六种沉水植物的克隆生长特征

姚轶倩 袁昌波 吕超超 曹特 张霄林 倪乐意

(1.中国科学院水生生物研究所,武汉 430072;2.中国科学院大学,北京 100049)

沉水植物作为淡水生态系统中重要的初级生产者,在维持淡水生态系统“清水稳态”中发挥着极为重要的生态功能[1—3]。然而,随着水体富营养化程度的加剧,沉水植被衰退和消失的现象在湖泊、河流等众多水体内普遍出现。近二十余年,人们逐步认识到沉水植被在净化水质和修复淡水生态系统中的重要作用,因此沉水植被的恢复越来越受到重视[4,5]。但是,相比于近年来全国范围内广泛开展的沉水植被恢复工程,我们对沉水植物种群建立、维持和扩张等过程的模式仍缺乏足够深入的了解,在对沉水植物生长模式的理解与恢复沉水植物的实践之间存在错配,这种错配将影响沉水植物恢复工程效果的实现和稳定。此外,在很多生态学领域的研究模型中,沉水植物的克隆生长模式仍存在空缺,很多模型仅以生物量作为沉水植物模块的参数,并没有考虑到沉水植物种群空间扩张特征及由此引发的种间相互作用,这将会限制模型在描述和预测淡水生态系统过程中的科学性和准确性。我们需要获取不同沉水植物生长模式的关键参数,并依此构建不同物种的生长模型,基于此类模型在考虑种间相互作用关系后搭建出更为复杂的种群和群落动态模型,才能科学地解决上述理论研究与工程实践中遇到的问题。

克隆生长(Clonal growth)是指在自然条件下植物产生具有实际或潜在独立生存能力的分株(Ramet)的营养生长过程[6,7]。与陆生植物相比,克隆生长在水生植物中更为普遍也具有更高的重要性[8]。植物的克隆构件(Clonal module)是克隆生长中的重要功能单元,一般分为分株和间隔子(Spacer)[9],分株是指具有完整生物学功能的完整植株,包括地上直立茎、分枝和叶,及地下根系;间隔子是指连接相邻分株之间的匍匐茎或根状茎。本研究中的分株是指不包括间隔子的具有完整根、茎和叶的独立植株。水生植物通过克隆生长不断产生克隆分株进行分散发育和繁殖,并通过间隔子在不同分株之间进行生理整合[10]。基于这种克隆生长特性,水生植物具有很强的种群扩张能力、空间竞争能力及对异质生境的适应能力,能够很快地占据生存空间,进行资源的吸收和利用,并在相连接的克隆分株之间进行资源共享,进而提高种群的适合度[11,12]。

作为一种维持和扩张种群的方式,克隆生长长期受到研究者的关注[13—15]。张伟涛[16]的研究表明,香蒲 (Typha orientalis) 在不同水位梯度下有不同的克隆构型,间隔子长度与分株数存在显著的负相关关系;符辉等[17]的研究表明,苦草 (Vallisneria natans) 的克隆分株数和间隔子总长随水深增加显著降低;Xiao等[18]的研究表明,苦草的生物量和分株数在光异质生境中高于光同质生境;Villamagna和Murphy等[19]的研究表明凤眼莲 (Eichnornia crassipes)因其旺盛的克隆生长成为世界性入侵种并泛滥成灾。但是这些研究更多是从表型可塑性变异对异质生境的响应方面探讨水生植物的适应性能力,对水生植物克隆生长基本模式和基本参数的探索仍需加强,例如克隆分株的形成速率、分株数量和质量的分布,间隔子的长度,单一克隆株种群的面积扩张速率等,这些都是与克隆生长和种群扩张密切相关的基础生物学参数,并且这些参数可能具有物种特异性,这些特异性也将影响到不同物种的种群构建。对克隆生长模式的研究是一项非常基础的工作,基于这方面的研究可以获得非常重要的生长参数,从而为构建不同沉水植物克隆生长模型以及种群动态模型提供非常有意义的信息。因此,我们对沉水植物中的一些代表物种开展研究,通过同质园实验(Common garden experiment)的方法,跟踪观测单个无性系中所有克隆构件的动态变化趋势,探讨不同物种克隆生长关键生物学参数及获取空间资源策略方面的特征,总结不同物种的克隆生长模式,为沉水植物种群扩张模型和群落模型的构建提供参考,并为沉水植被修复工程提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 实验地点与实验单元

洱海位于云南省大理市,是云南省九大高原湖泊之一,具有非常高的水生植物多样性[20,21]。根据调查发现,洱海中目前分布有沉水植物22种(其中眼子菜属有12种),为研究沉水植物克隆生长提供了丰富的实验材料来源。实验地点位于大理市上关镇洱海红山湾水生植物种苗繁育基地北区(25°56.8′N,100°8.4′E)。将繁育基地中的一个面积约480 m2的独立种苗塘作为同质园。排干塘内水体后,将塘底淤泥进行翻耕,清除其中的水生植物断茎、休眠芽和种子等可再次萌发的器官,在晒塘一个月后,使用空心砖构建边长为1 m的正方形实验单元(图1)。

图1 实验地点及同质园Fig.1 Experimental site and common garden

1.2 实验材料

眼子菜属和苦草属植物是我国淡水水体中常见的沉水植物类群。近年来,这些物种常被用于湖泊、河流等水体生态修复工程中。因此,对这类沉水植物克隆生长特性的研究也具有较强的实践指导意义。本研究选择了具有代表性的6个物种,均为多年生沉水植物,包括竹叶眼子菜(Potamogeton wrightii)、眼子菜(P.distinctus)、光叶眼子菜(P.lucens)、穿叶眼子菜(P.perfoliatus)、扭叶眼子菜(P.intortifolius)和苦草。实验材料采集于洱海近岸浅水区(水深不超过100 cm),均为根、茎和叶齐全的完整植株。实验前将采集到的沉水植物清洗干净,清除植株表面的附着藻、鱼卵和泥沙等杂质,并测量单株株高和生物量鲜重(以下简称生物量)。

1.3 实验设计

在每个物种中选择9株根、茎和叶完整,并且株高和生物量基本一致的植株(不包含匍匐茎)作为本实验中的母株,母株的初始株高和生物量如表 1所示。每个实验单元内种植一株,将所有母株在同一天内种植在每个实验单元的中心点,将其作为原点建立各实验单元的平面直角坐标系。每个物种设置9个重复,共计54个实验单元。

表1 六种沉水植物初始株高和生物量(平均值±标准差)Tab.1 Initial height and biomass of 6submersed macrophytes (mean±SD)

实验于2019年8月31日开始,在当天完成全部种植后立即注入洱海湖水至50 cm水深,培养1周后开始定期观测。每次观测时首先使用相互垂直的长度1 m的直尺对每个单元中新增分株的坐标进行确定,并在已确定坐标的分株上悬挂标签进行标记(标签上注明时间和坐标,此后对于已标记的分株仅测量株高增长情况),之后测量各分株的株高,计数单元内的所有分株数。此观测工作每隔7d重复一次,直至实验结束。在观测活动中,实验人员全程借助单元四周的空心砖进行移动,最大限度降低观测活动对水体和底泥的扰动。为了防止实验单元边界对实验材料克隆扩张造成空间限制从而影响实验结果,62d后在非常接近实验单元边界处发现有分株形成时结束实验。

为了评价实验周期内的环境指标,在实验池塘四周及中心位置设置5个点位监测水体环境指标,每隔7d现场测定5个点位的水温,同时采集5个点位水样带回实验室测定水化学指标(总氮TN、总磷TP、硝态氮、铵态氮和正磷酸盐测定方法参照《水和废水监测方法(第四版)》,实验期间水体环境指标如表 2所示。试验期间定期清除杂草以消除对实验材料的影响。

表2 实验区域水环境指标(平均值±标准差)Tab.2 Water environment index in experimental area (mean±SD)

1.4 克隆生长参数测定

在第62天,将每个单元内的所有实验材料 (母株以及所有由间隔子连接的分株)全部挖出做好标记带回实验室洗净,再用蒸馏水清洗3次。将与母株通过间隔子直接连接的分株记为 Ⅰ 级分株、与Ⅰ 级分株相连的分株记为 Ⅱ 级分株,依此类推直至所有分株编号完成。将所有间隔子与分株分离,间隔子编号与低级别分株保持一致。待测植株存放于4℃冰箱,测量工作由两组同时进行,同步测量了分株株高、间隔子长度、分株生物量和间隔子生物量,36h内完成了收获和测量工作。此后将所有样品置于鼓风干燥箱中于80℃烘至恒重并称量干重。

1.5 数据分析

使用单因素方差分析(One-way ANOVA)比较不同沉水植物在分株株高、分株形成速率的种间差异,使用S-N-K法对不同物种的组间差异进行事后多重比较,方差分析之前对所有数据进行正态分布和方差齐性检验。统计分析均使用SPSS 25完成,并使用Origin 2017软件完成绘图。

克隆扩张面积的计算采用了“任意多边形面积计算公式”[22]。对于每个实验单元,将同一方向或相近方向上距母株直线距离最远的分株作为多边形的顶点,并依此计算克隆系所占据的面积。

式中,式中S为多边形面积,n为多边形顶点数量,xn+1=x1,yn+1=y1。

2 结果

2.1 克隆构件形态特征

克隆构件形态特征中最大的一个差异在于间隔子(匍匐茎)上“节”的形成。如图 2所示,苦草的间隔子完整光滑,与之不同的是5种眼子菜属植物的间隔子均形成“节”,并在“节”上形成不定根,但是“节”不发育形成地上植株,因此“节”在克隆生长过程中仅提供固着作用及从底泥中吸收营养,没有光合作用的功能。为了验证间隔子“节”的形成在眼子菜属中的普遍性,我们进一步广泛地采集了不同生境中的眼子菜属物种并对其匍匐茎进行观察,发现眼子菜属的大部分物种的间隔子上均形成“节”,我们认为匍匐茎上的“节”也可以作为眼子菜属的一个分类特征。此外,从克隆构件的地上部分来看,苦草没有形成地上直立茎,叶片全部基生于木质化的根茎;而眼子菜属的物种均具有发达的直立茎和地上分枝,其分株具有明显的高度优势。本研究中涉及的6种沉水植物克隆构件的形态特征与其分类单元相一致。眼子菜属植物具有相对发达的地上结构,形成较高的分株高度和生物量,其地下间隔子具有明显的“节”;而苦草克隆构件的地上结构较为简单,分株高度和生物量也相对较低,但是其地下间隔子不具有“节”,从而形成的分株密度相对较高。

图2 克隆构件特征(A.苦草属;B.眼子菜属)Fig.2 Clonal module (A.Vallisneria;B.Potamogeton)

2.2 克隆构件特征差异

我们从分株数、分株株高、分株生物量和间隔子长度(及间隔子总长)几个方面对6种沉水植物的克隆特征进行了总结。在实验结束时(第62天),根据不同克隆特征之间的相关性分析,我们发现分株数与分株株高之间存在显著的负相关(P＜0.001),而分株数与间隔子总长度表现出显著的正相关(P＜0.001)。

实验结果表明,6种沉水植物的分株特征也表现出种间差异。如图 3A所示,苦草的分株数量最高,且苦草、穿叶眼子菜和扭叶眼子菜的分株数显著高于竹叶眼子菜、眼子菜和光叶眼子菜(P＜0.05)。如图 3B所示,克隆分株的平均生物量(鲜重)表现为穿叶眼子菜(2.19 g)＞竹叶眼子菜＞光叶眼子菜＞扭叶眼子菜＞眼子菜＞苦草(0.59 g)。穿叶眼子菜的分株生物量显著高于其他5个物种(P＜0.05),竹叶眼子菜、眼子菜、光叶眼子菜、扭叶眼子菜和苦草之间没有显著差异。如图 3C所示,与分株数结果相反的是,竹叶眼子菜(32.62 cm)和眼子菜(30.26 cm)的分株株高显著高于苦草(12.42 cm)、穿叶眼子菜(21.92 cm)和扭叶眼子菜(20.02 cm)的分株高度(P＜0.05)。如图 3D所示,穿叶眼子菜、扭叶眼子菜和竹叶眼子菜的间隔子长度与光叶眼子菜、眼子菜和苦草之间差异显著(P＜0.05),且穿叶眼子菜的间隔子长度最长,与其他物种差异极显著(P＜0.001)。

图3 六种沉水植物克隆特征差异Fig.3 Differences in clonal characters of 6 species

2.3 种群扩张动态

分株数动态变化如图 4所示,6种沉水植物在0—28d内基本都没有分株产生,28d后,穿叶眼子菜、扭叶眼子菜和苦草的分株数表现出迅速增加;而竹叶眼子菜、眼子菜和光叶眼子菜的分株数增长较为缓慢。穿叶眼子菜和扭叶眼子菜分株数的最大增长速率均出现在第41天之后;苦草分株数在第55天之后表现出最大增长速率。

图4 六种沉水植物的分株数变化Fig.4 The variations of ramet amounts of 6 species

面积扩张动态如图 5所示,面积扩张速率也表现出类似分株数的种间差异,穿叶眼子菜、扭叶眼子菜和苦草的种群面积随时间增加的速率超过其他3个物种(竹叶眼子菜、眼子菜和光叶眼子菜)。扩张面积随时间的变化速率为穿叶眼子菜(113.22 cm2/d)＞扭叶眼子菜(71.70 cm2/d)＞苦草(35.48 cm2/d)＞竹叶眼子菜(12.09 cm2/d)＞眼子菜(3.07 cm2/d)＞光叶眼子菜(0.53 cm2/d)。

图5 六种沉水植物克隆系面积扩张趋势Fig.5 The increase of occupied area by ramets of 6 species

2.4 克隆生长参数

如表 3所示,间隔子上“节”的存在使眼子菜属的5个物种(竹叶眼子菜、眼子菜、光叶眼子菜、穿叶眼子菜和扭叶眼子菜)两分株间的匍匐茎上出现分级现象,而苦草匍匐茎无分级,这就导致苦草间隔子长度的变异程度最低,眼子菜属的间隔子长度变异程度较高。在克隆生长的动态变化方面,苦草随着时间的变化,分株数增加较快但株高增长缓慢,最大分株形成速率为1.84株/d。在眼子菜属中,穿叶眼子菜和扭叶眼子菜的分株数增加最快,最大分株速率分别为1.14和0.78株/d;竹叶眼子菜(1.68 cm/d)和眼子菜(2.14 cm/d)的株高增长速率最大;光叶眼子菜几乎未产生分株且株高增长缓慢。各物种的分株形成平均速率表现出显著的种间差异(P＜0.05),苦草和穿叶眼子菜的分株形成平均速率分别为1.09和1.00株/d,二者显著高于其他物种。

表3 六种沉水植物克隆生长的基本参数(平均值±标准误)Tab.3 Basic parameters of clonal growth in six submersed macrophytes (mean±SE)

3 讨论

沉水植物的克隆生长特性和克隆构件特征往往也是其形态分类特征。在本研究中我们发现眼子菜属植物普遍具有的间隔子“节”的形成,根据本实验结果以及我们对眼子菜属物种的补充观察,可以确定匍匐茎上“节”的形成是大部分眼子菜属物种的固定性状,可以作为一种分类特征。此外,这一性状还具有两方面的生态功能。一方面“节”的形成为间隔子长度的增加奠定了基础。理论上,“节”的形成能够支撑2倍匍匐茎长度的间隔子,而且“节”上形成的不定根能够为较长的间隔子提供稳定的固着能力,从而稳定整个克隆系。沉水植物的克隆生长习性,使它在形态和生理等方面表现出一定的可塑性,并通过自身的可塑性变化实现对有效资源的获取(如觅食行为等),分株间通过相互连接的匍匐茎或根状茎进行各种资源的传导[23—25]。Cain等[26]的研究表明一些克隆植物生长在有利生境中缩短匍匐茎(或根茎)节间长度或增加分枝来维持种群的生长。长的间隔子能使分株之间的空间跨度更远,有利于分株对更远处资源的获取和利用,或者使分株更容易地“跨过”较为不利的底质区域,降低底质异质性对克隆系的影响。另一方面,匍匐茎上的“节”还有可能作为克隆生长过程中的“检查点”(Checking point)。通过这一生长节点,植株将能够对周边生境进行识别,并对“节”后匍匐茎的形成策略做出选择,可以大角度地改变原有的克隆扩张方向,从而更好地适应周边的底质生境。因此,我们进一步推测,相比于苦草属植物,具有形成“检查点”能力的眼子菜属植物将能够更好地适应异质性底质或者形成游击型的种群结构。而不具有“检查点”能力的沉水植物(比如苦草属植物)能够通过更快地形成分株使克隆系占据较大的面积,可在局部形成密集型种群结构。

沉水植物克隆生长能力的不同,一方面取决于自身生物学特性的差异,另一方面,自然环境的异质性也是重要影响因素[27,28]。在异质生境中,克隆植物一般采用形态结构的可塑性(克隆可塑性)、分株的选择性放置(觅食行为)、分株间物质传递与共享(克隆整合)等生态策略来最大限度地利用资源与空间[29—31]。但克隆植物也广泛地存在于同质环境下,有研究指出,在浅水区域不受光限制的条件下,多种沉水植物可以通过增加匍匐茎长度、快速的克隆生长(克隆分株数增加)等行为来占据更多的空间[17,31]。本研究跟踪观测了各物种的单个无性系在同质环境中表现出的所有克隆构件的动态变化,旨在探究不同物种克隆生长特征种间差异。在环境一致的浅水区域,穿叶眼子菜和苦草产生克隆分株的速率最高,光叶眼子菜最低,几乎不产生分株。在6种植物中,苦草的株高最低,竹叶眼子菜的株高最高,穿叶眼子菜的株高处于中等,但其分株生物量最高。此外,苦草的间隔子长度也显著低于眼子菜属物种。

在种群扩张面积方面,穿叶眼子菜、扭叶眼子菜和苦草比竹叶眼子菜、眼子菜和光叶眼子菜的扩张面积大;在种群扩张速率方面,穿叶眼子菜、扭叶眼子菜和苦草也表现出较高的扩张速率,按扩张速率由高到低排列为穿叶眼子菜＞扭叶眼子菜＞苦草＞竹叶眼子菜＞眼子菜＞光叶眼子菜。不同物种的扩张速率的差异主要是由它们分株的形成速率和间隔子长度决定。有研究表明,间隔子的结构生长遵循特定物种的克隆规则[31],其在方向和长度上随物种不同变化很大[13,32]。在本研究中,资源同质情况下6种沉水植物的间隔子长度有显著差异,间隔子长度排列为穿叶眼子菜＞扭叶眼子菜＞竹叶眼子菜＞苦草＞光叶眼子菜＞眼子菜。有研究表明,分株之间不仅通过间隔子交换能量和资源,同时克隆分株也靠间隔子来进行选择性放置[33,34],所以间隔子的放置位置也直接决定了种群的空间扩张情况。可以推测,苦草的间隔子长度变异较低且转向能力较弱,所以随着间隔子长度的增加,种群扩张面积也随之呈现线性增长;但眼子菜属物种间隔子上“节”的出现使匍匐茎具备转向能力,极可能出现匍匐茎“回头”,长度增加但扩张面积不变的情况。

对比6种沉水植物的分株形成速率,苦草的分株形成速率最高,其均值为1.09株/d,最大值为1.84株/d,但是,其株高增加速率却是最低的,仅有0.2 cm/d。这也与上述结论一致,说明苦草将更多的资源分配给形成新的分株来进行种群扩张,更快地占据平面空间资源。对于眼子菜属物种,总体来说在克隆生长方面的资源分配策略表现为向分株株高和生物量增长投入更多比例,虽然分株形成速度和平面空间占据速度相对较慢,但占据垂向空间资源的速度较快。但是,眼子菜属中的穿叶眼子菜和扭叶眼子菜却表现出较强的分株形成能力,这两个物种以较长的匍匐茎占据平面空间,维持种群的增长。

4 结论

本研究采用了同质园实验的研究方法,在排除了自然条件下广泛存在的资源异质性和干扰随机性的影响前提下,研究了6种沉水植物在浅水环境的克隆生长过程中自身生物学特性的差异,结果表明,苦草株高最矮但分株数最多,面积扩张速率为35.48 cm2/d,倾向于产生更多的分株来形成密集型的种群。眼子菜属的物种基于匍匐茎上“节”的存在,理论上在空间扩张方面更具优势,但实际上竹叶眼子菜、眼子菜和光叶眼子菜的面积扩张速率却低于苦草,因为这三个物种倾向于将资源分配给分株来保证自身的生长。而穿叶眼子菜和扭叶眼子菜的扩张模式则更好地体现了“节”的作用,通过更长的间隔子占据更多空间。因此我们有理由推测,如果不考虑种间相互作用,在空间广阔的生境中,苦草、穿叶眼子菜、扭叶眼子菜更容易抢占空间资源,从而形成奠基者效应。基于本研究种间特异性参数,可以为构建不同沉水植物克隆生长模型以及种群动态模型提供参考数据,还能对沉水植被修复工程提供理论依据。这些沉水植物的克隆特性以及在异质生境中的不同响应策略在以后的研究工作中是值得进一步探讨的。