模擬增溫對松嫩草地羊草有性生殖策略影響的研究

高 嵩，王俊鋒，郭繼勛，穆春生

(1.長春大學(xué)園林學(xué)院，吉林 長春 130022；2.東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點實驗室，吉林 長春 130024)

植物的有性生殖過程對于植物個體完成生活史以及物種的延續(xù)有著非常重要的作用，有性生殖能力的高低直接關(guān)系到物種的適合度[1].生殖物候期的變化能夠指示在外界條件變化時植物生殖生產(chǎn)過程的改變[2-4]，對植物種子的發(fā)育及成熟有重要的影響[5-7].在物候期變化的同時，生殖分配過程也發(fā)生變化[8]，以維持基因的遺傳和種群的發(fā)展.植物在完成其生活史的過程中，物候期的變化、生殖能量的分配和最終的生殖輸出是相互聯(lián)系的，其中某個發(fā)展階段的變化均會影響最終的生殖結(jié)果[9-11].

由于自然和人為的影響，近一個世紀(jì)以來，全球氣候已經(jīng)發(fā)生明顯的變化，包括大氣成分的變化和溫度的升高等，預(yù)計到2100年全球溫度會升高1.4℃～5.8℃[12].大氣溫度的升高必然會引起植物的生殖過程產(chǎn)生適應(yīng)性改變，進(jìn)而影響其在群落中的生態(tài)位.研究表明，溫度升高能改變植物的物候期[13-16]，影響植物的生長和發(fā)育[17-20]以及種子生產(chǎn)等過程[21-22].

羊草(Leymuschinensis)廣泛分布于北到俄羅斯外貝加爾地區(qū)、南到中國華北平原、東到中國三江平原、西到黃土高原的廣大區(qū)域[23]，是歐亞大陸草原帶東端植物群落的優(yōu)勢種.在自然狀態(tài)下羊草以無性繁殖為主、有性生殖為輔，有性生殖對于環(huán)境的變化較為敏感，具有很大的可塑性[24].溫度升高會造成空氣和土壤溫度的增加以及土壤含水量匱缺[25-26]，這些變化可能對種子生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致羊草有性生殖能力減弱[27-28].為此，本文以羊草為研究對象，通過野外模擬增溫實驗探討了增溫條件下，羊草有性生殖能力的變化規(guī)律，以及溫度升高與羊草有性生殖對策的相互關(guān)系.

1 研究地點與方法

1.1 研究地概況

定位模擬的研究地點設(shè)在松嫩草原西南部的吉林省長嶺縣吉林松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，地理位置為東經(jīng)123°44′～123°47′、北緯44°40′～44°44′.該地區(qū)屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，具有典型的大陸性氣候特點.冬、夏季風(fēng)更替現(xiàn)象明顯，溫差較大，冬季寒冷、夏季炎熱.年平均氣溫為4.9℃，最暖月平均氣溫為22℃～25℃，絕對最高氣溫可達(dá)39℃，出現(xiàn)在7月；最冷月平均氣溫為-16℃～-22℃，絕對最低溫度可達(dá)-35℃，出現(xiàn)在1月.年降水量為250～500 mm之間，大部分集中在6—8月，約占全年降水量的70%以上.該地區(qū)處于黑鈣土向栗鈣土的過渡地帶，水平地帶性土壤為淡黑鈣土，隱域性土壤主要有草甸土、鹽土和堿土.該地區(qū)的地帶性植被為草甸草原，種類組成較簡單，主要植物有羊草(Leymuschinense)、拂子茅(Calamagrostisepigeios)、小花堿茅(Puccinelliatenuiflora)、虎尾草(Chiorisvirgata)等.群落類型以羊草群落占絕對優(yōu)勢，羊草群落的產(chǎn)量占整個草地生產(chǎn)量的80%～90%.

1.2 研究材料

羊草屬賴草屬根莖型禾草，每年在4月中上旬返青，部分植株5月下旬抽穗、6月上旬開花、7月下旬到8月初種子成熟.其后，未抽穗植株(營養(yǎng)枝)進(jìn)入果后營養(yǎng)期的同時，羊草地下的芽逐步長出地面，成為新的植株.新植株一般只生長1～4片葉，且始終不拔節(jié)，被稱為子株.營養(yǎng)枝和子株在9月末或10月初秋霜來臨后停止生長，越冬后在下一生長季繼續(xù)生長.

1.3 實驗設(shè)計

模擬增溫實驗設(shè)置兩個水平，即對照、增溫兩個處理.2006年4月在羊草返青時進(jìn)行樣地設(shè)置，待羊草開始返青后進(jìn)行實驗.實驗樣地總面積為144 m2，在樣地內(nèi)設(shè)置12個面積為4 m×3 m的長方形小區(qū)，小區(qū)間隔為3 m，各個處理均6次重復(fù).溫度控制采用紅外線加熱儀(Kalglo electric infrared heater typical insheightation instructions)，紅外線輻射器長邊方向為南北方向，架設(shè)在小區(qū)東西長邊的最中間處，輻射器距地面高度為2.25 m.為了保證土壤表面各點的增溫幅度相同，在加熱器頂部架設(shè)倒V字形的反光設(shè)備，避免小區(qū)邊緣部分因距離輻射器較遠(yuǎn)而導(dǎo)致溫度有所降低，增溫處理保持全年實施.經(jīng)測定，小區(qū)內(nèi)土壤表面各點的溫度無顯著差異.在對照小區(qū)，為了避免輻射器陰影對植物造成影響，同樣架設(shè)了一個沒有加熱器的倒V字形設(shè)備.利用自動計數(shù)儀器(STM-01 soil temperature measurement system，河南電子研究所) 記錄地下0～10 cm土層的溫度和濕度，6個記錄儀器每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)；地下10 cm的土壤濕度利用土壤探針(Divner-2000 portable soil moisture probe，Sentek Pty Ltd.，Balmain，NSW，美國) 進(jìn)行測定.

1.3.1 生殖物候期的觀測

羊草返青后在樣地內(nèi)對羊草進(jìn)行標(biāo)記，跟蹤調(diào)查其物候期.標(biāo)記時，在每個小區(qū)中央選擇20株羊草，同時標(biāo)記一些待用的個體以填補(bǔ)開花失敗造成的空缺.由于羊草群落自身的開花期不集中，且單株穗狀花序開花有早有晚[29]，因此采用改進(jìn)的Price等[30]的方法每3 d對各個物種的物候期進(jìn)行監(jiān)測.計算方法是：0代表孕穗期，1代表抽穗，2代表穗第一個花粉囊外露，2.5代表盛花期(80%以上的穗均開花)，3代表種子發(fā)育期，3.5代表種子成熟期，4代表種子脫落期.

1.3.2 生殖輸出的計算

在2006年、2007年和2008年3個實驗?zāi)攴莸?月25日羊草種子完熟收獲時，在每個小區(qū)中隨機(jī)選取3個1 m×1 m的樣方，調(diào)查羊草的密度和抽穗植株的數(shù)量.為避免邊際效應(yīng)，在每個小區(qū)中央取回10個完整的穗，并將結(jié)實小花和未結(jié)實的小花從穗軸分離后，調(diào)查每穗小花數(shù)、結(jié)實粒數(shù).隨后將結(jié)實小花、未結(jié)實小花、穗軸、莖、葉、鞘放進(jìn)65℃烘箱烘干48 h后進(jìn)行稱重，得出各部分生物量.然后將各處理的種子隨機(jī)分成10組，每組100粒.千粒重計算方法為：1 000粒重(g)=質(zhì)量/100粒×10.

1.3.3 生殖分配的計算

生殖分配指植物用于生殖部分的生物量占總生物量的比例[31].本研究中，計算4個層次的生殖分配額：

羊草種群生殖枝總生物量/種群總生物量×100%(RA1)；

生殖枝穗生物量/生殖枝總生物量×100%(RA2)；

籽實生物量/穗生物量×100%(RA3)；

籽實生物量/生殖枝生物量×100%(RA4).

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

所有的分析均采用SPSS 22.0(SPSS，Chicago Illinois，USA)軟件進(jìn)行.分析時將不同的實驗?zāi)攴菀沧鳛橐粋€獨立的因素，各個因素對有性生殖指標(biāo)影響的分析用一般線性模型的單因變量多因素方差分析得出(GLM過程).

2 結(jié)果

2.1 氣候條件的變化

3個實驗?zāi)攴菀约扒耙荒昵锛镜钠骄鶜鉁睾徒涤炅壳闆r見圖1，數(shù)據(jù)由距離實驗樣地200 m左右的通量塔提供.由圖1可見，2006年冬季的溫度高于平均值4.31℃，2007年春、夏季以及2008年春季的溫度均比多年平均值略高，其他季節(jié)的溫度與多年平均值相比差異不大.3個實驗?zāi)攴菀约?005年的降水量差異較大，春季降水量在2006年、2007年比多年平均值下降，而在2008年增加.夏季降水量在2006年和2008年比多年平均值增加，而2007年減少.秋季降雨量在2005年比多年平均值高出15.1 mm，而2006年和2007年減少了19.6，29.7 mm，2007年降幅最大.地下0～10 cm的土壤溫度比對照顯著升高1.75℃，而濕度均顯著比對照低5%.

圖1 2005年秋季以及2006—2008年的日平均溫度和日平均降雨量

2.2 增溫對羊草生殖物候期的影響

模擬增溫后，2006年的生殖物候期在抽穗之前沒有變化，從第一個花粉囊外露開始至果實生長期，增溫處理使羊草物候期分?jǐn)?shù)增加，即物候期有所提前(見圖2(a)).進(jìn)入結(jié)實期以后，物候期分?jǐn)?shù)與對照相比沒有差別.

2007年，在6月3日時羊草種群剛達(dá)到齊穗期，在6月17日時才達(dá)到盛花期.增溫處理后，在17日觀測時已過盛花期，大部分已經(jīng)進(jìn)入果實成熟期(見圖2(b)).在此后的觀測中直到果實脫落期，除了7月11日果實成熟期時兩個處理的物候期分?jǐn)?shù)有所重疊外，增溫處理均比對照的分?jǐn)?shù)要高，在時間上提前了5～7 d.

2008年，對照和增溫處理在5月27日時均已處于齊穗期(見圖2(c)).對照在6月3日時只有一小部分花粉囊外露，直到6月10日時剛達(dá)到盛花期.增溫處理在6月3日時已經(jīng)接近盛花期，6月10日時已經(jīng)進(jìn)入種子發(fā)育期.此后一直到果實脫落期，增溫處理的羊草物候期分?jǐn)?shù)除了在7月4日成熟期與對照重疊外，其余觀測時期均比對照提前了7 d左右.

因此，2006年和2008年羊草從開花直至成熟期和種子脫落期的時間比2007年要早，年際間物候期的變化非常明顯.通過對比兩個處理后發(fā)現(xiàn)，增溫后羊草群落的第一個花粉囊外露時期、盛花期、果實發(fā)育期等幾個重要的物候期分?jǐn)?shù)分別比對照有所增加，3年的生殖物候期從開花到種子成熟均提前，與實際日期相比，物候期比對照提前了7 d左右.

注：a，b，c分別為2006年、2007年和2008年.調(diào)查時間中0—20分別代表觀測日期，0為5月6日，以后每隔6 d觀測一次，20代表觀測日期為10月4日.

2.3 增溫對羊草生殖輸出的影響

2.3.1 對生殖枝數(shù)量和生殖枝生物量的影響

方差分析表明，實驗?zāi)攴蒿@著影響生殖枝數(shù)量和生殖枝生物量(P<0.01)，但增溫只對生殖枝數(shù)量有顯著影響(P<0.01)(見表1).與對照相比，增溫后羊草種群生殖枝的數(shù)量在2006年與對照相比差異不顯著，但2007年和2008年分別比對照降低16株和17株，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(見表2).而單株生殖枝的生物量在增溫后有所提高，尤其是2007年增溫使得生殖枝單株生物量比對照高出0.06 g，達(dá)到極顯著水平(見表2).對比發(fā)現(xiàn)，增溫能夠使生殖枝的數(shù)量降低，但使平均每株的生物量增加.

表1 增溫和實驗?zāi)攴輰ρ虿莞饔行陨硡?shù)影響的方差分析

表2 增溫對羊草種群有性生殖性狀的影響

2.3.2 對每穗結(jié)實粒數(shù)、小花數(shù)量的影響

實驗?zāi)攴輰γ克虢Y(jié)實粒數(shù)的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對小花數(shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，而增溫只對每穗結(jié)實粒數(shù)和小花數(shù)的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05).在3個實驗?zāi)攴堇铮鰷厥蛊骄克虢Y(jié)實粒數(shù)分別比對照增加5粒、2粒和3粒，其中2008年達(dá)到顯著水平(P<0.05)(見表2).增溫還使每穗的小花數(shù)量分別比對照增加了2個、7個和15個，其中2008年達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(見表2).

2.3.3 對千粒重的影響

雙因素方差分析表明，實驗?zāi)攴莺驮鰷貎蓚€因素均是影響千粒重的主效因素，二者對千粒重的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01).2006年，與對照相比增溫后羊草千粒重沒有顯著變化(見表2)，而在2007年和2008年，千粒重分別比對照顯著增加了0.02 g和0.03 g (P<0.01) (見表2).

2.3.4 增溫對羊草生殖分配的影響

雙因素方差分析表明，除RA1外，實驗?zāi)攴輰ζ渌?個不同層次的生物量分配均有顯著的影響，對RA2和RA4有極顯著影響(P<0.01)(見表3).增溫除對RA3無顯著影響外，對RA1，RA2，RA4均有顯著影響，對RA1有極顯著影響(P<0.01)(見表3).年份與增溫的交互作用對各生殖分配比例均無顯著影響.

在RA1層次的生殖分配上，增溫后2006年種群對于生殖枝分配的生物量與對照相比沒有顯著性差異(見表4)，而2007和2008年有顯著的降低(P<0.05).在RA2層次上，增溫后生殖枝對穗的生物量分配在2006年和2007年均沒有顯著差異，在2008年有顯著增加(P<0.05).在RA3層次上，生殖枝對穗的生物量分配在3個實驗?zāi)攴菥鶝]有顯著差異.在RA4層次上，2006年和2007年無影響，但在2008年增溫顯著增加了生殖枝對籽實的生物量分配 (P<0.05)(見表4).

表3 增溫和實驗?zāi)攴輰ι撤峙溆绊懙姆讲罘治?/p>

表4 不同實驗?zāi)攴菅虿莶煌瑢哟蔚纳撤峙涞淖兓?%

3 討論

3.1 羊草的生殖物候期

物候期對溫度的響應(yīng)在寒冷的冬天和春天十分明顯[32-33].青藏高原在氣候變暖條件下植物返青期和初花期提前，枯黃期推遲[34].Wookey等[10]對一些亞高山物種的研究也表明，增溫對物候期的影響一般是從開花期開始，并能夠?qū)е码S后的一系列生殖過程提前.本文的研究結(jié)果與前人的一致，在春季和初夏溫度較低時增溫影響最為明顯，增溫能夠使羊草的生殖物候期提前7 d左右.在2006年，物候期分?jǐn)?shù)盡管有所提前，但不是很明顯，這可能是由于增溫對物候期的影響是一個累積的過程，在第一個實驗?zāi)攴?，實驗是在羊草返青后才正式開始的，所以物候期分?jǐn)?shù)不明顯可能與增溫時間的長短有關(guān).2007年和2008年增溫對物候期的影響較為明顯(見圖2)，從孕穗開始，物候期就已經(jīng)比對照提前，尤其是從第一個花粉囊外露以后，增溫使得物候期分?jǐn)?shù)增加更為明顯.相對于大多數(shù)植物而言，生殖始于植株生物量的高低而非年齡大小[35].增溫后植株的生長速度加快，葉片擴(kuò)展較早，光合增加，導(dǎo)致其開花株重量首先達(dá)到一定程度，所以物候期提前[36].在本實驗中，增溫后羊草開花株的生物量比對照要高，說明增溫使得羊草生殖枝的生長速度加快，開始有性生殖時其生物量早于對照達(dá)到最小生物量，因而物候期提前.

需要指出的是，不同實驗?zāi)攴堇镌鰷貙ξ锖虻挠绊懶Ч煌?，這與年際間氣候條件的差異有關(guān).從圖1可以看出，2007年在返青后降雨極少，并且同期溫度要高于另外兩個實驗?zāi)攴?，因此，該年物候期延遲可能是由于降雨稀少導(dǎo)致的春旱所致.羊草在開花期時高溫干旱的天氣條件下，可以推遲開花時間，使物候期延后.Liorens等[37]對地中海地區(qū)的一些物種2年的研究同樣發(fā)現(xiàn)，干旱可以推遲絕大多數(shù)開花植物的物候期.

3.2 羊草的生殖輸出和生物量分配

植物在不同的生長環(huán)境中會采取如增加或者減少生殖投入等不同的生殖策略[38].本文的研究發(fā)現(xiàn)，增溫顯著減少了羊草單位面積的抽穗數(shù)量，而增加了單株生物量、每株籽實粒數(shù)、每株籽實生物量、每株小花數(shù)和千粒重等(見表2).增溫能夠促進(jìn)種子生產(chǎn)，可能與增溫影響了氮素的利用和土壤水分含量有關(guān).已有研究表明，地表溫度升高能夠?qū)е峦寥赖V化的速度加快，植物的可利用性營養(yǎng)增加[39-41]，而氮素能夠顯著地影響羊草的種子生產(chǎn)[42].所以，生殖枝上著生的籽實數(shù)和籽實生物量均比對照顯著增加.

同時，生殖分配的結(jié)果顯示盡管在RA2層次上的分配值沒有差異(見表4)，但是羊草種群分配給生殖枝的生物量顯著減少，而生殖枝分配給小花和籽實的生物量卻顯著增加了，這說明生殖輸出的結(jié)果與生殖分配的變化有關(guān)[22].Lee[38]同樣指出，生殖分配變化的一個重要功能就是使植物的種子數(shù)量和大小產(chǎn)生變化.生殖輸出和生殖分配的結(jié)果說明在增溫條件下，羊草種群會通過減少生殖枝的數(shù)量而降低對有性生殖總能量的分配，但會促進(jìn)少量生殖枝更好的結(jié)實，即在外界溫度連續(xù)升高的條件下，羊草這種多年生根莖型禾草會減少有性生殖的投入，而將更多的能量用于無性繁殖，營養(yǎng)枝的數(shù)量在增溫后明顯增加.

從表2同樣可以看出，生殖枝數(shù)量在實驗?zāi)攴葜g有較大差異.研究表明，抽穗數(shù)量受到上一年秋季降雨量的影響[24，43].在本文的研究中，2007和2008年增溫后抽穗數(shù)量顯著增加，這可能是由于秋季增溫使土壤表面溫度增加、濕度降低引起的.在2006年灌漿期，降雨較多、溫度較低，增溫明顯促進(jìn)了結(jié)實粒數(shù)和籽粒重量的增加.其他相關(guān)的研究[22，44]同樣表明，溫度影響種子生產(chǎn)，而且和土壤濕度的變化也有聯(lián)系，尤其在涼爽的夏季能夠明顯促進(jìn)種子的生產(chǎn).本文的研究中，2008年的結(jié)實粒數(shù)和籽粒重量明顯低于前2年，這與開花灌漿期的溫度和降雨有關(guān)，表明夏季降雨太多且溫度很低的氣候不利于結(jié)實[24].

本文的研究表明，在溫度升高的條件下，羊草的生殖物候期會比正常情況下提前5～7 d，羊草種群通過減少種群開花株的數(shù)量、增加開花株向籽實的生物量分配，使得籽實數(shù)量和籽實重量增加，這表明羊草的有性生殖策略發(fā)生了明顯的變化.物候適應(yīng)性的差異可能會影響物種適應(yīng)氣候變暖的能力，物候適應(yīng)性差的物種在長期的氣候變暖期間可能面臨越來越大的壓力[45].在本研究中生殖物候期和生殖分配均發(fā)生了明顯的改變，二者同時發(fā)生變化也表明了物候期的提前在一定程度上決定著羊草生殖枝的種子生產(chǎn)能力，即開花物候期對于種子生產(chǎn)有著極其重要的作用[11，41，46].有研究已經(jīng)表明，物候期的提前同樣能夠影響植物的生殖分配，導(dǎo)致向生殖器官的分配比例增加[10].

Wang等[43，47]的研究表明，生殖枝的數(shù)量是限制羊草種子產(chǎn)量的關(guān)鍵，而在本實驗中穗數(shù)量的降低則可能直接導(dǎo)致產(chǎn)量的降低.本實驗中，增溫使羊草生殖物候期發(fā)生了明顯變化，且有性生殖輸出策略也發(fā)生了相應(yīng)的改變，但這種變化是增加了還是削弱了羊草生殖能力，暫時還不能肯定.但可以肯定的是，長時間的增溫可能會引起由于抽穗數(shù)量的降低而導(dǎo)致的種子產(chǎn)量的降低.本文模擬研究的結(jié)果表明，在全球氣候變暖的背景下，類似于羊草這種典型的多年生根莖型禾草的生殖過程可能會發(fā)生較大變化.