高寒草地瑞香狼毒的開花物候特征及花壽命

李佳欣，張 勃，夏建強(qiáng)，孫淑范，汪 睿，李彥寶，鄭一凡

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

開花物候(flowering phenology)是植物重要的生活史特征之一，指植物在群落、種群和個(gè)體水平的開花和繁殖的季節(jié)性發(fā)生，因此開花物候代表了植物在不同生物尺度(biological scale)上的繁殖行為[1]。植物的開花物候強(qiáng)調(diào)其種群內(nèi)部分個(gè)體相對(duì)于其他個(gè)體或在群落內(nèi)相對(duì)于其他物種在特定時(shí)間開花的適應(yīng)性[2]，在一定程度上反映了植物種群對(duì)特定生境的繁殖策略[3]。開花物候顯著影響繁殖，從多個(gè)水平上研究植物的開花物候特征及其時(shí)空變異性，對(duì)揭示植物開花時(shí)間進(jìn)化的選擇壓力[4-6]、全面理解植物開花物候特征的適應(yīng)性具有重要意義。

花壽命(floral longevity)是影響植物個(gè)體開花物候的重要因素，花壽命的長(zhǎng)短在一定程度上決定了植物花展示的大小，從而影響傳粉者的訪花頻次及花粉轉(zhuǎn)移效率，最終影響植物的繁殖適合度(fitness)[7]。植物的花壽命不僅受到植物開花時(shí)間、開花數(shù)量和花大小等物種自身因素的影響，還與種群內(nèi)的傳粉者種類、豐富度等環(huán)境因子有關(guān)[8-10]。在缺乏傳粉者或傳粉者不穩(wěn)定的情況下，植物通常會(huì)通過延長(zhǎng)花壽命來避免對(duì)傳粉者的競(jìng)爭(zhēng)，提高其交配機(jī)率，保證繁殖成功[11]。因此，延長(zhǎng)花壽命是植物保證繁殖的一種有效機(jī)制。

瑞香狼毒(Stellera chamaejasme)屬于瑞香科(Thymelaeaceae)狼毒屬，是一種多年生毒雜草。近年來，由于氣候變化和人為因素(如放牧) 的干擾，草原退化日趨加劇，瑞香狼毒憑借其較強(qiáng)的萌生能力和抗逆性在退化草地中大面積擴(kuò)散，導(dǎo)致草地生產(chǎn)力急劇下降，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)平衡造成嚴(yán)重威脅[12]。因此，理解瑞香狼毒種群的繁殖與擴(kuò)散過程，揭示狼毒型草地退化機(jī)制，成為控制瑞香狼毒種群擴(kuò)散、遏制草原退化必須解決的科學(xué)問題。目前，有關(guān)瑞香狼毒種群生態(tài)學(xué)的研究主要集中在種群空間分布格局[13-14]、種子散布機(jī)制[15]、化感作用[16]及其防控[17]等方面；在繁殖生態(tài)學(xué)方面，Zhang 等[18]對(duì)該物種的傳粉者類群以及交配系統(tǒng)特征進(jìn)行了研究，然而，有關(guān)該物種的開花物候特征及其進(jìn)化意義尚未見報(bào)道。本研究以祁連山東緣高寒草地瑞香狼毒自然種群為研究對(duì)象，通過觀測(cè)不同水平的開花物候和花壽命特征，進(jìn)一步探討了瑞香狼毒開花物候特征及花壽命的進(jìn)化意義。本研究擬回答以下問題：1) 瑞香狼毒在不同水平的開花物候特征；2) 影響瑞香狼毒花壽命的因素。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

研究區(qū)域位于甘肅省天祝縣抓喜秀龍鎮(zhèn)白石頭溝(37°12′ N，102°47′ E)，海拔3 071 m。該地區(qū)氣候寒冷潮濕，年均溫?1 ℃，最冷月(1 月) 平均氣溫?18.3 ℃，最熱月(7 月)平均氣溫12.5 ℃，≥ 0 ℃年積溫約1 380 ℃·d，年日照時(shí)數(shù)2 663.3 h，年降水量423 mm，無絕對(duì)無霜期[19]。研究草地群落中，瑞香狼毒(Stellera chamaejasme)、矮嵩草(Kobresia humilis)和黃花棘豆(Oxytropis ochrocephala)等為優(yōu)勢(shì)種。

1.2 瑞香狼毒開花物候觀測(cè)

2019 年6 中旬，在瑞香狼毒自然種群(300 m ×100 m)開花初期，隨機(jī)選取未開花的瑞香狼毒個(gè)體(n = 86)，記錄每個(gè)個(gè)體的花序數(shù)，并標(biāo)記每個(gè)花序，同時(shí)記錄每個(gè)花序的小花數(shù)。當(dāng)個(gè)體內(nèi)的花序開始開放時(shí)記錄日期，自此每天記錄花序和個(gè)體的開花數(shù)，直到最后一個(gè)花序萎蔫并記錄日期。

1.2.1 瑞香狼毒花序、個(gè)體、種群水平的開花物候觀測(cè)

瑞香狼毒花序水平的開花物候觀測(cè)：瑞香狼毒花序內(nèi)第1 朵小花開花的日期為該花序的始花期(first flowering date)、花序內(nèi)小花開花數(shù)達(dá)到50%左右的日期為該花序的開花高峰期(peak flowering date)、花序內(nèi)最后1 朵小花開放的日期為該花序的終花期(last flowering date)。

瑞香狼毒個(gè)體水平的開花物候觀測(cè)：瑞香狼毒個(gè)體內(nèi)第1 個(gè)花序開花的日期為該個(gè)體的始花期，個(gè)體內(nèi)50%的花序開花的日期為該個(gè)體開花高峰期，個(gè)體內(nèi)最后1 個(gè)花序開花結(jié)束的日期為該個(gè)體的終花期。

瑞香狼毒種群水平的開花物候觀測(cè)：5%的瑞香狼毒個(gè)體開花時(shí)的日期為種群的始花期，50%的個(gè)體達(dá)到開花高峰時(shí)的日期為種群開花高峰期，95%的個(gè)體開花結(jié)束時(shí)的日期為種群的終花期。

花期持續(xù)時(shí)間(flowering duration)是植物從始花到終花所經(jīng)歷的時(shí)間。個(gè)體和花序水平的開花物候參數(shù)以所標(biāo)記的全部個(gè)體和花序的平均值計(jì)算。始花期統(tǒng)計(jì)參考Pickering[20]的方法，本研究中以2019 年的6 月20 日為第1 天(計(jì)為1)，6 月21 日為第2 天(計(jì)為2)，依此類推。

1.2.2 瑞香狼毒不同水平(個(gè)體、花序)開花振幅和開花同步指數(shù)

瑞香狼毒個(gè)體和花序水平的平均開花振幅(flowering amplitude)，指1 d 的開花數(shù)，用開花數(shù)·株?1和開花數(shù)·花序?1表示。

計(jì)算個(gè)體和花序水平的開花同步指數(shù)(flowering synchrony index)，用開花同步指數(shù)檢測(cè)開花同步性高低[21]：

式中：ej表示個(gè)體i和j花期重疊時(shí)間(d)，fi表示個(gè)體i開花的總時(shí)間(d)，n表示樣地中個(gè)體總數(shù)。Si的變異范圍為0～1：“0”表示種群內(nèi)個(gè)體花期無重疊，“1”則表示完全重疊，一個(gè)樣地中所有個(gè)體和花序S的平均值為一個(gè)樣地的開花同步性指數(shù)。

1.3 瑞香狼毒花壽命的測(cè)定

瑞香狼毒花序的花壽命為花序內(nèi)第1 朵小花開放到最后1 朵小花萎蔫所持續(xù)的時(shí)間，小花的花壽命為小花從開放到萎蔫持續(xù)的時(shí)間。

1.3.1 不同開花期花序的花壽命

在2019 年6 月 - 7 月瑞香狼毒的開花期，隨機(jī)選取未開花瑞香狼毒個(gè)體，將個(gè)體的每個(gè)花序(n =1 137)進(jìn)行標(biāo)記，觀察和記錄每個(gè)花序的始花時(shí)間和凋謝時(shí)間。最后，根據(jù)每個(gè)花序的始花時(shí)間和凋謝時(shí)間計(jì)算花序的花壽命。

1.3.2 不同開花期和花序不同位置小花的花壽命

在2020 年6 月 - 7 月瑞香狼毒的開花期，將瑞香狼毒的花期分為早期、中期和晚期3 個(gè)階段。早期為種群開花后1～10 d，中期為種群開花后10～20 d，晚期為種群開花后20～30 d。在每個(gè)階段，隨機(jī)選取瑞香狼毒個(gè)體上未開的不同花序(n > 25)，在同一花序上分別隨機(jī)標(biāo)記處于花序上邊緣、中部和頂部的小花各一朵，記錄每個(gè)小花開花時(shí)間和凋謝時(shí)間(圖1)。最后，根據(jù)每個(gè)小花開花時(shí)間和凋謝時(shí)間計(jì)算小花的花壽命。在計(jì)數(shù)小花的始花期時(shí)，以2020 年的6 月24 日為第1 天(計(jì)為1)，6 月25 日為第2 天(計(jì)為2)，依此類推。

圖1 瑞香狼毒花序不同位置小花的分布Figure 1 Distribution of flowers on a Stellera chamaejasme inflorescence

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用R 軟件一般線性模型(Linear Model)分析瑞香狼毒花序不同位置小花花壽命間的差異。運(yùn)用Pearson 相關(guān)分析瑞香狼毒小花/花序的花壽命分別與個(gè)體花序數(shù)、花序小花數(shù)和始花期之間總的相關(guān)關(guān)系。然后，運(yùn)用多元回歸分析，用各自變量(性狀)的偏回歸系數(shù)估測(cè)該性狀與小花(或花序)花壽命間的直接關(guān)系。使用R 3.6.1 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Sigmaplot 10.0 繪圖。

2 結(jié)果

2.1 瑞香狼毒的開花物候特征

該研究瑞香狼毒種群花期為6 月中下旬 -7 月下旬，種群水平花期持續(xù)時(shí)間為35 d；個(gè)體水平的平均花期持續(xù)時(shí)間為18.97 d，其中最短花期持續(xù)時(shí)間為9 d，最長(zhǎng)花期持續(xù)時(shí)間為28 d，個(gè)體水平的開花振幅和開花同步指數(shù)分別為1.22 開花數(shù)·株?1和0.86?；ㄐ蛩降幕ㄆ诔掷m(xù)時(shí)間為9.80 d，其開花振幅和開花同步指數(shù)分別為3.05 開花數(shù)·花序?1和0.78 (表1)。

表1 瑞香狼毒種群、個(gè)體和花序水平的開花物候Table 1 Flowering phenology of Stellera chamaejasme at the population, individual, and inflorescence levels

2.2 瑞香狼毒不同水平的開花動(dòng)態(tài)

在個(gè)體水平，種群開花后第1～5 天，開花個(gè)體的比例占總開花個(gè)體的18.60%，第6～15 天開花個(gè)體所占的比例最大，占總開花個(gè)體的67.45%。隨后開花比例下降，第16～31 天的開花個(gè)體的比例占總開花個(gè)體的13.95%，開花過程長(zhǎng)達(dá)31 d。在花序水平，種群開花后第1～10 天，開放花序的比例占總開花花序的23.03%，第11～15 天開花比例最大，占總開花花序的48.15%。隨后開花比例逐漸下降，第16～25 天的開花花序的比例占總開花花序的24.87%，第26～36 天的開花花序的比例占總開花花序的3.95%，開花過程長(zhǎng)達(dá)36 d (圖2)。

圖2 瑞香狼毒種群內(nèi)個(gè)體、花序開花動(dòng)態(tài)Figure 2 Flowering dynamics of individuals and inflorescences in the Stellera chamaejasme population

2.3 瑞香狼毒的花壽命及其影響因素

2.3.1 瑞香狼毒花序不同位置的小花花壽命比較

處于花序邊緣位置小花的花壽命最長(zhǎng)，為12.20 d；處于花序中部位置小花的花壽命居中，為11.35 d，且顯著低于花序邊緣位置小花的花壽命(P= 0.001)；處于花序頂部位置小花的花壽命最短，為9.32 d，且顯著低于花序中部位置小花的花壽命(P< 0.001) (圖3)。

圖3 瑞香狼毒花序不同位置小花的花壽命Figure 3 Floral longevity in differently positioned flowers on a Stellera chamaejasme inflorescence

2.3.2 瑞香狼毒小花和花序的花壽命與個(gè)體花序數(shù)、花序小花數(shù)和始花期的關(guān)系

小花的花壽命與個(gè)體花序數(shù)(P= 0.001)和花序小花數(shù)(P= 0.018)均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與花序始花期存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.001)(表2)。小花的花壽命與小花始花期(R2= 0.400，P<0.001)存在直接的極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，偏回歸系數(shù)為β= ?1.46；與個(gè)體花序數(shù)(R2= 0.006，P= 0.202)和花序小花數(shù)(R2= 0.002，P= 0.465)之間不存在直接的相關(guān)關(guān)系，其偏回歸系數(shù)分別為β= ? 0.13 和β=? 0.07 (圖4)。

表2 瑞香狼毒小花和花序的花壽命與個(gè)體花序數(shù)、花序小花數(shù)和始花期的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation of longevity of flower/inflorescence with inflorescence number per individual, flower number per inflorescence, and first flowering date in Stellera chamaejasme

花序壽命與個(gè)體花序數(shù)(P< 0.001)和花序小花數(shù)(P< 0.001)均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與花序始花期存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.001) (表2)?；ㄐ驂勖c花序小花數(shù)之間存在直接的極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2= 0.291，P< 0.001)，偏回歸系數(shù)分別為β= 1.43；與花序始花期之間存在直接的極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2= 0.368，P< 0.001)，其偏回歸系數(shù)為β=? 1.73；而與個(gè)體花序數(shù)之間無直接的相關(guān)性(R2=0.000，P= 0.799)，偏回歸系數(shù)為β= 0.02 (圖4)。

圖4 瑞香狼毒小花和花序的花壽命與個(gè)體花序數(shù)、花序小花數(shù)和始花期的直接關(guān)系Figure 4 Direct correlation of the longevity of flower/inflorescence with inflorescence number per individual,flower number per inflorescence, and first flowering date in Stellera chamaejasme.

3 討論與結(jié)論

3.1 瑞香狼毒的開花特性及其生態(tài)適應(yīng)性

植物為適應(yīng)特定的生境，演化出了不同的開花模式，主要分為“集中開花模式”和“持續(xù)開花模式”兩種，“集中開花模式”物種的個(gè)體每天或7 d 左右產(chǎn)生大量新花，“持續(xù)開花模式”物種的個(gè)體基本上每天或幾個(gè)星期產(chǎn)生少量新花[3,22]。本研究結(jié)果表明，瑞香狼毒每年開花1 次，且只有1 個(gè)開花高峰。在花序水平上，瑞香狼毒開花高峰期發(fā)生在種群開花后第11～15 天，5 d 內(nèi)開花花序占總花序的48.15%，開花同步指數(shù)達(dá)到了0.78；在個(gè)體水平上，在種群開花后的第6～15 天集中開花，開花個(gè)體比例占67.45%，開花同步指數(shù)達(dá)到了0.86，這與“集中開花模式”植物準(zhǔn)噶爾無葉豆(Eremosparton songoricum)[2]和銀沙槐(Ammodendron argenteum)[3]的開花同步指數(shù)相當(dāng)，二者分別為0.84 和0.87，說明瑞香狼毒的開花模式也屬于“集中開花模式”(mass-flowering pattern)。肖宜安等[23]認(rèn)為“集中開花模式”是植物在惡劣生境的選擇壓力下形成的一種繁殖適應(yīng)行為。一方面，集中開花有利于植物吸引足夠的傳粉昆蟲，對(duì)其進(jìn)行授粉；同時(shí)，集中開花的植物能在短時(shí)間內(nèi)大量結(jié)實(shí)，通過對(duì)捕食者的飽食效應(yīng)提高其種子的生存概率[24]。另外，瑞香狼毒是典型的異交植物[25]，不同個(gè)體開花同步性有利于個(gè)體間異交成功，提高其繁殖適合度。因此，在高寒草地，瑞香狼毒的集中開花是為提高繁殖成功和種子生存概率，實(shí)現(xiàn)其適合度最大化的一種適應(yīng)策略。

3.2 瑞香狼毒的花壽命及其影響因素

花壽命指花保持開放并具有功能的持續(xù)時(shí)間[7]，是有花植物的一個(gè)重要功能性狀。植物的花壽命會(huì)受到其生長(zhǎng)環(huán)境中傳粉者種類和豐富度的影響，當(dāng)傳粉者數(shù)量少和授粉不穩(wěn)定時(shí)，植物會(huì)選擇延長(zhǎng)花壽命來保證授粉，增加繁殖成功幾率[11]。本研究結(jié)果表明，瑞香狼毒無論是單花還是花序，開花越晚其花壽命越短。Rathcke[26]認(rèn)為植物所處生境中傳粉者數(shù)量的季節(jié)性變化是影響花壽命的主要因素之一。本研究觀察發(fā)現(xiàn)，瑞香狼毒種群在開花早期開花數(shù)量較少，傳粉昆蟲的種類和數(shù)量也較少，而在種群開花的中后期，傳粉昆蟲的數(shù)量明顯增多。據(jù)此，可以推測(cè)瑞香狼毒開花越晚，花壽命變短的原因可能與昆蟲傳粉頻率的變化密切相關(guān)。瑞香狼毒個(gè)體在種群開花早期具有相對(duì)較長(zhǎng)的花壽命，在開花后期具有相對(duì)較短的花壽命，是對(duì)傳粉昆蟲數(shù)量增多的一種適應(yīng)對(duì)策。此外，開花晚的花其花壽命較短，也可能與開花后期植物的光合產(chǎn)物不足以支持較長(zhǎng)的花壽命有關(guān)。

植物在花序不同位置上單花花壽命之間的變化是其增加花展示收益、減少不利影響的一種適應(yīng)性機(jī)制[7]。本研究結(jié)果顯示，位于瑞香狼毒花序邊緣、中部和頂部上的小花其花壽命存在顯著差異，邊花和中花的花壽命顯著長(zhǎng)于頂花的花壽命(P< 0.01)。Ishii 等[27]認(rèn)為，花序底部和中部花較長(zhǎng)的花壽命能增加花序水平的花展示，從而增加對(duì)傳粉昆蟲的吸引，有效促進(jìn)雌、雄適合度的實(shí)現(xiàn)。因此，花序邊緣和中部小花相對(duì)較長(zhǎng)的花壽命是瑞香狼毒通過增大花序的花展示，提高傳粉效率和適合度的一種繁殖對(duì)策。另外，花序頂部小花較短的花壽命可能與花序內(nèi)的資源限制有關(guān)[28]。Brunet[29]認(rèn)為邊緣和中部小花的開放及其種子發(fā)育會(huì)消耗大量資源，從而導(dǎo)致頂部小花受到資源限制而縮短花壽命。即頂部小花較短的花壽命是為保證早期種子發(fā)育成熟的一種資源保存的適應(yīng)策略(an adaptive strategy to conserve resources)。瑞香狼毒花序?yàn)轭^狀花序，花序內(nèi)的小花是從邊緣依次向頂端開放，當(dāng)瑞香狼毒頂花開放時(shí)，邊花大多已經(jīng)完成授粉進(jìn)入種子發(fā)育階段。因此，瑞香狼毒花序頂部小花花壽命的縮短可能是為保證邊緣和中部的種子發(fā)育成熟的一種資源保存策略。Arista 等[30]認(rèn)為植物花序內(nèi)不同位置小花的花壽命差異可能與該物種雌雄異熟特征和傳粉者的定向訪花運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因?yàn)檫@些因素會(huì)造成不同位置花獲得不同的繁殖成功機(jī)會(huì)(雄性適合度實(shí)現(xiàn))。但是，本研究瑞香狼毒種群并未發(fā)現(xiàn)有明顯的雌雄異熟現(xiàn)象，且傳粉昆蟲也未表現(xiàn)出定向的訪花行為。