遮光對海菖蒲形態(tài)特征及元素含量的影響

符 妙，鄧 娜，廖立國，陳石泉，譚正洪，張 翔

（1.海南大學 生態(tài)與環(huán)境學院，?？?570228; 2.海南省海洋與漁業(yè)科學院，?？?570125）

海草是一種能夠生活在熱帶與溫帶海域中的單子葉植物[1]，是目前唯一可以在海水中完成生活史的被子植物[2]。受光照等環(huán)境因子的影響，海草的分布被限制在淺海海域[3]，一般在6 m以內(nèi)的潮間帶和潮下帶[4]。海草生態(tài)系統(tǒng)作為重要的藍碳生態(tài)系統(tǒng)之一，其年凈初級生產(chǎn)力可達 1 012 g·m?2[5]，具有高效的固碳能力[6]。此外，海草能為許多海洋生物提供棲息、繁育和覓食的場所[7]，具有減弱海浪能、固著底質、吸附懸浮顆粒物質以及改善水質等功能[8]。由于人類活動和全球氣候變化的影響，全球海草床正在發(fā)生大規(guī)模的退化與消失[9]，其中，人類活動引起的水體透光率降低被認為是導致海草生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因之一[10]。光照強度是決定海草生長、存活和分布的主要因素[11]。弱光環(huán)境下，由于光合速率降低，海草積累有機物及增加自身生物量的途徑受阻[12]，維持其正常生長發(fā)育所需要的能量來源減少[13]，從而引起生長速率降低[14]，在極低光照環(huán)境下，甚至會導致海草生態(tài)系統(tǒng)的退化與消失[15]。當光照強度降低時，海草大多可以通過形態(tài)特征和生理特性的改變來提高對有限光照的利用率，從而抵御弱光環(huán)境的脅迫[16]。葉片是植物進行光合作用的主要場所，其形態(tài)特征的變化可以直觀地反映光照環(huán)境的變化對植物的影響及植物對不同光照環(huán)境的響應[17]。在弱光環(huán)境下，海草的葉片形態(tài)通常是減小而不是增大[17]，這能夠有效地減少葉片的呼吸需求[18]。但是也有研究表明，大洋波喜蕩草(Posidonia oceanica)在光照減少初期通過增大葉寬來增加光合作用的面積[19]。可見不同海草在弱光環(huán)境下的形態(tài)特征響應存在差異，深入探討其差異的原因和驅動機制，對于掌握適宜海草生長發(fā)育的光照環(huán)境具有積極意義。

光照強度的變化還會引起海草生物量積累及分配的變化。通常情況下，植物對光照減少的響應策略是將更多的生物量資源分配給地上部分，通過增加地上部分的生物量增強光捕獲能力[20]。而相關研究表明，當光照減少時，海草生物量對地下部分的分配比地上部分更多[21]。當前關于不同環(huán)境下海草對生物量的分配尚不完全清楚，研究海草在不同光照環(huán)境下對生物量的調(diào)節(jié)與分配對明確其抵御弱光脅迫的機制具有一定的參考意義。

C、N、P是植物生長發(fā)育過程中的關鍵元素[22]，植物的這些元素含量及其生態(tài)化學計量特征在不同的光照環(huán)境下具有一定的差異性[23]。RUIZ[24]的研究結果表明，50 d的遮光處理使大洋波喜蕩草葉片部分的N、P含量有所增加；DAHL等[25]的研究結果表明，遮光處理使泰來草(Thalassia hemprichii)根莖部分的C含量顯著減少；PREMARATHNE等[26]的室內(nèi)研究結果表明，弱光處理使貝克喜鹽草(Halophila beccarii)地上部分的C、N含量顯著減少，其在弱光處理下的總碳儲量僅約為全光照處理的1/2。這些關鍵元素的含量變化能夠有效地反映海草對不同光照環(huán)境響應的本質。

海菖蒲(Enhalus acoroides)是一種單子葉水鱉科的大型海草，其廣泛分布于印度洋-西太平洋區(qū)域，在我國僅分布于海南島[27]。養(yǎng)殖活動和陸源污染物的排放等人為干擾使水體環(huán)境呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài)，這種環(huán)境會造成附著生物的增多(懸浮物的增加)，從而降低海水的透光率和溶解氧，進而抑制海草的光合作用[28]，導致海菖蒲的分布面積逐漸下降[29]。目前我國對海菖蒲的研究主要包括資源調(diào)查[30]、遺傳結構[31]和生態(tài)恢復等[28]，關于環(huán)境因子對海菖蒲的影響研究鮮有報道，而通過人工遮光手段研究不同透光率情境下海菖蒲的響應尚未見報道。本研究以海菖蒲為研究對象，通過原位搭建遮光棚，研究不同光照環(huán)境下海菖蒲的形態(tài)特征及元素含量的變化情況，研究結果將有助于揭示海草在弱光環(huán)境下的響應機制，闡明海草生態(tài)系統(tǒng)衰退的原因，為海草生態(tài)系統(tǒng)的恢復與保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況遮光實驗在海南省陵水黎族自治縣的黎安港進行。黎安港屬熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫25.4 ℃，雨量充沛，是一個自然形成的半封閉狀態(tài)潟湖，僅由1條約60 m寬的潮汐汊道與外海相通[32]。港內(nèi)海草資源豐富，分布面積約1.42 km2，種類有海菖蒲、泰來草、卵葉喜鹽草(Halophila ovalis)和圓葉絲粉草(Cymodocea rotundata)等[33]。但是由于長期受人為干擾，目前黎安港海草床正逐漸發(fā)展為以海菖蒲為單一優(yōu)勢種的生態(tài)系統(tǒng)。因此，本實驗選取海菖蒲為研究對象，并在展開遮光實驗前對樣地區(qū)域海菖蒲的生態(tài)學特征進行了本底調(diào)查(表1)。

表1 海菖蒲的生態(tài)學特征 (平均值±標準誤差)

1.2 樣地設置于 2020?12?04 在研究區(qū)域內(nèi)選擇位于潮間帶呈片狀分布、長勢基本一致的海菖蒲海草床(進行遮光的區(qū)域僅有海菖蒲分布)，搭建2 m×2 m的遮光棚，棚高略大于完全漂浮狀態(tài)海菖蒲植株高度。遮光材料采用同種密度的黑色遮光網(wǎng)，通過改變遮光網(wǎng)層數(shù)并使用水下照度計(ZDS-10W-2D型)原位測量遮光網(wǎng)正下方的光照強度來確定遮光量。光照測量于正午陽光充足時進行，測量結果見表2。

表2 原位光照測量值

根據(jù)光照測量結果，兩種遮光處理的遮光率分別近似為60%(單層遮光)和90%(雙層遮光)，依次標記為中度遮光組(MS)和重度遮光組(HS)，同時以全光照處理(無遮光網(wǎng))作為對照組(CK)。在研究區(qū)域內(nèi)選取3個重復樣地，間隔約200 m，每個重復樣地內(nèi)設置3種光照處理，每個處理設置3組重復，共27個樣方(圖1)。為了減少其他海洋生物附著引起的實驗誤差，需要每個月定期前往樣地更換遮光網(wǎng)。

1.3 樣品的采集與處理在 2021?03?26 的大潮期間，水位降低，海菖蒲露出水面時進行采樣。在試驗小區(qū)用25 cm×25 cm的采樣框采集遮光棚正下方的海草樣，將采樣框內(nèi)的海菖蒲連同根莖一起挖出，在原位用海水將海菖蒲上的泥沙沖洗干凈。然后運輸至實驗室。

1.3.1 形態(tài)特征與生物量的測定將帶回實驗室的海菖蒲取出，用蒸餾水對其進行沖洗，并用刀片小心刮去葉片表面的附著生物。首先測量并記錄海菖蒲的葉長、葉寬、莖長、葉片數(shù)與植株數(shù)，然后用吸水紙吸干其表面水分，隨后按照地上部分和地下部分(分別為葉片和根莖)剪取。經(jīng)處理后的海草樣放入電熱鼓風干燥箱(DHG-9053A型)內(nèi)，60 ℃烘干至恒重(72 h)，稱量各部分的干質量。

1.3.2 元素含量的測定將每組處理內(nèi)烘干的海草樣按照地上部分與地下部分分別混勻后用植物粉碎機(SUS304型)進行粉碎，用于葉片部分與根莖部分有機碳、全氮和全磷含量的測定。元素含量的測定參照《土壤農(nóng)化分析》[34]。有機碳含量的測定采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法；全氮含量的測定采用半微量凱氏定氮法；全磷含量的測定采用鉬銻抗比色法[34]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用 Excel 2019 和SPSS 26.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理與分析，不同光照處理下海菖蒲的形態(tài)特征與元素含量的差異性采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著法 (LSD)進行檢驗 (α=0.05)。繪圖采用 Origin 9.8軟件。

2 結果與分析

2.1 遮光對海菖蒲形態(tài)特征的影響隨著遮光強度的增加，海菖蒲的各項形態(tài)特征呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(表3)。與全光照處理相比，60%遮光處理的葉長和葉寬分別減少了14.9%和10.9%；90%遮光處理的葉長和葉寬分別減少了27.8%和16.4%，遮光對葉片形態(tài)影響顯著(P＜0.05)。莖長與葉片數(shù)在不同遮光處理下的變化趨勢相同，兩種遮光處理下較全光照處理顯著減少(P＜0.05)。植株密度隨著遮光強度的增加逐漸減少，但其影響沒有達到顯著水平(P＞0.05)。

表3 不同遮光處理對海菖蒲形態(tài)特征的影響(平均值±標準誤差)

2.2 遮光對海菖蒲生物量的影響海菖蒲的地上部分生物量、地下部分生物量和總生物量總體表現(xiàn)出隨著遮光強度的增加而減少的變化趨勢(表4)，全光照處理下的生物量均大于遮光處理。從不同部位生物量來看，遮光處理顯著降低了地上部分生物量(P＜0.05)，而地下部分生物量受遮光的影響不顯著(P＞0.05)。

表4 不同遮光處理對海菖蒲生物量的影響(平均值±標準誤差)

從分配比例來看，60%的遮光處理下生物量提高了向地下部分的分配而降低了向地上部分的分配(圖2)，但其影響沒有達到顯著性水平(P＞0.05)。

2.3 遮光對海菖蒲化學元素含量及其化學計量特征的影響3種光照處理下海菖蒲葉片的C、N、P含量均大于根莖(圖3)。遮光處理使根莖和葉片的C含量呈現(xiàn)不同程度的減少趨勢，其中，根莖的C含量在90%遮光處理下較全光照處理顯著減少(P＜0.05)，但葉片的C含量在各處理間未達到差異顯著性水平(P＞0.05)。遮光處理下葉片的N、P含量分別較對照處理增加了10.78%～12.91%和43.45%～45.73%，遮光處理顯著增加了葉片的N、P含量(P＜0.05)。盡管遮光處理下根莖的N、P含量稍有減少，但其影響沒有達到顯著水平(P＞0.05)。從分配比例來看，弱光環(huán)境下，C、N、P對葉片的分配比例有所增加，而減少了對根莖的分配比例，但均未達到顯著性影響(P＞0.05)。

遮光處理使海菖蒲葉片的碳氮比(C∶N)、碳磷比(C∶P)和氮磷比(N∶P)均隨著遮光強度的增加而顯著降低(P＜0.05)(表5)。在不同光照處理下，葉片的C∶N和C∶P均小于根莖，而在全光照處理下葉片的N∶P大于根莖。根莖的C∶N隨著遮光強度的增加逐漸降低，其C∶P和N∶P則隨著遮光強度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，但均未達到顯著性影響(P＞0.05)。綜合來看，葉片的C∶N、C∶P和N∶P受遮光處理的影響較根莖要大。

表5 不同遮光處理對海菖蒲的C∶N、C∶P和N∶P的影響(平均值±標準誤差)

3 討 論

3.1 遮光對海菖蒲形態(tài)特征的影響海草的生長與分布對光照強度的變化較為敏感[4]，與藻類、浮游生物等海洋生物相比，海草的最低光照要求更高[35]。研究表明，海草生活的海底環(huán)境必須要接收海水表面入射輻照度11%的光照才能維持海草的正常生長發(fā)育[3]。為了適應海底的弱光環(huán)境，海草會在形態(tài)上表現(xiàn)出可塑性[36]，即通過改變形態(tài)特征以進一步適應環(huán)境變化[37]。光照強度的變化會直接影響海草的葉長、葉寬和植株密度等形態(tài)特征[38]，能夠直觀地反映海草對光照強度降低的適應變化。在BERTELLI等[39]的研究中，40%與90%的遮光處理使鰻草(Zostera marina)的葉長與葉寬顯著低于全光照處理。本研究取得了基本一致的結果，光照強度降低對海菖蒲的生長產(chǎn)生了顯著的抑制作用，其葉長、葉寬、莖長和葉片數(shù)與遮光強度呈顯著負相關。海草這種葉片形態(tài)的調(diào)整能夠有效地降低自身的呼吸消耗，是其對弱光環(huán)境的一種適應[18]。但是，并非所有的海草物種在不同的光照環(huán)境下都具有較高的形態(tài)可塑性。形態(tài)較小，生長較快的喜鹽草屬(Halophila)能夠通過調(diào)整葉片形態(tài)以迅速適應新的光照環(huán)境[40]。而形態(tài)較大、生長緩慢的波喜蕩草屬(Posidonia)在短期光照脅迫環(huán)境下無明顯的形態(tài)變化，這類海草物種根莖發(fā)達，通常能夠依賴自身豐富的碳水化合物儲備以抵御脅迫環(huán)境[41]。這種形態(tài)變化的差異反映了不同海草物種對光照變化的響應差異。

3.2 遮光對海菖蒲生物量的影響海草通過光合作用進行有機物質的積累，從而增加自身的生物量。本研究發(fā)現(xiàn)海菖蒲的生物量隨著遮光強度的增加顯著減少，說明在弱光環(huán)境下，光合速率降低，生物量的積累有所減少。這與PREMARATHNE等[26]的研究結果一致，即光照的可利用性會影響海草的初級生產(chǎn)力，表現(xiàn)為低光照處理下貝克喜鹽草的地上部分生物量顯著減少。本研究還發(fā)現(xiàn)海菖蒲地上部分生物量對光照變化的響應較地下部分生物量強。葉片是植物直接感應光照變化的器官，其作為對環(huán)境因子響應的最直觀的指標，可以反映海草物種對光照變化的可塑性。地上部分生物量的減少既能反映弱光環(huán)境下海草的生長發(fā)育狀況，同時也表明海草通過減少自遮蔭緩解弱光環(huán)境的脅迫[42]，即海草通過減小葉面積以避免其葉片自身形成的光照遮擋。

光照環(huán)境的變化會影響植物對生物量資源的分配與利用[43]。一般來說，弱光環(huán)境下，海草的相對生長速率減緩，地下部分生物量比地上部分生物量減少的幅度更大，其通過增加地上部分的分配來提高葉片的光合速率[44]。本研究表明，弱光環(huán)境使海菖蒲的生物量減少了對地上部分的分配，增加了對地下部分的投資。這將有利于根莖部分的生長，增加對營養(yǎng)元素的吸收與利用。植物在外界環(huán)境脅迫下，也會將資源分配給地下部分，從而獲取更多的地下養(yǎng)分資源以提高其生存能力，物種的種間差異可能會導致生物量分配在光照環(huán)境變化時的響應差異[43]。本研究海菖蒲生物量的這種分配差異并不顯著，這可能與遮光起始時間、遮光強度以及遮光的持續(xù)時間等有關。本研究僅研究了短期遮光處理對海菖蒲的影響，至于在長期的弱光環(huán)境下海菖蒲的生理生態(tài)特征及其資源分配方式會發(fā)生怎樣的變化，還有待進一步的研究探討。

3.3 遮光對海菖蒲元素含量的影響植物對C、N、P的吸收、利用與光合作用有關，同時C、N、P是光合作用過程中的關鍵元素[45]。本研究結果表明，遮光處理下海菖蒲葉片和根莖的C含量減少，這可能是由于弱光環(huán)境下光合速率降低，造成其合成的有機物質減少。此外，遮光處理促進了海菖蒲葉片N、P的積累，使葉片N、P含量顯著高于全光照處理，而根莖部分的N、P含量有所減少，這可能是因為在光照減少時，海菖蒲將更多的養(yǎng)分分配到地上部分以促進其對光能的吸收與利用。在不同光照環(huán)境下，植物對C、N、P的吸收與分配能夠表現(xiàn)出一定的生態(tài)化學計量特征[22]，同時也反映了植物對不同光照環(huán)境的響應。本研究結果表明，遮光處理下葉片的C∶N、C∶P和N∶P顯著降低。這可能是由于光照強度降低，海菖蒲有機物質的合成減少，C含量降低，而N、P增加了對葉片的分配比例以提高光合速率。Peralta等[11]研究發(fā)現(xiàn)諾氏鰻草(Zostera noltii)地上部分與地下部分的C含量隨著光照的減少而降低，N含量則增加，從而導致C∶N降低。本研究結果與文獻[11]的一致。

4 結 論

遮光處理對海菖蒲的形態(tài)特征、生物量以及營養(yǎng)元素含量等均有影響。光照減少會抑制海菖蒲的生長發(fā)育，使其葉片形態(tài)和植株密度減小，生物量降低。從分配比例來看，遮光處理下海菖蒲生物量增加了對地下部分的分配，而減少了對地上部分的分配，這將有利于增加根莖部分對營養(yǎng)元素的吸收，有效地緩解弱光環(huán)境的脅迫。此外，遮光處理也會顯著影響海菖蒲的C、N、P含量，光合速率降低使根莖部分的C含量顯著減少，N、P含量通過增加對葉片的分配以促進海菖蒲的生長發(fā)育，從而提高其對光能的捕獲能力。本研究通過對海菖蒲展開原位遮光的影響研究，探討海草生態(tài)系統(tǒng)對光照減少的響應方式，為恢復和保護海草生態(tài)系統(tǒng)提供參考依據(jù)。