不同土壤養分對雌雄青楊性內競爭關系的影響

摘要： 本研究旨在探討不同土壤養分條件下雌雄青楊（Populus cathayana）性內競爭關系變化及其對植株生理的影響，以揭示性別差異在資源競爭中的生理響應. 假設在低養分條件下雄性青楊更具競爭優勢，雌性青楊在高養分條件下表現更優. 實驗采用來自河北和遼寧的兩種不同養分含量的土壤，分別設置高養分和低養分處理組. 通過測定光合參數等指標，分析不同土壤養分條件下雌雄青楊的競爭表現及生理響應差異. 研究發現，低養分條件下雄性青楊的莖生物量、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率顯著高于雌性，表明其在資源匱乏時通過提高光合效率增強競爭能力. 土壤養分較低時雌性與雄性性內競爭強度相似，而養分升高顯著加劇了雌性青楊受同性鄰居的競爭作用，且雌性的性內競爭強度顯著高于雄性. 低養分條件下雄性青楊的根部和葉片硝態氮含量顯著高于雌性，其在資源匱乏時能夠更有效地吸收和利用氮素以維持生長. 這些結果為理解雌雄異株植物在不同環境條件下的生態適應策略提供了新的視角.

關鍵詞： 雌雄異株植物；磷組分；性別二態性；競爭強度

中圖分類號： Q945. 79 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 250033

1引言

雌雄異株植物廣泛分布在世界各地，約987 屬15600 種，占據被子植物的6% 左右［1］. 由于長期的進化結果，雌雄植株的形態、生理以及生殖等表現出性別二態性現象（Sexual dimorphism）［2］ . 許多研究發現，康定柳（Salix paraplesia）、青楊（Popu?lus cathayana）和歐洲刺柏（Juniperus communis ）等在葉片解剖結構、光合固碳能力或生長防御等特征均展現出明顯的性別差異［3-5］，從而導致雌性和雄性植株具有不同的環境適應能力. 楊樹作為典型的雌雄異株植物，其生長迅速、適應性強，被廣泛用于木材生產 、生態修復和景觀綠化［6］. 在中國，楊樹是三北防護林體系的核心樹種，對防風固沙、改善生態環境起到了不可替代的作用［3］. 然而，隨著三北地區極端天氣頻發、土壤退化加劇，土壤養分有效性下降，楊樹的生產力和生態服務功能面臨嚴峻挑戰［7］.

雌雄異株植物因其雌雄個體在形態、生理和生態策略上的顯著差異，對環境變化表現出不同的響應和適應能力［3］. 研究表明，沙棘（Eippophaerhamnoides）雄株的葉片厚度、柵欄組織厚度以及葉片上表皮厚度顯著大于雌株［8］. 雌雄個體特征的差異致使兩者對資源獲取能力或利用效率不同，從而導致兩者對異質性環境響應的不同［9，10］. 在資源充足條件下，雌性個體具有較高的光合能力和葉面積比［10］；而在養分匱乏等脅迫環境下，雄性個體表現出較強的抗逆性和生存能力［9，11］. 通常認為雌性植株繁殖成本較高，通常將更多養分和光合產物分配給繁殖器官，承擔花的發育以及種子的養護任務，而雄性植株則主要將資源投入到花粉生產［12］. 近年來研究發現，在相對惡劣的生長環境中，種群中雄株的數量往往較多（雄∶雌gt;1），而在良好的生長環境中，雌株的數量占據多數（雄∶雌lt;1）［10-13］. 這說明雌雄異株植物對環境變化的響應有性別差異，而這種差異則是由雌雄異株植物的性二態現象（Sexual dimorphism）引起. 雌性較高的繁殖成本使得植株對養分資源的需求較高，可能導致雌性植株在養分匱乏環境中競爭力下降，而雄性植株則可能通過優化資源利用，提高氮（N）與磷（P）利用效率，維持較快生長并保持競爭力.

土壤養分是植物生長發育的基礎，直接影響植物的光合作用、養分吸收和分配等關鍵生理過程［14］. 植物主要以土壤中硝態氮（NO₃^-）和銨態氮（NH₄⁺）為氮源，由根系中硝酸根和銨根轉運蛋白吸收和運輸［15］，經過同化后被植物利用或儲存. 對于雌雄個體而言，在脅迫條件下，雌雄植株間的形態、生理和分子等水平的差異更加明顯［16，17］. 缺氮環境中，青楊雌株葉片凈光合速率、最大羧化效率、光合氮利用效率和谷氨酸脫氫酶活性顯著低于雄株，表明雌株的氨基酸與蛋白質合成和光合能力受到嚴重抑制，相反的雄性青楊表現出較高的抗逆性［18，19］. 已有研究發現，在環境脅迫條件下，性內競爭中青楊雌株比雄株受到影響較大，雌株的生長速率、生物量積累以及光合與呼吸作用受到明顯抑制［20，21］. 非結構性碳水化合物NSC（Non-structural carbohydrate）是植物光合作用的主要產物，是參與植物生命過程的重要物質，反映了植物碳固定與消耗（呼吸、生長、防御或者分泌物）之間平衡關系［22，23］. Guo 等［24］發現當植物受到相鄰個體強烈的競爭作用時，其氮、NSC 含量和累積速率受到抑制. 研究表明，雌性植株傾向于在脅迫條件下增加淀粉儲存，以保障根系生存；相反，雄性植株通過優先分配NSC 至莖葉部分，從而增強對資源的競爭能力［25］. 因此，性內競爭對青楊雌雄植株抗逆性的改變，可能與雌雄碳固定與分配的差異密切相關. 磷在植物中以多種化學形態存在.脂質磷作為細胞膜的主要成分，是植物適應環境波動的重要物質基礎［26］；核酸磷直接關聯遺傳信息的存儲與表達［27］；無機磷作為ATP 的核心組分，調控能量代謝與酶活性［28］；代謝磷反映短期磷周轉能力，而殘渣磷則代表長期儲存的磷庫，二者共同決定植物在資源波動中的生存策略［29］. 脅迫梯度假說（Stress Gradient" Hypothesis， SGH）認為，隨著環境脅迫程度的加劇，物種間的互惠作用（正相互作用）會增強，而競爭作用（負相互作用）會減弱；反之，在低脅迫環境中，競爭占據主導地位［30］.我們提出如下假設：由于較高的養分需求，雌性和雄性可能在養分充足時，性內競爭較為激烈，而在養分貧瘠時，性內競爭強度降低.

我國楊樹人工林面積已超1 億畝，居世界第一，由于密集植株對地上光照和地下養分資源的強烈競爭作用等原因，楊樹人工林的發展面臨生產力下降以及穩定性差等嚴重問題. 青楊是廣泛分布在我國西北、華北和西南等地的常用人工林造林物種，也是研究雌雄異株的模式植物［6］. 本研究以雌雄青楊為研究對象，研究不同土壤對雌雄性內關系的影響，探究雌雄個體競爭關系或強度的改變對植株光合作用、養分分配等生理指標上的影響. 研究結果將為深入理解雌雄異株植物的環境適應策略提供理論依據，同時也為三北地區楊樹人工林的可持續經營提供科學指導.

2材料與方法

2. 1實驗材料和設計

取河北張家口（40°25 ′12 ″～40°32 ′6 ″N， 115°2 ′34 ″～115° 12 ′30 ″E）、遼寧撫順（41o51 ′N， 124o54 ′E）兩地表層20cm的土壤，過篩（2mm）處理土壤中的石子等雜質，然后將土放入大花盆中（直徑：33cm；高度：22 cm）. 2022年3月中旬，取一年生健壯雌雄青楊枝條扦插入盆中，待植株成活并生長狀態穩定，于2022年4月上旬，將80 株長勢均勻良好的植株移入大盆中，設兩個處理組，高營養土性內競爭組，低營養土性內競爭組（圖1），每組4個重復. 取自遼寧的土壤有機質含量、總氮與總磷含量顯著高于河北（表1）. 為了方便比較，我們將遼寧土壤稱為高營養組，河北土壤稱為低營養組土壤. 同時，設置無競爭組即每盆一株，用于觀測和計算競爭強度變化.

2. 2 研究區域概況

實驗地位于杭州師范大學倉前校區實驗大棚（29°38 ′N，119°54 ′E），杭州處于亞熱帶季風區，屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛. 全年平均氣溫17. 8 ℃，平均相對濕度70. 3%，年降水量1454 mm，年日照時數 1765 h. 生長20 wk 左右，測量光合指標后于9 月中旬收樣.

2. 3實驗方法

2. 3. 1 光合參數測定 在植株收樣前2d時，每個處理選取4 株長勢均勻的雌雄青楊植株，參照Chen 等［20］的方法于9：00～12：00用Li-6800便攜式光合測定儀（LI-COR，USA）測定第四片完全展開的葉片凈光合速率（P_n），蒸騰速率（E）以及氣孔導度（G_s）.

2. 3. 2 樣品收獲 植株收獲后稱重并記錄根莖葉質量，部分樣品置于-80 ℃保存，部分樣品置于烘箱中，105 ℃殺青2 h 后置于70 ℃中烘干48 h，稱重并記錄葉干重、莖干重、根干重. 后用刀片剝離出莖的韌皮部和木質部，并稱其干重.

2. 3. 3 NO₃^-，NH₄⁺，總氮濃度測定 NO₃^-濃度：取200 mg 新鮮植物樣本，充分研磨后，加入1 mLdH₂O ，45 ℃ 水浴1h，離心，吸取清液0. 25 mL加入0.8mL 5% 水楊酸-濃 H₂SO₄，室溫下20min，加入19 mL 5% 水楊酸-濃 H₂SO₄，使得pHgt;12，降溫至室溫，在410nm 可見光下，用5 mL 比色皿讀取吸光值. 總氮濃度：使用vario MACRO cube 元素分析議（Elementar，德國）分析.

NH₄⁺濃度：取100mg 新鮮植物樣品，充分研磨后，加入1 mL 100 mmol/L HCl 和500 μL 氯仿，混勻后離心，取100μL上清液加入500 μL 1% 苯酚-0. 005% 硝普鈉和500 μL 次氯酸鈉-0. 5%NaOH，37 ℃下水浴加熱30 min，620 nm 可見光下用1 mL 比色皿測定吸光值.

2. 3. 4 葉片磷組分以及總磷濃度測定 脂質磷：稱取50 mg 冷凍干燥的葉片粉末，加入CMF溶液，取上清液后加入CMW 溶液. 取上清液并加入三氯甲酸，離心后取下層液體. 氮氣吹干，用濃硝酸-濃高氯酸（3mL∶1 mL）進行消解定容，用鉬銻抗顯色法顯色，在620 nm 波段下測定吸光值. 初級代謝磷：將上清液氮氣吹干，后加入甲醇試劑，再吸取上清液氮氣吹干，加入三氯乙酸，離心取上清液，氮氣吹干，定容后顯色并測定吸光值. 核酸磷；向植物樣品管中加入三氯乙酸試劑，加熱取上清液，氮氣吹干并消解，定容顯色并測定吸光值. 殘渣磷：將樣品固體氮氣吹干，顯色并在620nm 波段下測定吸光值. 無機磷：取50mg植物葉片樣品，加入乙酸試劑離心取上清液，消解后定容，顯色并測定吸光值。代謝磷：綜合上述步驟，初級代謝磷? 無機磷= 真正代謝磷. 全磷：稱量50mg樣品，消解后定容，顯色并測定吸光值.

將上清液氮氣吹干，后加入甲醇試劑，再吸取上清液氮氣吹干，加入三氯乙酸，離心取上清液，氮氣吹干，定容后顯色并測定吸光值. 向植物樣品管中加入三氯乙酸試劑，加熱取上清液，氮氣吹干并消解，定容顯色并測定吸光值. 將樣品固體氮氣吹干，定容，顯色并在 620nm波段下測定吸光值.取50mg植物葉片樣品，加入乙酸試劑. 離心取上清液，消解后定容，顯色并測定吸光值. 綜合上述步驟，初級代謝磷?無機磷= 真正代謝磷. 稱量50mg樣品，消解后定容，顯色并測定吸光值.

（5）非結構性碳水化合物測定

采用蒽酮比色法測定蔗糖、淀粉和可溶性總糖含量. 可溶性總糖：稱取烘干樣品50 mg 于10 mL 離心管中，加入4 mL 80% 乙醇，80℃水浴加熱30 min，離心，轉移上清液. 在沉淀中加入 2mL80% 乙醇，水浴30 min，離心，轉移上清液. 最后在沉淀中加入 2mL 80% 乙醇，水浴 30 min，離心，轉移上清液，合并上清液，并定容至10 mL，取0. 2 mL上清液，加入0. 8 mL 80% 乙醇，5 mL 蒽酮試劑，混勻，在100 ℃水浴10 min，取出后立即用冷水冷卻至室溫，在625 nm 波長下測定吸光值.

2. 3. 5統計分析 競爭效應強度的計算公式為：NEI=（M_性內-M_單株）/M_性內，其中NEI是競爭效應強度，M_性內是多株植物性內競爭生長時的生物量，M_單株是植物單獨生長時的生物量. 使用SPSS（23.0）對所測指標進行統計分析，數據進行正態分布與方差齊性檢驗，采用獨立樣本T 檢驗比較不同處理下雌雄青楊個體的性狀差異，顯著性水平P≤0.05.

3結果與分析

3. 1生物量積累與分配

如圖2所示，雌雄青楊在不同土壤環境中呈現出不同程度的生物量積累及生物量分配情況. 在低養分土壤中，雄性青楊的莖生物量顯著高于雌性青楊，但雌雄青楊的根部、葉片、總生物量及根系生物量分配比例無明顯差異. 在高營養土中，雄性青楊的莖生物量顯著高于雌性青楊，但根部生物量顯著低于雌性青楊，根系生物量分配比例同樣顯著低于雌性. 對于不同養分條件，高養分條件下的雌雄青楊根部、葉和總生物量較高于低養分條件下的雌雄青楊.

3. 2光合參數

根據圖3 可知，在性內競爭的雌雄青楊中，處于低營養土條件下時，雄性青楊的凈光合速率，氣孔導度和蒸騰速率均顯著高于雌性. 而在高營養土條件下，雄性青楊光合速率，氣孔導度和蒸騰速率與雌性不存在顯著差異. 同時可知，低營養土條件下雌雄青楊的氣孔導度及蒸騰速率顯著高于高營養條件中的雌雄青楊.

3. 3競爭效應

競爭效應是指植物個體在生長過程中受到周圍同種或異種鄰居的影響. 競爭效應越負，說明競爭強度越大，植物個體的生長受到的抑制越明顯.如圖4所示，在低營養土環境中，雌性與雄性性內競爭強度相似，而高營養土顯著加劇了雌性青楊受同性鄰居負效應（更負），且雌性的性內競爭強度顯著高于雄性.

3. 4各部位硝態氮，銨態氮以及總氮元素含量

如圖5 所示，在性內競爭的青楊中，雌雄個體在不同營養土壤條件下，硝態氮和銨態氮含量存在差異. 在硝態氮方面，低營養土條件下，雄性青楊根部和葉片部位的硝態氮含量均高于雌性青楊；而在高營養土條件下，雄性青楊根部的硝態氮含量高于雌性青楊. 在銨態氮方面，低營養土條件下，雄性青楊根部、葉片韌皮部的銨態氮含量與雌性青楊均無顯著差異，且在高營養土環境條件下，雌雄青楊也是同樣表現情況. 相較于低營養土條件，高營養土條件下雌雄青楊的根部銨態氮含量較高，其余部位的硝態氮和銨態氮含量無明顯變化.

如圖6所示，在性內競爭的青楊群體中，不同性別個體在不同營養土壤條件下，各部位的氮元素含量表現出明顯差異. 當處于低營養土條件時，雄性青楊在根部、莖韌皮部、莖木質部以及葉片部位的氮元素含量均顯著高于雌性青楊. 在高營養土條件下，雄性青楊葉片氮元素含量顯著高于雌性青楊. 就不同營養條件而言，高營養土條件下雌雄青楊的葉片、根部、莖韌皮部及莖木質部的氮含量均顯著高于低營養條件中雌雄青楊植株各部分氮含量.

3. 5不同土壤養分對雌雄青楊葉片磷組分濃度的影響

如圖7所示，在不同營養土條件下，雌雄青楊體內不同類型磷元素的含量呈現出不同的變化趨勢. 低營養土條件下，雄性青楊的核酸磷濃度高于雌性青楊，而脂質磷、殘渣磷、無機磷、代謝磷及總磷均無顯著差異. 在高營養土條件下，雄性青楊與雌性青楊葉片磷組分也均無顯著性差異. 對比不同營養土條件，高營養條件下雌雄青楊植株葉片內的脂質磷、無機磷、代謝磷及總磷濃度顯著高于低營養條件下的雌雄青楊.

3.6各部位蔗糖，淀粉，可溶性總糖含量和淀粉分配

如圖8 所示，在低營養土條件下，雌性青楊莖木質部和根部的淀粉含量顯著高于雄性青楊，但雌雄青楊植株的各部位總糖、蔗糖及葉片淀粉含量無顯著差異. 在高營養土條件下，雌性青楊葉片、莖木質部和根部淀粉含量及葉片總糖顯著高于雄性青楊. 就不同養分條件土壤而言，低營養土條件下雌雄青楊的各部位淀粉含量及根部蔗糖含量顯著高于高營養土條件下的雌雄青楊.

如圖9 所示，在低營養條件下，雌性青楊莖木質部及根部淀粉分配比例顯著高于雄性青楊. 在高營養條件下，雌性青楊根部淀粉分配比例顯著高于雄性. 對比不同土壤養分條件，低養分土壤的雌雄青楊葉片及根部淀粉分配比例顯著高于高養分土壤的雌雄青楊.

4討論

4.1雌性青楊的性別適應性差異

在資源匱乏的低養分土壤中，雄性青楊表現出更強的競爭優勢：其莖生物量、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均顯著高于雌性（圖2，圖3），這與Zhang 等［31］在氮磷脅迫下雄性青楊光合能力更強的研究一致. 雄性植株通過優化光合效率和氮吸收（圖5，圖6），將資源優先分配給莖部生長，形成快速占據地上空間的策略，通過提高光合效率支持莖部快速生長，從而增強對光照資源的競爭能力，以在低養分環境中維持競爭力［10］. 相比之下，雌性青楊在低養分條件下根系生物量分配比例較高（圖2a），且莖木質部和根部淀粉含量顯著高于雄性（圖8，圖9），表明其傾向于通過增強碳儲備和根系擴張來應對脅迫［32］. 這種性別分工符合雌雄異株植物繁殖策略的分化：雌性因繁殖成本高，需儲備較多的NSC 作為長期生存保障，而雄性則傾向于將碳資源投入到生長［2］. 然而，本研究在高養分條件下的發現與Chen 等［6］的結論存在差異. 本研究表明，高養分土壤中雌性光合參數與雄性無顯著差異（圖3），但其根系生物量和淀粉分配顯著增加（圖2a， 圖8，圖9），顯示雌性通過地下資源競爭占據優勢. 這與Liu 等［12］提出的“雌性在資源充足時通過根系擴張增強競爭力”的觀點一致.這種差異可能源于實驗設計中土壤養分組成的不同.

4. 2不同土壤養分對性內競爭強度的影響

根據脅迫梯度假說（SGH），低脅迫環境（高養分）中競爭作用占主導，而高脅迫環境（低養分）中互惠增強［30］. 本研究發現，低養分條件下雌雄性內競爭強度相似（圖4），但高養分土壤顯著加劇了雌性性內的競爭（雌性競爭強度高于雄性）. 這一結果與Zhou amp; Wang［30］的預測一致，即高養分環境中資源豐富但分布不均，導致同性個體間競爭激化. 值得注意的是，雄性在高養分條件下的競爭強度較低（圖4），可能因其資源利用效率高（如硝態氮吸收優勢，圖5），減少了對土壤資源的競爭，而雌性因生存繁殖需求加劇了資源爭奪［33］. 此外，雌性在高養分條件下的殘渣磷和代謝磷含量較高（圖7），表明其通過磷庫儲存和快速周轉平衡競爭壓力，而雄性磷組分隨養分條件變化不明顯，這與Xia 等［33］提出的“ 雌性磷分配策略具有環境依賴性”相符.

本研究通過對比不同土壤養分條件下雌雄青楊的生理響應和競爭能力，揭示了雌雄青楊在資源分配和競爭策略上的性別特異性. 在資源匱乏和環境脅迫條件下，雄性青楊通過依賴光合和提高氮利用效率以增強競爭能力，而雌性青楊則通過增強根系養分吸收能力維持生存. 這些結果支持了脅迫梯度假說，并為理解雌雄異株植物在不同環境條件下的生態適應策略提供了重要依據.