不同氮磷比條件下結縷草克隆整合作用的生長代價與收益

陳惠娟， 李德志，2，3， 賴蘇雯， 贠小濤， 耿 松， 陳青青， 黃瑤瑤， 樊治華，歐陽義， 王明祖

(1.華東師范大學生態與環境科學學院，上海 200241;2.華東師范大學上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海200241;3.華東師范大學浙江天童森林生態系統國家野外科學觀測研究站，上海 200241)

克隆整合或生理整合是克隆植物適應復雜生境的重要生態對策，主要是指碳水化合物、礦質養分、水分、激素、酶和病原菌等資源或物質通過連接物或間隔子在克隆分株之間轉移與分享的過程［1-3］。大量研究結果顯示，克隆整合有利于克隆幼小分株的建立［4］，緩解干旱［5］、水淹［6］、風蝕［7］、沙埋［8］、高鹽［9］、采食［10］、低養和弱光［11］等不利環境因素對克隆植株的干擾或脅迫，增強克隆植株對異質性生境的適應和資源利用能力［8-9，12］，從而提高克隆植株的生長收益。然而，資源的轉移和匍匐莖的生長需要消耗能量，并且資源稀釋容易導致較高的死亡風險，克隆植株為維持克隆整合必然要付出代價［13］。但這一代價的大小和相關影響因素，以及在不同環境條件下，整合時間對克隆植物生長代價的影響如何、通過什么方式可以達到對于整合代價的最佳釋放，迄今尚未有人進行過深入的研究和揭示。此外，研究克隆植物的整合作用所產生的收益和代價，對深入理解克隆整合機制和剖析克隆植物復雜生態行為具有重要科學價值。

結縷草(Zoysia japonica Steud.)屬于禾本科，結縷草屬，多年生匍匐莖型克隆植物［14-15］。結縷草的抗逆性和環境適應能力強，常用于城市各類草坪的種植，同時也是優質牧草。因而，結縷草具有較高的經濟和生態價值，其克隆生長習性和克隆整合特性也日益受到生態學家們的關注［16-17］。近年來，許多學者采用化學示蹤方法對結縷草克隆植物體內的水分、碳素和氮素等養分資源的傳輸方向、整合格局與過程等方面進行了研究，進一步證實了結縷草克隆分株之間存在著廣泛的生理整合作用［3，18-19］。然而，結縷草克隆分株之間進行養分資源整合過程中是否同時存在收益與代價，目前尚未見報道。

克隆植株的克隆整合特性和生長狀況與生境中的養分水平及主要營養元素的比例密切相關［16，20］。李立科等［19］通過對結縷草進行15N 示蹤研究發現，在高濃度的15N營養生境中植株傾向將更多的15N分配給匍匐莖以便進行遠距離傳輸，在低濃度的15N營養生境中植株則優先滿足A、B分株的生長需要。32P在大、小葉兩種基因型的白三葉植株體內的傳輸策略及分配格局也受到生境中32P營養狀況的影響［21］。在不同土壤氮磷肥力條件下，短穗兔兒草的克隆生長特性及生長狀況表現出明顯的差異［22］。此外，氮和磷也是植物生長發育過程中需求量較高的主要營養元素，參與植物體內多種生理代謝過程，也常常是植物生長發育的重要限制因子［23-24］。因此，在氮、磷比例不同的生境中，結縷草的生長狀況和克隆整合作用所產生的代價與收益可能存在差異。本試驗設置氮磷比不同的3種養分水平的土壤條件，并對結縷草克隆植株匍匐莖實施4種切斷處理，以此研究在不同氮磷比土壤條件下，不同時間長度的克隆整合作用對結縷草植株生長和生物量積累的影響，并進行生長代價與收益的分析，以深入了解結縷草克隆整合機制及其對土壤養分資源適應策略，為結縷草草坪培育、維護和養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養

試驗材料為華東師范大學上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室培育的結縷草。其基本組成單位是復合節(圖1)，A、B分株或分蘗，交錯著生在復合節的兩側［3，17］。選擇形態完整的結縷草克隆片段，切斷匍匐莖，把得到的單個分株，種植在花盆中培育。約30 d后，大部分結縷草分株會形成第1個復合節。從中挑選大小、根系和形態特征基本一致，且長出第1個復合節的植株作為試驗材料。把試驗材料移植到塑料管(直徑為2.5 cm、高15.0 cm)中，作為試驗母株。在新形成的主匍匐莖每個復合節下方，設置另一個相同型號的塑料管，讓新復合節在其中扎根，并形成第一個分株。在試驗過程中，每長出一個復合節就增設一個塑料管。培養基質均為用清水漂洗過的河沙。

圖1 結縷草克隆植株的典型形態結構示意圖Fig.1 The diagram of typical morphology of Zoysia japonica cloned plant

1.2 試驗設計

設置3種氮磷配比的營養液。在Hoagland溶液配方的基礎上，通過修改磷酸二氫鉀含量，配制3種氮磷比的營養溶液，減少的鉀用氯化鉀補充。3種氮磷配比的營養液為:(1)低氮磷比營養液(稀釋10%的Hoagland溶液，N∶P2O5=7∶1);(2)中氮磷比營養液(N∶P2O5=14∶1);(3)高氮磷比營養液(N∶P2O5=21∶1)。使用時，所有營養液均稀釋10倍。在分株生長過程中，對每個復合節已扎根的塑料管每7 d施加6 ml相應氮磷配比的營養液。

在每種養分水平的生境條件下，對匍匐莖實施4種處理(即4種整合水平):連接(不切斷匍匐莖)、輕度切斷、中度切斷和重度切斷。每種處理3個重復。3種切斷處理的方法:分別在結縷草克隆植株長出12、8和4個復合節后，切斷母株與第1個復合節之間的匍匐莖，之后每長出1個新復合節，就依次將位于基部的復合節與其他復合節間的連接關系切斷，使匍匐莖上連接的復合節分別保持12、8和4個。

試驗從2013年7月持續至2013年11月。所有試驗材料均放在光照培養箱(GXZ智能型)中培養，設置白天12 h(光照度為12 000 lx)、28℃;夜晚12 h(無光)、20℃。試驗期間正常澆水管理，并觀察記錄分株生長情況。

1.3 數據收集和處理

試驗結束后，收獲植株。收獲時，用清水洗去塑料管中的沙粒，避免破壞根系、葉和匍匐莖的完整性。用毛巾吸干整個分株上的水珠，測量匍匐莖每個節間的長度，并記錄一級和二級A、B分株或分枝數量。然后，將植株放入烘箱，于70℃下烘干至恒質量。分別稱量植株的A分枝、B分枝、匍匐莖和根的干質量。以切斷程度、氮磷比為因子，測定的各生長指標為因變量，采用SPSS 20.0軟件，進行多因素方差分析;在方差分析結果達到顯著時，采用LSD、Duncan法對不同處理下的數據進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 氮磷比和切斷處理條件下結縷草克隆植株的形態指標變化

隨著對匍匐莖切斷程度的加大，整個克隆植株的主匍匐莖總長度、主匍匐莖復合節數和一級A分株數呈下降趨勢，且匍匐莖連接處理與其他3種切斷處理間差異顯著(表1、圖2)。低氮磷比養分條件下生長的克隆植株主匍匐莖總長度顯著高于中、高氮磷比養分條件，但主匍匐莖復合節數和一級A分株數在各氮磷比養分處理間差異不顯著(表1)。

對結縷草匍匐莖實施切斷處理、土壤氮磷比處理及兩者間的交互作用對結縷草克隆植株的一級B分株數、和二級A、B分枝數均有極顯著的影響(表1)。與匍匐莖保持連接相比，無論對匍匐莖實施何種程度的切斷處理，結縷草克隆植株上一級B分株數和二級A、B分枝數都顯著上升(圖2)。低氮磷比條件下生長的結縷草克隆植株上一級B分株數顯著高于中、高氮磷比養分條件，并且在低氮磷比養分條件下對匍匐莖實施輕度切斷處理時，一級B分株數和二級A、B分枝數的值最大。總體而言，結縷草克隆植株在低氮磷比養分條件下具有明顯的生長優勢。長期的克隆整合有利于主匍匐莖的伸長、主匍匐莖復合節的形成和一級A分株的建立，但不利于一級B分株的建立和二級A、B分枝的形成。

2.2 氮磷比和切斷處理條件下結縷草克隆植株的生長代價與收益分析

結縷草匍匐莖切斷處理、土壤氮磷比水平處理及兩者間的交互作用對結縷草克隆植株的母株生物量有極顯著的影響(表1)。對匍匐莖實施不同程度的切斷均使克隆植物的母株生物量顯著增加，尤其在高氮磷比條件下，隨著匍匐莖切斷程度由輕到重，克隆植株的母株生物量呈顯著的上升趨勢;在中、低氮磷比養分條件下，分別對匍匐莖實施輕度切斷和中度切斷時，克隆植株的母株生物量顯著高于同種氮磷比條件下的其他切斷處理(圖3)。

結縷草克隆植株在低氮磷比條件下積累的總生物量顯著高于中、高氮磷比條件(表1、圖3)，進一步證明其在低氮磷比生境中生長更為適宜。對匍匐莖實施重度切斷處理時，結縷草克隆植株的總生物量和根系生物量都顯著低于其他3種處理(即連接、輕度和中度切斷處理)，且在3種氮磷比養分條件下均有相同的趨勢。在高氮磷比養分條件下，隨著對匍匐莖的切斷程度從輕到重，克隆植株的根系生物量呈顯著下降趨勢，植株總生物量也表現出相似的規律;在中氮磷比養分條件下，與匍匐莖連接相比，克隆植株的總生物量和根系生物量反而在輕度切斷處理下分別顯著上升30.6%和23.9%;而在低氮磷比養分條件下，與匍匐莖連接相比，克隆植株的總生物量和根系生物量分別在中度和輕度切斷處理時顯著上升，呈現顯著的交互效應(表1)。在任何氮磷比養分條件下，分別對主匍匐莖實施中度切斷、輕度切斷和不切斷(連接)處理時，其克隆植株總生物量分別為3.65 g、2.90 g和2.94 g，均高于重度切斷處理。可見，結縷草母株和克隆分株之間保持較長時間的較緊密的生理整合更有利于結縷草克隆植株根系生物量和總生物量積累。

低氮磷比養分條件中生長的結縷草克隆植株上主匍匐莖生物量和A分枝生物量都顯著高于中、高氮磷比養分條件(表1、圖3);然而，無論在何種氮磷比條件下，隨著克隆植株匍匐莖切斷程度由輕到重，主匍匐莖本身的生物量都呈顯著下降趨勢。這再次證明主匍匐莖的生長與克隆整合密切相關，而在不同生長階段中斷整合(切斷)都損害匍匐莖的生物量積累。與匍匐莖保持連接相比，對匍匐莖實施輕度和中度切斷處理時，A分枝生物量顯著增加(表1、圖3)，而對匍匐莖實施重度切斷處理時，A分枝生物量則顯著下降。值得注意的是，從輕到重3種切斷處理，均使B分枝生物量顯著增加。但在中、低氮磷比養分條件下，重度切斷處理下的B分枝生物量顯著低于輕度和中度切斷處理(圖3)。可見，對匍匐莖實施適當的切斷處理，使A、B分枝的生長顯著受益，然而，過重切斷匍匐莖也會損害A、B分枝的生長。在低氮磷比條件下，對匍匐莖實施中度切斷處理時，結縷草克隆植株上A、B分枝生物量最高，表現出顯著的交互效應(表1)。

圖2 3種氮磷比水平和4種切斷處理條件下結縷草的主匍匐莖總長度(A)、主匍匐莖復合節數(B)、一級A分株數(C)、一級B分株數(D)、二級A分枝數(E)和二級B分枝數(F)的變化Fig.2 Total primary stolon length(A)，number of primary multiple nodes(B)，number of primary A-ramets(C)，number of primary B-ramets(D)，number of secondary A-branches(E)and number of secondary B-branches(F)of Z.japonica plants in the treatments of stolon severings and N∶P application ratios

2.3 幾種氮磷比和切斷處理條件下結縷草克隆植株的生物量分配變化特征

與匍匐莖連接相比，無論采取何種切斷處理，結縷草克隆植株對A、B分枝生物量的分配都顯著增加，而對匍匐莖生物量的分配卻顯著下降，對根系的生物量分配則變化不顯著，且在3種氮磷比養分生境中均有相似的規律(表1、圖4)。值得注意的是，結縷草克隆植株對A分枝的投資 (25.7%～47.6%)始終高于對B分枝的投資 (3.9%～16.5%)。然而，隨著生境中氮磷比的升高，結縷草克隆植株對根系生物量的分配提高(圖4)，即低氮磷比養分生境下根系生物量分配比 (31.9%～33.5%)＜中氮磷比養分生境下根系生物量分配比(33.2%～36.8%)＜高氮磷比養分生境下根系生物量分配比(34.8% ～38.3%)，且低氮磷比與高氮磷比處理間差異顯著(P＜0.05)(表1)。

3 討論

本研究發現，無論在何種氮磷比生境，當匍匐莖保持完全連接狀態時，長期的克隆整合顯著降低了母株生物量。這可能是由于母株通過匍匐莖向年幼分株傳輸養分時，資源輸出導致內部資源稀釋，因而通常要承擔一定程度的生長代價［13］。

大量研究結果表明，克隆整合對克隆新生分株的建立和生長有顯著的促進作用［11，25-26］;也有研究者認為，匍匐莖的斷開能夠促進克隆植株的生長、繁殖和擴散［16，27］。本研究發現，隨著匍匐莖切斷程度由輕到重，結縷草克隆植株主匍匐莖總長度及其生物量、主匍匐莖復合節數和一級A分株數呈下降趨勢，這可能與阻斷養分資源向頂端運輸密切有關，這表明克隆整合對結縷草的向頂生長具有重要作用;然而，對匍匐莖實施不同程度的切斷處理，顯著增加結縷草克隆植株的一級B分株數、二級A、B分枝數和B分枝生物量。由于在結縷草克隆植株的同一復合節上，A、B分株交互生長，A分株靠近克隆植株的基端，而B分株更靠近頂端［17］，因此，B分株的生長可能更易受到匍匐莖頂端優勢的影響。而對匍匐莖實施切斷處理后，從匍匐莖頂端向被切斷部分的信號傳導被阻斷［28］，結縷草克隆植株的頂端優勢在一定程度被釋放，這有利于原本受到抑制的克隆分株的迅速生長和發育，B分株的表現尤為突出，不僅生長迅速，有的甚至可以成為一級B分枝。同時，匍匐莖的連接是克隆植物進行生理整合的前提，切斷匍匐莖就會中斷養分資源在母株和克隆分株之間的轉移或分享，匍匐莖對資源的消耗也相應減少。在此情況下，克隆分株可能將自身吸收或合成的資源用來投資生長二級A、B分株或分枝，而增加二級分枝強度有利于克隆植株實現生境空間的拓展和占據，以此也有利于克隆植株尋找新的生機。

圖3 3種氮磷比水平和4種切斷處理條件下結縷草的母株生物量(A)、植株總生物量(B)、根系生物量(C)、匍匐莖生物量(D)、A分枝生物量(E)和B分枝生物量(F)的變化Fig.3 Biomass of parent ramet(A)，total biomass of plant(B)，root biomass(C)，stolon biomass(D)，A-branch biomass(E)and B-branch biomass(F)of Z.japonica in the treatments of stolon severings and N∶P application ratios

然而，在重度切斷處理條件下的一級B分株數、二級A、B分枝數、A、B分枝生物量和植株總生物量均顯著低于輕度切斷處理或中度切斷處理。由于過早中斷克隆整合，結縷草植株向頂生長嚴重受限，在一定程度上可能也會影響克隆植株的側向生長。因此，在結縷草克隆生長過程中，宜對匍匐莖采取適當的切斷處理，有利于結縷草克隆植株釋放生長潛能和增加二級分枝數量，從而能夠高效積累生物量。

克隆整合顯著改變生物量分配格局，這在很多研究中得到證實［25-26］。與匍匐莖連接相比，結縷草克隆植株對A、B分枝生物量分配在3種切斷處理下顯著增加，而對匍匐莖的生物量分配卻恰好相反。這可能也是適當切斷能夠增加結縷草克隆植株分枝數量和生物量的重要因素。由于切斷匍匐莖減少了其對資源的消耗［13］，同時也阻斷了養分的傳輸，克隆植株將更多的資源分配至其地上的分枝部分，以獲取充足的光照和形成更多的光合同化物。值得注意的是，不論在何種切斷處理條件下，A分枝生物量分配始終大于B分枝生物量分配，結縷草對水分資源的分配也有相似的現象［3］，這進一步驗證了結縷草同一復合節上A分枝的生長速率始終大于并優先于B分枝的趨勢的不變性［17］。

與中、高氮磷比養分生境相比，結縷草克隆植株在低氮磷比養分生境中長勢最好，這可能受磷含量下降和氮磷比例的影響。在本試驗中，3種營養液中磷含量隨著氮磷比的升高而下降。生境中的氮磷配比可能也會影響植物對氮、磷的吸收效率而影響生長［29］。戶桂敏等［30］發現，生境中磷水平的限制會影響五爪金龍植物對氮的吸收。然而，隨著生境土壤氮磷比的升高，結縷草克隆植株對根系生物量的分配增加，這可能是由于在養分資源貧瘠或利用效率低的生境中，克隆植物傾向把更多的養分資源分配給根系，做出積極的補償，保證其能夠獲取生長所需的養分或水分［31］。同時，隨著生境氮磷比的升高，結縷草母株和克隆分株之間保持較長時間的較緊密的生理整合更有利于結縷草克隆植株生長和生物量積累。可見，結縷草克隆整合策略與生境氮磷比密切相關。

圖4 3種氮磷比水平和4種切斷處理下結縷草植株對A分枝、B分枝、匍匐莖和根系的生物量分配Fig.4 Proportional biomass allocation to A-branches，B-branches，stolons and roots of Z.japonica plants in the treatments of stolon severings and N∶P application ratios

綜上所述，結縷草克隆植株克隆整合的代價與收益同時存在。結縷草在低氮磷比條件下生長最好，適時中斷克隆整合可以釋放結縷草克隆植株的生長潛能，減少匍匐莖對植物體內養分資源的消耗，增加二級A、B分枝數量和對A、B分枝生物量分配，從而有利于克隆植株實現對生境空間的占據，以獲取更多養分資源，提高自身生長收益。因此，在低氮磷比條件下，對匍匐莖實施中度切斷處理時，結縷草植株總生物量收益最好。本研究結果反映了結縷草適應不同氮磷比生境的復雜生態策略，對于結縷草草坪的科學管理也具有一定的應用價值。

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