河北省森林草原區(qū)草本植物葉功能性狀種間和種內(nèi)變異1)

馮家寶

(河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實驗室(河北農(nóng)業(yè)大學(xué))， 保定，071000)

范順祥 侯煜飛 劇永望 馬天蕊 高英月 張志東

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)) (河北省林木種質(zhì)資源與森林保護(hù)重點(diǎn)實驗室(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)))

植物功能性狀是決定植物生長、定植、繁殖和存活的重要生理生態(tài)指標(biāo)[1]。它不僅影響著植物個體的外在表現(xiàn)，同時也影響著植物群落的構(gòu)成和生態(tài)功能。Diazd et al.[2]認(rèn)為植物功能性狀是聯(lián)系物種、生境條件和生態(tài)功能的紐帶。在種內(nèi)和群落水平上了解功能性狀之間的關(guān)系或權(quán)衡不僅有助于揭示物種對環(huán)境的適應(yīng)策略和群落構(gòu)建過程[3-5]，而且能夠更好的闡明生物多樣性的維持機(jī)制[6]。

功能性狀變異包括種內(nèi)和種間變異。一般來講，功能性狀在種間存在很大的差異。因而，種間變異常被用于定義植物生長、功能策略等方面[7]。也有學(xué)者認(rèn)為，種間變異對于群落構(gòu)建的作用更大[8]。種內(nèi)性狀變異是由種群間的遺傳差異、對環(huán)境梯度的可塑響應(yīng)和個體發(fā)育變化引起的[4]，是同種不同個體適應(yīng)不同環(huán)境能力的體現(xiàn)。長期以來，有關(guān)植物功能性狀的研究多以種間變異為主，對種內(nèi)性狀的研究較少[8-9]。然而，越來越多的證據(jù)表明，定量種內(nèi)性狀變異程度對于理解功能性狀在群落水平變異及生態(tài)過程中發(fā)揮的作用越來越大[10]?；诖?，結(jié)合種內(nèi)和種間性狀變異進(jìn)行理解群落構(gòu)建和生態(tài)過程就顯得很有必要。

植物葉片在大氣和陸地間碳交換方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用[11]，其功能性狀能夠很好的反映物種對環(huán)境的響應(yīng)、生活史權(quán)衡及資源獲取策略[12]。不同的光合途徑類型影響葉生理功能經(jīng)濟(jì)譜[13]。如相對于C3植物，C4草本植物通過葉結(jié)構(gòu)的特殊變化促進(jìn)光合作用，進(jìn)而提高了光合效率和水分利用效率[13]。闡明C3和C4植物葉功能性狀變異有助于更好的理解二者的光合機(jī)理和共存機(jī)制。

河北省塞罕壩地區(qū)處于華北典型森林-草原生態(tài)交錯帶，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，集森林、草原、草甸、沼澤為一體，物種多樣性豐富，其中以草本植物為主，是河北省少有的物種多樣性富集中心，具有重要的保護(hù)價值。特殊的生境條件和較高的草本物種多樣性為研究草本植物葉功能性狀變異和物種共存機(jī)制提供了良好的條件。本研究在景觀水平進(jìn)行分層隨機(jī)取樣的基礎(chǔ)上，基于光合作用途徑對草本植物進(jìn)行了功能群的劃分，通過比較5種功能性狀的種間和種內(nèi)變異，試圖闡明研究區(qū)C3和C4草本植物主要功能性狀的差異和相關(guān)性，為森林-草原生態(tài)交錯帶物種多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市塞罕壩國家級自然保護(hù)區(qū)(42°22′～42°31′N，116°53′～117°31′E)。本區(qū)地貌是高原—波狀丘陵—漫灘—接壩山地的組合體。氣候?qū)儆跍貛О霛駶櫄夂蚺c溫帶半干旱氣候的過渡區(qū)。年均氣溫-1.5 ℃，極端最高氣溫30 ℃，極端最低氣溫-42.8 ℃，≥5 ℃的年積溫1 930.7 ℃；年均降水量452.6 mm，蒸發(fā)量1 230 mm；植被由森林向草原過渡，草本植物物種多樣性豐富，占到了所有物種的80%以上，主要由委陵菜(Potentillachinensis)、冰草(Agropyroncrsiatutm)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、金蓮花(Trolliuschinensis)、披針葉苔草(Carexlanceolata)等物種構(gòu)成[14]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置和樣品采集

于2014年7—9月份在研究區(qū)進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查和樣品采集。在整個研究區(qū)，按照斑塊大小設(shè)置不同數(shù)量的調(diào)查樣地。在空間上不連續(xù)的38個天然植被斑塊(12個草本、11個灌木、15個天然林)中共調(diào)查草本樣地184個，樣地大小為1 m×1 m。記錄草本植物的物種名、多度和蓋度。基于功能性狀測定方法[15]，在每個樣地內(nèi)，選取蓋度大于90%的所有物種，每個物種采集10株個體，測定計算完好成熟葉片的鮮質(zhì)量。葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，使用野外手持式葉綠素?zé)晒鈨x進(jìn)行測量。比葉面積測定，首先使用葉面積儀(LI-COR 3100C Area Meter, LI-COR, USA)測定葉面積，用電子天平測量葉片鮮質(zhì)量，然后將葉片樣品置于烘箱60 ℃烘干72 h后,稱質(zhì)量測定葉片干質(zhì)量，比葉面積為葉片單位干質(zhì)量所擁有的葉面積大小。葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，葉片樣品的干質(zhì)量/葉片鮮質(zhì)量，它代表除去水分等因素后一片新鮮葉片中所含干物質(zhì)的比例。全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，葉片單位干質(zhì)量中含有的氮的全量，烘干后的葉片樣品用半微量凱氏定氮儀測定。全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，葉片單位干質(zhì)量中含有磷的全量，烘干后的葉片樣品用鉬銻抗比色法測定[16]。

2.2 數(shù)據(jù)分析

選取物種多度較高的優(yōu)勢種23種(C3植物13種，C4植物10種)(表1)進(jìn)行植物功能性狀種間和種內(nèi)變異分析。采取Komogorov-Smirnov非參數(shù)檢驗方法比較C3和C4植物在5個不同功能性狀上的差異。種內(nèi)和種間植物功能性狀的變異程度用變異系數(shù)來描述，其公式為：變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)偏差÷平均值)×100%。利用皮爾遜相關(guān)分析分別檢驗C3和C4植物在種間和種內(nèi)水平上不同功能性狀間的相關(guān)性。運(yùn)用R軟件(3.3)中的“pwr”和“nlme”程序包完成以上統(tǒng)計檢驗，顯著水平設(shè)定為P<0.05。

表1 C3和C4植物優(yōu)勢種科和屬統(tǒng)計

3 結(jié)果與分析

3.1 C3和C4植物功能性狀差異

5個功能性狀葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D=0.528，P<0.01，D是Komogorov-Smirnov非參數(shù)檢驗中描述兩組數(shù)據(jù)之間差異的統(tǒng)計量)，葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D=0.267，P<0.05)，比葉面積(D=0.128，P<0.05)，葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D=0.610，P<0.01)和葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)(D=0.507，P<0.01)在C3植物和C4植物間均存在顯著性差異(表2)。C3植物的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)((5.99±4.61)mg·g-1)、比葉面積((163.84±101.23)cm2·g-1)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)((15.85±2.73)g·kg-1)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)((0.14±0.04)g·kg-1)顯著高于C4植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.81±1.46)mg·g-1)、比葉面積((157.42±94.86)cm2·g-1)、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)((13.05±2.96)g·kg-1)和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)((0.09±0.04)g·kg-1)。與此相反，C3植物的葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)((0.32±0.13)g·g-1)則顯著低于C4植物的((0.39±0.12)g·g-1)。

表2 C3和C4植物種的5種功能性性狀差異

注；表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 C3和C4植物種間和種內(nèi)變異系數(shù)

無論在種間還是種內(nèi)水平，C3植物和C4植物的5個性狀均存在不同程度的變異。由表3可以看出，種間各性狀的變異程度明顯大于種內(nèi)。C3植物和C4植物葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在種內(nèi)變異系數(shù)比較接近，且均在20%左右。C3植物和C4植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和比葉面積種內(nèi)變異系數(shù)差異較大。C3植物和C4植物葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在種間變異系數(shù)比較接近(分別為56.37%和51.38%)，比葉面積，葉綠素、葉氮、葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在種間變異系數(shù)均有較大差異。特別是比葉面積，葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的種間變異系數(shù)的差異均在30%左右(C4植物大于C3植物)。無論是C3植物還是C4植物種間的變異系數(shù)均大于種內(nèi)，除C4植物葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、C3植物比葉面積差異不明顯外，其他性狀在種內(nèi)、種間變異系數(shù)差異均在10%以上。

3.3 種間和種內(nèi)水平上植物功能性狀的相關(guān)性

C4植物各功能性狀種間水平的相關(guān)性顯著程度大部分高于種內(nèi)水平，其中在種間水平上，比葉面積與葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.01)(表4)；葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨著葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而顯著減少；葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比葉面積、葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系顯著(P<0.05)。而在種內(nèi)水平上，只有比葉面積表現(xiàn)出了與葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。C3植物各功能性狀種內(nèi)種間水平的相關(guān)性顯著程度差異不大。無論在種間、種內(nèi)水平上比葉面積均表現(xiàn)出與葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著相關(guān)(P<0.05)。

表3 不同光合型植物功能性狀種內(nèi)和種間變異系數(shù)

表4 種內(nèi)、種間水平不同光合型植物功能性狀相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

植物在進(jìn)化與演替過程中經(jīng)過一系列環(huán)境條件的篩選形成不同的功能性狀組合和權(quán)衡來適應(yīng)環(huán)境，進(jìn)而來決定植物的生長策略[17]。本研究中C3植物和C4植物在5個植物功能性狀(葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比葉面積、葉片干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù))上均表現(xiàn)出了顯著的差異性，正是C3植物和C4植物為了適應(yīng)環(huán)境，采用不同的適應(yīng)機(jī)制及生存策略而產(chǎn)生的。

C4植物與C3植物相比，具有低呼吸、低CO2補(bǔ)償點(diǎn)、高光飽和點(diǎn)、高的凈光合速率和光量子效率等特點(diǎn)，同時對水分、氮素、光及CO2利用效率也較高[14]。本研究結(jié)果表明，C3植物的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比葉面積，葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著大于C4植物。葉綠素作為植物吸收光能的重要物質(zhì)，在高等植物的光合作用中扮演著重要的角色，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的多少直接影響光合作用的強(qiáng)弱[18]。而葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為植物光合作用的協(xié)同元素，同樣對光合作用進(jìn)程有較大的影響。葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比葉面積，光合作用能力之間互相呈正相關(guān)[19]，一般來說增加葉氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)能夠顯著提高葉片光合作用能力[20-21]。在相同的環(huán)境條件下，光合作用率較低的C3植物需要更多的葉綠素，葉氮、葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)來維持光合作用以獲取能量，這也側(cè)面反映了植物通過增加或減少養(yǎng)分循環(huán)的方式來適應(yīng)環(huán)境變化[22]。比葉面積的大小反映了植物對資源的獲取、保存和釋放能力，較大的比葉面積更有利于植物對光照的捕獲和利用[23]。相對于C4植物，C3植物較大的比葉面積更容易接收光照來促進(jìn)光合作用。與之相反，C3植物的葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于C4植物?？梢越忉尀槿~干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為植物對養(yǎng)分元素保有能力的體現(xiàn)[24]，較大的葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)意味著植物葉片組織密度越大，其抵抗和耐受能力越強(qiáng)[25]。研究表明，C4植物適宜生長在高溫干旱的環(huán)境下[26]，植物為了增強(qiáng)抵抗能力，將更多的干物質(zhì)投入到抵御不良環(huán)境中[27]，因此，比C3植物有更高的干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，在不同研究中，植物葉片的葉干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和比葉面積之間普遍表現(xiàn)出的負(fù)相關(guān)關(guān)系是兩種生物量投資策略權(quán)衡的結(jié)果[28-29]，本研究進(jìn)一步證明了這個觀點(diǎn)。

C3植物和C4植物生理生態(tài)上的差異導(dǎo)致了研究區(qū)內(nèi)兩類植物的功能性狀在面對相同環(huán)境條件下表現(xiàn)出的差異性，從而形成了研究區(qū)多樣性的分布格局。

植物功能性狀的種間變異反映的是在不同生境下所產(chǎn)生的不同物種組成變化方式，其通常是受環(huán)境條件和遺傳的差異影響而形成的[30]。許多研究表明，植物功能性狀的分異主要表現(xiàn)在種間水平[19，31]，本研究中，C3植物和C4植物的種間相關(guān)性和變異程度明顯大于種內(nèi)變異也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。種內(nèi)水平功能性狀代表了物種個體基因造成的差異性及環(huán)境條件產(chǎn)生的形態(tài)差異[32]。本研究5種植物功能性狀的種內(nèi)變異系數(shù)為15%～40%，甚至某些性狀變異程度已經(jīng)接近種間變異。以往研究表明，如果種內(nèi)變異較小就采取以平均值的形式代表物種的性狀特征[33]，這樣的方式忽略了個體基因變異和環(huán)境異質(zhì)性等產(chǎn)生的形態(tài)差異的影響。而李遠(yuǎn)智[34]在研究亞高寒草甸性狀與群落構(gòu)建機(jī)制時就發(fā)現(xiàn)，盡管種內(nèi)變異較種間變異要小，但是種內(nèi)性狀變異對群落水平性狀的梯度貢獻(xiàn)卻更高。這表明種內(nèi)變異對群落構(gòu)建有重要作用，在進(jìn)行研究時同樣不可忽視。只有充分考慮物種個體水平的功能性狀差異才能更好的闡明物種共存和群落的構(gòu)建機(jī)制[35]，這一觀點(diǎn)也被許多研究證實[30，36]。

在群落構(gòu)建過程中，植物功能性狀的篩選一般經(jīng)歷兩個過程，生境過濾篩選出一類適合環(huán)境條件的相似的功能性狀，而相似性限制又致使物種為了避免競爭和生態(tài)位重疊，發(fā)生性狀趨異[37]。種內(nèi)性狀變異中比葉面積、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異更大，是因為二者代表了植物個體在競爭資源中對個體產(chǎn)出策略以及對光合作用投資的變化，進(jìn)而產(chǎn)生的一種減少競爭的行為。變異系數(shù)的大小可以表示性狀的可塑性，較大變異系數(shù)表明，性狀的可塑性較強(qiáng)，反之則表示較小的性狀可塑性[38]。本研究中C4植物性狀種間變異總體較大，表明C4植物更能適應(yīng)變化的環(huán)境，具有較強(qiáng)的耐性和抗性，可能會成為演替后期的優(yōu)勢種。

本研究以塞罕壩自然保護(hù)區(qū)中主要草本植被為研究對象，在劃分功能群的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了5個主要功能性狀的種間和種內(nèi)變異分析。5個植物功能性狀都表現(xiàn)出了顯著差異性，C3植物的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比葉面積、葉氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均大于C4植物。種間變異系數(shù)較大的C4植物對環(huán)境的耐受性更高，可以成為恢復(fù)退化草地的重要手段。從總體來看，種間變異系數(shù)較大，表明種間變異仍是植物功能性狀分異的主要驅(qū)動因素，但是種內(nèi)變異同樣對群落構(gòu)建有重要作用，依舊不可忽視。本研究結(jié)果有助于理解森林草原過渡區(qū)草本植物功能性狀之間的關(guān)系或權(quán)衡，揭示物種對環(huán)境的適應(yīng)策略和群落構(gòu)建過程，可為研究區(qū)草本植物物種多樣性保護(hù)提供理論依據(jù)。