本中的Agricolae軟件包，對影響植物芽庫特征的關(guān)鍵因子進行路徑分析，最終研究直接影響因子對植物芽庫作用的路徑和貢獻率。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同生境的土壤理化特征

若爾蓋高原濕地3種生境的土壤理化性質(zhì)存在差異(表2)。沼澤的土壤水分、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量分別顯著高于沼澤化草甸和草甸的對應(yīng)指標(biāo)，沼澤和沼澤化草甸的土壤有機質(zhì)含量顯著高于草甸的土壤有機質(zhì)含量，而沼澤和沼澤化草甸的土壤有機質(zhì)含量無顯著差異，沼澤化草甸的土壤水分、全氮、速效氮、有機質(zhì)含量分別顯著高于草甸的對應(yīng)指標(biāo)，沼澤化草甸和草甸的土壤全磷、速效磷含量均無顯著差異，沼澤和沼澤化草甸的土壤容重分別顯著低于草甸的土壤容重，而沼澤和沼澤化草甸的土壤容重?zé)o顯著差異。3種生境土壤的pH值無顯著差異。

表2 若爾蓋高原濕地3種生境的土壤理化特征

3.2 芽庫組成及密度

3種生境的芽庫均由水平生長根莖頂芽、向上生長根莖頂芽、根莖節(jié)芽、分蘗節(jié)芽等4種類型組成，但組成比例不同(圖2a)。沼澤的芽庫以水平生長根莖頂芽為主(34.01%)，沼澤化草甸和草甸的芽庫則分別以根莖節(jié)芽、分蘗節(jié)芽為主(48.50%，60.43%)。沼澤的芽庫總密度(1 497±77 個/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫總密度(691±27 個/m2，294±32 個/m2)，后兩者間同樣存在顯著差異。

沼澤的芽庫水平生長根莖頂芽密度為(509±100 個/m2)，顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫水平生長根莖頂芽密度(126±31 個/m2，40±12 個/m2)，后兩者間無顯著差異。沼澤的芽庫向上生長根莖頂芽密度(304±50 個/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫向上生長根莖頂芽芽密度(93±21 個/m2，35±11 個/m2)，后兩間無顯著差異。沼澤和沼澤化草甸的芽庫根莖節(jié)芽密度(441±70 個/m2，335±45 個/m2)間無顯著差異，兩者均顯著高于草甸的芽庫根莖節(jié)芽密度(40±12 個/m2)。3種生境的芽庫分蘗節(jié)芽密度均無顯著差異。

3.3 芽的形態(tài)及生物量

沼澤的芽庫的芽長度(24.13±2.52 mm)顯著大于沼澤化草甸和草甸的芽庫的芽長度(13.50±1.84 mm，8.97±0.64 mm)，后兩者間同樣存在顯著差異。沼澤和沼澤化草甸芽庫的芽直徑(1.50±0.16 mm，1.26±0.09 mm)顯著大于草甸的芽庫的芽直徑(0.86±0.06 mm)，沼澤和沼澤化草甸芽庫的芽直徑間無顯著差異(詳見圖2b)。沼澤芽庫的芽長/直徑比(18.12±2.67)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的芽長/直徑比(11.83±1.89，11.93±1.57)，后兩者間無顯著差異(圖2b)。沼澤芽庫的芽生物量(9.55±1.14 g/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的芽生物量(5.81±0.53 g/m2，4.48±0.86 g/m2)，后兩者間無顯著差異(圖2c)。

3.4 芽的生態(tài)化學(xué)計量

沼澤芽庫的全氮含量(36.63±2.23 g/kg)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的全氮含量(23.16±1.44 g/kg，16.18±1.27 g/kg)，后兩者同樣存在顯著性差異。沼澤，沼澤化草甸和草甸芽庫的全磷含量分別為(3.77±0.32 g/kg，3.11±0.55 g/kg，2.48±0.32 g/kg)，三者間無顯著差異。沼澤，沼澤化草甸和草甸芽庫的氮/磷比分別為(10.31±0.9，16.55±4.9，10.35±1.8)，三者間無顯著差異(圖2d)。

注：①HAB為水平生長根莖頂芽; VAB為向上生長根莖頂芽; ARB為根莖節(jié)芽; SHB為分蘗節(jié)芽; BD為芽密度; BL為芽長度; BDI為芽直徑; BL/BDI為芽長/芽直徑; TNB為芽全氮; TPB為芽全磷; TNB/TPB為芽氮磷比； ②不同小寫字母代表地下芽庫各指標(biāo)在不同生境類型下p<0.05水平差異顯著。

3.5 芽庫的影響因素

芽庫的各項指標(biāo)與地理位置(經(jīng)緯度、高程)、大氣溫度、降水無顯著相關(guān)關(guān)系。芽庫的氮/磷比與木里苔草和華扁穗草的地上生物量有正相關(guān)性，芽長度與木里苔草的蓋度有正相關(guān)關(guān)系，但并不顯著，其他芽庫的指標(biāo)與3種優(yōu)勢植物的蓋度、生物量均無顯著相關(guān)性。芽庫的總密度、長度、直徑、全氮含量與土壤水分、土壤全氮、土壤速效氮等理化指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重均呈負相關(guān)關(guān)系，與土壤的pH值無顯著相關(guān)關(guān)系。芽庫的生物量與土壤水分、全氮、全磷等理化指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤容重、有機質(zhì)、pH值無顯著相關(guān)關(guān)系。芽庫長/直徑比與土壤全磷呈正相關(guān)關(guān)系，與其他土壤理化指標(biāo)無顯著相關(guān)關(guān)系。芽的全磷含量與土壤速效氮呈正相關(guān)關(guān)系，與其他土壤理化指標(biāo)無顯著相關(guān)關(guān)系。芽的氮/磷比與土壤理化指標(biāo)無顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。

土壤水分、速效氮和全磷是影響植物芽庫密度、生物量、形態(tài)和生態(tài)化學(xué)計量的直接因子(圖3)。土壤水分直接影響芽的密度、直徑、生物量和總氮含量，其中對芽庫總密度的影響最大(其通徑系數(shù)為0.916)。土壤速效氮、全磷是直接影響芽庫的密度、芽形態(tài)(芽長、芽直徑)以及芽總氮含量的直接因子，其中，土壤速效氮、土壤全磷對芽的長度的影響最大(其通徑系數(shù)分別為0.447，0.340)。

注：①SM為土壤水分;STP為土壤全磷;SAN為土壤速效氮;BD為芽密度;BL為芽長度;BDI為芽直徑;BB為芽生物量;TNB為芽全氮。②箭頭旁邊的數(shù)字是標(biāo)準(zhǔn)化的路徑系數(shù)，表示關(guān)系的強度； ③*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001。

4 討論與結(jié)論

本研究表明，若爾蓋高原濕地3種生境下植物芽庫的組成、形態(tài)及生態(tài)化學(xué)計量等存在差異，這與其所處環(huán)境中土壤的水分、養(yǎng)分(全氮、全磷等)等環(huán)境因子密切相關(guān)(表3)。通常，植物地下芽的產(chǎn)生、生長與存活受土壤水分的制約[28]，充足和穩(wěn)定的水分供給能促進植物地下芽的形成和發(fā)育[29]，并顯著提高植物芽在旱季的存活率[30]。本研究中的沼澤常年淹水，其土壤能為植物芽的生長與發(fā)育提供較為穩(wěn)定的水資源，促進了沼澤植物地下芽的形成、生長和發(fā)育，并有利于地下芽在若爾蓋高原地區(qū)旱季的存活。因此，沼澤生境植物芽庫的存量相對較大、密度最高。沼澤化草甸和草甸生境的土壤水分供給條件較沼澤次之，這對植物地下芽庫的形成、生長和發(fā)育較為不利，進而導(dǎo)致植物芽庫的存量小、密度低。這與Ding等[31]研究結(jié)果相似。另外，較高的土壤水分能促進根莖芽的發(fā)育[31]，而土壤水分的虧缺對分蘗節(jié)芽的形成有利[26]。因此，土壤水分的差異也是導(dǎo)致若爾蓋沼澤和沼澤化草甸以根莖芽為主、而草甸以分蘗節(jié)芽為主的重要因子。這與張繼濤等[26]對羊草地下芽庫組成與環(huán)境因子關(guān)系的研究結(jié)果相似。

表3 芽庫相關(guān)指標(biāo)與地理位置、植物和土壤等環(huán)境因子的相關(guān)性分析

芽庫存量與土壤養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)[4]。適宜的土壤養(yǎng)分(碳水化合物、全氮、全磷等營養(yǎng)元素)有利于植物地下芽的生命活動[4,8]，進而促進植物芽形成和萌發(fā)[7]。本研究中，沼澤生境的土壤養(yǎng)分含量(全氮、全磷、速效氮等)最高，可有效地促進植物芽的產(chǎn)生和生長[16]，這也是導(dǎo)致其芽密度最高的重要環(huán)境因子。而草甸生境的土壤養(yǎng)分含量最低，這可能對植物芽的產(chǎn)生與發(fā)育產(chǎn)生一定的抑制，從而使得該生境的芽密度最低。沼澤化草甸土壤養(yǎng)分條件介于沼澤與草甸之間，故其芽密度低于沼澤生境而高于草甸生境。適宜的土壤水分和養(yǎng)分有利于植物芽的生長[32]，從而對植物地下芽的形態(tài)特征和生物量產(chǎn)生影響。本研究中，沼澤植物地下芽的直徑、芽長等指標(biāo)最高，其次為沼澤化草甸，最小的為草甸。這同樣與土壤水分和養(yǎng)分含量密切相關(guān)(表3)。沼澤的土壤水分和養(yǎng)分含量最高，有利于植物地下芽的生長；草甸土壤水分和養(yǎng)分含量最低，不利于地下芽的生長；而沼澤化草甸土壤水分和養(yǎng)分介于兩者間，從而導(dǎo)致其芽直徑和長度低于沼澤但高于草甸生境。但是，3種生境芽的形狀指數(shù)(長/直徑比)與環(huán)境因子無顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是植物對差異環(huán)境的適應(yīng)有關(guān)[33]，相關(guān)調(diào)控機制有待進一步研究。

植物體內(nèi)的氮、磷含量不僅與其長期進化過程中的適應(yīng)機制有關(guān)，還與植物生長速率和養(yǎng)分利用效率密切相關(guān)[34]。環(huán)境因子通過影響植物的生長和養(yǎng)分的利用效率，進而對植物的化學(xué)計量指標(biāo)產(chǎn)生影響[35]。不同水分和養(yǎng)分條件下，植物對于氮、磷的利用效率存在差異，影響著植物體的養(yǎng)分積累[36-37]。本研究中，3種生境植物地下芽的全氮含量存在顯著差異(圖2d)，并與土壤水分和養(yǎng)分等相關(guān)指標(biāo)存在顯著相關(guān)關(guān)系(表3)，這可能與沼澤適宜的土壤水分和養(yǎng)分條件促進植物體對氮的利用以及在芽部的積累密切相關(guān)。但是，3種生境下的地下芽的氮/磷比等生態(tài)化學(xué)計量指標(biāo)間無顯著差異(圖2d)，并與土壤環(huán)境因子無顯著相關(guān)關(guān)系(表3)，其對不同生境適應(yīng)的調(diào)控機制有待深入研究。

地下芽的形成與發(fā)育主要通過與母株的生理整合來獲得營養(yǎng)[38]，芽庫的建成同樣依賴于母株自身的生理特點[39]。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，地下芽庫與地上植物的相似性可達20%～67%[40]。本研究中優(yōu)勢植物主要為木里苔草、藏蒿草、華扁穗草，三者的優(yōu)勢度隨著生境不同而存在差異。優(yōu)勢植物在穩(wěn)定芽庫數(shù)量方面發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用，甚至不受物種組成的影響[38]。因此，本研究中3種優(yōu)勢植物的芽庫隨著生境的不同而存在差異，這體現(xiàn)了該區(qū)域濕地植物的克隆繁殖策略與生長環(huán)境相關(guān)。本研究中的植物芽庫密度、生物量及形態(tài)指標(biāo)與3種優(yōu)勢植物的蓋度、生物量等指標(biāo)基本無顯著相關(guān)關(guān)系，這進一步表明優(yōu)勢植物對芽庫數(shù)量的穩(wěn)定具有決定性作用，而與物種組成關(guān)系不顯著。但是，由于本研究對地下芽的來源植物未準(zhǔn)確判定，這為深入探討地下芽庫特征與地上植物多樣性組成關(guān)系帶來不確定性。高原濕地植物多樣性豐富，生境的空間異質(zhì)性極高，地上植物多樣性、外界環(huán)境及其兩者對地下芽庫的協(xié)同作用機制有待于深入研究。

通過本研究，土壤水分、速效氮和全磷是影響植物地下芽密度、形態(tài)、生物量和生態(tài)化學(xué)計量指標(biāo)的直接因子(圖3)。土壤水分對芽庫總密度，芽的生物量、直徑和全氮均有極高的解釋度，其中，對芽庫總密度的解釋度超過90%。研究表明土壤水分是影響若爾蓋高原濕地植物地下芽庫多樣性的關(guān)鍵因子，維護和恢復(fù)濕地水環(huán)境是保護和恢復(fù)該區(qū)域濕地植物多樣性的基礎(chǔ)。