蔣宏宇，李長慧，孫 熠，梁德飛

（1. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室, 青海 西寧 810016；2. 青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院,青海 西寧 810016；3. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016）

繁殖分配作為植物關(guān)鍵生活史策略，是植物為了保證種群延續(xù)分配至繁殖體的資源比例[1]。不僅是種群、群落生態(tài)學(xué)研究中的核心，也是生物演替及生態(tài)系統(tǒng)功能維持的基礎(chǔ)[2]。植物通過營養(yǎng)和繁殖體分配的權(quán)衡來提升自身競爭力以及優(yōu)化當(dāng)前和未來分配的權(quán)衡來達(dá)到種群最大化延續(xù)[3]。植物競爭優(yōu)勢度以及資源利用的有效性等過程都依賴于能量和養(yǎng)分的繁殖分配比例[4]。養(yǎng)分儲備是決定生物量分配的前提[5]，是植物生長適應(yīng)生境的基礎(chǔ)[6]，然而養(yǎng)分繁殖分配過程得到的關(guān)注相對較少[7-8]。植物經(jīng)過長期自然選擇調(diào)節(jié)繁殖分配以最大化適應(yīng)生境的脅迫[9-10]。尤其在氣候條件惡劣的青藏高原，植物對能量和養(yǎng)分的權(quán)衡分配是適應(yīng)區(qū)域生境的重要機(jī)制[11]。

地處祁連山南麓的青海江倉礦區(qū)是黃河重要支流大通河的發(fā)源地。然而經(jīng)過多年的露天煤炭開采，大面積煤矸石堆積的渣山導(dǎo)致區(qū)域高寒草地嚴(yán)重受損，因此渣山生態(tài)恢復(fù)是保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全以及黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的必要措施。礦山堆積、沉陷等過程會改變植物適應(yīng)性，如禾本科植物短花針茅(Stipa breviflora)通過降低千粒重及繁殖分配比例來適應(yīng)神木礦區(qū)的采煤沉陷[12]。青海江倉礦區(qū)由于地處高寒地區(qū)，惡劣的氣候條件導(dǎo)致恢復(fù)植物因生長季短而難以完成正常的生活史[13]。植物向繁殖體養(yǎng)分分配增多有助于完成種子成熟等生活史過程[6]，因此通過研究植物繁殖分配變異篩選適宜恢復(fù)植物可能是提升渣山生態(tài)恢復(fù)效率的有效措施。

同時渣山坡向的溫度、水分和土壤等生境條件存在差異，決定了在恢復(fù)過程中需根據(jù)坡向變化來選擇適宜的植物及措施。山西陽泉礦區(qū)植物物種多樣性隨煤矸石山坡向變化而變化[14]，福建長汀礦區(qū)渣山陽坡的植物物種更豐富[15]，青海江倉礦區(qū)陽坡和平地上植物平均高度和蓋度高于陰坡[16]。植物還能通過繁殖體及營養(yǎng)體資源分配的權(quán)衡以適應(yīng)坡向變化等生境變異[17-18]，如祁連山霸王(Zygophyllum xanthoxylum)通過增大繁殖分配比例以適應(yīng)北坡到南坡的生境變異[19]。植物將資源投入到繁殖體以適應(yīng)低溫[20]，分配能量至葉片促進(jìn)光合以應(yīng)對光照條件不足[21]，分配資源到根部以適應(yīng)土壤養(yǎng)分的缺乏[22]。同時水分缺乏會使得禾草繁殖分配降低導(dǎo)致雜類草升高[23]，而隨著海拔升高，植物個體變小且繁殖分配升高[20]。資源向繁殖體分配的增大暗示了種子有更高的生存保障，向營養(yǎng)分配傾向意味著根部抗逆性的增強(qiáng)[24]。為此，本研究假設(shè)從渣山陰坡、平地到陽坡，光輻射增多、溫度升高、風(fēng)蝕效應(yīng)和水分下降等生境變化使得恢復(fù)植物向繁殖體的生物量和養(yǎng)分分配增高，且不同植物對坡向有不同的響應(yīng)。以3 種典型恢復(fù)植物老芒麥(Elymus sibiricus)、冷地早熟禾(Poa crymophila)和小花堿茅(Puccinellia tenuiflora)為研究對象，分析不同坡向下恢復(fù)植物生物量繁殖分配和養(yǎng)分繁殖分配的變化，為渣山植物引種篩選提供理論支撐，以提升高寒礦區(qū)渣山恢復(fù)效率。

1 材料與方法

1.1 研究位點概述

試驗區(qū)位于青海省天峻縣江倉礦區(qū)5 號井(38°03′32″N，99°26′57″E，海拔3 870 m)，該區(qū)域?qū)俑咴箨懶詺夂?，年均氣?4.2 ℃，年均降水量477 mm，蒸發(fā)量1 049 mm，平均風(fēng)速2.9 m·s-1。區(qū)域原生植被以矮生嵩草(Kobresia humilis)、華扁穗草(Blysmus sincompressus)和木里苔草(Carex muliensis)為優(yōu)勢種，伴有矮金蓮花(Trollius farreri)、長毛風(fēng)毛菊(Saussurea hieracioides)和濕生扁蕾(Gentianopsis paludosa)等常見種。土壤類型為沼澤草甸土，且常年凍土覆蓋。近年來露天煤礦的大面積開采，大量煤矸石以及腐植表土、風(fēng)化巖土的堆積形成渣山。

1.2 試驗設(shè)計

2016 年6 月，在位于江倉礦區(qū)5 號井南渣山的山頂平地、陽坡(坡度13.8°，坡向南偏東30°)和陰坡(坡度18.3°，坡向北偏西12°)上分別布設(shè)試驗，人工將地表較大的石礫撿除后將樣地耙平；設(shè)置樣地大小為10 m × 10 m，樣地間距2 m，并重復(fù)3 次；播種草種為高寒區(qū)常見的恢復(fù)物種老芒麥、冷地早熟禾和小花堿茅；播種量為5 g·m?2，播種比例2 ∶ 1 ∶ 1，種子輕輕撒播于地表后輕耙地表并鎮(zhèn)壓踩實，以保證播種種子充分接觸土壤；之后撒施有機(jī)肥(3 kg·m?2)，再覆蓋無紡布(20 g·m?2)；播種完成后用圍欄將樣地封育以防止放牧破壞。

樣地圍封3 年后，于2019 年8 月在每個樣地內(nèi)分別隨機(jī)選取每種恢復(fù)植物10 株，將地上部分剪下，裝入冰盒后帶回實驗室。將每株植物的繁殖體、葉片和莖稈分開，并置于65 ℃烘箱中烘干至恒重。用萬分之一天平(Sartorius BSA 224S，德國)稱量每株植物繁殖體、葉片和莖稈的生物量，用以計算個體大小和生物量繁殖分配比例。同時在每個樣地內(nèi)隨機(jī)選取3 個50 cm × 50 cm 樣方，將樣方中植物的地上部分齊地表剪下，并將3 種恢復(fù)植物區(qū)分開，分別稱量每種植物的地上生物量(精確到0.000 1 g)。隨后將繁殖體、葉片和莖稈分開，將其粉碎用以測定不同組織的氮、磷含量。植物取樣完成后在每個樣地用1 cm 直徑的打孔器隨機(jī)采集5 個0 ? 5 cm表層渣山土壤并充分混合均勻后測定土壤理化性質(zhì)。

植物全氮、全磷利用濃硫酸 + 雙氧水消解，土壤全氮用濃硫酸 + 催化劑(硫酸鉀 ∶ 硫酸銅 ∶ 硒粉 =100 ∶ 10 ∶ 1)消解，土壤全磷用濃硫酸 + 高氯酸消解，土 壤 速 效 氮 和 速 效 磷 用2 mol·L?1氯 化 鉀 和0.5 mol·L?1碳酸氫鈉浸提，之后均用流動分析儀測定(SEAL A++，德國)[25]；土壤有機(jī)質(zhì)采用濃硫酸 +重鉻酸鉀法測定[26]。

1.3 統(tǒng)計分析

生物量繁殖分配(biomass reproductive allocation,BRA)計算公式如下[27]：

式中：Cr表示特定物種繁殖體養(yǎng)分含量，Cl表示葉片養(yǎng)分含量，Cs表示莖稈養(yǎng)分含量。

單因素方差分析植物繁殖體、葉片、莖稈生物量和養(yǎng)分含量等功能性狀之間的差異，相同物種在坡向間的差異，以及土壤理化性質(zhì)在坡向間的差異；雙因素方差分析坡向和物種對生物量繁殖分配、養(yǎng)分繁殖分配、個體大小和地上生物量的影響。線性回歸分析繁殖分配之間以及與組織養(yǎng)分含量等功能性狀之間的關(guān)系。使用SPSS 25.0 軟件分析數(shù)據(jù)，Origin 2015 作圖，顯著性水平為P＜ 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化特征

礦區(qū)渣山陽坡土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于陰坡(P＜0.05)；陽坡土壤全氮含量顯著高于陰坡和平地(P＜0.05)；另外渣山坡向間土壤pH、全磷含量和速效養(yǎng)分含量無顯著差異(P＞ 0.05) (表1)。

表1 不同坡向土壤理化特征Table 1 Soil physicochemical characteristics of different slope aspects

2.2 坡向?qū)Ψ敝撤峙涞挠绊?/h3>

在陽坡上老芒麥和冷地早熟禾的繁殖體、葉片和莖稈生物量顯著均高于陰坡(P＜ 0.05)，而小花堿茅在陰坡上顯著高于陽坡(P＜ 0.05)；老芒麥和冷地早熟禾在陽坡的繁殖體氮含量顯著高于陰坡(P＜0.05)；小花堿茅和冷地早熟禾在陽坡的繁殖體磷含量顯著高于陰坡(P＜ 0.05) (表2)。另外，植物繁殖體氮含量高于葉片(P＜ 0.001)，同時葉片氮含量顯著高于莖稈(P= 0.008)；繁殖體磷含量高于葉片和莖稈(P= 0.021)。

表2 恢復(fù)植物不同器官生物量和氮、磷在坡向間變化Table 2 Changes in biomass and concentrations of nitrogen and phosphorus of restoration plant tissues between different slope aspects

坡向?qū)謴?fù)植物生物量繁殖分配影響顯著(P＜0.05) (表3)，陽坡平均生物量繁殖分配19.98%，顯著高于陰坡13.25% (P＜ 0.05)，平地介于二者之間(圖1)。坡向?qū)χ参锷锪糠敝撤峙涞挠绊懸蕾囉谖锓N(表3)，表現(xiàn)為在陽坡生物量繁殖分配從大到小依次為老芒麥、冷地早熟禾和小花堿茅，且彼此間差異顯著(P＜ 0.05)，平地上老芒麥和冷地早熟禾顯著高于小花堿茅(P＜ 0.05)，而在陰坡上小花堿茅顯著高于老芒麥(P＜ 0.05) (圖1)。

圖1 坡向?qū)謴?fù)植物生物量繁殖分配的影響Figure 1 Effect of slope aspects on biomass reproductive allocation of restoration plants

表3 渣山坡向和植物物種對生物量繁殖分配、氮繁殖分配和磷繁殖分配的影響Table 3 Two-way ANOVA analysis of the effect of slope aspect and plant species on biomass and nitrogen and phosphorus reproductive allocation

與生物量繁殖分配相似，坡向也改變了植物氮繁殖分配(表3)，陽坡上平均氮繁殖分配33.96%，顯著 高 于 陰 坡(25.51%) (P＜ 0.05)，平 地 介 于 二 者 之間，且與二者無顯著差異(P＞ 0.05) (圖2)；坡向、坡向及物種的交互作用對氮繁殖分配的影響顯著(P＜0.05) (表3)，在陽坡和平地上，老芒麥和冷地早熟禾顯著高于小花堿茅(P＜ 0.05)，而在陰坡上小花堿茅顯著高于老芒麥(P＜ 0.05) (圖2)。

圖2 坡向?qū)謴?fù)植物氮素繁殖分配的影響Figure 2 Effect of slope aspect on nitrogen reproductive allocation of restoration plants

坡向?qū)χ参锪追敝撤峙溆绊戯@著(P＜ 0.05)(表3)，從陽坡到陰坡，植物磷繁殖分配逐漸降低，且陽坡(34.83%)顯著高于陰坡(25.40%) (P＜ 0.05)(圖3)。

圖3 坡向?qū)謴?fù)植物磷素繁殖分配的影響Figure 3 Effect of slope aspect on phosphorus reproductive allocation of restoration plants

從陽坡到陰坡，樣方植物地上生物量顯著下降(P= 0.031)，且陽坡生物量顯著高于陰坡和平地(P＜0.05) (圖4)。同時，坡向與物種對地上生物量的交互作用顯著(P＜ 0.001)，陽坡地上生物量以老芒麥最大，小花堿茅最小，冷地早熟禾介于二者之間，且與二者差異顯著(P＜ 0.05)；而在平地上地上生物量依次表現(xiàn)為冷地早熟禾 ＞ 老芒麥 ＞ 小花堿茅；在陰坡上冷地早熟禾和小花堿茅地上生物量顯著高于老芒麥(P＜ 0.05) (圖4)。

圖4 坡向?qū)謴?fù)植物地上生物量的影響Figure 4 Effect of slope aspect on aboveground biomass of restoration plants

植物個體大小因坡向變化而顯著變化(P=0.002)，陰坡上植物個體最小，顯著低于陽坡和平地(P＜ 0.05)，陽坡和平地間無顯著差異(P＞ 0.05)；物種間個體大小存在不同差異，以老芒麥植株個體最大，顯著高于小花堿茅和冷地早熟禾(P＜ 0.05)(圖5)。

圖5 坡向和物種對恢復(fù)植物個體大小的影響Figure 5 Effect of slope aspect and species on individual size of restoration plants

2.3 繁殖分配與植物功能性狀的關(guān)系

植物繁殖體氮含量分別與地上生物量和氮素繁殖分配，以及繁殖體磷含量和磷繁殖分配呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6)。表現(xiàn)為隨著植物繁殖體含量的增高，生物量和氮素繁殖分配顯著升高；隨著繁殖體磷含量的升高，磷繁殖分配顯著升高。另外植物養(yǎng)分繁殖分配比例均高于生物量繁殖分配，平均氮繁殖分配為29.27%，磷平均繁殖分配31.11%，二者均顯著高于生物量繁殖分配的17.27% (P＜ 0.001)。

圖6 繁殖體養(yǎng)分含量與繁殖分配的線性回歸關(guān)系Figure 6 Linear regression relationships between propagule nutrient concentration and reproductive allocation

隨著樣方地上生物量的增加，生物量繁殖分配和氮繁殖分配顯著升高，隨著植物個體越大，生物量、氮和磷繁殖分配均顯著升高(圖7)。此外，隨著生物量繁殖分配的增多，氮、磷繁殖分配顯著升高，同時磷繁殖分配也隨氮繁殖分配的升高而顯著升高(圖8)。

圖7 繁殖分配與地上生物量及植物個體大小的線性回歸關(guān)系Figure 7 Linear regression relationships between reproductive allocation and aboveground biomass and individual size

圖8 生物量、氮和磷繁殖分配相互之間的線性回歸關(guān)系Figure 8 Linear regression relationships between biomass and nitrogen and phosphorus reproduction allocation

3 討論與結(jié)論

植物將資源向繁殖體和營養(yǎng)器官的分配權(quán)衡是適應(yīng)生境的重要過程[29]。特別是高海拔區(qū)域高寒、低氧的氣候特征，以及煤炭開采堆積形成的煤矸石渣山結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等生境條件決定了引種植物生活史極短，難以保證種子成熟及根部返青的資源儲備[13]，因此如何通過資源的合理分配以提高存活概率是植物在礦區(qū)渣山生長的重要機(jī)制。

恢復(fù)植物生物量和養(yǎng)分繁殖分配比例從陰坡到陽坡逐漸升高，可能是因為渣山坡向生境通過改變植物器官養(yǎng)分含量而改變了繁殖分配過程。從渣山陰坡、平地到陽坡，恢復(fù)植物繁殖體氮、磷含量逐漸升高，而葉片氮、磷含量沒有顯著變化。植物依據(jù)生境資源異質(zhì)性變化而表現(xiàn)出多樣的功能分化[30]，組織養(yǎng)分儲備豐富意味著生物量等資源分配傾向[31]，通過權(quán)衡營養(yǎng)生長和繁殖分配比例，提升種群適合度等[32-33]。因此，隨著植物繁殖體氮含量的升高生物量及氮繁殖分配也顯著升高，且繁殖體磷含量的升高促進(jìn)了磷繁殖分配的增高。雖然從陰坡到陽坡，渣山土壤總氮和有機(jī)質(zhì)積累逐漸增多，但是在統(tǒng)計中與植物繁殖分配沒有顯著相關(guān)性，這可能是由于播種時間較短，恢復(fù)植物尚未能對土壤理化變異做出響應(yīng)。另外從渣山陰坡、平地到陽坡，接收到的光輻射能量升高，植物光合效率增大，有助于個體生物量積累[34]；同時也促進(jìn)了養(yǎng)分積累及循環(huán)過程[35]，植物生長的溫度及養(yǎng)分限制的緩解提升了地上生產(chǎn)力及碳積累水平[36]。植物個體大小、地上生物量與繁殖分配顯著的正相關(guān)關(guān)系也說明植物根據(jù)生境變異在保障當(dāng)前生長的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行繁殖體資源積累[37]。研究發(fā)現(xiàn)個體生長與繁殖體生長的異速關(guān)系，使得大個體比小個體植株能產(chǎn)生更多的繁殖體，甚至個體大小對繁殖分配的影響比生境及資源競爭等作用更大[38]，因此渣山坡向通過改變植物個體大小而間接地促進(jìn)繁殖分配。也有大量研究表明植物個體大小和繁殖分配呈顯著的負(fù)相關(guān)性[39-40]，和本研究結(jié)果不一致可能是因為礦區(qū)渣山是人工采礦的煤矸石堆積而成，形成時間短且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，人工建立系統(tǒng)的能量流動和養(yǎng)分循環(huán)過程與歷經(jīng)千萬年進(jìn)化的自然系統(tǒng)不一致[41]。相對于生物因子，溫度和水分等非生物因素可能是影響渣山植物繁殖分配等過程的關(guān)鍵因素[42]。個體大小和株叢數(shù)的地上生物量與生物量和氮素繁殖分配顯著正相關(guān)(圖7)，說明渣山坡向引起的個體大小和密度變化改變了植物繁殖分配過程[5]。在脅迫較低的陽坡，植物將更多的資源分配至繁殖體，未來生長的權(quán)衡分配占比增大[4]；相反的，在作為迎風(fēng)坡的陰坡，溫度低的同時風(fēng)吹干擾也更劇烈，植物只能以犧牲繁殖體分配為代價，將資源更多的分配于適應(yīng)當(dāng)前生長的營養(yǎng)體[9]。

不同恢復(fù)植物對坡向的響應(yīng)幅度不一致，表現(xiàn)在生境脅迫較弱的陽坡和平地上老芒麥和冷地早熟禾具有較高的生物量和氮繁殖分配，而在陰坡上小花堿茅具有更高的生物量和氮繁殖分配(圖1、圖2)。前人研究發(fā)現(xiàn)小花堿茅種子發(fā)芽率需保障足夠的水分供應(yīng)而對溫度的要求不高，且隨土壤pH的降低而降低[43]，同時還具有較高的耐鹽堿性[44]。以上特性可能是小花堿茅在渣山陰坡生長較好的原因，潛在的生理生化機(jī)制還需在后續(xù)研究中深入探討。坡向與物種之間顯著的交互作用說明在未來高寒礦區(qū)渣山恢復(fù)中，陽坡和平地上老芒麥和冷地早熟禾適宜引種，而在陰坡上小花堿茅有更高的適應(yīng)性。另外坡向與物種間的交互作用對磷繁殖分配無顯著影響說明復(fù)綠植物對氮更敏感。在高寒礦區(qū)渣山上，影響植物生長最主要營養(yǎng)元素可能是氮，這一結(jié)果也印證了中國北方草地生態(tài)系統(tǒng)植物生長主要受氮限制[45]。

引種植物平均生物量繁殖分配高寒區(qū)禾本科物種更低[46-47]，可能是因為渣山周邊是以莎草科物種為優(yōu)勢的沼澤化草甸，而引種植物是禾本科物種，植物與傳粉者之間的不匹配致使協(xié)同進(jìn)化關(guān)系紊亂[48]，進(jìn)而導(dǎo)致繁殖分配降低；同時多年生草本根莖繁殖比有性生殖更容易適應(yīng)高寒、低氧且基質(zhì)不穩(wěn)定等生境脅迫[32]。因此在高寒低氧且養(yǎng)分匱乏的礦區(qū)渣山，恢復(fù)植物資源權(quán)衡分配優(yōu)先供給當(dāng)下，通過降低繁殖體分配而提升生境適宜性。另外本研究不足之處在于未能包含植物地下生物量和養(yǎng)分，未來研究不僅要考慮地下過程，還需將植物化學(xué)計量、生理生化等特征綜合分析，為高寒礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)提供支撐。

綜上，高寒礦區(qū)渣山坡向改變了恢復(fù)植物繁殖分配過程。從陰坡、平地到陽坡，繁殖體養(yǎng)分含量增大，植物個體大小、地上生物量以及繁殖分配比例均顯著升高。且物種對坡向表現(xiàn)出不同的響應(yīng)，在陽坡和平地上老芒麥和冷地早熟禾的生物量和氮繁殖分配更高，而在陰坡上小花堿茅更高。后續(xù)高寒礦區(qū)渣山恢復(fù)中，需根據(jù)渣山坡向差異以及恢復(fù)植物繁殖分配權(quán)衡特征選擇適宜恢復(fù)措施，從而提升恢復(fù)效果。