滕秋梅，孫英杰，沈育伊，張德楠，徐廣平,3 ，周龍武，張中峰，黃科朝，何 文，何成新

(1：廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所，廣西喀斯特植物保育與恢復生態(tài)學重點實驗室，桂林 541006) (2：廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所，廣西植物功能物質研究與利用重點實驗室，桂林 541006) (3：中國地質科學院巖溶地質研究所，自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，桂林 541004)

水體富營養(yǎng)化是我國近40年來眾多湖泊和河流水域所面臨的主要問題和挑戰(zhàn)之一[1]，在人類活動的影響下，這種演化過程大大加快，富營養(yǎng)化引起的環(huán)境問題日益嚴重[2-4]. 研究表明，城市周邊的濕地是整個景觀物質流的匯聚地，積累了較多的沉積物，伴隨濕地常常出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化[5]，進而給外來入侵植物創(chuàng)造了一定的空生態(tài)位[6].

水葫蘆，學名鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)，原產(chǎn)于南美洲，屬雨久花科，它還有其他俗名，如鳳眼藍、水鳳仙、水風信子等[7]. 作為主要的外來入侵物種之一，多個國家和地區(qū)受到水葫蘆入侵的危害[8]，對區(qū)域生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)構成了巨大的威脅[9]. 桂林會仙喀斯特濕地是中國最大的巖溶濕地，在調節(jié)地區(qū)氣候、涵養(yǎng)水源和生物多樣性保護等方面發(fā)揮著重要作用，也是響應全球變化和人類活動較為敏感的生態(tài)系統(tǒng)[10]. 近年來隨著濕地旅游業(yè)的開發(fā)利用，會仙喀斯特濕地過多地受到開墾、養(yǎng)殖、污水排放等人類活動的影響，出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化問題[11-12]. 水葫蘆入侵面積在急劇擴張，主要集中在富營養(yǎng)化水域中[11]，并形成高密度單優(yōu)勢水葫蘆群落，是會仙濕地危害嚴重的入侵植物.

植物表型可塑性(plant phenotypic plasticity)通常指同一基因型植物適應不同生境而改變形態(tài)、生理和行為的特性[13]和不同基因型在環(huán)境作用下能表達的表型范圍[14]，是植物適應環(huán)境的重要方式，對其分布、拓殖、存活能力都具有重要的影響[15]，是植物適應異質環(huán)境最直觀的策略之一. 研究植物表型可塑性具有重要的生態(tài)學意義[16-17]. 水生植物可以通過形態(tài)結構調節(jié)、分株間物質傳輸與共享、相連分株形態(tài)和生理功能特化等策略來適應異質的生境[18-20]，這有利于其拓寬生態(tài)位，占據(jù)更多樣的生境[21]. 陸生植物的表型可塑性受到植物生態(tài)學界的關注較多，但水生植物表型可塑性的研究仍顯薄弱[20].

研究表明，一般在不同生境下物種的表型可塑性可能會發(fā)生適應性分化[22]，表型可塑性對外來物種的入侵也起到了關鍵作用[23]. 水生植物在喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)中起著關鍵作用，水體富營養(yǎng)化引起了濕地水生植物多樣性的降低，水葫蘆入侵對喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生了重要影響. 因此，研究喀斯特濕地入侵植物水葫蘆的表型可塑性特性，對于深入探討喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)保護和植被恢復具有重要的意義. 目前，對于水葫蘆的研究主要集中在對魚類、水質和生物群落等的負面影響[24]，藍藻水華聚集對水葫蘆生理生態(tài)的影響[25]，對水體營養(yǎng)鹽的去除及生理響應[26]，對富營養(yǎng)化水體中氨氧化和反硝化微生物的影響[27]，對重金屬(鎘、鋅、鉛、汞)的吸附[28]等方面. 在桂林會仙喀斯特濕地，不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆表型可塑性的影響尚不清楚. 因此，我們試圖回答以下科學問題：1)在桂林會仙喀斯特濕地，水葫蘆生長及表型可塑性特征對不同富營養(yǎng)化水體有怎樣的響應趨勢?2)表型可塑性是否促進了水葫蘆在富營養(yǎng)化水體中的生長及生態(tài)適應性？在不同富營養(yǎng)化水體條件下，探討水葫蘆生長及表型可塑性的響應特征，有助于認識水葫蘆的生態(tài)適應性，可提高對水葫蘆的預警和綜合防治，以期為桂林會仙喀斯特濕地環(huán)境保護和生態(tài)修復提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

會仙巖溶濕地(25°01′30″～25°11′15″N，110°08′15″～110°18′00″E，圖1)位于桂林市臨桂區(qū)會仙鎮(zhèn)，東至雁山區(qū)，西至四塘鄉(xiāng)，海拔150～160 m，總面積約 120 km2，是以草本沼澤和湖泊為主的喀斯特濕地，是國內為數(shù)不多的中低海拔大型喀斯特濕地之一 ，現(xiàn)已規(guī)劃為我國最大的喀斯特濕地公園. 該區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫16.5～20.5℃，極高氣溫達38.80℃，極低氣溫為-3.30℃，年均降雨量為1890.4 mm. 降雨時空分布不均，多集中在每年的3-8月，形成了春夏季雨多而集中、秋冬季少雨干旱的特點. 土壤以紅黃壤和紅壤為主，集中分布于洼地、平原和緩坡，土壤層薄甚至基巖裸露. 濕地植被以挺水植被和沉水植被為主，植物種類較多，且生長茂盛，蓋度?？蛇_80%～95%，主要建群種有蘆葦(Phragmitescommunis)、華克拉莎(Cladiumchinense)、五刺金魚藻(Ceratophyllumoryzetorum)、石龍尾(Limnophilasessiliflora)等[29].

圖1 桂林會仙喀斯特濕地區(qū)位Fig.1 Location of the Huixian karst wetland in Guilin

1.2 實驗方法

前期調查中發(fā)現(xiàn)，會仙喀斯特濕地入侵植物水葫蘆主要分布在水體富營養(yǎng)化區(qū)域[11]，每年3-4月為水葫蘆的萌芽階段，6月為水葫蘆群落的旺盛生長期，8月為水葫蘆暴發(fā)的高峰期，12 月下旬水葫蘆開始枯萎和逐漸死亡. 在前期實驗基礎上，2012年于會仙濕地水葫蘆的生長旺盛期(6月)和暴發(fā)高峰期(8月)，在濕地具有代表性的輕度富營養(yǎng)化、中度富營養(yǎng)化和重度富營養(yǎng)化水域中，各選擇3個面積為30 m×30 m、有水葫蘆入侵的典型水域作為重復，共9個試驗小區(qū)，隨機采集水葫蘆，以植株為單位，每個試驗小區(qū)采集15株. 生物量的計算是將實測樣方面積的生物量轉換為單位面積的生物量(g/m2)[19]. 按照各個水域面積及水體生態(tài)環(huán)境特點，采用浮標法確定采樣點，同時在不同水域各中心點用采水器采集水樣，每個采樣點取10 處瞬時混合且深度為40 cm的表層水，樣品采集后用保溫密封瓶4℃保存帶回實驗室分析.

參考湖泊富營養(yǎng)化評價方法及分級標準[30-32]，依據(jù)葉綠素a(Chl.a)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn) 參數(shù)的測定結果，運用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法對研究區(qū)濕地水體健康狀況進行評價，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式為：

TLI(Σ) =ΣWj·TLI(j)

(1)

各參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計算公式為：

TLI(Chl.a)=10(2.5+1.086 ln Chl.a)

(2)

TLI(TP)=10(9.436+1.624 ln TP)

(3)

TLI(TN)=10(5.453+1.694 ln TN)

(4)

TLI(SD)=10(5.118-1.94 ln SD)

(5)

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661 ln CODMn)

(6)

式中，Chl.a單位為mg/m3，SD單位為m；其他指標單位均為mg/L；TLI(Σ)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)參數(shù)；Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關權重，詳細見參考文獻[30-31]. 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI(Σ)<30為貧營養(yǎng)，30≤TLI(Σ)≤50 為中營養(yǎng)，5070 為重度富營養(yǎng). 在同一營養(yǎng)狀態(tài)下，TLI(Σ)越高則水體營養(yǎng)程度越嚴重. 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)基于3、4、6、8、10和12月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，9個監(jiān)測小區(qū)濕地水體富營養(yǎng)化程度評價見表1.

表1 研究區(qū)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)特征

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[33]，采用《水質總有機碳的測定-燃燒氧化非分散紅外吸收法》(HJ 501-2009)、《水質總氮的測定-堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636-2012)、《水質氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》(HJ 535-2009)、《水質硝酸鹽氮的測定-紫外分光光度法》(HJT 346-2007)分別分析水樣中總有機碳、總氮、氨氮和硝態(tài)氮濃度. 總磷濃度采用濃硫酸-高氯酸消煮，鉬銻抗比色法(Agilent 8453 紫外-可見分光光度計，美國)測定；葉綠素a濃度使用 95%乙醇提取后測定;高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀法測定;透明度采用塞氏盤法測定.

在濕地不同富營養(yǎng)化水域中，每小區(qū)選擇20株水葫蘆進行掛簽標記，每隔5 d觀測一次，記錄水域面積和水葫蘆抽出的分株數(shù)，統(tǒng)計每月的分株總數(shù)，然后在生長旺盛期和生長暴發(fā)期不同時間間隔內，計算單位面積每天的分株速率大小. 各處理隨機選取5株水葫蘆，將其撈出洗凈后置之于陰涼處瀝干，10 min后測定各株水葫蘆匍匐莖和葉柄的數(shù)目，以新葉葉長達2 cm以上作為判定長出新葉的標準. 記錄水葫蘆的葉長(LL)、葉寬(LW)、株高(SL)、根長(RL)等形態(tài)指標；采用便攜式葉綠素儀(SPAD-502PL，日本)測定水葫蘆葉片葉綠素含量(SPAD)；將水葫蘆根、莖和葉分開放入烘箱中在105℃殺青30 min，之后在85℃烘干72 h至恒重，用電子天平(精度0.01 g)稱量各器官生物量. 以干重平均值估算生物量[18-19,34]，由下列公式計算各器官生物量比. 用表型可塑性指數(shù)來解釋不同處理下表型可塑性的大小，取值為0～1，其值越大表示表型可塑性越大[35].

分株速率=分株總數(shù)/間隔時間

(7)

葉生物量比=葉重/植株總重

(8)

莖生物量比=莖生物量/植株總重

(9)

根生物量比=根重/植株總重

(10)

根冠比=根生物量/地上部分生物量

(11)

表型可塑性指數(shù)=(最大值-最小值)/最大值

(12)

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)；利用 SPSS 22.0軟件對各指標分別進行方差分析. 比較前，先檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布. 對于服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，使用單因素方差分析(One-way ANOVA)檢驗不同處理間水葫蘆形態(tài)和生物量分配的差異(LSD，α=0.05)及顯著性；對于不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)的轉換，轉換后若數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，使用單因素方差分析檢驗相關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)檢驗中的 K 個獨立樣本檢驗法. 用Canocofor Windows 5.0 軟件對不同處理下的水葫蘆各形狀和環(huán)境因子以及生長周期等指標進行主成分分析(principal component analysis，PCA).

2 結果與分析

2.1 不同富營養(yǎng)化試驗小區(qū)中水體的理化性質

由表2看出，在水葫蘆生長旺盛期(6月)和暴發(fā)高峰期(8月)，水體總有機碳、總氮、總磷、氨氮、硝態(tài)氮和葉綠素a濃度在不同富營養(yǎng)化水體間具有顯著差異(P<0.05)，均表現(xiàn)為重度富營養(yǎng)化水體中的濃度最高，中度富營養(yǎng)化水體次之，輕度富營養(yǎng)化水體最低. 暴發(fā)高峰期水體的主要理化指標值高于生長旺盛期，如在暴發(fā)高峰期水體的總有機碳濃度比生長旺盛期高53.85%，比中度富營養(yǎng)化水體高56.41%，比輕度富營養(yǎng)化水體高53.26%；在暴發(fā)高峰期水體的TN濃度比生長旺盛期高46.77%，比中度富營養(yǎng)化水體高27.93%，比輕度富營養(yǎng)化水體高8.19%. 說明在水葫蘆暴發(fā)高峰期，水體中過多的營養(yǎng)物質可能加劇了水葫蘆的瘋狂生長，水體富營養(yǎng)化程度的加重, 導致了水葫蘆入侵加劇.

表2 不同富營養(yǎng)化試驗小區(qū)中水體的主要理化指標*

2.2 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆各類性狀的影響

2.2.1 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率的影響 從表3可以看出，在水體同一富營養(yǎng)化條件下，暴發(fā)高峰期水葫蘆的株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率要高于生長旺盛期. 在暴發(fā)高峰期，輕度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率分別比生長旺盛期高95.70%、90.74%、200.00%和88.80%，中度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率分別比生長旺盛期高102.22%、69.84%、50.00%和31.98%，而在重度富營養(yǎng)化水體中，則分別比生長旺盛期高128.17%、81.10%、80.00%和47.48%. 水葫蘆的株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率在同一生長時期不同富營養(yǎng)化水體間存在顯著差異(P<0.05). 在生長旺盛期和暴發(fā)高峰期，株高和根長均隨著富營養(yǎng)化程度的增大而減小，且輕度富營養(yǎng)化水體顯著高于中度和重度富營養(yǎng)化水體(P<0.05)，如生長旺盛期輕度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的株高是中度和重度富營養(yǎng)化水體中的1.27和1.79倍，在暴發(fā)高峰期水葫蘆的株高是中度和重度富營養(yǎng)化水體中的1.22和1.53倍. 雖然在暴發(fā)高峰期水葫蘆根長和株高相比生長旺盛期有所增加，但隨水體富營化程度的加重，卻呈現(xiàn)降低趨勢. 相反，匍匐莖數(shù)和分株速率卻隨著富營養(yǎng)化程度的加重而增加，表現(xiàn)為重度富營養(yǎng)化水體>中度富營養(yǎng)化水體>輕度富營養(yǎng)化水體，且重度富營養(yǎng)化水體高于中度富營養(yǎng)化水體，中度富營養(yǎng)化水體高于輕度富營養(yǎng)化水體(P<0.05). 可見，隨水體富營養(yǎng)化程度的加劇，水葫蘆的響應策略表現(xiàn)為株高和根長減小，呈現(xiàn)低矮化，主要通過增加匍匐莖數(shù)和分株速率來提高其繁殖能力，促進其種群面積增大，以提高其對外界環(huán)境和資源條件的適應性.

表3 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率的影響

2.2.2 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆葉性狀的影響 由表4可知，在不同富營養(yǎng)化水體，水葫蘆葉性狀存在顯著差異(P<0.05)，葉柄數(shù)、葉柄寬、葉片數(shù)、葉長和葉寬均隨著水體營養(yǎng)化程度的加劇而增大，如在生長旺盛期重度營養(yǎng)化水體中水葫蘆的葉柄數(shù)、葉柄寬、葉片數(shù)、葉長和葉寬分別是輕度營養(yǎng)化水體的3.00、2.14、1.79、2.33和1.74倍. 葉綠素含量與之相反，隨著富營養(yǎng)化程度的加深而降低，在生長旺盛期輕度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的葉綠素含量是重度富營養(yǎng)化水體的2.05倍，在暴發(fā)高峰期輕度富營養(yǎng)化水體中，水葫蘆的葉綠素含量則是重度富營養(yǎng)化水體的1.30倍. 在暴發(fā)高峰期的輕度、中度和重度富營養(yǎng)化水體中，水葫蘆的葉綠素含量分別是生長旺盛期輕度、中度和重度富營養(yǎng)化水體的2.01、2.33和3.17倍，但均隨富營養(yǎng)化程度加重而趨于減小，表明可能主要受水體營養(yǎng)鹽水平的影響. 與株高等指標相似，水葫蘆的各葉性狀指標值在暴發(fā)高峰期高于生長旺盛期.

表4 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆葉性狀的影響

2.3 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量的影響

2.3.1 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量積累的影響 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量的影響如圖2所示. 不同富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的總生物量分別與根生物量、莖生物量和葉生物量之間差異顯著(P<0.05)，在生長旺盛期和暴發(fā)高峰期，總生物量、根生物量、莖生物量和葉生物量均隨著富營養(yǎng)化程度的增加而增大. 在生長旺盛期，重度富營養(yǎng)化水體水葫蘆的總生物量(130.23 g/m2)、根生物量(42.71 g/m2)、莖生物量(48.52 g/m2)和葉生物量(39.0 g/m2)比輕度富營養(yǎng)化水體的分別高22.0%、20.49%、19.89%和26.33%，在暴發(fā)高峰期，重度富營養(yǎng)化水體水葫蘆的生物量分配大小比輕度富營養(yǎng)化水體則分別高22.94%、27.52%、18.71%和24.35%，表明富營養(yǎng)化程度的加重增加了水葫蘆的生物量，水葫蘆對水體富營養(yǎng)化表現(xiàn)出一定的表型可塑性. 就水葫蘆不同器官的生物量而言，在生長旺盛期同一富營養(yǎng)化程度下，水葫蘆不同器官生物量積累大小關系表現(xiàn)為莖>根>葉；而在暴發(fā)高峰期，生物量積累情況為莖生物量(71.47～87.92 g/m2)最大，葉生物量(51.25～67.75 g/m2)次之，根生物量(43.56～60.10 g/m2)最小，這也說明生物量積累與暴發(fā)高峰期水葫蘆的匍匐莖數(shù)和分株速率較大有關(表3). 可見水葫蘆生物量的分配主要趨向于莖部分. 在不同富營養(yǎng)化程度下，暴發(fā)高峰期的總生物量(166.28～215.78 g/m2)高于生長旺盛期(101.57～130.23 g/m2)，增幅為38.92%～39.88%，其中根、莖和葉生物量的增幅分別為22.04%～28.94%、44.81%～46.88%和42.44%～43.94%. 總體上，水葫蘆的生物量在重度富營養(yǎng)化水體中較高，暴發(fā)高峰期比生長旺盛期高.

圖2 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量積累的影響(圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，圖中左面小寫字母a、b、c分別表示生長旺盛期(6月份)輕度、中度、重度富營養(yǎng)化水體間各指標的差異顯著性；圖中右面d、e、f分別表示暴發(fā)高峰期(8月份)輕度、中度、重度富營養(yǎng)化水體間各指標的差異顯著性，字母相同表示差異不顯著(P>0.05)，字母不同表示差異顯著(P<0.05). TB表示總生物量，RB表示根生物量，SB表示莖生物量，LB表示葉生物量. 下同)Fig.2 Effect of different eutrophic waters on biomass accumulation of Eichhornia crassipes

2.3.2 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量分配比的影響 在同一生長時期不同富營養(yǎng)化水體間，水葫蘆各器官生物量的分配表現(xiàn)出一定差異性(圖3). 在生長旺盛期，根生物量比、莖生物量比、根冠比和莖根比在不同富營養(yǎng)化程度水體間均差異不顯著(P=0.061)，葉生物量比、葉根比和莖葉比間則存在顯著差異(P<0.05). 水葫蘆生物量在莖中的分配占絕對優(yōu)勢，占全株的37.26%～38.27%，根次之(32.80%～33.44%)，葉最少(28.29%～29.94%). 各部位生物量貢獻的大小關系依次是莖>根>葉，生長旺盛期水葫蘆的生物量貢獻主要來自莖和根.

在暴發(fā)高峰期，莖生物量比、葉生物量比和根生物量比的范圍分別為40.75%～42.43%、30.82%～31.40%、26.17%～28.43%，此時期各部位的生物量貢獻的大小關系表現(xiàn)為莖>葉>根，說明該生長時期水葫蘆的生物量主要分配在水上部分(莖和葉). 除葉生物量比、葉根比差異不顯著之外，其他器官的配比關系在不同營養(yǎng)化程度水體間部分呈現(xiàn)出顯著差異，如輕度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的莖根比、莖生物量比、莖葉比均顯著大于重度富營養(yǎng)化水體(P<0.05)，而根生物量比則是輕度富營養(yǎng)化水體顯著低于重度富營養(yǎng)化水體(P<0.05). 暴發(fā)高峰期水葫蘆的葉根比、莖根比和莖葉比均高于生長旺盛期.

在生長旺盛期，根冠比隨著水體富營養(yǎng)化程度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，大小關系表現(xiàn)為輕度富營養(yǎng)化水體>中度富營養(yǎng)化水體>重度富營養(yǎng)化水體，說明分配給冠部植株的生物量相對較大；暴發(fā)高峰期則相反，隨著富營養(yǎng)化程度的增加根冠比呈現(xiàn)升高的趨勢，重度富營養(yǎng)化水體顯著大于中度和輕度富營養(yǎng)化水體(P<0.05)，說明分配給根系的生物量相對增加. 而生長旺盛期根冠比大于暴發(fā)高峰期，表明生長時期不同，水葫蘆根冠的生物量分配有所差異，暴發(fā)高峰期分配給冠部植株的生物量相比生長旺盛期要大；這可能是由于水葫蘆為快速生長采取的生存策略不同，與在暴發(fā)高峰期生物量主要集中在葉和莖部位，用于水平方向的拓展，這與相對應的冠部植株生物量的增加有關，與匍匐莖數(shù)和分株速率增加(表3)也是相一致的.

圖3 不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆生物量分配的影響(RMR表示根生物量比，SMR表示莖生物量比，LMR表示葉生物量比，R/C表示根冠比，L/R表示葉根比，S/R表示莖根比，S/L表示莖葉比)Fig.3 Effect of different eutrophic waters on biomass allocation of Eichhornia crassipes

2.4 不同富營養(yǎng)化水體中水葫蘆表型可塑性指數(shù)的變化

由表5可知，水葫蘆的表型可塑性指數(shù)在0.009～0.792之間，各器官的可塑性指數(shù)在不同富營養(yǎng)化水體間有明顯差異性. 在生長旺盛期，除葉長和分株速率外，其他性狀的可塑性指數(shù)均在重度富營養(yǎng)化水體達最大值. 從不同富營養(yǎng)化水體中水葫蘆形態(tài)可塑性指數(shù)的平均值來看，葉長的可塑性指數(shù)在生長旺盛期最高(0.356)，說明該時期水葫蘆葉長的可塑性最大；生長旺盛期葉片數(shù)的可塑性指數(shù)最小(0.168)，葉長可塑性指數(shù)是葉片數(shù)的2.12倍. 在暴發(fā)高峰期，除葉寬和葉柄數(shù)外，其他性狀的可塑性指數(shù)均為在重度富營養(yǎng)化水體大于中度和輕度富營養(yǎng)化水體，其中匍匐莖數(shù)的可塑性指數(shù)最大(0.480)，株高的最小(0.113).

生物量分配方面，除莖干重外，在生長旺盛期和暴發(fā)高峰期，其他性狀的可塑性指數(shù)均在重度富營養(yǎng)化水體下達最大值. 葉干重、莖干重和根干重的可塑性指數(shù)分別小于葉重比、莖重比和根重比，即水葫蘆根干重、莖干重和葉干重的可塑性指數(shù)均小于相應的生物量比. 生長旺盛期和暴發(fā)高峰期的根冠比可塑性指數(shù)均值最小. 總體上，在水葫蘆各性狀參數(shù)中，葉重比的可塑性最大，根冠比最?。徊煌粻I養(yǎng)化水體中重度富營養(yǎng)化的可塑性最大；在不同生長時期之間，表型可塑性沒有明顯的規(guī)律.

表5 富營養(yǎng)化水體中水葫蘆形態(tài)和物質分配的可塑性指數(shù)

2.5 水葫蘆表型可塑性與不同富營養(yǎng)化水體間的主成分分析

圖4為水葫蘆形態(tài)指標、生物量分配與不同富營養(yǎng)化水體理化性質間的主成分分析(PCA)(用來表示植物功能性狀和環(huán)境因子之間的排序圖). 圖中實心圓形的分布情況表示水葫蘆生長時期+營養(yǎng)化程度對植物形態(tài)構件的影響情況；虛線箭頭連線與排序軸夾角的大小表示環(huán)境與排序軸相關性的大??；實線箭頭連線與排序軸夾角的大小表示植物形態(tài)和生物量指標與排序軸相關性的大??；實線箭頭和虛線箭頭之間夾角的大小表示該形態(tài)指標或者生物量指標與該環(huán)境因子的相關性大??；夾角越接近 0°或180°代表兩者相關越顯著，夾角越接近90°代表兩者相關越弱[35]. 圖中前兩軸解釋了總方差的86.78%，表明排序結果是可信的，能夠較好地反映不同富營養(yǎng)化下水葫蘆性狀參數(shù)與環(huán)境因子之間的關系. 總生物量、根生物量、葉生物量、葉片數(shù)、葉寬等均與PCA2軸(解釋了86.78%)顯著相關(夾角<90°，下同)，莖根比、根長、株高和莖葉比均與PCA1軸(解釋了62.97% )顯著相關. 生長旺盛期和暴發(fā)高峰期分布在主成分兩軸的兩側，說明水葫蘆表現(xiàn)出一定的表型可塑性，并且與暴發(fā)高峰期存在較高的相關性. 在生長旺盛期，表型可塑性與莖生物量比和根生物量比具有顯著的相關關系. 水體總有機碳、總氮、總磷、硝態(tài)氮、氨氮和葉綠素a均與第1排序軸呈顯著正相關，同時與莖生物量、葉寬、葉片數(shù)、匍匐莖數(shù)、葉柄數(shù)、分株速率、葉生物量和葉生物量比等顯著相關，與根長、株高、葉生物量比和莖葉比等呈顯著負相關. 碳氮比與第2排序軸顯著正相關，與莖葉比和根長等呈顯著相關. 水葫蘆功能性狀參數(shù)不同，與環(huán)境因子的相關性有所差異，不同生長時期和不同富營養(yǎng)化水體的理化因子共同顯著影響了水葫蘆的表型可塑性.

圖4 水葫蘆形態(tài)、生長指標與富營養(yǎng)水體理化性質的主成分分析(PN：葉柄數(shù)；PW：葉柄寬；LN：葉片數(shù)；LW：葉寬；SL：株高；RL：根長；SN：匍匐莖數(shù)；PSR：分株速率；SB：莖生物量；LB：葉生物量；RB：根生物量；TB：總生物量；RC：根冠比；SMR：莖生物量比；LMR：葉生物量比；RMR：根生物量比；L/R：葉根比；S/R：莖根比；S/L：莖葉比；ChlC：葉綠素含量；J表示6月(生長旺盛期)；A表示8月(暴發(fā)高峰期)；Mild、Moder和Severe分別表示輕度、中度和重度富營養(yǎng)化)Fig.4 Principal component analysis of morphology, growth index, eutrophication and physi-chemical property of water for Eichhornia crassipes

3 討論

3.1 水葫蘆株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率對不同富營養(yǎng)化水體的響應特征

在不同的環(huán)境條件下，植物對資源的獲取和分配能力是其競爭成敗的重要因素，而植物的表型可塑性是提高其資源獲取能力的重要途徑，植物性狀(包括地上和地下部分)發(fā)生的變化是植物適應異質環(huán)境最直觀的策略之一[15]. 在各類性狀參數(shù)中，株高指示了植株的生長情況，與植物鄰體間的競爭能力和適應能力有關；根系長度決定了植物所能延伸的深度，直接影響植物對資源的獲取能力和競爭力[15]；匍匐莖數(shù)和分株速率可使植物有選擇地將分株置于資源充足的良性斑塊，或者逃離資源稀少的劣質斑塊[36]. 本研究結果表明，不同富營養(yǎng)化水體對水葫蘆株高、根長、匍匐莖數(shù)和分株速率的影響有所差異. 隨著富營養(yǎng)化程度的增加，水葫蘆的株高和根長趨于下降，匍匐莖數(shù)和分株速率隨之升高，呈現(xiàn)低矮化現(xiàn)象，水平方向的種群擴張面積趨于增大，且重度富營養(yǎng)化水體下水葫蘆的匍匐莖數(shù)和分株速率顯著高于輕度富營養(yǎng)化水體，暴發(fā)高峰期高于生長旺盛期. 這與劉曉娟等[37]的觀點相似，其指出生活在資源較豐富環(huán)境中的植物體具有較高的擴散和定植能力，以快速搶奪生存所必需的資源，因而植物體會將更多的能量分配給繁殖和生長；與之相反，生活在資源限制中的植物體會將能量分配給維持植物在不利生境中的結構. 劉旻慧等[26]的研究表明，當環(huán)境中營養(yǎng)鹽濃度較低時，水生植物可通過提高根系中相關酶活性，滿足自己對營養(yǎng)的高效吸收與利用. 在會仙喀斯特濕地，隨著水體富營養(yǎng)化程度的加劇，雖然植株高度相對有所降低，但沒有抑制水葫蘆的生長，也沒有減少水葫蘆分枝數(shù)量，匍匐莖數(shù)和分株速率與水葫蘆的繁殖密切關聯(lián). 在重度富營養(yǎng)化水體中，水葫蘆將營養(yǎng)物質主要投入到增加匍匐莖數(shù)和分株速率方面，力爭進行種群的擴張，以增加種群面積和占據(jù)更為有利的生境，尤其在暴發(fā)高峰期會出現(xiàn)水面分布面積劇增的現(xiàn)象.

高巖等[38]的研究結果表明，水葫蘆既可以吸收水體中的營養(yǎng)物質，又可通過根系吸收底泥中的營養(yǎng). 與其類似，本研究中，在輕度富營養(yǎng)水體中，水葫蘆的響應策略為增加其株高和根長，隨著富營養(yǎng)化程度的增大，雖然輕度富營養(yǎng)化下的營養(yǎng)物質相對較少，但其較高的株高有利于獲取更多的光能，而且根長的增加有利于伸入水體吸取更多的營養(yǎng)物質. 水葫蘆可通過株高、根長、匍匐莖和分株速率等表型可塑性特征來調節(jié)對富營養(yǎng)化水體養(yǎng)分的利用以促進其自身對必需資源最大限度地獲取. 研究表明，植物的葉長、葉寬、葉柄長、葉片數(shù)和葉面積等葉性狀參數(shù)可隨著海拔、水分、光環(huán)境和溫度等環(huán)境因子的變化而變化[38-40]. 而Gallagher等[41]的研究指出，并沒有證據(jù)證明植物的葉片性狀與入侵植物的生存能力存在聯(lián)系；同一種植物，入侵種和本土植物在葉片性狀上沒有顯著的差異. 本研究中，水葫蘆葉柄數(shù)、葉片數(shù)、葉長和葉寬均隨著水體富營養(yǎng)化程度的加深而增大，這與陳勇等[40]的結論相似；葉綠素含量則表現(xiàn)為隨著富營養(yǎng)化程度的加深而降低，表明水葫蘆植株體可能受到了高富營養(yǎng)化的脅迫，這與其株高和根長趨于降低類似. 在氮、磷濃度脅迫下，植物能夠對其有所反應，并通過自身的調節(jié)機制，做出形態(tài)和生理上的適應性響應策略，以增加其在外界脅迫條件下的生存機會[42]. 植物葉片表現(xiàn)出的差異性，一方面可能與植物的生物學特性有關；另一方面，在重度富營養(yǎng)水體中，水葫蘆為了在營養(yǎng)充足的基礎上快速擴大其種群面積，通過優(yōu)化葉長、葉寬、葉柄數(shù)、葉炳寬和葉片數(shù)等結構來滿足自身最大限度地獲取養(yǎng)分，以保持在群落中的最大適合度，其葉重比、葉長的可塑性指數(shù)表現(xiàn)為較大，因為適合度趨向于隨著環(huán)境中營養(yǎng)物質總量的增加而增大[43]. 另外，葉柄數(shù)的增加有利于水葫蘆葉片的運動以吸取更多的營養(yǎng)物質. 在會仙喀斯特濕地，水葫蘆的葉片性狀隨水體富營養(yǎng)化程度的增加反映了其響應環(huán)境變化的生存策略，水葫蘆的葉性狀具有較強的可塑性，且促進了水葫蘆在不同富營養(yǎng)化水體中的生態(tài)適應性.

3.2 水葫蘆生物量分配及表型可塑性對不同富營養(yǎng)化水體的響應特征

生物量的分配格局是植物關鍵的形態(tài)特征之一. 研究表明，入侵植物比本土植物具有更強的可塑性響應[44]，生物量的重新分配(從地下到地上)和較強的可塑性有利于植物在頻繁干擾的環(huán)境中入侵成功[45]，形成有利于自身生長發(fā)育的適應策略[46]. 水體中含有的營養(yǎng)物質是水生植物生長發(fā)育的重要生態(tài)因子，水生植物為了實現(xiàn)對養(yǎng)分提取有效性和攝取效率的最大化，必然改變其構件生物量的分配以適應水中養(yǎng)分的差異，從而形成多種因水中養(yǎng)分的異化所引起的能量投資策略[47]. 本實驗比較了3個不同富營養(yǎng)化水體中水葫蘆生物量積累的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)水葫蘆生物量積累隨著外界環(huán)境的變化而變化，總生物量、根生物量、莖生物量和葉生物量在重度富營養(yǎng)化程度水體中均顯著高于中度和輕度富營養(yǎng)化程度水體，水葫蘆在生長旺盛期的生物量分配大小關系為莖>根>葉，在暴發(fā)高峰期的則為莖>葉>根，莖生物量大于根和葉，水葫蘆生物量分配比例的變化，有利于其在不同富營養(yǎng)化水體中的生長以達到最佳狀態(tài). 水葫蘆將較多的能量分配到莖部，表現(xiàn)為莖生物量的增加，有利于占據(jù)更多的空白生境，在外界環(huán)境營養(yǎng)充足的前提下擴張其種群面積. 有研究表明，營養(yǎng)物質的增加將會使陸生植物風毛菊(Saussureanivea)的根生物量減少，葉生物量增加[48]，與此相類似，本研究中暴發(fā)高峰期水葫蘆根生物量積累較少. 這可能是在高養(yǎng)分時，水葫蘆作為浮水植物，把更多的資源分配于莖葉等器官的生長，相對減少了對根系長度的營養(yǎng)物質投入，而在低養(yǎng)分時，水葫蘆卻具有較高的根生物量，這有利于從水體或底泥中吸收養(yǎng)分，提高其生存能力.

植物的性狀間存在比較普遍的權衡關系，主要包括葉長與葉寬等葉片性狀間、葉片與枝條及樹干性狀間、葉片與根性狀間、樹干與根性狀間、繁殖性狀與數(shù)量間等[49]. 本研究中，不同富營養(yǎng)化水體和不同生長時期對水葫蘆性狀間的權衡關系均有一定的影響，在生長旺盛期，不同富營養(yǎng)化水體間的根生物量比、莖生物量比、根冠比和莖根比沒有顯著差異；但在暴發(fā)高峰期，除葉生物量比和葉根比無顯著差異外，其他器官間均具有顯著差異，在輕度富營養(yǎng)化水體較高. 同一種植物在不同的環(huán)境和時期會有多種表型可塑性，以充分有效地利用資源，高效的適應環(huán)境[50]. 不同生長時期的水葫蘆在不同富營養(yǎng)化程度下的響應策略和表型可塑性表現(xiàn)出差異性，這也是其為適應環(huán)境變化而調整自身行為的表現(xiàn). 包宇等[49]的研究表明，根冠比隨著養(yǎng)分的增加而降低；林超等[51]的研究得出，沉水植物苦草的根冠比隨著營養(yǎng)鹽濃度的增加而升高. 本研究中，水體富營養(yǎng)化程度的升高加劇了水葫蘆快速生長，這與陳瀟等[7]的研究結果一致. 在不同生長時期，水葫蘆為適應生長而對根系和地上植株的資源分配采取了不同的生存策略.

在生長旺盛期，根冠比呈現(xiàn)出隨著富營養(yǎng)化程度升高而降低的趨勢，在暴發(fā)高峰期則呈現(xiàn)出隨富營養(yǎng)化程度升高而升高的趨勢，根冠比在暴發(fā)高峰期小于生長旺盛期，說明在暴發(fā)高峰期根系分配生物量相對減少，而水葫蘆冠部植株生物量增加，水葫蘆通過器官生物量分配對不同富營養(yǎng)化水體產(chǎn)生了可塑性響應，而表型可塑性提高了水葫蘆應對環(huán)境脅迫的能力，以適應外界高營養(yǎng)的脅迫. 這也反映了水葫蘆生長與生物量分配對水體富營養(yǎng)化環(huán)境的內在協(xié)調性及其適應性，與挺水植物蘆葦對鹽堿脅迫的可塑性響應相似[52]. 植物表型可塑性是同一基因型植物在面對不同環(huán)境條件下，通過調節(jié)自身性狀特征以適應環(huán)境變化的能力[35]，同時環(huán)境因素也會引起植物形態(tài)可塑性的差異[53]. 多個入侵實例表明，表型可塑性強的外來種通常更容易形成入侵[54]，而湖泊富營養(yǎng)化有利于外來水生植物的生長與無性繁殖，增強其入侵性，如水葫蘆的匍匐莖長度會隨營養(yǎng)水平提高而增加[55]. 本研究中，水葫蘆能適應富營養(yǎng)化的生境，表現(xiàn)出較強的表型可塑性，這與濕地外來植物香菇草(Hydrocotylevulgaris)相類似[56]. 在同一生長時期不同富營養(yǎng)化水體中，水葫蘆的葉長、匍匐莖數(shù)、葉柄數(shù)和葉寬等以及生物量的可塑性指數(shù)不同，重度富營養(yǎng)化下的表型可塑性指數(shù)比中度和輕度高，表明重度富營養(yǎng)化水體中水葫蘆的表型可塑性比中度和輕度富營養(yǎng)化水體大，這可能與重度富營養(yǎng)化水體環(huán)境中營養(yǎng)元素含量高有關. 主成分分析顯示(圖4)，水體總有機碳、總氮、總磷、硝態(tài)氮、氨氮和葉綠素a均與水葫蘆莖生物量、葉寬、葉片數(shù)、匍匐莖數(shù)和分株速率等參數(shù)具有顯著的相關性，水葫蘆表型可塑性與水體富營養(yǎng)化程度關系密切. 這與眾多研究表明植物的表型可塑性受總氮、總磷、水解氮、速效鉀等因素影響的結論相似[51,57-58]，入侵植物較本土植物常表現(xiàn)出較高的生長速率、資源利用效率、表型可塑性和環(huán)境脅迫耐受能力等，有利于取得競爭優(yōu)勢[59]. 在水生生態(tài)系統(tǒng)中，多數(shù)成功入侵的外來植物均為具有較強克隆繁殖能力的克隆植物[18]，而環(huán)境因子是通過怎樣的配比使水葫蘆在不同富營養(yǎng)化水體中處于最佳的生長適合度，還需進一步的探討. 會仙喀斯特濕地地處亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季高溫多雨、冬季寒冷少雨的氣候特點適合水葫蘆生長，其水文系統(tǒng)具有的地表、地下雙重空間結構，濕地的水情多變，水文動態(tài)變化快，每年漓江流域內其他水流及旅游干擾攜入的懸浮有機物等帶來的營養(yǎng)物質亦可能加劇水葫蘆的大量繁殖.

在對會仙喀斯特濕地水葫蘆進行控制和治理時，可根據(jù)其在不同富營養(yǎng)化條件下的表型可塑性響應特征，有針對性地采取不同措施來控制其生長、繁殖和擴張. 本研究是探討基于水葫蘆的形態(tài)性狀(根長、株高和葉片等)、克隆性狀(匍匐莖數(shù)和分株速率)以及生物量的積累和分配等表型可塑性對不同富營養(yǎng)化程度水體的響應特征，而植物的許多性狀普遍存在可塑性[46]，為更全面地了解水葫蘆在不同富營養(yǎng)水體中的生長策略，還需結合水葫蘆在光合作用以及物候、生活史、異質光照下的克隆整合、種子數(shù)量及其活力等多方面的相關反饋，特別是根系和葉片的解剖結構、基因組學的分子機制，以便更深入地反映水葫蘆對不同富營養(yǎng)化程度水體的入侵機制.

4 結論

1)在會仙喀斯特濕地水葫蘆的生長旺盛期和暴發(fā)高峰期，水葫蘆可以通過形態(tài)、生長變化和生物量分配等進行資源分配，不同富營養(yǎng)化水體中的水葫蘆產(chǎn)生了有利于其存活和入侵的表型可塑性響應特征. 水葫蘆的總生物量、根生物量、莖生物量和葉生物量的大小關系表現(xiàn)為重度富營養(yǎng)化水體>中度富營養(yǎng)化水體>輕度富營養(yǎng)化水體，莖生物量大于葉生物量和根生物量；水葫蘆在不同富營養(yǎng)化水體中的表型可塑性提高了其在富營養(yǎng)化水體環(huán)境中的生態(tài)適應性.

2)在水體輕度富營養(yǎng)化條件下，水葫蘆通過增加其株高和根長來調節(jié)自身生長；重度富營養(yǎng)化條件下水葫蘆的響應策略則表現(xiàn)為提高其匍匐莖數(shù)和分株速率，增強其克隆生長能力，提高擴散能力. 水葫蘆葉重比的可塑性指數(shù)最大，根冠比最??；水葫蘆在重度富營養(yǎng)化水體中的表型可塑性最大. 不同富營養(yǎng)化水體顯著影響了水葫蘆的表型可塑性，水葫蘆的表型可塑性與濕地水體總有機碳、總氮、總磷濃度等環(huán)境因子密切關聯(lián). 水體富營養(yǎng)化程度的提高和水葫蘆的表型可塑性共同加劇了水葫蘆在會仙喀斯特濕地的入侵.

致謝：感謝劉建春、于倩倩、郭永紅、田壘等在實驗樣品分析方面提供的幫助.