种间竞争对两种湿地植物非结构性碳水化合物含量的影响研究

王 颖，翟偲涵，袁继红，袁甜甜，王 平

(东北师范大学环境学院，国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130117)

碳水化合物(carbohydrate)是植物光合作用的主要产物[1-2]，按存在形式不同可分为结构性碳水化合物(structural carbohydrate，SC)和非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC，又称为可溶性碳水化合物).结构性碳水化合物主要包括木质素、纤维素和半纤维素等，是植物重要的结构成分[3].非结构性碳水化合物主要包括可溶性糖和淀粉[4].可溶性糖是植物新陈代谢过程中重要的反应物[5]，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、果聚糖和甘露醇等；淀粉作为植物主要的长期能量储存物质之一，是植物贮藏器官中最主要的碳水化合物[6].

目前有关植物非结构性碳水化合物的研究多集中于不同季节[7-10]或不同发育期[11]植物非结构性碳水化合物的变化规律，以及各类非生物环境因子的影响[12]，如水分[7-9]、温度[13-14]、营养[12-14]、盐[15]和刈割[3，16-17]等.这些研究普遍表明，在非生物环境胁迫条件下，植物非结构性碳水化合物往往表现为积累趋势.但植物非结构性碳水化合物在生物因子胁迫条件下(如竞争)的变化规律，以及植物是否采取相同的生理策略响应生物与非生物因子胁迫尚不明确，并且相关研究少有报道[16-17].植物竞争研究既是传统古老的研究主题，又随着生态学新观念、新方法、新技术的诞生而不断时时更新，由此形成日益丰富的有关竞争机理的众多理论和假说[18].目前的研究多关注竞争对植物外部形态性状的影响，如生物量、根冠比、株高、比叶面积等[19-20]，但对植物生理性状的研究相对薄弱，尤其是非结构性碳水化合物.

作为植物各项生命活动的主要能源物质，以及植物响应环境变化的重要调节物质，非结构性碳水化合物在不同竞争环境下的变化特征及响应规律研究可为深入揭示竞争机制、丰富竞争理论开辟新的途径，并可为制订和应用退化植被恢复重建技术提供理论依据.本文以东北泥炭沼泽湿地中两种常见的物种——小星穗薹草(Carexangustior)和黄连花(Lysimachiadavurica)为实验材料，测量并对比分析了不同光照和营养环境下，两物种在种间竞争和无竞争条件下，植物根、叶中非结构性碳水化合物(可溶性糖、淀粉)的含量，以揭示竞争对两物种非结构性碳水化合物供应状况的影响及变化规律.

1 材料与方法

实验在吉林省长春市(43°49′N，125°25′E)东北师范大学环境学院温室及露天培养地进行.

1.1 实验材料

本研究所用两种植物均为北方泥炭沼泽草本群落中的常见种.小星穗薹草为莎草科薹草属植物，多年生草本，聚丛生长，根系发达.黄连花为报春花科珍珠菜属植物，多年生草本，分枝强，横走根茎，叶呈披针状.两物种在自然群落中均为零散分布但分布范围较广，常相伴而生.小星穗薹草根系发达，营养竞争能力较强；而黄连花分枝强，光竞争能力较强.

实验所用种子采自吉林省通化市辉南县金川镇泥炭沼泽湿地的自然群落中.自然风干后挑选饱满成熟的种子备用.

1.2 种子萌发及幼苗培养

湿地植物种子较难萌发，故利用赤霉素处理以打破种子休眠促进植物种子萌发[21].2016年3月初将种子浸泡于赤霉素(200 mg/L) 中24 h，打破种子的休眠.然后将消毒处理(0.3%高锰酸钾溶液浸泡10 min)后的种子平铺在培养皿中，置于培养箱中萌发，萌发条件设置为光照12 h/黑暗12 h，温度15℃～25℃.种子萌发后移入育苗盘中在温室条件下培养，培养条件为光照12 h/黑暗12 h，温度22℃～30℃.

1.3 实验处理

本研究共设置竞争(单株、竞争)，光照(全光照、遮阴)和营养(高营养、低营养)三种实验处理，每个实验处理16个重复.高营养处理所用土为草本泥炭土(pH=5.73±0.02，全氮(17.24±0.34)g/kg，全磷(1.01±0.01)g/kg，有效氮(1 169.59±39.08)mg/kg，速效磷(89.11±5.42)mg/kg)；低营养处理为V(草本泥炭土)∶V(蛭石)=1∶1的混合土，即营养成分减半.

2016年5月中旬，分别选取长势基本一致的小星穗薹草和黄连花幼苗，移入底部有孔的特制塑料盆(6 cm×6 cm×16 cm)中培养.单株处理为每盆1株苗(小星穗薹草或黄连花)，竞争处理为每盆2株苗(1株小星穗薹草+1株黄连花).移栽两周后在每个竞争处理盆的上方固定绿色铁丝网(6 cm×6 cm×30 cm，网格规格为1 cm×1 cm)，以防止植株枝条外逸逃避地上竞争.

2016年6月末，将所有植株移至露天培养，同时设置光照处理.高光处理为植物接受全日照自然光，整个实验期间晴天光照强度为10～11万 lx，阴天为6～7万lx；遮阴处理是在植物上方2 m处架设50%遮阴率的黑色遮阴网，实际测量的光照强度与理论遮阴效果相符.

因实验物种的适宜生长环境为湿生条件，因此，在整个实验过程中将所有塑料盆浸于水位低于盆口5 cm的水槽内，以稳定维持土壤水分的饱和状态.不同光照和营养处理的植株分别浸于不同的水槽中.

1.4 样品收获及测定

2016年9月初收获植物.将每个处理的8个重复株清洗干净后，烘干称重获得每株植物的生物量.将另外8个重复株的新鲜根、叶分离后马上置于液氮中冷冻24 h，然后以真空冷冻干燥机冻干，-80℃下保存.

研磨已冻干的植物根、叶样品，以苯酚-硫酸法测量根、叶中的可溶性糖含量[22]，I2-KI比色法测定根、叶中的淀粉含量[23].

1.5 数据处理与统计分析

按照下列公式分别计算黄连花和小星穗薹草的竞争强度(CI)：

式中：W竞争为竞争条件下的全株生物量，W单株为单株生长条件下的全株生物量.当CI≥1时，表明不存在竞争抑制作用；当0

采用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据处理、分析与制图.以配对T检验分析相同光照不同营养间、相同营养不同光照间每个物种的生物量差异.对每种环境下植物生物量、可溶性糖和淀粉含量的竞争处理间差异进行独立样本T检验.以单样本T检验分析竞争强度(CI)是否与1有显著性差异，并以独立样本T检验分析种间竞争强度的差异是否显著.

2 结果分析

2.1 生物量

无论有无竞争，生长在低营养条件下的黄连花和小星穗薹草生物量均显著低于生长在高营养条件下的植株(P小=0.001，P黄=0.011)，但光照对两种植物生物量的影响均未达到显著水平(P小=0.653，P黄=0.079).种间竞争对黄连花生物量的影响仅发生在低营养条件下，并且在两种光照环境里均表现为显著的抑制作用；而对小星穗薹草生物量的抑制作用仅发生在遮阴条件下，并且在两种营养条件下表现一致(见图1).

图1 不同环境条件下种间竞争对黄连花和小星穗薹草生物量的影响

2.2 竞争强度

低营养条件下的种间竞争对黄连花生长的抑制作用显著大于对小星穗薹草的影响，而高营养条件下的竞争对双方生物量的影响无显著差异(见图2).此外，在相同光照条件下，竞争对黄连花的抑制作用随着营养水平的下降而显著增加(P全光=0.009；P遮阴=0.001).而在相同营养条件下，竞争对小星穗薹草的抑制作用随着光照水平的下降而增加，尤其是低营养条件下达到了显著水平(P高营养=0.103；P低营养=0.002).

*表示CI值与1进行单样本T检验存在显著差异

2.3 非结构性碳水化合物

无论在哪种环境和竞争条件下，黄连花根、叶中的可溶性糖(P根=0.003，P叶=0.025)和淀粉含量(P根<0.001，P叶=0.001)均普遍高于小星穗薹草(见图3和图4).两种植物根部的淀粉含量(P黄连花=0.005，P小星穗薹草=0.001)普遍高于其叶部含量，但可溶性糖含量在根、叶中的分布规律不同，黄连花根、叶中可溶性糖含量差异未达到显著水平(P黄连花=0.090)，而小星穗薹草叶中的可溶性糖含量显著高于根部(P黄连花=0.012).

种间竞争导致黄连花和小星穗薹草的可溶性糖和淀粉含量发生变化，并且多数变化达到显著水平，但两物种的变化趋势因部位和环境条件的不同而表现出差异，具体变化规律如下.

2.3.1 可溶性糖

在四种环境条件下，种间竞争均导致黄连花根部可溶性糖含量显著下降(见图3A).竞争对叶部可溶性糖含量的影响在两种营养条件下表现不同：高营养条件下竞争显著降低了叶部可溶性糖含量，低营养条件下竞争促进黄连花叶部可溶性糖浓度上升(见图3A).总体而言，种间竞争导致黄连花根、叶中可溶性糖含量下降，但土壤营养较低时，种间竞争促使其叶中可溶性糖含量上升.

与黄连花相反，种间竞争导致小星穗薹草根部可溶性糖含量上升(见图3B).竞争对叶部可溶性糖含量的影响虽然也在两种营养条件下表现各异，但与黄连花不同的是，高营养条件下竞争对小星穗薹草叶部可溶性糖含量的影响不明显，低营养条件下竞争显著促进了其叶部可溶性糖含量上升(见图3B).总体而言，种间竞争导致小星穗薹草根、叶中可溶性糖含量上升，当土壤营养较低时，这种竞争导致的积累现象更加明显.

图3 不同环境条件下种间竞争对黄连花(A)和小星穗薹草(B)可溶性糖含量的影响

2.3.2 淀粉

种间竞争促使黄连花根部的淀粉浓度增加，但仅在全日照高营养和遮阴低营养条件下达到了显著水平(见图4A).竞争植物的叶部淀粉含量在不同光照条件下变化相反，即在全日照条件下竞争导致黄连花叶部的淀粉含量下降，而在遮阴条件下该指标显著上升.

图4 不同环境条件下种间竞争对黄连花(A)和小星穗薹草(B)淀粉含量的影响

种间竞争对小星穗薹草根部和叶部淀粉含量的影响在不同营养条件下表现不一.高营养条件下，种间竞争对根部和叶部淀粉含量影响不大，仅在全日照条件下竞争导致植物叶部增加的淀粉含量达到了显著水平(见图4B)；而在低营养条件下，竞争显著降低了小星穗薹草叶中的淀粉含量，却显著增加了其根部的淀粉含量.

3 讨论

3.1 种间竞争影响植物的非结构性碳水化合物含量

竞争的实质是竞争各方对共享资源的争夺利用，在资源有限的情况下，竞争结果最直观的表现是生物量下降[24].植物生物量的降低往往是各项新陈代谢活动响应竞争所致的可利用资源水平改变的作用结果，如植物在不同光照和或营养水平下碳代谢活动发生变化从而影响其干物质积累[25].因此，相对于生物量下降这种外部表现的竞争结果，植物内部生理水平的代谢活动可能更早对竞争压力产生响应行为[26]，本文的实验结果也证明了这一点.例如在全日照高营养条件下，竞争处理并未显著降低黄连花生物量(见图1)，但无论是根部还是叶部，无论是可溶性糖还是淀粉含量，均在竞争条件下产生显著性变化(见图3A和图4A).因此，与非生物环境胁迫因子一样，种间竞争同样显著影响植物的非结构性碳水化合物含量[15]，甚至相对于外部的形态性状，植物体内的生理性状对竞争压力的响应可能更加敏感.

众多研究表明，非生物环境胁迫因子对植物非结构性碳水化合物的影响大多表现为积累趋势[3]，以提供能量、促进植物生长[17-19]，或是作为渗透调节物质减缓胁迫压力[13，27]，还有一些非结构性碳水化合物成分作为信号分子，在植物抵抗胁迫时调节相关基因和酶活性的表达[22-24].在本研究的竞争实验中，黄连花根、叶中的可溶性糖含量大多表现出下降趋势(见图3A)，而小星穗薹草根、叶中的可溶性糖在竞争条件下表现出较稳定的积累现象(见图3B).两物种根部的淀粉含量在设置的四种环境条件下一半保持不变，一半稳定增加，而叶部淀粉含量的变化受光照和营养条件影响较大(见图4).因此，竞争环境下的植物也会采取积累非结构性碳水化合物的策略[17]，但这种策略因物种而异，并且受非生物环境因子影响较大.由于植物非结构性碳水化合物组成的复杂性[28-29]以及所参与生理活动的多样性[30-31]，揭示其响应竞争压力的普遍性规律还需要更多相关实验数据的支持；同时，还应考虑环境因子对两者关系的影响作用.

3.2 种间竞争对植物非结构性碳水化合物含量的作用受环境条件影响

研究发现，虽然种间竞争对少量指标的影响在所有环境条件下表现一致，如竞争状态下黄连花根部可溶性糖含量在四种环境下均显著下降(见图3A)、小星穗薹草根部可溶性糖含量均显著上升(见图3B)，但对其他指标的影响存在明显的环境差异性(见图3和图4).

全日照条件下，当土壤营养水平较高时，竞争双方生物量都未受到显著的抑制作用，但均将更多光合产物以淀粉形式贮存在资源竞争能力较弱的器官中(黄连花贮存在根中，小星穗薹草贮存在叶中).当营养水平下降时，两物种面临的竞争压力更多来源于地下.依据资源最优分配理论[32]，此时向根部分配更多光合产物的物种将会保持竞争优势[33].小星穗薹草以减少叶部淀粉含量为代价，大幅增加根、叶的可溶性糖含量，从而维持其生物量的稳定.但黄连花根部非结构性碳水化合物含量却未见增加，其生物量表现出强烈的受抑现象.

遮阴条件下，当土壤营养水平较高时，种间竞争对黄连花生物量的抑制作用未达到显著水平.但与全日照高营养条件时淀粉的含量变化相比，竞争状态下的黄连花通过降低根部、增加叶部淀粉含量的碳调节方式，维持该物种在光资源受限环境中的光竞争优势.而小星穗薹草则将更多可溶性糖运输至根中以维持地下资源的竞争优势，但未能显著增加其叶片中的可溶性糖含量以便在遮阴环境中争取更多光资源，因此其生物量受到显著的竞争抑制作用.在资源水平最低的遮阴低营养条件下，竞争双方均采取积累非结构性碳水化合物的策略以减缓竞争压力，但小星穗薹草非结构性碳水化合物的积累更多地发生在根部，黄连花更多地发生在叶部.由于该环境条件下竞争压力主要来源于地下，因此投资叶部的黄连花受到了更强的竞争抑制作用.

4 结论

本文的研究结果表明，种间竞争显著影响植物的非结构性碳水化合物含量，并且相对于生物量，可溶性糖和淀粉含量等生理性状对竞争压力的响应可能更加敏感.

响应竞争压力时，植物也会采取积累非结构性碳水化合物的策略，但该策略因物种而异，并且受环境因子影响较大.

种间竞争对植物非结构性碳水化合物含量的作用受到环境条件的影响，黄连花和小星穗薹草根、叶中可溶性糖和淀粉含量对种间竞争的环境特异性响应可能与物种的资源竞争特性有关，并直接影响最终的竞争结果.