包 宇， 楊 苗， 唐占輝

(1. 國家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130117； 2. 東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 長春 130117)

表型可塑性是指同一種基因型個(gè)體通過對(duì)不同環(huán)境做出應(yīng)答而產(chǎn)生不同表型的特征，是生物適應(yīng)環(huán)境的一種被動(dòng)表現(xiàn)[1-2]。自然環(huán)境中植物生長發(fā)育所需資源在環(huán)境中并非均質(zhì)，如果一種基因型只存在一種表型的話，那么該物種就很難在異質(zhì)的環(huán)境中表現(xiàn)出較高的適合度[3-5]，植物通過生物量分配等表型可塑性來增加對(duì)資源的利用效率, 同時(shí)也為自身提供了一種有效地適應(yīng)環(huán)境機(jī)制[6]。濕地處于陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡區(qū)域,從而兼?zhèn)鋬煞N生態(tài)系統(tǒng)的多種復(fù)雜生態(tài)因素，導(dǎo)致濕地植物特別是幼苗階段對(duì)環(huán)境因子的變化具有不同的響應(yīng)規(guī)律。特別是濕地植物幼苗對(duì)外界環(huán)境因子的表型可塑性變化，對(duì)其種群更新、生存和發(fā)展具有重要的意義[7-9]。

吉林省東部金川泥炭地是龍崗山脈中段的山間谷地形成的一塊典型的泥炭沼澤濕地，該濕地曾受到較大人為干擾，近年來被加以保護(hù)。湯袁等人研究了該濕地的圓葉茅膏菜(Droserarotundifolia)在不同養(yǎng)分和生境條件下的生態(tài)可塑性特征，發(fā)現(xiàn)圓葉茅膏菜的年齡結(jié)構(gòu)、腺毛密度、葉形態(tài)特征都有一定的可塑性規(guī)律[10]。絲瓣剪秋羅(L.wilfordii)是該濕地分布的一種石竹科(Caryophyllaceae)剪秋羅屬(Lychnis)的多年生草本植物[11]，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)其野外種群數(shù)量近年來下降，但對(duì)其保護(hù)和研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。目前，對(duì)于剪秋羅屬植物的研究主要集中在園林栽培、組織培養(yǎng)及多倍體育種等方面[12-15]，而它們的幼苗生長發(fā)育對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，開展研究較少。本研究選擇的對(duì)象為絲瓣剪秋蘿，其幼苗生長對(duì)濕地環(huán)境因子(溫度、土壤養(yǎng)分)的響應(yīng)還沒有相關(guān)研究。考慮到植物幼苗對(duì)環(huán)境因子的變異響應(yīng)是保護(hù)濕地植物、恢復(fù)濕地生態(tài)工作需要解決的關(guān)鍵問題之一，因此本研究以濕地植物絲瓣剪秋羅幼苗為研究對(duì)象，研究在不同溫度和土壤養(yǎng)分處理下，絲瓣剪秋羅幼苗生長狀況、生物量積累和分配等特征。研究結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)濕地植物幼苗表型可塑性對(duì)環(huán)境因子變化的響應(yīng)及日后濕地恢復(fù)工作具有重要意義，為更好地保育濕地植物絲瓣剪秋蘿提供參考依據(jù)，也對(duì)深入了解剪秋蘿屬植物的生長發(fā)育特性具有重要的參考價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究中絲瓣剪秋羅的種子是2016年冬天購于華夏種業(yè)公司并保存在干燥溫室中，2017年4月初播種育苗。

1.2 方法

1.2.1 種子萌發(fā)和幼苗移栽

隨機(jī)選取飽滿且大小一致的絲瓣剪秋羅種子，將種子放入以泥炭土為基質(zhì)的花盆(19 cm×14.5 cm×9.5 cm)中，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)做萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)幼苗長至5 cm時(shí)候，嚴(yán)格挑選長勢(shì)良好且生長一致的幼苗移植到以蛭石作為基質(zhì)的塑料花盆中(排除非處理因素影響)，幼苗移植后經(jīng)過緩苗階段，待植物材料完全恢復(fù)正常后，再一次淘汰掉不符合條件的植株后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，樣本量總共為54株植物幼苗?；ㄅ璧撞烤哂信潘祝瑸榉乐雇寥罎B漏，花盆排水孔下方墊有細(xì)尼龍網(wǎng)，整體置于托盤上。控制實(shí)驗(yàn)期間幼苗均在可控的植物培養(yǎng)箱內(nèi)生長。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)處理方式

實(shí)驗(yàn)設(shè)置分為溫度處理和營養(yǎng)處理(每個(gè)處理各27株)。溫度處理設(shè)置3個(gè)梯度：分別為高溫(30℃)、中溫(20℃)和低溫(10℃)。土壤養(yǎng)分處理設(shè)置3個(gè)梯度：分別為高營養(yǎng)(全強(qiáng)度改良霍格蘭營養(yǎng)液)、中營養(yǎng)(1/2強(qiáng)度改良霍格蘭營養(yǎng)液)、低營養(yǎng)(1/10強(qiáng)度改良霍格蘭營養(yǎng)液)。以上處理方式下每個(gè)處理的樣本量為9株植物，將9株幼苗分種在3個(gè)花盆(每盆3株幼苗)，溫度處理用控溫自動(dòng)調(diào)節(jié)功能設(shè)置；養(yǎng)分處理按照每個(gè)花盆每次加30 mL相應(yīng)的營養(yǎng)液，每隔4 d加1次。實(shí)驗(yàn)期間，保持花盆基質(zhì)的濕潤狀態(tài)，以保證幼苗能有效的吸收養(yǎng)分。每隔10 d取樣測(cè)量1次，每次取1盆，將盆土倒出用水小心沖掉土壤以獲得完整3株幼苗，進(jìn)行下述指標(biāo)的測(cè)量。

1.2.3 測(cè)量指標(biāo)

測(cè)量指標(biāo)時(shí)將幼苗分成地上、地下部分，清洗后用吸水紙吸干，在65℃烘干48 h，用1/10 000的電子天平稱量，計(jì)算各項(xiàng)生長參數(shù)，各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算方法如下[16]：

株高(cm)=從植物露出地面的基部開始，至植物頂點(diǎn)的高度；

總生物量(g)=根生物量(干重)+地上生物量(干重)；

根冠比=根生物量(干重)/地上生物量(干重)；

相對(duì)生長率=(LnMt2—LnMt1)/(t2—t1)，其中M指幼苗干生物量，t表示不同時(shí)間g/(g·d)；

表型可塑性指數(shù)=處理中某一性狀的最高值減去最低值除以最高值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在比較前，先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。對(duì)于服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，使用單因素方差分析(One-Way ANOVA)檢驗(yàn)不同處理對(duì)植物各生長參數(shù)影響的顯著性；對(duì)于不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，如果轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，使用單因素方差分析檢驗(yàn)相關(guān)變量間是否存在顯著差異。若仍不服從正態(tài)分布，則使用非參數(shù)檢驗(yàn)中的K個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)法，上述所有顯著性檢驗(yàn)的顯著度均設(shè)為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下絲瓣剪秋羅幼苗表型可塑性

2.1.1 植株高度可塑性

絲瓣剪秋羅幼苗的株高在盆栽實(shí)驗(yàn)開始后第10天時(shí)，高溫條件下幼苗增高較其他條件下明顯，低溫條件下株高增長最??；20 d時(shí)，高溫條件較中溫條件株高相差0.8 cm，低溫條件下株高增長最??；30 d時(shí)，高溫條件株高較其他條件下增高顯著，并且低溫條件下株高增高最小(圖1)。不同溫度處理?xiàng)l件下，第10天、第20天及第30天時(shí)幼苗株高均存在顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)，溫度對(duì)絲瓣剪秋羅幼苗株高的影響顯著。同時(shí)在10、20和30 d時(shí)均能觀察到溫度越高，幼苗株高越高的現(xiàn)象。

2.1.2 生物量積累和根冠比可塑性

在不同溫度處理下，絲瓣剪秋羅幼苗的總生物量在3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)均有顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)。第10天、第20天及第30天時(shí)，高溫條件下幼苗總生物量均較其他條件下增加顯著，并且低溫條件下總生物量增加最小(圖2)。結(jié)果表明幼苗總生物量在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)均隨溫度升高而增加。溫度對(duì)絲瓣剪秋羅植物幼苗的總生物量影響顯著。

圖1 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同溫度處理下植株高度隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 The temporal dynamics of plant height during thirty days under three temperature treatments

圖2 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同溫度處理下植株總生物量隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 The temporal dynamics of plant biomass during thirty days under three temperature treatments

第10天、第20天和第30天時(shí)，高溫條件下幼苗根冠比較其他條件下小，并且在低溫條件下根冠比隨時(shí)間變化下降最為緩慢，根冠比最高(圖3)。絲瓣剪秋羅幼苗的根冠比在不同溫度處理下，除第10天外，在第20天和第30天均存在顯著差異(P20 d<0.05，P30 d<0.05)。不同溫度處理?xiàng)l件下，幼苗根冠比表現(xiàn)為隨溫度升高而下降，溫度對(duì)于絲瓣剪秋羅幼苗的根冠比的影響在后期更為明顯。

圖3 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同溫度處理下根冠比隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 The temporal dynamics of plant root/shoot ratio during thirty days under three temperature treatments

2.1.3 相對(duì)生長率可塑性

幼苗相對(duì)生長率隨溫度升高而增大，第10天、第20天及第30天時(shí)，高溫條件下幼苗相對(duì)生長率均大于其他條件下幼苗相對(duì)生長率，并且在低溫條件下相對(duì)生長率最低(圖4)。在第10天、第20天和第30天時(shí)，絲瓣剪秋羅幼苗的相對(duì)生長率在不同溫度條件下均存在顯著的差異，(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)，溫度對(duì)于絲瓣剪秋羅幼苗的相對(duì)生長率影響非常顯著。

圖4 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同溫度處理下相對(duì)生長率隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 4 The temporal dynamics of plant relative growth rate during thirty days under three temperature treatments

2.2 不同土壤養(yǎng)分條件下絲瓣剪秋羅幼苗表型可塑性

2.2.1 植株高度可塑性

在10 d、20 d和30 d時(shí)幼苗株高隨土壤養(yǎng)分濃度升高而增加；高養(yǎng)分條件下幼苗平均株高均比其他條件下高，并且低養(yǎng)分條件下株高最低(圖5)。在不同土壤養(yǎng)分條件下，絲瓣剪秋羅的幼苗株高在第10天、第20天和第30天時(shí)，均存在顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)，土壤養(yǎng)分對(duì)絲瓣剪秋羅幼苗的株高影響顯著。

圖5 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同土壤養(yǎng)分條件下植株高度隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 5 The temporal dynamics of plant height during thirty days under three nutrient treatments

2.2.2 生物量積累和根冠比可塑性

在盆栽實(shí)驗(yàn)進(jìn)行后的第10天、第20天和第30天時(shí)觀測(cè)到絲瓣剪秋羅幼苗總生物量隨土壤養(yǎng)分濃度升高而增加的趨勢(shì)；高養(yǎng)分條件下幼苗總生物量均較其他條件下增加顯著，并且低養(yǎng)分條件下總生物量增加最小(圖6)；不同養(yǎng)分條件下，其幼苗總生物量均存在顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)。

絲瓣剪秋羅幼苗的根冠比隨土壤養(yǎng)分濃度升高，有降低的趨勢(shì)。第10天、第20天和第30天時(shí)，高養(yǎng)分條件下幼苗根冠比較其他條件下小，并且在低養(yǎng)分條件下根冠比下降最為緩慢，根冠比最高(圖7)。在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的不同土壤養(yǎng)分條件下，幼苗根冠比均存在顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)。

圖6 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同土壤養(yǎng)分條件下植株總生物量隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 6 The temporal dynamics of plant biomass during thirty days under three nutrient treatments

2.2.3 相對(duì)生長率可塑性

絲瓣剪秋羅幼苗相對(duì)生長率隨土壤養(yǎng)分濃度升高而增加。第10天和第30天時(shí)，高養(yǎng)分條件下幼苗相對(duì)生長率均大于其他條件下幼苗相對(duì)生長率；第20天時(shí)，相對(duì)生長率最高的是高養(yǎng)分處理，相對(duì)生長率最低的是低養(yǎng)分處理(圖8)。幼苗的相對(duì)生長率在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)不同土壤養(yǎng)分條件下，均存在顯著差異(P10 d<0.05，P20 d<0.05，P30 d<0.05)。

圖7 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同土壤養(yǎng)分條件下根冠比隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 7 The temporal dynamics of plant root/shoot ratio during thirty days under three nutrient treatments

圖8 絲瓣剪秋羅幼苗在3種不同土壤養(yǎng)分條件下相對(duì)生長率隨生長時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Figure 8 The temporal dynamics of plant relative growth rate during thirty days under three nutrient treatments

2.3 絲瓣剪秋羅幼苗的表型可塑性指數(shù)

在不同溫度處理下，第10天時(shí)，相對(duì)生長率可塑性最強(qiáng)；第20天和第30天時(shí)，總生物量可塑性最強(qiáng)；分別取各項(xiàng)參數(shù)的表型可塑性指數(shù)均值表明：相對(duì)生長率可塑性最強(qiáng)，其次是總生物量可塑性與株高可塑性，可塑性最低的為根冠比可塑性(表1)。在不同土壤養(yǎng)分處理?xiàng)l件下，其中根冠比可塑性最強(qiáng)，其次是相對(duì)生長率可塑性與總生物量可塑性，可塑性指數(shù)最低的為株高(表2)。PI(溫度)=0.5004>PI(養(yǎng)分)=0.4709，表明絲瓣剪秋羅幼苗對(duì)于溫度的可塑性更強(qiáng)。

表1 不同溫度條件下絲瓣剪秋羅幼苗的表型可塑性指數(shù)Table 1 Phenotypic plasticities of seedlings of L. wilfordii under different temperature conditions

表2 不同土壤養(yǎng)分條件下絲瓣剪秋羅幼苗的表型可塑性指數(shù)Table 2 Phenotypic plasticities of seedlings of L. wilfordii under different nutrient conditions

3 討論

3.1 絲瓣剪秋蘿幼苗對(duì)溫度條件的表型可塑性響應(yīng)

植物所采取的生活史策略主要是通過能量的合理分配、各個(gè)生命過程的協(xié)調(diào)，使物種的繁殖、存活及適合度達(dá)到最大[17]。當(dāng)環(huán)境資源條件改變時(shí)，植物幼苗通過形態(tài)特征的改變來適應(yīng)生境條件的變化，如幼苗高度、生物量積累和分配以及相對(duì)生長率發(fā)生改變，以維持幼苗在不同環(huán)境下的存活和生長[18]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同溫度處理?xiàng)l件下，30℃和20℃處理下的植物幼苗長勢(shì)都較好，且生長明顯快于10℃的處理組。30 d內(nèi)絲瓣剪秋羅幼苗的株高、總生物量、相對(duì)生長率隨溫度梯度升高而顯著增加。溫度對(duì)植物生長的影響主要是通過調(diào)節(jié)生化物質(zhì)含量和保護(hù)酶活性來改變各種代謝過程而產(chǎn)生的一種綜合效應(yīng)[19]。10℃處理的絲瓣剪秋蘿幼苗株高、總生物量、相對(duì)生長率相對(duì)其他兩組處理較小，研究期內(nèi)絲瓣剪秋羅幼苗的根冠比呈下降趨勢(shì)，并且溫度越高，根冠比越小?？赡苁且?yàn)樵诘蜏貤l件下，蒸騰作用和呼吸作用減弱等因素限制了水分和養(yǎng)分的吸收，而為了保證根部對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，將更多的資源分配給根部，表現(xiàn)為根冠比增大。30℃的處理組各生長參數(shù)均高于其他處理組，生長發(fā)育均好于其他處理組。范增麗對(duì)兩種淫羊藿屬植物(Epimedium)的研究表明，增溫顯著影響植株的生長進(jìn)程，在增溫20℃的條件下，兩種淫羊蕾屬植物的株高，葉片長、寬及葉面積的增量均大于對(duì)照和增溫5℃[20]。這與對(duì)高寒草甸6種常見禾本科植物幼苗生長和生物量分配的影響研究和不同溫度下雌雄葎草營養(yǎng)生長期的生長特性等研究結(jié)果相似[17,21,24-25]。本研究發(fā)現(xiàn)絲瓣剪秋羅幼苗的相對(duì)生長率對(duì)溫度的可塑性響應(yīng)最強(qiáng)，幼苗相對(duì)生長率是植物生活史特征的重要方面,也是評(píng)價(jià)幼苗生長對(duì)環(huán)境響應(yīng)的重要指標(biāo)[22]。在相似資源條件下, 具有較大相對(duì)生長率可塑性的草本植物種具有較大的入侵性能和拓殖能力[23]，絲瓣剪秋蘿野外居群生長在濕地中，推測(cè)其幼苗相對(duì)生長率可塑性最強(qiáng)，可能是其居群更新、成功定植的決定因素。

3.2 絲瓣剪秋蘿幼苗對(duì)土壤養(yǎng)分條件的表型可塑性響應(yīng)

在不同土壤養(yǎng)分處理下，絲瓣剪秋羅幼苗的高度、總生物量、相對(duì)生長率隨土壤養(yǎng)分梯度升高而增加，在一定范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分越高，高度、總生物量、相對(duì)生長率越大。研究期內(nèi)絲瓣剪秋羅幼苗的根冠比隨幼苗生長發(fā)育的進(jìn)行逐漸降低，絲瓣剪秋蘿幼苗在低養(yǎng)分時(shí)的根冠比最大，在高養(yǎng)分時(shí)根冠比最小，符合平衡生長假說，該假說認(rèn)為植物在資源受限時(shí)會(huì)把資源分配給能更多獲取受限資源的器官[26]。有很多研究結(jié)果表明增加養(yǎng)分將會(huì)使根生物量減小，葉生物量增大[27]，養(yǎng)分充足時(shí)，幼苗把更多的資源用于地上部分各器官的生長，以利于葉片等增加從而獲取更多的光能用于光合作用。而在低養(yǎng)分時(shí)，幼苗具有較多的根生物量，用于吸收更多的水分和養(yǎng)分，提高生存能力[18]。本研究中，養(yǎng)分較缺乏的低養(yǎng)分組，幼苗把資源更多地分配給根部以滿足自身最大限度地獲取養(yǎng)分，導(dǎo)致根冠比較高養(yǎng)分組增大。

4 結(jié)論

絲瓣剪秋羅幼苗對(duì)溫度變化的表型可塑性指數(shù)高于對(duì)土壤養(yǎng)分變化的表型可塑性指數(shù)，意味著絲瓣剪秋蘿幼苗時(shí)期對(duì)溫度條件的變化較為敏感，對(duì)溫度條件變化表現(xiàn)為積極的可塑性響應(yīng)。植物在異質(zhì)環(huán)境中，不論表現(xiàn)為消極的可塑性響應(yīng)還是積極的可塑性響應(yīng)，表型可塑性能夠使植物改變表型特征，最大限度地提高自身適合環(huán)境的適合度。本研究中絲瓣剪秋蘿幼苗在高溫和中溫處理下較低溫處理各項(xiàng)參數(shù)顯著升高，在高養(yǎng)分條件下的各項(xiàng)生長參數(shù)也優(yōu)于中低養(yǎng)分條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，絲瓣剪秋蘿幼苗階段生長發(fā)育最適溫度為20℃～30℃。日后可以通過調(diào)控土壤中養(yǎng)分濃度和外界溫度，來提高絲瓣剪秋蘿幼苗對(duì)濕地復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，進(jìn)而可將其應(yīng)用于濕地的生態(tài)保育與恢復(fù)。