若爾蓋高原濕地3種生境地下芽庫特征及其差異

王 娜, 夏 敏, 王 行, 劉振亞, 劉耘碩, 王好才, 肖德榮, 呂 梅

(1.西南林業大學 國家高原濕地研究中心/濕地學院, 云南 昆明 650224;2.溫州大學 生命與環境科學學院, 浙江 溫州 325035; 3.貴州省威寧縣林業局, 貴州 威寧 553100)

地下芽庫在維持植物群落的結構和功能，以及在受損植被的恢復中發揮著基礎性作用[1-4]。研究發現，在未受破壞的高草草原中有超過99%地上植株來源于地下芽庫[5]，在受破壞的高草草原中也有80%～85%的地上植株來自地下芽庫[6]。環境因子影響甚至決定著植物地下芽的形成和發展[7]。掌握地下芽庫多樣性特征及環境作用機制，對于保護和恢復植物多樣性具有重要的理論價值。

當前，環境因子對植物地下芽庫的影響正受到越來越多的關注[8]。水分是影響植物地下芽庫類型和密度的關鍵因子[9]。植物芽庫的數量隨著降水量或土壤水分含量的增加而顯著增加[10]，土壤水分的虧缺可導致地下芽庫密度的下降[11]或無明顯影響[2]；另外，土壤水分也對植物芽庫的類型產生影響[12]。土壤養分是影響植物地下芽庫建成和動態的另一重要因素[3]。適度的土壤養分，有利于植物芽庫的形成和萌發，其中，增加土壤氮素可有效提高植物地下芽庫的密度[13]。外界干擾對植物地下芽庫也會產生影響[14]。放牧可顯著增加植物地下芽庫的總密度[15]，或導致禾草類[16]、非禾本草本[17]植物芽庫中芽的數量減少；隨放牧強度的增加，根莖芽和鱗莖芽的密度顯著降低，但芽庫總密度保持不變[1]。通常情況下，植物地下芽庫的密度隨著海拔的增加而呈現增大的趨勢[15]。可見，植物地下芽庫的多樣性與環境因子間有著極為復雜的關系。

在高寒地區，地下芽庫對植物種群及多樣性的維持發揮著重要作用[18]。在北美高寒草原，99%的地上植物莖來自地下芽庫[10]；在阿爾卑斯山，84%的高山草原以克隆植物為主導[19]。若爾蓋高原濕地是中國“兩屏三帶”生態安全格局中“川滇生態屏障”的重要組成，具有重要的生物多樣性與特有性保護價值，但其生態系統極為脆弱[20]。研究表明，中國高寒地區分布的大部分植物都具有較強的無性繁殖能力[21]，其植物通過強大的克隆繁殖，在區域水土保持、生物多樣性保護中發揮著不可替代的作用。若爾蓋高原濕地生境的空間異質性高，生境間環境因子存在較大差異[22]。若爾蓋高原濕地不同生境間的植物地下芽庫多樣性是否存在差異？影響這種差異的環境因子是什么？其影響途徑如何？目前尚缺乏研究。

本研究選擇若爾蓋高原濕地的沼澤、沼澤化草甸和草甸3種生境(見圖1)，重點研究各生境下芽庫的組成和密度，芽形態及生物量，芽生態化學計量特征，環境因子對植物芽密度、形態、生物量及生態化學計量的影響規律。通過研究，擬為若爾蓋高原濕地植物多樣性的保護和恢復提供一定的理論依據。

圖1 若爾蓋高原濕地典型生境類型

1 研究區概況

研究區地處青藏高原東北麓，橫斷山脈北段，四川省阿壩藏族羌族自治州北部，若爾蓋縣、紅原縣、瑪曲縣等境內，地理位置為北緯32°25′—34°6′，東經102°4′—103°8′，平均海拔3 430 m，屬高原寒溫帶濕潤氣候，年均溫0.7 ℃。年降水量660～750 mm，86%降雨量集中于4—10月，相對濕度64%～73%，年均蒸發量1 232 mm，日照2 389 h。

隨地形及水文條件的差異，若爾蓋高原濕地在空間形成了沼澤、沼澤化草甸和草甸等主體生境類型[23]。若爾蓋高原濕地植物物種分布較為豐富，主要有木里苔草(Carexmuliensis)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)，以及毛果苔草(Carexlasiocarpa)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)、四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、無脈苔草(Carexennrvis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2018年5—6月和2019年5—6月，在植物的生長初期，分別在以木里苔草(Carexmuliensis)、藏嵩草(Kobresiatibetica)、華扁穗草(Blysmussinocompressus)為優勢物種的沼澤(MA)、沼澤化草甸(MM)和草甸(ME)3種生境設置1 m×1 m樣方共計51個，其中，沼澤樣方11個，沼澤化草甸樣方17個，草甸樣方23個。分別調查樣方內3種優勢物種植物高度、蓋度、生物量等(表1)。在每個樣方，用剪刀齊地刈割25 cm×25 cm[24]面積內的地上植物并裝袋，以測定植物地上生物量。高原濕地植物根系集中分布于土壤表層[25]，因此，用小刀和鐵鏟將刈割地上植物后的20 cm的地下土塊(地下植物及土壤)取出，裝袋帶回實驗室以測定植物芽庫和地下生物量。用定深泥炭鉆(型號：荷蘭Eijkelkamp 0 423SA)采集0—20 cm混合土壤樣品，用環刀(D:37 mm，H:50 mm)對泥炭鉆中的土壤進行取樣，剩余混合土壤裝入自封袋帶回實驗室，以測定土壤理化指標。

表1 3種生境中優勢植物物種的高度、蓋度及生物量特征

2.2 室內分析

2.2.1 芽指標的測定 依據芽在母株上的位置[26]，本研究將地下芽的類型分為水平生長根莖頂芽、向上生長根莖頂芽、根莖節芽和分蘗節芽4種類型。

在室內，通過手工初步去除用于芽庫的研究樣品的泥土，然后放置清水池中洗凈以取出植物樣品(盡量避免傷害根莖和芽之間的連接)。將取出的植物樣品放置實驗室晾干，采用放大鏡(放大10倍)對不同生境的植物芽和芽痕進行觀察，并分別記錄芽的類型及數量。在此基礎上，計算植物芽庫的總密度(芽/m2)，以及4種類型芽的分密度(芽/m2)[26]。用游標卡尺測定地下芽的長度(mm)和直徑(mm)，并計算芽長/直徑比等形態指標。用小刀將植物芽從根莖上取下，采用烘干稱重法(65 ℃，48 h)，測定地下芽的生物量[26]。采用H2SO4-H2O2消煮法，測定地下芽的全氮、全磷等化學計量指標。

2.2.2 土壤理化指標的測定 土壤含水率、pH值參照《土壤農化分析》進行測定。采用H2SO4-H2O2消煮法，測定土壤全氮、全磷。采用1 mol/L氯化鉀溶液浸提法，測定土壤速效氮。采用M3浸提法，測定土壤的速效磷。采用酸洗法，測定土壤有機碳含量。通過公式(1)計算土壤容重(SBD)[27]：

SBD=0.857 2e-0.033 1OC+0.744 6e-0.002 7OC

(1)

式中：SBD為土壤容重(g/cm3)；OC為土壤有機碳含量(g/kg)。

2.3 數據統計與分析

采用SPSS 25.0的單因素方差分析(one-way ANOVA)法，對3種生境植物地下芽庫的數量組成、形態及生物量，以及芽化學計量指標等進行差異性檢驗。對不符合單因素方差齊性檢驗的數據進行lg(x+1)的處理，顯著性水平設定為α=0.05。通過Pearson相關性分析法，研究地下芽庫的密度、形態及生物量，以及化學計量學指標與土壤的理化指標，采樣的地理位置(經緯度、高程)、大氣溫度、降水，以及植物蓋度、生物量的相關性。

在上述基礎，進一步選取與芽庫密度、形態、生物量及芽化學計量存在著顯著相關性的指標，通過Stepwise回歸分析方法再進一步篩選影響芽庫特征的關鍵因子。使用R語言3.6.3版本中的Agricolae軟件包，對影響植物芽庫特征的關鍵因子進行路徑分析，最終研究直接影響因子對植物芽庫作用的路徑和貢獻率。

3 結果與分析

3.1 不同生境的土壤理化特征

若爾蓋高原濕地3種生境的土壤理化性質存在差異(表2)。沼澤的土壤水分、全氮、全磷、速效氮、速效磷含量分別顯著高于沼澤化草甸和草甸的對應指標，沼澤和沼澤化草甸的土壤有機質含量顯著高于草甸的土壤有機質含量，而沼澤和沼澤化草甸的土壤有機質含量無顯著差異，沼澤化草甸的土壤水分、全氮、速效氮、有機質含量分別顯著高于草甸的對應指標，沼澤化草甸和草甸的土壤全磷、速效磷含量均無顯著差異，沼澤和沼澤化草甸的土壤容重分別顯著低于草甸的土壤容重，而沼澤和沼澤化草甸的土壤容重無顯著差異。3種生境土壤的pH值無顯著差異。

表2 若爾蓋高原濕地3種生境的土壤理化特征

3.2 芽庫組成及密度

3種生境的芽庫均由水平生長根莖頂芽、向上生長根莖頂芽、根莖節芽、分蘗節芽等4種類型組成，但組成比例不同(圖2a)。沼澤的芽庫以水平生長根莖頂芽為主(34.01%)，沼澤化草甸和草甸的芽庫則分別以根莖節芽、分蘗節芽為主(48.50%，60.43%)。沼澤的芽庫總密度(1 497±77 個/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫總密度(691±27 個/m2，294±32 個/m2)，后兩者間同樣存在顯著差異。

沼澤的芽庫水平生長根莖頂芽密度為(509±100 個/m2)，顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫水平生長根莖頂芽密度(126±31 個/m2，40±12 個/m2)，后兩者間無顯著差異。沼澤的芽庫向上生長根莖頂芽密度(304±50 個/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸的芽庫向上生長根莖頂芽芽密度(93±21 個/m2，35±11 個/m2)，后兩間無顯著差異。沼澤和沼澤化草甸的芽庫根莖節芽密度(441±70 個/m2，335±45 個/m2)間無顯著差異，兩者均顯著高于草甸的芽庫根莖節芽密度(40±12 個/m2)。3種生境的芽庫分蘗節芽密度均無顯著差異。

3.3 芽的形態及生物量

沼澤的芽庫的芽長度(24.13±2.52 mm)顯著大于沼澤化草甸和草甸的芽庫的芽長度(13.50±1.84 mm，8.97±0.64 mm)，后兩者間同樣存在顯著差異。沼澤和沼澤化草甸芽庫的芽直徑(1.50±0.16 mm，1.26±0.09 mm)顯著大于草甸的芽庫的芽直徑(0.86±0.06 mm)，沼澤和沼澤化草甸芽庫的芽直徑間無顯著差異(詳見圖2b)。沼澤芽庫的芽長/直徑比(18.12±2.67)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的芽長/直徑比(11.83±1.89，11.93±1.57)，后兩者間無顯著差異(圖2b)。沼澤芽庫的芽生物量(9.55±1.14 g/m2)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的芽生物量(5.81±0.53 g/m2，4.48±0.86 g/m2)，后兩者間無顯著差異(圖2c)。

3.4 芽的生態化學計量

沼澤芽庫的全氮含量(36.63±2.23 g/kg)顯著高于沼澤化草甸和草甸芽庫的全氮含量(23.16±1.44 g/kg，16.18±1.27 g/kg)，后兩者同樣存在顯著性差異。沼澤，沼澤化草甸和草甸芽庫的全磷含量分別為(3.77±0.32 g/kg，3.11±0.55 g/kg，2.48±0.32 g/kg)，三者間無顯著差異。沼澤，沼澤化草甸和草甸芽庫的氮/磷比分別為(10.31±0.9，16.55±4.9，10.35±1.8)，三者間無顯著差異(圖2d)。

注：①HAB為水平生長根莖頂芽; VAB為向上生長根莖頂芽; ARB為根莖節芽; SHB為分蘗節芽; BD為芽密度; BL為芽長度; BDI為芽直徑; BL/BDI為芽長/芽直徑; TNB為芽全氮; TPB為芽全磷; TNB/TPB為芽氮磷比； ②不同小寫字母代表地下芽庫各指標在不同生境類型下p<0.05水平差異顯著。

3.5 芽庫的影響因素

芽庫的各項指標與地理位置(經緯度、高程)、大氣溫度、降水無顯著相關關系。芽庫的氮/磷比與木里苔草和華扁穗草的地上生物量有正相關性，芽長度與木里苔草的蓋度有正相關關系，但并不顯著，其他芽庫的指標與3種優勢植物的蓋度、生物量均無顯著相關性。芽庫的總密度、長度、直徑、全氮含量與土壤水分、土壤全氮、土壤速效氮等理化指標均呈顯著正相關關系，與土壤容重均呈負相關關系，與土壤的pH值無顯著相關關系。芽庫的生物量與土壤水分、全氮、全磷等理化指標呈正相關關系，與土壤容重、有機質、pH值無顯著相關關系。芽庫長/直徑比與土壤全磷呈正相關關系，與其他土壤理化指標無顯著相關關系。芽的全磷含量與土壤速效氮呈正相關關系，與其他土壤理化指標無顯著相關關系。芽的氮/磷比與土壤理化指標無顯著相關關系(表3)。

土壤水分、速效氮和全磷是影響植物芽庫密度、生物量、形態和生態化學計量的直接因子(圖3)。土壤水分直接影響芽的密度、直徑、生物量和總氮含量，其中對芽庫總密度的影響最大(其通徑系數為0.916)。土壤速效氮、全磷是直接影響芽庫的密度、芽形態(芽長、芽直徑)以及芽總氮含量的直接因子，其中，土壤速效氮、土壤全磷對芽的長度的影響最大(其通徑系數分別為0.447，0.340)。

注：①SM為土壤水分;STP為土壤全磷;SAN為土壤速效氮;BD為芽密度;BL為芽長度;BDI為芽直徑;BB為芽生物量;TNB為芽全氮。②箭頭旁邊的數字是標準化的路徑系數，表示關系的強度； ③*表示p<0.05；**表示p<0.01；***表示p<0.001。

4 討論與結論

本研究表明，若爾蓋高原濕地3種生境下植物芽庫的組成、形態及生態化學計量等存在差異，這與其所處環境中土壤的水分、養分(全氮、全磷等)等環境因子密切相關(表3)。通常，植物地下芽的產生、生長與存活受土壤水分的制約[28]，充足和穩定的水分供給能促進植物地下芽的形成和發育[29]，并顯著提高植物芽在旱季的存活率[30]。本研究中的沼澤常年淹水，其土壤能為植物芽的生長與發育提供較為穩定的水資源，促進了沼澤植物地下芽的形成、生長和發育，并有利于地下芽在若爾蓋高原地區旱季的存活。因此，沼澤生境植物芽庫的存量相對較大、密度最高。沼澤化草甸和草甸生境的土壤水分供給條件較沼澤次之，這對植物地下芽庫的形成、生長和發育較為不利，進而導致植物芽庫的存量小、密度低。這與Ding等[31]研究結果相似。另外，較高的土壤水分能促進根莖芽的發育[31]，而土壤水分的虧缺對分蘗節芽的形成有利[26]。因此，土壤水分的差異也是導致若爾蓋沼澤和沼澤化草甸以根莖芽為主、而草甸以分蘗節芽為主的重要因子。這與張繼濤等[26]對羊草地下芽庫組成與環境因子關系的研究結果相似。

表3 芽庫相關指標與地理位置、植物和土壤等環境因子的相關性分析

芽庫存量與土壤養分含量呈顯著正相關[4]。適宜的土壤養分(碳水化合物、全氮、全磷等營養元素)有利于植物地下芽的生命活動[4,8]，進而促進植物芽形成和萌發[7]。本研究中，沼澤生境的土壤養分含量(全氮、全磷、速效氮等)最高，可有效地促進植物芽的產生和生長[16]，這也是導致其芽密度最高的重要環境因子。而草甸生境的土壤養分含量最低，這可能對植物芽的產生與發育產生一定的抑制，從而使得該生境的芽密度最低。沼澤化草甸土壤養分條件介于沼澤與草甸之間，故其芽密度低于沼澤生境而高于草甸生境。適宜的土壤水分和養分有利于植物芽的生長[32]，從而對植物地下芽的形態特征和生物量產生影響。本研究中，沼澤植物地下芽的直徑、芽長等指標最高，其次為沼澤化草甸，最小的為草甸。這同樣與土壤水分和養分含量密切相關(表3)。沼澤的土壤水分和養分含量最高，有利于植物地下芽的生長；草甸土壤水分和養分含量最低，不利于地下芽的生長；而沼澤化草甸土壤水分和養分介于兩者間，從而導致其芽直徑和長度低于沼澤但高于草甸生境。但是，3種生境芽的形狀指數(長/直徑比)與環境因子無顯著相關關系，這可能是植物對差異環境的適應有關[33]，相關調控機制有待進一步研究。

植物體內的氮、磷含量不僅與其長期進化過程中的適應機制有關，還與植物生長速率和養分利用效率密切相關[34]。環境因子通過影響植物的生長和養分的利用效率，進而對植物的化學計量指標產生影響[35]。不同水分和養分條件下，植物對于氮、磷的利用效率存在差異，影響著植物體的養分積累[36-37]。本研究中，3種生境植物地下芽的全氮含量存在顯著差異(圖2d)，并與土壤水分和養分等相關指標存在顯著相關關系(表3)，這可能與沼澤適宜的土壤水分和養分條件促進植物體對氮的利用以及在芽部的積累密切相關。但是，3種生境下的地下芽的氮/磷比等生態化學計量指標間無顯著差異(圖2d)，并與土壤環境因子無顯著相關關系(表3)，其對不同生境適應的調控機制有待深入研究。

地下芽的形成與發育主要通過與母株的生理整合來獲得營養[38]，芽庫的建成同樣依賴于母株自身的生理特點[39]。在濕地生態系統中，地下芽庫與地上植物的相似性可達20%～67%[40]。本研究中優勢植物主要為木里苔草、藏蒿草、華扁穗草，三者的優勢度隨著生境不同而存在差異。優勢植物在穩定芽庫數量方面發揮著基礎性作用，甚至不受物種組成的影響[38]。因此，本研究中3種優勢植物的芽庫隨著生境的不同而存在差異，這體現了該區域濕地植物的克隆繁殖策略與生長環境相關。本研究中的植物芽庫密度、生物量及形態指標與3種優勢植物的蓋度、生物量等指標基本無顯著相關關系，這進一步表明優勢植物對芽庫數量的穩定具有決定性作用，而與物種組成關系不顯著。但是，由于本研究對地下芽的來源植物未準確判定，這為深入探討地下芽庫特征與地上植物多樣性組成關系帶來不確定性。高原濕地植物多樣性豐富，生境的空間異質性極高，地上植物多樣性、外界環境及其兩者對地下芽庫的協同作用機制有待于深入研究。

通過本研究，土壤水分、速效氮和全磷是影響植物地下芽密度、形態、生物量和生態化學計量指標的直接因子(圖3)。土壤水分對芽庫總密度，芽的生物量、直徑和全氮均有極高的解釋度，其中，對芽庫總密度的解釋度超過90%。研究表明土壤水分是影響若爾蓋高原濕地植物地下芽庫多樣性的關鍵因子，維護和恢復濕地水環境是保護和恢復該區域濕地植物多樣性的基礎。