光照和氮素對芒萁克隆繁殖特性及生物量分配的影響

王佳佳，張明如，伊力塔，張汝民，何云核

（1. 浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300）

無性繁殖和克隆可塑性作為克隆植物特有的生活史性狀[1]，存在資源與能量的權衡制約[2?3]。生物量分配貫穿于克隆植物的整個生活史，并直觀表達植物的生態對策，克隆表型及構件的生物量分配可對環境資源條件的變化做出可塑性響應，促使植物采取相應的適應策略以利用有限的資源，使生長與繁殖獲得高度協調[4]。因此，克隆植物表型及生物量分配變化可反映植株在不同資源水平的生態適應性、生長與繁殖及資源儲存策略。植物克隆性主要體現在多種類型的營養繁殖習性中，克隆分株的輸出數量直接表征克隆繁殖能力的大小，而地下芽庫的動態也與此密切相關[5]。研究發現：克隆植物地上器官的生產力和種群的更新主要依賴地下芽庫[6]，如蘆葦Phragmites australis分株均由根莖芽萌發形成，根莖芽對分株的貢獻率達100%[7]。光強和氮素是植物生長發育的重要限制因子，一定程度上影響植物的自然分布[8?10]。同時，植物亦會采取不同的策略適應光照和氮素的變化，其中，形態生長指標和生物量分配格局的改變是生態適應策略之一。如杉木Cunninghamia lanceolata幼苗通過形態可塑性適應不同光環境，提高生存適合度[11]；而披針葉茴香Illicium lanceolatum分配較多的生物量于枝條和樹干，以應對光強的降低[12]；草珊瑚Sarcandra glabra通過改變營養器官的形態特征，依靠調節生物量的積累及分配來適應光強及氮素的變化[13]。芒萁Dicranopteris dichotoma生活史世代中以孢子體占絕對優勢地位，借助根狀莖完成克隆繁殖[14?15]。作為亞熱帶低山丘陵區退化植被的標志種之一，芒萁能夠適應從暖性針葉群落下層遮光生境到次生裸地、從植被退化后土壤資源剩余到資源流失等多種生境，在馬尾松Pinus massoniana、杉木等單優群落下層及杜鵑Rhododendron simsii灌草叢下層形成單優草本層片[16?17]。本研究在不同光照和氮素水平下，分析了芒萁克隆繁殖及各構件生物量分配的影響，以期為解釋芒萁單優層片形成機制提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

在浙江省杭州市臨安區青山湖國家森林公園玲瓏山景區 (30°13′05″N，119°40′23″E)，選取芒萁克隆分株為材料。采用盆栽法(以下盆栽芒萁簡稱芒萁)，選擇帶芽且長勢基本一致的芒萁克隆分株苗1株，保留10cm左右的根狀莖，移栽至40cm×21cm×17cm的塑料盆內。栽植基質為馬尾松單優群落下層表土，并置于2層遮光棚內緩苗1個月。

1.2 試驗設計

試驗設置3個遮光棚，分別覆蓋3層(L3)、2層(L2)、1層(L1)黑色尼龍遮陽網。選擇3個晴天，每隔2h，利用光量子儀測定光量子通量密度，每個點測定30個數據，最后計算與無遮陽網相比的透光率分別為4.75%(L3)、13.00%(L2)和35.96%(L1)。將盆栽苗隨機分成6組，每組10盆，分別置于3個遮光棚內，每棚2組，對2組進行施氮(N1)和不施氮(N0)處理。施氮量依據彭揚等[18]對草本植物的研究確定。每盆施0.6g純氮，將3g硫酸銨[(NH4)2SO4]分析純溶解于200mL純水中，均勻噴入盆內土壤表面，未施氮處理組噴入等量的純水。

1.3 指標測定方法

當芒萁克隆分株幾乎不再出土時，利用標尺測定各處理組分株植株高度、羽葉長和羽葉寬。記錄克隆分株數量，克隆分株的辨別標準為株高至少距地面10cm，羽葉完全展開不卷曲。將芒萁整盆倒出，用水洗凈并記錄根狀莖的芽數，以得到芽庫的大小數據。分別稱取羽葉、莖、根狀莖及細根的質量，細根的判別標準為除根狀莖以外的所有不定根。然后放入烘箱105℃殺青30min，80℃烘干至恒量，分別測定其干質量。每個處理重復測定5次。

各器官含水量為：含水量=(鮮質量?干質量)/鮮質量×100%；生物量分配比為：各器官生物量分配比=某器官生物量干質量/總生物量干質量×100%

1.4 數據處理

所有數據利用 Excel 2010、SPSS 19.0進行處理，使用 Origin Pro 8.0制圖。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法 (LSD)比較各處理 (L1N0、L1N1、L2N0、L2N1、L3N0、L3N1)在顯著性水平0.05下的差異性，采用雙因素方差分析檢驗光照、氮素及其交互作用在顯著性水平0.001、0.01和0.05水平對繁殖特性、分株形態生長指標及生物量分配影響的顯著性。

2 結果與分析

2.1 光照和氮素對芒萁繁殖特性的影響

圖1顯示：隨遮光程度增加，N0水平下克隆分株數在L1與L2處理間無顯著差異(P＞0.05)，但顯著高于L3處理(P＜0.05)，說明強度遮光降低芒萁克隆分株數量。N1與N0相比，各遮光處理下克隆分株數均顯著增加(P＜0.05)，分別增加了124.7%(L1)、82.8%(L2)和53.8%(L3)，3個遮光處理的克隆分株數從大到小依次為L1、L2、L3，且3個遮光處理間差異顯著(P＜0.05)。

圖1 不同處理下芒萁分株數和根狀莖芽數Figure 1 Number of new ramets and rhizome buds under different treatments

無論施氮與否，根狀莖芽數均在L2處理出現最大值，芽數由大到小依次為L2、L1、L3。N0水平下，根狀莖芽數在L1與L3處理間差異不顯著(P＞0.05)；N1水平下的根狀莖芽數顯著高于N0(P＜0.05)。

2.2 光照和氮素對芒萁形態生長特征的影響

由圖2可知：分株株高隨遮光程度增加呈不斷增加的趨勢，其中L1和L3處理下N1顯著高于N0(P＜0.05)，L2處理下2種氮素水平之間差異不顯著(P＞0.05)。

圖2 不同處理下芒萁克隆分株高度、葉長及葉寬Figure 2 Height,leaf length and leaf width of the cloned ramets under different treatments

在N0水平下，分株羽葉長在L1與L2處理間無顯著差異(P＞0.05)，L3呈顯著增大(P＜0.05)的變化特征。N1水平下，分株羽葉長表現為L1顯著高于L2和L3(P＜0.05)，且L2與L3的羽葉長幾乎接近。N1與N0相比，L1分株羽葉長顯著增加(P＜0.05)，L3顯著減小(P＜0.05)，而L2無顯著性變化(P＞0.05)。就芒萁克隆分株羽葉寬變化而言，同一遮光處理下N0與N1處理無顯著差異(P＞0.05)。因此，芒萁克隆分株葉片形態對光照和氮素的響應，主要表現在羽葉長度的變化。

2.3 光照和氮素對芒萁生物量分配的影響

從表1可見：N0水平下，分株羽葉、莖、根狀莖和細根以及地上部分與地下部分的鮮質量生物量均在L2出現最大值，且顯著高于L1和L3(P＜0.05)，L1、L2和L3的根狀莖鮮質量間均差異顯著(P＜0.05)。在L1和L2處理下，分株鮮質量生物量分配于細根、根狀莖、莖、羽葉的大小順序表現為先升后降再上升的變化，分別在根狀莖和羽葉出現最大值。L3則表現為不斷增加，在羽葉出現最大值。3種遮光處理下地上部分與地下部分鮮質量生物量之比從大到小依次為L3、L2、L1，比值大小分別為2.66±0.11、1.36±0.06、0.94±0.05，且差異顯著(P＜0.05)，說明隨著遮光程度的增加，芒萁將更多的能量或光合產物投資地上部分，其中對羽葉的投資顯著高于莖，遮光程度較低時，芒萁將更多的能量或光合產物積累于地下部分，特別是地下根狀莖。

表1 不同處理下芒萁植株各器官鮮質量Table 1 Fresh weight of each organ of D. dichotoma under different treatments

N1水平下，芒萁地上部分鮮質量生物量顯著增大(P＜0.05)，地下部分鮮質量生物量除L2顯著降低外(P＜0.05)，其余均顯著增加(P＜0.05)，L2地下部分鮮質量生物量的降低主要在于根狀莖鮮質量生物量的降低。隨著遮光程度的增大，細根、根狀莖、莖、羽葉生物量的變化均表現為先升后降再上升的規律，且均在羽葉出現最大值。

由表2可知：在N0水平下，除莖生物量干質量L3超過L1和L2外，羽葉、根狀莖和細根以及地上部分與地下部分的生物量干質量以L2最大，地上部分超過地下部分。在N1水平下，羽葉、莖、根狀莖和細根以及地上部分與地下部分的生物量干質量從大到小依次為L1、L2、L3，且不同處理間差異顯著(P＜0.05)，L1和L2的地上部分與地下部分比值顯著增加(P＜0.05)，L3降低但差異不顯著(P＞0.05)。無論施氮與否，芒萁植株各器官生物量干質量分配格局基本與鮮質量一致，即地上生物量超過地下生物量，其中地上部分以羽葉生物量高于莖，地下部分以根狀莖高于細根。

表2 不同處理下芒萁植株各器官干質量Table 2 Dry weight of each organ of D. dichotoma under different treatments

2.4 光照、氮素以及光照×氮素對芒萁克隆繁殖能力、形態生長以及生物量分配的影響

表3表明：光照、氮素以及交互作用對芒萁鮮質量和干質量生物量分配均產生顯著影響。光照除對莖鮮質量的影響達到顯著外(P＜0.05)，其余器官均達到極顯著水平(P＜0.01)。光照和光照×氮素對分株數有顯著影響(P＜0.05)，對株高具有極顯著影響(P＜0.001)；氮素對分株數和株高無顯著影響(P＞0.05)；芽庫大小均受光照、氮素及其交互作用的極顯著影響(P＜0.001)；光照、氮素及其交互作用對分株羽葉的長與寬均未達到顯著程度(P＞0.05)。

表3 光強和氮素對芒萁各測定參數的 F值和顯著性分析Table 3 F-value and significance analysis of light intensity and nitrogen level on each parameter of D. dichotoma

2.5 不同光照和氮素條件下芒萁各器官含水量及生物量分配的變化

由表4可知：不同光照和氮素處理下芒萁各器官含水量不同。N0水平時，地上部羽葉和莖含水量均在L2最大，L3最小，且顯著小于L1和L2(P＜0.05)；地下部分根狀莖和細根同樣表現為L3顯著低于L1、L2(P＜0.05)。N1與N0相比，地上部分器官含水量除L3顯著升高外(P＜0.05)，其余均有所降低；根狀莖含水量表現為L1、L2變化不顯著(P＞0.05)，L3顯著升高(P＜0.05)；細根含水量表現為L2無顯著變化，L1顯著升高(P＜0.05)，L3顯著降低(P＜0.05)。

表4 不同處理下芒萁各器官含水量Table 4 Moisture content of each organ of D. dichotoma under different treatments

由表5可知：N0水平時，L3處理的羽葉和莖干生物量分配比例顯著高于L1、L2處理(P＜0.05)，但根狀莖和細根干生物量分配比例顯著低于L1、L2(P＜0.05)。

表5 不同處理下芒萁各器官生物量分配比例Table 5 Biomass distribution ratio of each organ of D. dichotoma under different treatments

N1與N0相比，各遮光處理下羽葉生物量分配比例顯著增加；莖生物量分配比例除L3顯著降低外(P＜0.05)，其余均變化不顯著(P＞0.05)；L1、L2處理下根狀莖生物量分配比例顯著降低(P＜0.05)，細根無顯著變化(P＞0.05)，L3根狀莖生物量分配比例無顯著變化(P＞0.05)，細根顯著升高(P＜0.05)。同一處理下，各器官的生物量干質量分配比例均表現為羽葉顯著高于根狀莖(P＜0.05)，根狀莖顯著高于莖和細根(P＜0.05)。

3 討論

3.1 光照和氮素處理對芒萁克隆繁殖能力和形態生長的影響

資源異質性是生物生境普遍存在的基本屬性[19]。異質生境中，克隆植物能夠主動搜尋生長所需的資源，通過表型可塑性、調節生物量分配格局，緩解局部資源匱乏帶來的壓力并加速逃避不利生境，實現在異質生境中擴散定居的目的[20]。作為克隆植物特有的等級結構，克隆分株的數量能夠直觀呈現克隆植物的克隆繁殖能力[21]，而克隆分株來源于克隆器官上的芽庫，芽庫的動態決定了克隆植物的潛在克隆性[22]。本研究中，光照及光照×氮素對芒萁克隆分株有顯著影響(P＜0.05)，氮素對克隆分株無顯著影響，光照、氮素及光照×氮素對根狀莖芽數均有極顯著影響(P＜0.001)。說明光照是影響芒萁克隆分株輸出的主要因素，無論是光照還是氮素，還是兩者的復合因素均會對芽庫動態產生影響，具體表現為L3處理的克隆分株輸出量顯著小于L1、L2(P＜0.05)，施氮顯著提高各遮光處理的分株數(P＜0.05)，但增加比例隨遮光程度增加而減小，分株數總體表現為隨遮光程度的增加而顯著降低(P＜0.05)。表明強度遮光(L3)中光資源不足，在一定程度上抑制了克隆分株的輸出和地下芽庫的水平。

氮素輸入在一定程度上提高分株數和芽庫水平，但氮素對分株輸出的提高同樣受光資源的影響，即強度遮光下輸出顯著降低，對芽庫水平的提高也只在適宜光照環境(L2)下獲得顯著效應。有研究發現：土壤氮素能夠擴充芽庫，促使分蘗節芽優先形成子株[23?24]。本研究結果也支持該結論。大量研究發現：光照不足條件下，植物可通過向上生長增加株高并擴大葉面積，來捕獲更多的太陽輻射能，增強對光資源的競爭能力[25?27]。本研究中，芒萁株高、羽葉長隨遮光程度的增加顯著增加(P＜0.05)，這種形態變化也體現了芒萁適應弱光的生態策略。

3.2 光照和氮素處理對芒萁克隆分株含水量的影響

植物體內含水量與植物生理生化作用能力密切相關。本研究中，同一氮素水平下，L2處理下的芒萁羽葉含水量均顯著高于其他處理(P＜0.05)，說明L2處理下芒萁的光合生理代謝最旺盛，最有利于植物光合產物的合成；L3處理下的細根含水量顯著低于其他處理(P＜0.05)，說明L3處理下芒萁對土壤水分的吸收能力都不及L1和L2。施氮處理導致L3處理下的芒萁羽葉代謝增強，根系吸水能力下降，同時根狀莖的代謝增強，說明L3處理下，施氮有利于芒萁根狀莖的生長以實現將克隆分株放置最優資源環境的可能。

3.3 光照和氮素處理對芒萁克隆分株生物量分配的影響

生物量分配格局是植物適應環境的一種生存策略，是對生長、繁殖和維持等功能間進行資源分配的權衡，也反映了植物在生長過程中對環境的響應規律及能量分配策略[28?29]。根據最優分配理論(optimal partitioning theory，OPT)，自然環境中，由于地上和地下資源空間上的分離，陸生植物需要調整地上和地下部分的生物量分配以平衡對資源的吸收[30?31]，而克隆植物可借助其特殊的等級構件和地下儲藏器官，完成養分傳輸和營養物質的儲存，協調資源在時間上分布的不均勻性[32]。

針對芒萁各器官的分配比例，在光資源、養分充足的生境和光資源、養分貧乏的生境中，首先芒萁都傾向于將能量分配于羽葉片，其次是根狀莖。這可能是芒萁將能量優先分配羽葉，以便合成更多的碳水化合物，最大限度地覆蓋地表，有利于形成單優草本層片；其次將能量用于根狀莖的分配，以占據有利生境和搜索土壤養分、水分資源，最終提高芒萁克隆分株在異質生境的生態適合度。與L1、L2處理相比，芒萁在L3處理下，更優先將能量分配給羽葉，而對根狀莖的投資顯著低于L1、L2(P＜0.05)。

分析地上與地下生物量之比可知：地上生物量的投資隨遮光程度的增大而增加。一般認為，弱光下克隆植物將生物量優先分配于地上部分，利于攝取更多的光資源[33?35]。本研究結果也符合前人研究的結論，但未表現出克隆植物的趨富專化特征[36]。有研究發現：根狀莖類克隆植物七瓣蓮Trientail europaea根莖生物量分配隨土壤氮的增加而增加[37]，而對扁稈荊三棱Bolboschoenus planiculmis的研究發現：根莖分配對養分并未發生可塑性反應[38]。本研究則發現：施氮反而造成芒萁根狀莖生物量分配的降低，可能是氮素含量梯度設置不利于芒萁根狀莖提高儲藏功能，具體何種含量有利芒萁將能量投資根狀莖的生長有待進一步探索。

4 結論

綜上所述，得出以下結論：①光照是影響芒萁克隆分株輸出的主要因素，L2處理下分株輸出和芽庫最大；光照和氮素均對芽庫動態有顯著性影響，施氮對根狀莖芽數有顯著促進作用；②芒萁能夠通過增加株高適應弱光環境，施氮一定程度有利于增加株高；③無論是光資源和養分充足生境還是光資源和養分貧乏生境，芒萁羽葉為光合產物優先分配中心，根狀莖屬于次優先分配中心。羽葉光合產物的積累有利于芒萁快速覆蓋地表，根狀莖生物量的積累有利于根狀莖芽的形成和覓食行為的表達，對芒萁拓殖新的生境有一定促進作用。