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) 國家地方聯(lián)合工程研究中心， 浙江 溫州 325035 )

生長與繁殖是植物實(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)。植物生長與繁殖對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氣候變化高度敏感(劉振亞等，2017)，因此研究湖濱帶植物生長與繁殖對外界環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律，是科學(xué)評估未來氣候變化對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)境因子均對植物的生長和繁殖產(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)、個體變小(Méndez & Traveset, 2003)，而對繁殖的投入增加(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，溫度增加對植物克隆生長或促進(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，植物克隆生長受到抑制(K?rner, 2007)，降水增加也能促進(jìn)植物克隆生長(Roa-Fuentes et al., 2012)。增加土壤養(yǎng)分可促進(jìn)植物個體的生長(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)分對植物生長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，研究植物生長和繁殖策略對環(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個高原湖泊湖濱帶的共有種(楊嵐和李恒，2010)，其克隆生長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與繁殖對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(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)境變化對植物克隆生長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未來氣候變化的響應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇納帕海、瀘沽湖、拉市海、滇池、杞麓湖、異龍湖等6個湖泊為研究地。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個湖泊的氣候、水、土壤等環(huán)境因子存在一定差異(表1)。

1.2 樣品采集

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1 m × 1 m樣方，其中納帕海6個、瀘沽湖4個、拉市海3個、滇池3個、杞麓湖3個、異龍湖4個，共計23個。野外測定樣方內(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，測定植株高度，用精度為0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量基徑。將結(jié)穗植株剪下帶回實(shí)驗(yàn)室，測定穗的形態(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，測定有關(guān)理化指標(biāo)。

1.3 室內(nèi)分析

1.3.1 地上生物量及有性繁殖指標(biāo)的測定 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，測定地上生物量。首先，在室內(nèi)用精度為0.1 cm的直尺測定每個樣方帶回的10株水蔥的穗長，記錄每穗小穗數(shù)、種子數(shù)等指標(biāo)，計算水蔥的結(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，分別測定穗生物量和植株生物量，計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，將每個樣方種子混勻，每個樣方分別選取水蔥種子200粒，3個重復(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)的測定 土壤有機(jī)碳含量(soil organic carbon，SOC)采用酸洗法測定(唐偉祥等，2018)，土壤全氮(soil total phosphorus，STN)、全磷(soil total phosphorus，STP)采用HSO-HO消煮法測定。水樣全氮(water total nitrogen，WTN)、全磷(water total nitrogen，WTP)采用連續(xù)流動分析儀(德國 SEAL Analytical AA3)測定。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。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0軟件，對不同區(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與繁殖特征的關(guān)鍵因子。使用R 4.01軟件中Agricolae軟件包對影響水蔥生長與繁殖的關(guān)鍵因子進(jìn)行路徑分析，研究關(guān)鍵影響因子對水蔥生長和繁殖的作用路徑和貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長與繁殖的空間差異

由表2可知，除地上生物量外，水蔥生長與繁殖參數(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)。

2.2 生長與繁殖的空間分布規(guī)律

水蔥種群生長和繁殖指標(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)。

2.3 影響水蔥生長與繁殖的因子及作用路徑

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)碳對穗生物量投資比的貢獻(xiàn)度為78%(圖2：B)。

3 討論與結(jié)論

植物生長和繁殖性狀能夠反映其對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(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，也是水蔥生長和繁殖策略對不同環(huán)境因子響應(yīng)的體現(xiàn)。與前人對文冠果生長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。

克隆生長和有性繁殖是植物生活史策略中的兩個重要方面，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，水蔥克隆生長與有性繁殖密切相關(guān)。水蔥有性繁殖特征大小對植物個體大小表現(xiàn)出較強(qiáng)的依賴性，植物生長性狀株高和基徑與植物對光的捕獲能力、抗機(jī)械損傷能力以及對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)，同時能支持更粗的維管結(jié)構(gòu)(Sun et al., 2016)，在植物良好生長的同時有性繁殖性狀得到促進(jìn)。隨著植物個體的增大，單株植物種子總數(shù)及種子總重量會增加(Susko & Lovett-Doust, 1998)，這可以解釋為植物個體越大，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省⒁种浦参锏暮粑饔?，使植物生長得到促進(jìn)，同時，在較高溫度下，植物生長季延長，升溫加速了有機(jī)質(zhì)的分解和土壤礦化，植物提高了對土壤養(yǎng)分的利用效率，從而促進(jìn)植物的營養(yǎng)生長和碳積累(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)溫度增加對植物克隆生長有抑制作用，存在這種差異的原因可能是非生物應(yīng)激條件下植物對資源的強(qiáng)烈競爭產(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，而水體氮磷含量對植物生長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)兩個方面。對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(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(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)分含量對植物生長和繁殖有重要影響，其中土壤氮含量對植物的克隆生長影響較大，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，植物葉面積增長快，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，本研究結(jié)果與增加土壤養(yǎng)分對植物個體生長的研究一致(Nasto et al., 2019)。本研究通過對植物克隆生長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和繁殖過程中影響最大，土壤養(yǎng)分含量對植物生長和繁殖有著顯著影響，在未來環(huán)境變化下水環(huán)境因子對高原湖泊植物繁殖特征的影響需要進(jìn)一步深入研究。