光照和氮素對(duì)芒萁克隆繁殖特性及生物量分配的影響

王佳佳，張明如，伊力塔，張汝民，何云核

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300）

無性繁殖和克隆可塑性作為克隆植物特有的生活史性狀[1]，存在資源與能量的權(quán)衡制約[2?3]。生物量分配貫穿于克隆植物的整個(gè)生活史，并直觀表達(dá)植物的生態(tài)對(duì)策，克隆表型及構(gòu)件的生物量分配可對(duì)環(huán)境資源條件的變化做出可塑性響應(yīng)，促使植物采取相應(yīng)的適應(yīng)策略以利用有限的資源，使生長與繁殖獲得高度協(xié)調(diào)[4]。因此，克隆植物表型及生物量分配變化可反映植株在不同資源水平的生態(tài)適應(yīng)性、生長與繁殖及資源儲(chǔ)存策略。植物克隆性主要體現(xiàn)在多種類型的營養(yǎng)繁殖習(xí)性中，克隆分株的輸出數(shù)量直接表征克隆繁殖能力的大小，而地下芽庫的動(dòng)態(tài)也與此密切相關(guān)[5]。研究發(fā)現(xiàn)：克隆植物地上器官的生產(chǎn)力和種群的更新主要依賴地下芽庫[6]，如蘆葦Phragmites australis分株均由根莖芽萌發(fā)形成，根莖芽對(duì)分株的貢獻(xiàn)率達(dá)100%[7]。光強(qiáng)和氮素是植物生長發(fā)育的重要限制因子，一定程度上影響植物的自然分布[8?10]。同時(shí)，植物亦會(huì)采取不同的策略適應(yīng)光照和氮素的變化，其中，形態(tài)生長指標(biāo)和生物量分配格局的改變是生態(tài)適應(yīng)策略之一。如杉木Cunninghamia lanceolata幼苗通過形態(tài)可塑性適應(yīng)不同光環(huán)境，提高生存適合度[11]；而披針葉茴香Illicium lanceolatum分配較多的生物量于枝條和樹干，以應(yīng)對(duì)光強(qiáng)的降低[12]；草珊瑚Sarcandra glabra通過改變營養(yǎng)器官的形態(tài)特征，依靠調(diào)節(jié)生物量的積累及分配來適應(yīng)光強(qiáng)及氮素的變化[13]。芒萁Dicranopteris dichotoma生活史世代中以孢子體占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，借助根狀莖完成克隆繁殖[14?15]。作為亞熱帶低山丘陵區(qū)退化植被的標(biāo)志種之一，芒萁能夠適應(yīng)從暖性針葉群落下層遮光生境到次生裸地、從植被退化后土壤資源剩余到資源流失等多種生境，在馬尾松Pinus massoniana、杉木等單優(yōu)群落下層及杜鵑Rhododendron simsii灌草叢下層形成單優(yōu)草本層片[16?17]。本研究在不同光照和氮素水平下，分析了芒萁克隆繁殖及各構(gòu)件生物量分配的影響，以期為解釋芒萁單優(yōu)層片形成機(jī)制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

在浙江省杭州市臨安區(qū)青山湖國家森林公園玲瓏山景區(qū) (30°13′05″N，119°40′23″E)，選取芒萁克隆分株為材料。采用盆栽法(以下盆栽芒萁簡稱芒萁)，選擇帶芽且長勢(shì)基本一致的芒萁克隆分株苗1株，保留10cm左右的根狀莖，移栽至40cm×21cm×17cm的塑料盆內(nèi)。栽植基質(zhì)為馬尾松單優(yōu)群落下層表土，并置于2層遮光棚內(nèi)緩苗1個(gè)月。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)遮光棚，分別覆蓋3層(L3)、2層(L2)、1層(L1)黑色尼龍遮陽網(wǎng)。選擇3個(gè)晴天，每隔2h，利用光量子儀測(cè)定光量子通量密度，每個(gè)點(diǎn)測(cè)定30個(gè)數(shù)據(jù)，最后計(jì)算與無遮陽網(wǎng)相比的透光率分別為4.75%(L3)、13.00%(L2)和35.96%(L1)。將盆栽苗隨機(jī)分成6組，每組10盆，分別置于3個(gè)遮光棚內(nèi)，每棚2組，對(duì)2組進(jìn)行施氮(N1)和不施氮(N0)處理。施氮量依據(jù)彭揚(yáng)等[18]對(duì)草本植物的研究確定。每盆施0.6g純氮，將3g硫酸銨[(NH4)2SO4]分析純?nèi)芙庥?00mL純水中，均勻噴入盆內(nèi)土壤表面，未施氮處理組噴入等量的純水。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

當(dāng)芒萁克隆分株幾乎不再出土?xí)r，利用標(biāo)尺測(cè)定各處理組分株植株高度、羽葉長和羽葉寬。記錄克隆分株數(shù)量，克隆分株的辨別標(biāo)準(zhǔn)為株高至少距地面10cm，羽葉完全展開不卷曲。將芒萁整盆倒出，用水洗凈并記錄根狀莖的芽數(shù)，以得到芽庫的大小數(shù)據(jù)。分別稱取羽葉、莖、根狀莖及細(xì)根的質(zhì)量，細(xì)根的判別標(biāo)準(zhǔn)為除根狀莖以外的所有不定根。然后放入烘箱105℃殺青30min，80℃烘干至恒量，分別測(cè)定其干質(zhì)量。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定5次。

各器官含水量為：含水量=(鮮質(zhì)量?干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%；生物量分配比為：各器官生物量分配比=某器官生物量干質(zhì)量/總生物量干質(zhì)量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)利用 Excel 2010、SPSS 19.0進(jìn)行處理，使用 Origin Pro 8.0制圖。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法 (LSD)比較各處理 (L1N0、L1N1、L2N0、L2N1、L3N0、L3N1)在顯著性水平0.05下的差異性，采用雙因素方差分析檢驗(yàn)光照、氮素及其交互作用在顯著性水平0.001、0.01和0.05水平對(duì)繁殖特性、分株形態(tài)生長指標(biāo)及生物量分配影響的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照和氮素對(duì)芒萁繁殖特性的影響

圖1顯示：隨遮光程度增加，N0水平下克隆分株數(shù)在L1與L2處理間無顯著差異(P＞0.05)，但顯著高于L3處理(P＜0.05)，說明強(qiáng)度遮光降低芒萁克隆分株數(shù)量。N1與N0相比，各遮光處理下克隆分株數(shù)均顯著增加(P＜0.05)，分別增加了124.7%(L1)、82.8%(L2)和53.8%(L3)，3個(gè)遮光處理的克隆分株數(shù)從大到小依次為L1、L2、L3，且3個(gè)遮光處理間差異顯著(P＜0.05)。

圖1 不同處理下芒萁分株數(shù)和根狀莖芽數(shù)Figure 1 Number of new ramets and rhizome buds under different treatments

無論施氮與否，根狀莖芽數(shù)均在L2處理出現(xiàn)最大值，芽數(shù)由大到小依次為L2、L1、L3。N0水平下，根狀莖芽數(shù)在L1與L3處理間差異不顯著(P＞0.05)；N1水平下的根狀莖芽數(shù)顯著高于N0(P＜0.05)。

2.2 光照和氮素對(duì)芒萁形態(tài)生長特征的影響

由圖2可知：分株株高隨遮光程度增加呈不斷增加的趨勢(shì)，其中L1和L3處理下N1顯著高于N0(P＜0.05)，L2處理下2種氮素水平之間差異不顯著(P＞0.05)。

圖2 不同處理下芒萁克隆分株高度、葉長及葉寬Figure 2 Height,leaf length and leaf width of the cloned ramets under different treatments

在N0水平下，分株羽葉長在L1與L2處理間無顯著差異(P＞0.05)，L3呈顯著增大(P＜0.05)的變化特征。N1水平下，分株羽葉長表現(xiàn)為L1顯著高于L2和L3(P＜0.05)，且L2與L3的羽葉長幾乎接近。N1與N0相比，L1分株羽葉長顯著增加(P＜0.05)，L3顯著減小(P＜0.05)，而L2無顯著性變化(P＞0.05)。就芒萁克隆分株羽葉寬變化而言，同一遮光處理下N0與N1處理無顯著差異(P＞0.05)。因此，芒萁克隆分株葉片形態(tài)對(duì)光照和氮素的響應(yīng)，主要表現(xiàn)在羽葉長度的變化。

2.3 光照和氮素對(duì)芒萁生物量分配的影響

從表1可見：N0水平下，分株羽葉、莖、根狀莖和細(xì)根以及地上部分與地下部分的鮮質(zhì)量生物量均在L2出現(xiàn)最大值，且顯著高于L1和L3(P＜0.05)，L1、L2和L3的根狀莖鮮質(zhì)量間均差異顯著(P＜0.05)。在L1和L2處理下，分株鮮質(zhì)量生物量分配于細(xì)根、根狀莖、莖、羽葉的大小順序表現(xiàn)為先升后降再上升的變化，分別在根狀莖和羽葉出現(xiàn)最大值。L3則表現(xiàn)為不斷增加，在羽葉出現(xiàn)最大值。3種遮光處理下地上部分與地下部分鮮質(zhì)量生物量之比從大到小依次為L3、L2、L1，比值大小分別為2.66±0.11、1.36±0.06、0.94±0.05，且差異顯著(P＜0.05)，說明隨著遮光程度的增加，芒萁將更多的能量或光合產(chǎn)物投資地上部分，其中對(duì)羽葉的投資顯著高于莖，遮光程度較低時(shí)，芒萁將更多的能量或光合產(chǎn)物積累于地下部分，特別是地下根狀莖。

表1 不同處理下芒萁植株各器官鮮質(zhì)量Table 1 Fresh weight of each organ of D. dichotoma under different treatments

N1水平下，芒萁地上部分鮮質(zhì)量生物量顯著增大(P＜0.05)，地下部分鮮質(zhì)量生物量除L2顯著降低外(P＜0.05)，其余均顯著增加(P＜0.05)，L2地下部分鮮質(zhì)量生物量的降低主要在于根狀莖鮮質(zhì)量生物量的降低。隨著遮光程度的增大，細(xì)根、根狀莖、莖、羽葉生物量的變化均表現(xiàn)為先升后降再上升的規(guī)律，且均在羽葉出現(xiàn)最大值。

由表2可知：在N0水平下，除莖生物量干質(zhì)量L3超過L1和L2外，羽葉、根狀莖和細(xì)根以及地上部分與地下部分的生物量干質(zhì)量以L2最大，地上部分超過地下部分。在N1水平下，羽葉、莖、根狀莖和細(xì)根以及地上部分與地下部分的生物量干質(zhì)量從大到小依次為L1、L2、L3，且不同處理間差異顯著(P＜0.05)，L1和L2的地上部分與地下部分比值顯著增加(P＜0.05)，L3降低但差異不顯著(P＞0.05)。無論施氮與否，芒萁植株各器官生物量干質(zhì)量分配格局基本與鮮質(zhì)量一致，即地上生物量超過地下生物量，其中地上部分以羽葉生物量高于莖，地下部分以根狀莖高于細(xì)根。

表2 不同處理下芒萁植株各器官干質(zhì)量Table 2 Dry weight of each organ of D. dichotoma under different treatments

2.4 光照、氮素以及光照×氮素對(duì)芒萁克隆繁殖能力、形態(tài)生長以及生物量分配的影響

表3表明：光照、氮素以及交互作用對(duì)芒萁鮮質(zhì)量和干質(zhì)量生物量分配均產(chǎn)生顯著影響。光照除對(duì)莖鮮質(zhì)量的影響達(dá)到顯著外(P＜0.05)，其余器官均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。光照和光照×氮素對(duì)分株數(shù)有顯著影響(P＜0.05)，對(duì)株高具有極顯著影響(P＜0.001)；氮素對(duì)分株數(shù)和株高無顯著影響(P＞0.05)；芽庫大小均受光照、氮素及其交互作用的極顯著影響(P＜0.001)；光照、氮素及其交互作用對(duì)分株羽葉的長與寬均未達(dá)到顯著程度(P＞0.05)。

表3 光強(qiáng)和氮素對(duì)芒萁各測(cè)定參數(shù)的 F值和顯著性分析Table 3 F-value and significance analysis of light intensity and nitrogen level on each parameter of D. dichotoma

2.5 不同光照和氮素條件下芒萁各器官含水量及生物量分配的變化

由表4可知：不同光照和氮素處理下芒萁各器官含水量不同。N0水平時(shí)，地上部羽葉和莖含水量均在L2最大，L3最小，且顯著小于L1和L2(P＜0.05)；地下部分根狀莖和細(xì)根同樣表現(xiàn)為L3顯著低于L1、L2(P＜0.05)。N1與N0相比，地上部分器官含水量除L3顯著升高外(P＜0.05)，其余均有所降低；根狀莖含水量表現(xiàn)為L1、L2變化不顯著(P＞0.05)，L3顯著升高(P＜0.05)；細(xì)根含水量表現(xiàn)為L2無顯著變化，L1顯著升高(P＜0.05)，L3顯著降低(P＜0.05)。

表4 不同處理下芒萁各器官含水量Table 4 Moisture content of each organ of D. dichotoma under different treatments

由表5可知：N0水平時(shí)，L3處理的羽葉和莖干生物量分配比例顯著高于L1、L2處理(P＜0.05)，但根狀莖和細(xì)根干生物量分配比例顯著低于L1、L2(P＜0.05)。

表5 不同處理下芒萁各器官生物量分配比例Table 5 Biomass distribution ratio of each organ of D. dichotoma under different treatments

N1與N0相比，各遮光處理下羽葉生物量分配比例顯著增加；莖生物量分配比例除L3顯著降低外(P＜0.05)，其余均變化不顯著(P＞0.05)；L1、L2處理下根狀莖生物量分配比例顯著降低(P＜0.05)，細(xì)根無顯著變化(P＞0.05)，L3根狀莖生物量分配比例無顯著變化(P＞0.05)，細(xì)根顯著升高(P＜0.05)。同一處理下，各器官的生物量干質(zhì)量分配比例均表現(xiàn)為羽葉顯著高于根狀莖(P＜0.05)，根狀莖顯著高于莖和細(xì)根(P＜0.05)。

3 討論

3.1 光照和氮素處理對(duì)芒萁克隆繁殖能力和形態(tài)生長的影響

資源異質(zhì)性是生物生境普遍存在的基本屬性[19]。異質(zhì)生境中，克隆植物能夠主動(dòng)搜尋生長所需的資源，通過表型可塑性、調(diào)節(jié)生物量分配格局，緩解局部資源匱乏帶來的壓力并加速逃避不利生境，實(shí)現(xiàn)在異質(zhì)生境中擴(kuò)散定居的目的[20]。作為克隆植物特有的等級(jí)結(jié)構(gòu)，克隆分株的數(shù)量能夠直觀呈現(xiàn)克隆植物的克隆繁殖能力[21]，而克隆分株來源于克隆器官上的芽庫，芽庫的動(dòng)態(tài)決定了克隆植物的潛在克隆性[22]。本研究中，光照及光照×氮素對(duì)芒萁克隆分株有顯著影響(P＜0.05)，氮素對(duì)克隆分株無顯著影響，光照、氮素及光照×氮素對(duì)根狀莖芽數(shù)均有極顯著影響(P＜0.001)。說明光照是影響芒萁克隆分株輸出的主要因素，無論是光照還是氮素，還是兩者的復(fù)合因素均會(huì)對(duì)芽庫動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為L3處理的克隆分株輸出量顯著小于L1、L2(P＜0.05)，施氮顯著提高各遮光處理的分株數(shù)(P＜0.05)，但增加比例隨遮光程度增加而減小，分株數(shù)總體表現(xiàn)為隨遮光程度的增加而顯著降低(P＜0.05)。表明強(qiáng)度遮光(L3)中光資源不足，在一定程度上抑制了克隆分株的輸出和地下芽庫的水平。

氮素輸入在一定程度上提高分株數(shù)和芽庫水平，但氮素對(duì)分株輸出的提高同樣受光資源的影響，即強(qiáng)度遮光下輸出顯著降低，對(duì)芽庫水平的提高也只在適宜光照環(huán)境(L2)下獲得顯著效應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)：土壤氮素能夠擴(kuò)充芽庫，促使分蘗節(jié)芽優(yōu)先形成子株[23?24]。本研究結(jié)果也支持該結(jié)論。大量研究發(fā)現(xiàn)：光照不足條件下，植物可通過向上生長增加株高并擴(kuò)大葉面積，來捕獲更多的太陽輻射能，增強(qiáng)對(duì)光資源的競(jìng)爭(zhēng)能力[25?27]。本研究中，芒萁株高、羽葉長隨遮光程度的增加顯著增加(P＜0.05)，這種形態(tài)變化也體現(xiàn)了芒萁適應(yīng)弱光的生態(tài)策略。

3.2 光照和氮素處理對(duì)芒萁克隆分株含水量的影響

植物體內(nèi)含水量與植物生理生化作用能力密切相關(guān)。本研究中，同一氮素水平下，L2處理下的芒萁羽葉含水量均顯著高于其他處理(P＜0.05)，說明L2處理下芒萁的光合生理代謝最旺盛，最有利于植物光合產(chǎn)物的合成；L3處理下的細(xì)根含水量顯著低于其他處理(P＜0.05)，說明L3處理下芒萁對(duì)土壤水分的吸收能力都不及L1和L2。施氮處理導(dǎo)致L3處理下的芒萁羽葉代謝增強(qiáng)，根系吸水能力下降，同時(shí)根狀莖的代謝增強(qiáng)，說明L3處理下，施氮有利于芒萁根狀莖的生長以實(shí)現(xiàn)將克隆分株放置最優(yōu)資源環(huán)境的可能。

3.3 光照和氮素處理對(duì)芒萁克隆分株生物量分配的影響

生物量分配格局是植物適應(yīng)環(huán)境的一種生存策略，是對(duì)生長、繁殖和維持等功能間進(jìn)行資源分配的權(quán)衡，也反映了植物在生長過程中對(duì)環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律及能量分配策略[28?29]。根據(jù)最優(yōu)分配理論(optimal partitioning theory，OPT)，自然環(huán)境中，由于地上和地下資源空間上的分離，陸生植物需要調(diào)整地上和地下部分的生物量分配以平衡對(duì)資源的吸收[30?31]，而克隆植物可借助其特殊的等級(jí)構(gòu)件和地下儲(chǔ)藏器官，完成養(yǎng)分傳輸和營養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存，協(xié)調(diào)資源在時(shí)間上分布的不均勻性[32]。

針對(duì)芒萁各器官的分配比例，在光資源、養(yǎng)分充足的生境和光資源、養(yǎng)分貧乏的生境中，首先芒萁都傾向于將能量分配于羽葉片，其次是根狀莖。這可能是芒萁將能量優(yōu)先分配羽葉，以便合成更多的碳水化合物，最大限度地覆蓋地表，有利于形成單優(yōu)草本層片；其次將能量用于根狀莖的分配，以占據(jù)有利生境和搜索土壤養(yǎng)分、水分資源，最終提高芒萁克隆分株在異質(zhì)生境的生態(tài)適合度。與L1、L2處理相比，芒萁在L3處理下，更優(yōu)先將能量分配給羽葉，而對(duì)根狀莖的投資顯著低于L1、L2(P＜0.05)。

分析地上與地下生物量之比可知：地上生物量的投資隨遮光程度的增大而增加。一般認(rèn)為，弱光下克隆植物將生物量優(yōu)先分配于地上部分，利于攝取更多的光資源[33?35]。本研究結(jié)果也符合前人研究的結(jié)論，但未表現(xiàn)出克隆植物的趨富專化特征[36]。有研究發(fā)現(xiàn)：根狀莖類克隆植物七瓣蓮Trientail europaea根莖生物量分配隨土壤氮的增加而增加[37]，而對(duì)扁稈荊三棱Bolboschoenus planiculmis的研究發(fā)現(xiàn)：根莖分配對(duì)養(yǎng)分并未發(fā)生可塑性反應(yīng)[38]。本研究則發(fā)現(xiàn)：施氮反而造成芒萁根狀莖生物量分配的降低，可能是氮素含量梯度設(shè)置不利于芒萁根狀莖提高儲(chǔ)藏功能，具體何種含量有利芒萁將能量投資根狀莖的生長有待進(jìn)一步探索。

4 結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)論：①光照是影響芒萁克隆分株輸出的主要因素，L2處理下分株輸出和芽庫最大；光照和氮素均對(duì)芽庫動(dòng)態(tài)有顯著性影響，施氮對(duì)根狀莖芽數(shù)有顯著促進(jìn)作用；②芒萁能夠通過增加株高適應(yīng)弱光環(huán)境，施氮一定程度有利于增加株高；③無論是光資源和養(yǎng)分充足生境還是光資源和養(yǎng)分貧乏生境，芒萁羽葉為光合產(chǎn)物優(yōu)先分配中心，根狀莖屬于次優(yōu)先分配中心。羽葉光合產(chǎn)物的積累有利于芒萁快速覆蓋地表，根狀莖生物量的積累有利于根狀莖芽的形成和覓食行為的表達(dá)，對(duì)芒萁拓殖新的生境有一定促進(jìn)作用。