河距對連香樹雌雄植株分布、形態(tài)和葉片N、P重吸收效率的影響差異

黃雪梅 馬永紅 董廷發(fā)

（西南野生動植物資源保護教育部重點實驗室，西南山地特色植物種質適應與利用研究所，西華師范大學生命科學學院，南充 637009）

河岸帶（riparian zone）作為陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的交界面，是極其重要的景觀帶。它不僅分布著許多珍稀瀕危物種，同時還具有調節(jié)氣候、固堤防洪、緩沖污染、提供資源、景觀連續(xù)性、觀光旅游等諸多生態(tài)系統(tǒng)服務功能［1～3］。當前，河岸帶植被的適應機理及其生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的研究受到廣泛關注［4～6］。由于水流和植被的共同作用，使得河岸帶土壤的養(yǎng)分（如N、P）和水分含量常常隨空間的變化而發(fā)生較大變化［6～8］。水分和養(yǎng)分是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要環(huán)境因子，尤其是對于河岸帶植物來說，其生長和生存可能對土壤水分和養(yǎng)分的變化更為敏感［8～9］。然而目前對河岸帶植物的生態(tài)適應性隨河距空間變化的研究還較少［4～5］。

植物養(yǎng)分重吸收是通過把一些可移動的元素（主要是N、P）從衰老的組織中轉移到植物其他組織再吸收，可以提高養(yǎng)分的利用效率，進而增強植物對養(yǎng)分貧瘠生境的適應［10～11］。且同樣的生境中，葉片的養(yǎng)分重吸收效率往往與植物的生長呈正相關［11］，因而養(yǎng)分的重吸收效率會影響植物的分布［12］。研究發(fā)現(xiàn)植物養(yǎng)分重吸收效率不僅與物種有關、還與植物的土壤環(huán)境（如水分、養(yǎng)分）息息相關，如土壤水分增多可導致對N 重吸收效率降低，而對N 重吸收效率沒有顯著影響［13］。然而這些研究主要是基于雌雄同株展開。自然界中許多河岸帶植物為雌雄異株植物（如楊柳科植物），該類植物對維持河岸植被的動態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)的功能具有重要意義。前人的研究發(fā)現(xiàn)該類植物的生長、養(yǎng)分吸收和利用對環(huán)境變化的響應具有性別差異，往往雌株對水分和養(yǎng)分的變化更為敏感，這種性別間的差異可能會導致種群性比的偏倚，甚至影響物種的生存與分布［14～16］。然而目前對雌雄異株瀕危植物的養(yǎng)分重吸收過程如何適應河岸生境的研究還鮮有報道。

連香樹（Cercidiphyllum japonicum）屬于第三紀古熱帶植物的孑遺種、東亞植物區(qū)系的特有種，間斷分布在中國和日本，現(xiàn)為國家二級重點保護野生植物種［17］。由于天然連香樹的種群因開花少，結實量低，天然更新能力較差，整個種群呈衰退型，已呈瀕臨滅絕狀態(tài)，然而目前對其瀕危機制依舊還不清楚。目前，對連香樹的研究主要集中在出苗、存活、生長等生活史特征與環(huán)境因子的關系［18～20］、基因流對于空間遺傳結構的作用［21］、種群動態(tài)［22］、與其他種的共存機制［23］等方面。連香樹作為專性河岸帶瀕危植物，也是雌雄異株植物。近期研究發(fā)現(xiàn)連香樹在光合生理方面具有性別差異［17］。然而這種性別間的差異是否與河岸生境有關以及雌雄植株的分布、養(yǎng)分重吸收效率等如何響應與適應河岸生境還不得而知。因此，本文以通過比較不同河距下連香樹雌雄植株的數(shù)量、形態(tài)、葉N、P 的重吸收效率、土壤水分、全N、全P 的差異以及葉N、P的重吸收效率與葉片養(yǎng)分、土壤水分、養(yǎng)分及植株形態(tài)的相關性。試圖回答：①是否連香樹的分布、植株形態(tài)、葉片N、P 重吸收效率對河距的響應具有性別差異？②是否雌雄植株葉片的養(yǎng)分重吸收效率與其葉片養(yǎng)分、土壤水分、土壤養(yǎng)分、植株的生長的相關性有差異？研究結果不僅可為探究雌雄異株河岸帶植物對河岸生境的生態(tài)適應機理提供理論依據(jù)，也可為探究瀕危植物的瀕危機制提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

本研究在四川省涼山彝族自治州美姑縣的大風頂國家自然保護區(qū)（103°08′13.6″～103°08′49.96″E；28°46′46.78″～28°47′00.25″N；海拔：2 190～2 310 m）內(nèi)進行。該地區(qū)屬中亞熱帶季風濕潤氣候。年平均氣溫9.6℃，年平均降水量1 100 mm，年平均相對濕度約80%。該保護區(qū)地處全球生物多樣性十分豐富的西南山地地區(qū)，植被類型是常綠闊葉混交林，連香樹多為叢生的克隆系植株，少數(shù)散生單株，常與水青樹（Tetracentron sinenseOliv.）、珙桐（Davidia involucrataBaill.）、五裂槭（Acer oliverianumPax.）、樺 葉 莢 蒾（Viburnum BetulifoliumBatal.）、銀 葉 杜 鵑（Rhododendron argyrophyllumFranch.）等植物伴生。

1.2 樣方設置及樣品分析

根據(jù)該保護區(qū)的植被特征，該地連香樹主要分布在沿河岸帶120 m 內(nèi)。本研究在該保護區(qū)連香樹分布的核心地段（龍窩保護站附近）的河岸進行樣方設置。限于地形等因素的影響，本研究分別選取了兩個典型區(qū)域：離河岸近（樣方邊界距非汛期河岸約15 m）和離河岸遠（樣方邊線距非汛期河岸約100 m）。選擇的依據(jù)主要是種群的分布：離河岸帶約25 m 的地段是連香樹集中分布的地段，而離河岸帶距離高于120 m的地段連香樹植株已經(jīng)很稀少。每個典型地段設置3個40 m×40 m的樣方。每種樣方類型之間間隔至少20 m。

在連香樹開花季節(jié)（3 月）標記樣方中成熟雌雄連香樹的數(shù)量，與生長旺季（7 月），測量連香樹的株高、胸徑，并收集每株向陽成熟葉片（每株收集3 個小枝的葉片混合）及其土壤（每株植株的土樣為樹干基部四個方位0～30 cm 的土壤混合），每株的衰老葉在連香樹凋落季（11月）收集。土壤樣品用密封袋收集，帶回實驗室后一部分立即測定含水量，另一部分風干后測定理化性質。土壤水分含量的測定采用烘干法。葉片樣品帶回實驗室于70℃烘干、研磨過篩后用于養(yǎng)分測定。

植物和土壤樣品的N 和P 含量經(jīng)開氏法消化（0.200 0 g 樣品，濃硫酸8 mL，催化劑（CuSO4∶Na2SO4=1∶10）3 g）后，用全自動間斷化學分析儀（CleverChem 200+，德國）測定。植物N、P 養(yǎng)分重吸收率的計算方法如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

性比（雌/雄）偏離1∶1 零假設的顯著性程度采用卡方檢驗確定。采用獨立樣本t檢驗比較雌雄性比對河距的響應差異。雙因素方差分析（twoway ANOVAs）用于分析性別、河距及二者的交互作用對形態(tài)、葉片N、P重吸收效率和土壤水分、養(yǎng)分性狀的影響，不同處理間的差異用Duncan 檢驗。Pearson 用于分析葉片N、P重吸收效率與其成熟葉全N、全P、植株形態(tài)、土壤含水量或養(yǎng)分的相關性。所有統(tǒng)計分析在SPSS 16.0 軟件中完成。顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 不同河距的連香樹植株數(shù)量、種群性比、雌雄株形態(tài)及其土壤養(yǎng)分特征的差異

調查發(fā)現(xiàn)，離河遠的樣方（距河岸約100 m）中連香樹有14 株，其中每個樣方平均雌株僅1 株，雄株3.67 株，雌雄性比為0.289，種群顯著偏雄（χ2=4.57；P＜0.05）；而離河近的樣方（距河岸約15 m）中有21 株連香樹，其中每個樣方平均雌株3 株，雄株4 株，雌雄性比為0.783，種群性比無顯著差異（χ2=0.43；P=0.513）。且種群雌雄性比隨距河距離增加顯著降低。

從形態(tài)來看，性別和河距對連香樹胸徑無顯著影響，但性別對其株高有顯著影響，且株高受到性別和河距的交互影響（見表1）。隨河距的增加，雌株株高顯著降低，而雄株株高顯著升高；從性別來看，雖然雌雄植株之間的株高在離河岸帶近的樣方中無顯著差異，但在離河岸帶遠的地方雄株株高顯著高于雌株。此外，土壤全N和全P含量受到植株性別的顯著影響，且土壤含水量和全P 含量受到河距的影響。離河岸遠的植株土壤含水量顯著低于離河岸近的植株，但雌雄之間無顯著差異。雌雄株的土壤全N 含量均不受河距的影響，但離河岸遠的雌株的土壤全N 和全P 含量均顯著高于其雄株（見表1）。

表1 不同河距的雌雄連香樹植株及其土壤特征的差異Table 1 Plants and their soil characteristics of male and female C.japonicum in different riparian zones

2.2 不同河距的雌雄連香樹成熟葉和衰老葉N、P含量的差異

從表2 可知，成熟葉的N 和P 含量均受性別和河距的影響，但衰老葉N和P含量均不受性別或河距的顯著影響。隨河距的增加，雌株的成熟葉N含量顯著降低，而雄株的成熟葉N 含量無顯著差異；且雄株的成熟葉N 含量總是高于雌株。在離河距遠的地方，成熟葉和衰老葉的P 含量在性別間均無顯著差異，但在離河岸近的雌株的這些性狀顯著低于雄株。

表2 不同河距的雌雄連香樹成熟葉、衰老葉N、P含量的差異Table 2 Nitrogen and Phosphorus contents of green and senesensed（sen.）leaves of male and female C.japonicum in different riparian zones

2.3 不同河距連香樹雌雄葉片N、P 重吸收效率的差異

連香樹葉片的N、P重吸收效率均受到性別、河距及其二者交互作用的顯著影響（見圖1）。隨離河距離增加，雌株葉片的N、P重吸收效率均顯著降低而雄株保持不變（見圖1a）。雌株的N 重吸收效率總是低于雄株，而葉片P的重吸收效率在離河岸近的雌雄植株之間無顯著差異，但在離河岸遠的雌株葉片的P重吸收效率顯著低于雄株（見圖1b）。

2.4 雌雄連香樹葉片N、P 重吸收效率與其成熟葉的N、P含量或土壤的水分、N、P含量的關系

連香樹雄株葉片的N 重吸收效率與成熟葉N含量、土壤水分、土壤全N 含量呈現(xiàn)顯著負相關，而雌株葉片的N 重吸收效率與成熟葉的N 含量呈現(xiàn)正相關，且與土壤水分和土壤全N 無顯著相關關系（見圖2a；圖3a，b）。雄株葉片的P 重吸收效率與成熟葉的P 含量、土壤水分、土壤全P 含量均無顯著相關關系，而雌株葉片的P 重吸收效率與成熟葉的P 含量、土壤水分呈現(xiàn)正相關，且與土壤全P含量呈現(xiàn)顯著負相關（見圖2b；圖3c，d）。

2.5 雌雄連香樹植株胸徑、株高與葉片N、P重吸收效率的關系

從圖4可以看出，連香樹的葉片N重吸收效率與其株高均呈現(xiàn)顯著正相關，且雄株的葉片N 重吸收效率與胸徑呈現(xiàn)正相關關系（見圖4a，b）。雄株的葉P 重吸收效率與植株株高、胸徑相關關系均不顯著，但雌株的P 重吸收效率與其株高呈正相關關系（見圖4c，d）。

3 討論

通過研究河岸帶瀕危植物連香樹后發(fā)現(xiàn)：連香樹隨著河距的增加，雌株數(shù)量、株高、葉片N、P重吸收效率顯著降低；從性比上看，雖然距離河岸帶較近的連香樹種群沒有出現(xiàn)性比偏倚（雌雄性比為0.783），但在距離河岸帶遠的地方，性比顯著偏雄（雌雄性比為0.289）。進一步分析葉片養(yǎng)分重吸收效率與葉片、土壤植株特征的相關性后發(fā)現(xiàn)：葉片N、P 養(yǎng)分重吸收效率與植株的形態(tài)有關，且不同性別間葉片的養(yǎng)分重吸收效率與葉片養(yǎng)分、土壤水分和養(yǎng)分的相關性不同，這些結果表明連香樹雌雄植株對河岸生境的適應性響應具有性別差異。相比全球植物平均的N 重吸收效率（62%）和P重吸收效率（65%）［25］，連香樹的葉片N、P重吸收效率明顯更低，這暗示該物種的養(yǎng)分利用效率不高。最近的研究發(fā)現(xiàn)連香樹的葉片水分利用效率也不高［17］。水分、養(yǎng)分利用效率對植株維持生長和競爭力至關重要［26］。連香樹作為瀕危孑遺樹種，資源利用較低（尤其是雌株）可能是導致連香樹瀕危的原因之一。

3.1 植物對距河岸帶生境的響應和適應

本研究發(fā)現(xiàn)連香樹隨著河岸帶距離的增加，雌株植株數(shù)量、株高、成熟葉N 含量、植株土壤含水量均降低，而雄株的這些性狀沒有變化。這一方面表明了雌雄植株對河岸帶生境具有性別差異，這可能是與雌雄植株之間對環(huán)境變化的響應不一致所致，雌株對河岸帶環(huán)境的變化更為敏感，這與先前的一些研究結果類似［14～15，27］。一般而言，隨河距的增加，往往土壤水分含量降低，低含水量以及水分含量的降低導致的養(yǎng)分循環(huán)減慢，進而導致形成有機質含量和土壤養(yǎng)分含量降低，不利于植被的生長和繁殖［5，9］。然而本研究發(fā)現(xiàn)，隨著距河岸距離的增加，連香樹除了雌株的土壤水分有變化之外，且在距河岸遠的地方，雌雄植株之間水分無差異。植物根圍的土壤水分變化主要與降雨和植株水分吸收過程有關，雄株的土壤水分沒有隨河岸距離增加而變化。這一方面可能與我們?nèi)拥募竟?jié)有關，取樣的夏季，正值該地降雨充沛季節(jié)，導致該季節(jié)生境不缺水；另外相比雌株，連香樹雄株往往蒸騰速率較低［17］，這有利于其提高植株的用水效率。除了雌株土壤全P 含量升高外，植株的土壤養(yǎng)分含量隨河距的變化并不大，但雌株的土壤N、P 養(yǎng)分高于雄株。這暗示了該地連香樹的性別對土壤的養(yǎng)分具有重要影響，如植株對水分或者養(yǎng)分吸收、利用效率的差異［28］。當然該地的降雨受亞熱帶季風的影響明顯，季節(jié)性降雨量的變化很容易影響土壤水分、養(yǎng)分的變化，尤其是對河岸帶生境來說［5，9］，因此需要更長時間尺度（如季節(jié)）的研究來佐證我們的結果。

許多研究發(fā)現(xiàn)，葉片的養(yǎng)分重吸收效率往往與其葉片N、P 含量［29］、土壤資源的貧瘠（如干旱、養(yǎng)分匱乏）呈正相關［25］。本研究發(fā)現(xiàn)連香樹葉片N、P 重吸收效率與其成熟葉片N、P 含量、土樣水分、養(yǎng)分的相關性有性別差異。其中雄株葉片N重吸收效率與其葉、土壤因子呈負相關，而雌株葉片的N 重吸收效率與成熟葉N 呈現(xiàn)正相關，且與土壤水分和土壤N 無顯著相關關系；相反，雄株葉片的P重吸收效率與葉P含量、土壤因子均無顯著相關關系，而雌株葉片的P 重吸收效率與成熟葉的P 含量、土壤水分呈現(xiàn)正相關，且與土壤P 含量呈現(xiàn)顯著負相關。這一方面暗示了雄株對N（花粉是富氮器官）的需求更大，而雌株對P 的需求更大［30］；另一方面植株的養(yǎng)分重吸收效率常常與水分利用效率耦合［31］，可能是由于雌株對水分變化更為敏感，更高的P 利用效率有利于其提高對水分匱缺的抵抗［14，27］。同時，本研究中僅僅比較了土壤全N、全P 與葉片的養(yǎng)分重吸收效率，可能還受到土壤養(yǎng)分有效性的干擾［32］，進一步的研究需要從植株水平上分析植物重吸收效率與土壤有效態(tài)的養(yǎng)分的關聯(lián)性。此外，對養(yǎng)分的重吸收是植物提高資源利用效率的重要生理過程，更高的養(yǎng)分重吸收效率可以延長植物的光合作用時間，延長植物碳的獲?。?3］，本研究結果也顯示：植株的株高與葉片N、P 的重吸收效率均呈顯著正相關，這表明重吸收效率對連香樹的生長至關重要。作為彩葉樹種，連香樹的葉片在秋季首先變黃后沒有立刻凋落，這有利于其提高養(yǎng)分的重吸收效率，這可能是其適應生境的重要策略。當然，本研究在遠河距的地方雌株過于稀少，導致植物樣本較少，這可能會影響我們的結論，還有土壤水分和養(yǎng)分隨季節(jié)性變化較大，進一步的研究需要擴大尺度（包括空間和時間尺度）。

3.2 雌雄異株植物性別二態(tài)性與物種的瀕危

本研究發(fā)現(xiàn)雖然離河岸近的地方，大多數(shù)性別間的形態(tài)、養(yǎng)分、數(shù)量等均無顯著差異，但離河岸帶較遠的地方連香樹雌株的大多數(shù)特征比雄株更低，進而表現(xiàn)出性比的偏倚，這表明雌株對河岸生境的變化更為敏感，這與先前的在其他種的研究一致［6，34］。雌雄異株植物性別間的對環(huán)境變化的響應差異往往是由于雌雄植株間的繁殖成本不一致所致，雌株的生長和數(shù)量的降低可能是為了維持其更高的繁殖成本［35～36］。種群性別間的偏倚可能直接影響種群的繁育過程，造成有性生殖效率降低，進而可能會改變植物種群的性別結構和動態(tài)［16］。本研究中離河岸帶距離較遠的樣方，連香樹雌株的分布已經(jīng)很稀少，這直接會影響種子的散布，因此，性比的偏倚可能影響了該地連香樹的分布。連香樹作為古老的孑遺樹種，其自然更新不暢，已經(jīng)成為瀕危植物，以往的研究很少考慮其性別因素。進一步的研究需要分析性比的偏倚對其有性生殖過程的影響和對其種群動態(tài)進行探究，以便剖析性比的因素對其種群衰退的影響機制。

綜上所述，本文通過野外調查四川美姑縣大風頂自然保護區(qū)內(nèi)連香樹種群的性比和分析葉片N、P 養(yǎng)分重吸收效率及其與葉片養(yǎng)分、土壤水分、養(yǎng)分、植株形態(tài)的相關性，發(fā)現(xiàn)該保護區(qū)內(nèi)連香樹對河距的響應具有性別差異。河距增加使得雌株數(shù)量、葉片的N、P 養(yǎng)分重吸收效率顯著降低，導致在距河岸遠的地方雌株的養(yǎng)分重吸收效率低于雄株，且性比偏雄。同時發(fā)現(xiàn)雄株葉片的氮重吸收效率、雌株的葉片P 的重吸收效率與其葉片養(yǎng)分、土壤因子相關較強，且養(yǎng)分重吸收效率與植物的生長相關。這暗示了雌雄植株葉片的N、P 利用效率與其自身和河岸生境的土壤因子的響應不同，同時雌株對河岸生境的依賴可能限制了其物種的分布。當然，本研究中離河岸帶遠的地段連香樹植株非常稀少，且限于地形等多重因素，導致樣本偏少，需進一步從更大的空間和時間尺度的研究來驗證我們的結果。