不同水鹽環境下荒漠植物群落抗逆性化學性狀的種間、種內變異

葉麗克·吐斯甫江,張雪妮,*,貢 璐

1 新疆大學資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046 2 綠洲生態教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046

植物功能性狀直接影響植物個體生長全過程[1-2],它是植物在世代更新進程中,利用特定生態策略適應外界環境的結果[3]。隨著外界環境的改變,植物功能性狀會產生不同程度的變異[4- 6],根據功能性狀變異解釋植物的適應性機制,能夠更充分地反映植物對環境變化和資源競爭的響應對策。

不同環境下植物群落功能性狀的變異由種間變異、種內變異及二者的相互作用引起。物種組成變化導致群落產生種間變異,種間變異越高表示物種更新越多,表明植物群落對環境的抵抗力越低；而種內變異來源于遺傳多樣性和表型可塑性,種內變異對群落性狀的貢獻率越高意味著植物種的適應性越強[6]。過去許多基于性狀的研究,僅用少數個體的性狀均值代表物種的性狀[7],忽略了種內變異對群落功能性狀變異的影響。然而,近年來越來越多的研究認為,不同環境影響下的群落性狀變異中,種內變異的相對貢獻高于種間變異[8-9],特別是在稀疏群落,種內變異更應受到重視[10]。因此,在研究群落功能性狀對環境的響應時應同時考慮種間與種內變異。

葉片作為植物與外界接觸面積最大、對環境變化較為敏感的器官[11],是進行光合作用和物質生產的主要場所[12],植物通過改變葉片的化學、生理、形態特征適應環境變化[13-14]。K、Ca、Mg作為植物體必須元素中的大量元素,對其生長、發育發揮重要作用,如K在細胞滲透壓調節與緩解Na鹽毒害中不可或缺[15]；Ca在提高植物耐鹽性、抗旱性和抗逆性方面均有一定作用[16]；Mg是葉綠素的成分之一,在光合作用過程中必不可缺。Na雖并非植物必須但在植物對逆境的適應中具有重要作用,如鹽生植物種通常利用Na+調節滲透勢,促進細胞吸水等[17]。因此,植物體內的K、Ca、Mg、Na水平與植物對干旱、鹽脅迫等的抗逆性緊密相關,甚至有研究認為Ca、Na、Mg在沙生植物體內含量比N、P高[18]。植物葉片K、Ca、Mg、Na含量與土壤環境息息相關[19],特別是在土壤水分與鹽分變化可能形成的逆境中。例如,受到干旱脅迫的小麥葉片細胞質和細胞膜中的Ca2+濃度增高[20]；鹽脅迫環境中,植物外部水勢降低,水分吸收受到影響,從而導致胞漿中Na+增多；此外,鹽脅迫促使K+進入細胞漿,降低Na+/K+的比值[21]。盡管葉片功能性狀與土壤環境的關系已被廣泛關注,但對與植物抗逆性密切相關的K、Ca、Na、Mg等性狀的研究鮮有報道,特別是在逆境普遍存在的干旱區荒漠生態系統開展植物抗逆性功能性狀種間、種內變異及其對土壤環境變化響應的研究更為少見[22]。

艾比湖濕地國家級自然保護區位于我國西北干旱區的新疆準噶爾盆地西南緣,該區分布有典型的荒漠植物群落。前期研究表明該區植物分布對土壤水鹽環境有顯著響應,且各植物種營養含量也有較大差異[23],但對荒漠植物群落抗逆性功能性狀的種間、種內變異及其與土壤環境間的關系尚不明確。因此本文擬在明確艾比湖荒漠植物葉片的群落水平K、Ca、Na、Mg性狀的種間、種內變異格局基礎上,分析其與土壤水鹽及礦質元素的關系,試圖回答:(1)不同水鹽環境下植物群落水平K,Na,Ca,Mg的種間、種內變異如何變化？(2)群落性狀的種間、種內變異與土壤環境因子之間的關系是否隨著水鹽環境變化而改變？進而探討荒漠植物對環境的適應策略,以期為科學管理和保護荒漠植被提供理論依據。

1 研究區域和方法

1.1 研究區概況

艾比湖濕地國家級自然保護區位于新疆準噶爾盆地西南緣(44°30′—45°09′N,82°36′—83°50′E),是盆地的水鹽匯集中心[24-25]。研究區所在區域降水稀少(<106 mm/a),蒸發率高(>1300 mm/a),屬于典型的大陸性干旱氣候。區內土壤類型主要為灰漠土、灰棕漠土和風沙土[26]。研究區內的阿奇克蘇河位于湖區東側,是艾比湖的水源之一。河岸土壤水分和鹽分含量較高,并隨著離河距離增加逐漸降低,距河不同距離表現一定差異。區內植物組成隨離河遠近改變,靠近河道主要植物種類為灌木鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron),草本植物小葉堿蓬(Suaedamicrophylla)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、平臥堿蓬(Suaedaprostrata),遠離河道則主要分布灌木艾比湖沙拐棗(Calligonumebinuricum)、木堿蓬(Suaedadendroides)、鹽節木(Halocnemumstrobilaceum),草本植物刺沙蓬(Salsolaruthenica)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、對節刺(Horaninowiaulicina)、豬毛菜(Salsolacollina)[27]；兩種環境的共有種為喬木胡楊(Populuseuphratica)、檉柳(Tamarixramosissima)與梭梭(Haloxylonammodendron),灌木駱駝刺(Alhagisparsifolia)、羅布麻(Apocynumvenetum)、白刺(Nitrariasibirica)、琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、鹽穗木(Halostachyscapsica)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum),草本植物花花柴(Kareliniacapsica)及蘆葦(Phragmitesaustralis)。

1.2 野外采樣

于植物生長季在艾比湖濕地國家級自然保護區內進行野外調查。垂直于阿其克蘇河建立三條間隔5 km的樣帶,各樣帶土壤水鹽含量隨離河由近到遠逐漸降低。每隔500m在樣帶上設置一個10 m×10 m的樣方,共32個樣方。在調查樣方過程中,記錄每個樣方中心點的地理坐標,以及樣方內出現的物種種數與各物種個體數。采集樣方中主要植物種(頻度>3%)的葉片樣品,選取無病蟲害的完整成熟冠層葉片,帶回實驗室,用于測定葉片K、Ca、Na、Mg含量。樣方調查前,在樣方裸地任意五點取0—15 cm的土壤樣品,混合均勻,利用TDR(Spectrum Technologies Inc., Plain field, IL)在取土點周圍測定土壤容積含水量(SVWC)。土壤樣品采集后放入自封袋中,帶回實驗室。

1.3 實驗室分析

植物葉片樣品于75℃烘干、粉碎。土壤樣品自然風干后全部過孔徑0.15 mm的土壤篩,裝入自封袋中供測試使用。各土壤樣品測定三次后取其平均值作為本次分析的數據。K、Ca、Na、Mg含量測定利用原子吸收光譜法(HITACHI Z—2000)[28]。土壤pH值利用酸度計法(PHS- 3C,上海儀電科學儀器股份有限公司,上海,中國)測定,土壤電導率(EC)采用電導率儀(DDS- 307,上海儀電科學儀器股份有限公司, 上海, 中國)測定,土水比均為1∶5[29]。

1.4 數據分析

1.4.1土壤高、低水鹽環境劃分

基于野外和室內測得的土壤水分與電導率值,運用R語言stats包聚類分析方法(k-means)將32個樣方劃分成低水鹽環境(n=21; SVWC=2.47%; EC=2.39 mS/cm)和高水鹽環境(n=11),高水鹽環境中1個樣方數據不完整被剔除(n=10; SVWC=16.14%; EC=15.00 mS/cm),不同土壤水鹽環境間差異極顯著(P<0.01)。

1.4.2群落功能性狀及其種間、種內變異

群落水平葉片K、Ca、Na及Mg由群落加權性狀(CWM)計算。CWM利用物種相對多度及其性狀值計算,計算公式為[23]：

其中,Pi為物種i的相對多度,ti為物種i的性狀,S為樣方中的物種個數。

根據Lep?提出的方法,上述各指標的CWM是由性狀的種間變異及種內變異共同決定的。其中種間變異是由各水鹽環境中物種在所有樣方內平均性狀值與其相對多度計算的CWMF,CWMF表示僅由種間變異影響時的群落加權性狀。種內變異則由各樣方的CWM與CWMF之間的差值表示,記為CWMI,CWMI代表僅由種內變異影響的群落性狀[4]。

性狀種間、種內變異在不同水鹽環境間的差異性分析由獨立樣本T檢驗分析。由于種內變異存在負值,因此通過離差標準化方法進行數據標準化,利用轉化后的不同水鹽環境群落種間、種內變異量,首先用去趨勢對應分析(Detrended Correspondence Analysis, DCA)確定排序軸的梯度長度(LGA),分析得出不同水鹽環境群落性狀種間、種內的LGA均小于3,因此選擇冗余分析(Redundancy analysis, RDA)方法獲得兩種水鹽環境下種間、種內變異與土壤環境因子排序圖。利用Pearson相關性分析求得性狀種間、種內變異與土壤因子間的相關系數。以上分析均由SPSS 17及R語言軟件“vegan”包完成；圖形由Origin 2018制作。

2 結果與分析

2.1 土壤水鹽環境與群落抗逆性化學性狀差異分析

離河由近至遠的兩種環境土壤K略有上升(P=0.071),而土壤pH(P<0.01)、Ca(P<0.05)、Na(P<0.05)及Mg含量(P=0.089)均呈現不同程度的降低。

對于群落水平的抗逆性化學性狀,葉片K、Na、Mg含量均隨著土壤水鹽下降而顯著升高(P<0.01),相較高水鹽環境分別增加92.91%,1174.47%,134.48%,Ca含量則表現出相反趨勢,呈不顯著下降(P>0.05)。

2.2 群落抗逆性功能性狀的種間、種內變異及其在不同水鹽環境間的差異

植物群落水平K、Ca、Na、Mg性狀的種間、種內變異在兩種水鹽環境間的差異不同。葉片K、Na、Mg種間變異水平均隨著水鹽減少而顯著升高(P<0.01),Ca則顯著降低；對于種內變異,除葉片K顯著升高外,其他性狀的種內變異在兩種水鹽環境間均無顯著差異(表1)。此外,各性狀的種間變異大小在高、低兩種水鹽環境排列均為：Na>Ca>K>Mg,而種內變異排序在高水鹽環境為：Na>K>Mg>Ca,在低水鹽環境為：Na>K>Ca>Mg。

表1 不同水鹽環境群落抗逆性性狀種間、種內變異的變化規律(平均值±標準偏差)

2.3 群落化學性狀種間、種內變異與土壤水鹽的關系

RDA分析結果如圖2和表2所示,前兩個排序軸共解釋了高水鹽環境下89.02%以及低水鹽環境下24.38%的葉片化學性狀變異與土壤因子間關系。高水鹽環境與第一排序軸相關性最高的主要為土壤EC、K,與第二軸相關性最高的是土壤Ca、Na,低水鹽環境與第一排序軸相關性最高的為土壤Mg、Na,與第二軸相關性最高的是土壤K、EC。說明兩種環境第一軸主要反映性狀種間、種內變異在土壤EC、Mg等土壤因子上的變化,而第二軸主要反映的是土壤Ca、K等因子上的變化。綜合前兩軸,高、低兩種水鹽環境土壤EC、Na、K均為影響群落抗逆性化學性狀的土壤因子,此外,低水鹽環境中土壤SVWC也具有不可忽視的作用。

圖2 不同水鹽環境群落種間、種內變異與土壤理化因子的RDA分析Fig.2 A biplot for redundancy analysis showing the relationships between inter- and intraspecific trait variations and soil factors in different soil moisture and salinity植物功能性狀變異和土壤環境之間的相關性:夾角角度為0°—90°之間時,兩個變量之間呈正相關關系; 當夾角角度為90°—180°之間時,二者之間呈負相關關系; 當夾角角度為90°時,表示二者沒有顯著的相關關系;虛線箭頭表示土壤理化因子,實線箭頭表示性狀種間、種內變異,其中F()表示種間變異；I()表示種內變異

表2 兩種水鹽環境群落性狀變異與土壤因子冗余分析(RDA)中的環境變量解釋率

通過結合RDA分析和相關性分析發現高水鹽環境下,群落水平Ca、Mg的種間變異與土壤環境因子間普遍存在較高的(|r|>0.3)負相關關系；對于種內變異,土壤環境因子與葉片Ca的負相關及與Na的正相關關系較強(|r|>0.3),與其他各性狀關系也以負相關為主。

低水鹽環境下,群落功能性狀種間、種內變異與土壤環境因子間的相關程度總體較高水鹽環境降低；群落水平Na的種內變異與土壤EC、SVWC和Ca含量顯著正相關,相關性逐漸降低(r分別為：0.64, 0.51, 0.44),葉片Mg的種間變異與土壤Mg、EC、SVWC、Na均為負相關,相關性依次降低(r介于0.3—0.5間)。其他群落水平化學性狀的種間、種內變異與土壤環境因子間的相關性總體較低(|r|<0.3)。

圖3 高、低水鹽環境下種間、種內變異與土壤因子之間的相關性Fig.3 Correlation analysis between inter- and intraspecific trait variations and soil factors in two soil water and salt content environments

3 討論

3.1 群落功能性狀及種間、種內變異對土壤水鹽的響應

化學、形態和生理性狀的變異是植物生存策略變化的體現。當土壤水分與鹽分發生改變,環境將通過篩選作用影響植物的生長和繁殖,植物利用表型可塑性調節功能性狀,調整水分、養分吸收以及抗逆等策略,以適應不同環境。

荒漠植物群落水平K、Na及Mg含量隨著土壤水分、鹽分減少而顯著升高(圖1),表明植物群落為適應不同水鹽生境條件而調整了生存策略。無機離子的積累是植物滲透調節的重要途徑[30]。研究認為,加強對K+的吸收、積累能力,是植物抵抗干旱逆境的生存策略之一[31]。光合作用對水分脅迫較為敏感[32],隨著脅迫程度加劇,為避免引起葉綠體的氧化損傷,植物需積累更多K+以維持光合作用,因此,葉片對K的高積累可以有效的抵御干旱脅迫[33]。此外,高水鹽環境土壤中較高的Na+將影響植物對K+的吸收,從而降低植物葉片K含量,這可能導致低水鹽環境葉片K含量顯著高于高水鹽環境(圖2)。生長于高水鹽環境的耐鹽植物限制Na+進入體內,而低水鹽環境中的耐旱植物通過提高Na含量增加其滲透勢,從而保持較高的葉片含水量抵御干旱脅迫,因此低水鹽環境葉片Na含量顯著高于高水鹽環境[18, 34]。植物吸收Mg的數量較K、Ca、Na少,這可能與植物對Mg的需求量較少、吸收能力弱有關[35]。Mg在植物光合作用中具有重要地位。低水鹽環境群落水平Mg含量的升高可能預示著植物光合作用增強,碳水化合物合成增加,這可能是植物適應干旱脅迫加劇的生存策略之一。Ca2+是植物體內最普遍的脅迫信使,植物葉片Ca含量的變化主要與土壤條件有關[36],研究區低水鹽區域土壤鈣含量(18.7 g/kg)顯著低于高水鹽區域(27.8 g/kg),這與高水鹽環境下群落水平Ca含量較高相符。此外,Chen等對胡楊研究發現,鹽脅迫可促進Ca2+的吸收,這可能也是高水鹽環境植物Ca含量較高的原因之一[37]。

圖1 兩種水鹽環境土壤理化因子及群落加權性狀(*：P<0.05；**：P<0.01)Fig.1 Soil factors and community weighted mean traits in two soil moisture and salt content environments

已有研究表明,性狀的高變異性通常與植物資源獲取能力有關[38]。植物功能性狀變異體現了植物對環境變化的適應能力差異。一方面,生境過濾作用選出一組與環境條件相適應的具有相似功能性狀的物種,增強群落內物種性狀的趨同性；另一方面,群落內同種植物個體間由于資源短缺造成種內競爭加劇,從而導致群落內共存物種發生相適應的種內變異[8]。不同物種對環境適應能力不同,致使群落內物種組成隨環境變化而改變,造成功能性狀種間變異。本研究中,隨著土壤環境水分、鹽分的降低,四種葉抗逆性化學性狀的種間變異大多顯著增加,這可能與不同水鹽環境間物種組成的變化直接相關(高水鹽環境植物種數：15種,低水鹽環境植物種數：18種,兩種環境共有種：11種)。土壤水分是荒漠植物生長、生存的重要因素[38],K、Na均與植物抗旱性有關,其種間變異在低水鹽區域下增加可能與該環境旱脅迫加劇,部分抗旱能力較弱的植物如甘草(Glycyrrhizauralensis)等被淘汰而引起的物種組成變化有關[39]。Ca是一種重要的細胞膜保護物質,在提高植物耐鹽性方面具有重要意義[16]。本研究中,兩種水鹽環境群落水平Ca含量均存在種間變異,但高水鹽環境種間變異顯著高于低水鹽環境。高水鹽區域群落通過選擇鹽穗木(Halostachyscaspica)等耐鹽物種適應鹽脅迫從而導致物種組成發生改變；而低水鹽環境下干旱成為影響植物生存的主要脅迫[29],耐鹽物種被耐干旱物種對節刺(Horaninowiaulicina)、豬毛菜(Salsolaarbuscula)等取代,從而導致群落物種組成做出適應性調整[24]。

種內變異是植物應對環境變化的重要響應機制[40],表征了植物對不同環境的最大適應能力,從根本上決定了植物的生態位寬度[41]。葉片K、Ca、Na的種內變異隨水鹽降低而升高,說明隨著土壤水分的減少,群落為抵抗干旱脅迫,提高對惡劣環境的抵抗力[42],增加了物種K、Ca、Na含量的生態幅寬度。以上指標均與植物耐旱等能力有關,說明這些群落化學性狀的改變可能是荒漠植物適應干旱脅迫加劇的一種重要機制。

3.2 土壤環境對群落功能性狀種間、種內變異的影響

土壤因子是直接影響植物功能性狀變異的關鍵因子[38,43-44],明析高、低兩種水鹽環境下植物功能性狀變異和土壤因子關系的變化規律,可為預測環境變化情形下植物的適應策略提供理論依據和參考。

高水鹽環境中,土壤鹽分對種間、種內變異的影響達到顯著水平(P<0.1),此外,其解釋率反映了鹽脅迫對物種及其耐鹽性可能具有普遍的選擇作用。研究發現,與土壤環境具有較高相關性(|r|>0.3)的種內變異少于種間變異。Siefert等對全球數據進行meta分析后發現,種內變異的高低取決于性狀分類的組織尺度(例如個體水平與器官水平性狀,生理與形態性狀),而不是生活型和環境,這可能是研究區植物群落抗逆性性狀種內變異與土壤環境間相關性較低的原因之一[10]。低水鹽環境中,環境因子只解釋了約24.38%的性狀種間、種內變異,表明低水鹽環境下研究區植物功能性狀變異可能并非由環境因子單獨決定,生物遺傳、個體間相互作用、個體發育等因素的作用可能更大[45]。

分析表明,高、低兩種水鹽環境影響植物生長發育的主要限制因素分別為鹽脅迫和干旱脅迫。高水鹽環境中,土壤K與群落水平K種間變異呈負相關,與種內變異則呈正相關；低水鹽區域,土壤SVWC與葉片K種間變異呈負相關,與種內變異則呈正相關。這均與脅迫誘導群落內表型變異假說一致,即惡劣的環境將導致群落種內變異增加,種間變異則減少[22]。這可能是由于惡劣環境的物種組成較為穩定,因此通過提高種內變異增加群落在高鹽和干旱環境中的穩定性,降低物種滅絕風險[46]。

Ca是表征植物耐鹽性、抗逆性的性狀之一。高水鹽環境下,高鹽對物種組成的限制可能是群落水平Ca種間變異與土壤EC間呈負相關的內在原因。此外,高水鹽環境中,群落Ca的種間變異與土壤pH關系較密切,這與Behera等人“鹽脅迫下葉片Ca2+變化往往與環境pH有關”結論相符[47]。低水鹽葉片Ca種間變異與土壤Ca呈負相關,這可能是由于低水鹽環境土壤Ca顯著降低且干旱脅迫下缺鈣植株的含水量迅速下降導致[48]。

耐鹽植物在高鹽環境會減少對Na的吸收,而在干旱環境中增加體內Na含量。高水鹽環境群落水平Na種間變異與土壤EC呈負相關,低水鹽環境則呈正相關；兩種環境EC與葉片Na種內變異均正相關。有研究發現在耐鹽能力方面,灌木>喬木>草本[43]。高水鹽環境,鹽分脅迫抑制植物生存,因此群落主要由灌木等耐鹽力較強的物種組成,而隨著水鹽含量降低,群落物種中更能適應干旱環境的草本逐漸占領優勢,這與本研究高水鹽環境以灌木為主,低水鹽則以草本植物占優勢的特點相符。此外,低水鹽環境,葉片Na種內變異與土壤SVWC呈正相關,說明提高葉片Na種內變異是荒漠植物對干旱脅迫的可塑性反應,也是其適應性結果。

高水鹽環境,群落水平Mg種間變異與土壤Mg、EC等均為負相關,且相關性較高。一方面,這可能是與植物體內Mg主要來自土壤,而此環境土壤Mg含量較高有關；另一方面,Mg是葉綠體正常結構所必需的[49],而鹽脅迫對大多數植物葉綠素影響較大,可破壞葉綠體導致光合能力減弱。但有學者認為適度鹽脅迫可促進駱駝刺(Alhagisparsifolia)光合作用[50],這可能是駱駝刺能夠在高水鹽環境生存的原因之一。

綜上所述,高水鹽環境,四種葉片抗逆性化學性狀的種間變異主要受到土壤EC的影響,種內變異主要與土壤Na密切相關,體現植物群落可通過改變物種組成及可塑性變化適應鹽分脅迫；低水鹽環境,土壤因子與性狀變異的相關性雖降低,但土壤EC、SVWC對種間、種內變異仍具有較大的影響,體現了植物隨著變化環境(土壤鹽分含量減少、干旱脅迫的加劇)而進行的適應性策略選擇。

4 結論

本文研究了群落水平上荒漠植物葉片K、Ca、Na、Mg抗逆性化學指標在不同水鹽環境下的變異,及土壤理化因子與不同性狀變異的關系。研究發現低水鹽環境植物保持較高的種間、種內變異是適應和抵御干旱脅迫環境的重要適應策略。旱脅迫加劇時,荒漠植物抗逆性化學性狀的種間、種內變異可能更多受到遺傳、種間關系等的影響,但尚待進一步證實。此外,四種抗逆性狀對兩種水鹽環境的響應策略間接反映了荒漠植物對土壤水鹽環境變化的響應策略,即植物群落可能通過篩選富含K+的植物種以及提高植物K性狀的種內變異來適應旱脅迫,而通過提高Na性狀的種內變異來適應鹽脅迫。本研究為理解干旱區荒漠植物對脅迫環境的適應機制提供了科學解釋。