西藏芒康山莽措湖退化草地中瑞香狼毒的植物性状：不同海拔和发育阶段影响

张宁 王金牛 朱牛 张林 田炳辉

1.中国科学院成都生物研究所，成都 610041；2.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；3.西藏生态安全屏障监测站网芒康生物多样性与生态站，昌都 854000；4.中国科学院青藏高原研究所，北京 100101

自20世纪末期以来，植物功能性状已成为群落生态学及生态系统生态学的热门研究工具［1］。植物功能性状不仅代表物种在生态系统中的功能特征，其权衡关系亦体现了物种对不同环境的适应程度［2］。对植物功能性状及功能多样性的研究，既有助于在物种水平理解植物的生长、繁殖、防御等持续性功能策略，亦可为深入揭示不同群落的结构组成和生态功能提供关键证据［3］。

Wright 等［4］首次提出了全球尺度下的叶经济谱（LES，Leaf Economic Spectrum），是植物功能性状研究的一个里程碑。Diaz等［5］进一步证实了LES在全球范围的普适性。植物形态［6,7］、营养元素含量［8,9］及生长繁殖代谢指标［10］紧密联合，体现出维管植物营养获取［11］与维持［10,12］的适应权衡。生物量可以量化群落碳循环和植被碳储量，反映了生态系统的生产力、物质循环和能量交换的水平［13］。植物资源的分配是植物生长发育过程中不同器官同化产物的占比，是植物生活史中的重要权衡对象［14］，且受环境、物种等因素的综合影响。当年生小枝是植物最活跃的基础结构单元，小枝本身具有养分、水分的运输功能，还是为叶片提供机械支撑的结构，茎、叶生物量的分配比与小枝功能性状的协同变化揭示植物对不同生境下可利用资源改变的适应策略。左有璐［15］等研究发现，功能型与生活型对植物各构件生物量积累速率具有决定性作用，人类干扰则直接影响植物总生物量。Niklas［16］等表明茎和叶生物量积累表现为同速生长关系，且Sun［17］等得出同样的结论，并表示茎直径限制了武夷山森林小枝生物量积累。特定环境下，个体大小会对植物个体生长发育阶段中各构件的生物量积累和分配造成限制，沙柳丛枝的增加会造成个体生物量的增加，茎上小枝生物量分配的增加，同时伴随茎生物量分配的大幅减少［18］。小个体毛竹倾向于将代谢产物分配到光合器官，而大个体则倾向于根部［19］。为评估植物生物量分配模式的潜在变化，目前已经提出两个假设，即最优分配假说［20］和异速分配假说［21］。根据最优分配假说，植物通过调节自身的资源分配以适应特定的生境，生物量的配置倾向于使植物资源限制最小化。异速分配理论则认为植物生物量的分配差异主要由植物的异速生长引起的，即成对特征相对生长速率不相等。其异速生长斜率在成熟植物中逐渐稳定，其与个体大小无关，是植物自身生长速率的一种协调，在解释不同物种或群体生长上的差异外，同时体现环境条件的限制。

高寒草地是青藏高原分布最广的植被类型，是为地球生态系统中最重要的环境屏障［22］。然而由于气候变化及人类干扰加剧，高寒草地原生植物生境遭到破坏，面临严峻的退化问题［23］。随着退化程度的加深，禾本科及莎草科等地带性优势牧草种群规模缩小，生物量下降且伴随着群落多样性、丰富度和均匀度的降低［24］。在此过程中，瑞香狼毒(Stellera chamaejasme)不断侵入高寒草地，并成为退化草地的标志性多年生毒杂草，广布于我国高寒草地。其地下肉质根木质化，地上部分从根茎处萌生多数独立斜展的枝条，叶片互生，头状花序顶生［25］，干鲜状态下家畜均不采食。瑞香狼毒个体形态特殊，恶劣生境下具有较强的养分获取能力与繁殖能力，可通过化感作用［26］抑制牧草生长，能够占据更宽的生态幅，适口性差的瑞香狼毒物种数量不断增加，严重影响草地畜牧业发展和草原生态系统平衡。瑞香狼毒植株株型独特，花形奇特，可以进行引种驯化，作为野生观赏植物［27］，并且在传统藏药中应用历史悠久［24］。采挖后丢弃的做法不仅破坏环境，还对生物资源造成了极大的浪费，因此，通过对芒康山莽措自然风景区的瑞香狼毒开展不同发育阶段的海拔适应性研究有利于对其功能性状进行总结，揭示其在不同环境下的生长策略，为退化草地的植被恢复以及藏东狼毒资源的可持续利用提供数据支撑与理论指导。目前，许多学者研究了瑞香狼毒种群空间分布格局［28］、侵入草地后土壤性质的变化［29］、瑞香狼毒种子休眠及分布［30］、瑞香狼毒与其他物种的种间关系［29］等，本研究通过剖析对比瑞香狼毒不同海拔及不同发育阶段下茎、叶、花的功能性状以及不同器官生物量积累的响应特征，尝试探讨如下问题：1）随海拔的变化，瑞香狼毒繁殖小枝和生长枝的生物量分配是否具有相似的变化规律？2）不同器官的生长关系在不同海拔和不同发育阶段是呈等速关系还是异速关系？3）瑞香狼毒具有怎样的小枝生物量分配策略，使其能够快速入侵并成为退化草地的优势种？

1 地区与方法

1.1 研究区概况

研究样地位于青藏高原东南部，横断山脉中部，地处澜沧江与金沙江之间分水岭（芒康山）的东侧，隶属于金沙江流域（图1a，图1b）。该地区地势北高南低：西北部山脉起伏趋向坦荡，最高海拔5100m；东南部为深山峡合区，最低海拔2300m［31］。该地区属高原温带半湿润季风性气候区，年平均气温为5.9℃，最低温-12℃，出现于1—2 月，最高温22℃，出现于7—8月；日照时数1827.5h，年降雨量为557.7mm，主要集中在6—9月。山区立体气候特征明显、水热条件差异显著，植被构成表现出明显的海拔垂直地带性，从川西云杉(Picea likiangensis)、鳞皮冷杉(Abies squamata)、急尖长苞冷杉(Abies georgei)为主的亚高山森林到高山嵩草(Kobresia pygmaea)、狭叶委陵菜(otentilla stenophylla)等为主的高山草地，其间镶嵌分布有一定数目的雪层杜鹃(Rhododendron nivale)、高山栎(Quercus semicarpifolia)等灌丛。过度放牧叠加气候变化的影响所导致的退化高山草地遍布瑞香狼毒（图1d）、马蹄黄(Spenceria ramalana)等杂草。

图1 研究样地与物种示意图Figure 1 Schematic diagram of sample plots and species

1.2 实验设计与样品采样

2022 年7 月底（瑞香狼毒盛花期），在莽措湖退化草地中瑞香狼毒的自然分布生境（图1c），沿海拔梯度分别在4000 m、4169 m、4300 m 处开展样方调查与采样。每个海拔平行于山脊设置1 条样带（长为20 m，宽10 m），每条样带随机距离设置5 m×5 m 样方3～5个，每个样方随机选取不同大小的瑞香狼毒6～10 株丛。所选取的单株丛间距＞30 cm，以避免瑞香狼毒个体之间的影响。在单株瑞香狼毒中选取繁殖开花阶段小枝（以下统称繁殖枝）与营养生长阶段小枝（以下统称生长枝），将所选小枝（长约5～25cm）装入自封袋中密闭保存，及时运输到实验室进行相关性状测量，小枝定义为瑞香狼毒的丛生茎中的一支及其上生长的叶片与花。

1.3 植物性状的测定方法

利用精度为0.01mm 的游标卡尺对瑞香狼毒小枝长度相关的性状进行测量，茎粗测定位置为小枝与地下根连接部位。使用平板扫描仪(CanoScan5600F，Canon，Tokyo，Japan)扫描新鲜叶片，记录小枝上叶片数、花个数，借助Photoshop CC计算瑞香狼毒的叶片面积。将小枝及其上的花、叶拆分并放入信封纸袋中，105℃下杀青30 min 后，在70 ℃下烘干至恒重，用精度为千分之一的电子天平称量各部分干重，记录小枝上的茎、花和总叶生物量。获得如下10 个性状指标：叶片数（Number of leaves，LN）；花数（Number of flowers，FN）；茎长（Stem length，SL）；茎粗（Stem diameter，SD）；总花生物量（Total flowers biomass，TFB）；总叶质量（Total leaves biomass，TLB）；茎生物量（Stem biomass，SB））；总叶面积（Total leaves areas，TLA）；总小枝质量（Total biomass，TB）；比叶面积（Specific leaf area，SLA）。其中比叶面积（SLA）=单叶面积（ILA）/单叶质量（ILM）；总小枝质量（TB）=总叶质量（TLB）+总花质量（TFB）+茎生物量（SB）。

1.4 数据处理

对获取的植物性状数据进行正态性及方差齐性检验，通过一般线性模型(GLM)的单变量方差分析对生长阶段和海拔及其交互作用对植物功能性状的影响进行分析［32］。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对花的相关功能性状进行分析(P=0.05)。采用异速生长关系［33］y=αxβ模型对任意成对性状生长关系进行分析，将两边取对数后转化为lgy=lgα+β lgx，β 为斜率或相对生长的指数，α 为截距，当β=1时，表示性状间是等速关系；当β ＞1 时，表示y 的积累程度快于x；当β ＜1 时，表示y 的积累程度慢于x。当相关生长斜率β 无显著差异时，进一步检验是否存在截距漂移和共轴漂移。采用标准化主轴估计(standardized major axis estimation,SMA)法确定参数，由软件(S)MART Version 2.0 计算完成。结构方程模型(Structural equation model,SEM)采用SPSS Amos 28.0 软件处理。使用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 海拔和发育阶段对瑞香狼毒小枝性状的影响

不同海拔和发育阶段下瑞香狼毒小枝功能性状间差异显著。各性状均受海拔和发育阶段交互作用的显著影响（图2）。繁殖枝小枝的花个数（图2a）与花（图2c)、叶（图2f）、茎生物量（图2l）均随海拔的升高而升高，4300 m 海拔处瑞香狼毒繁殖枝的单花生物量（图2b，0.005±0.001g）显著低于4000 m 海拔处（0.007±0.001g，P＜0.05）。4000 m 海拔处的单叶生物量、总叶生物量、单叶面积、总叶面积、茎长、茎粗和茎生物量生长枝均显著高于繁殖枝；4169 m 海拔处单叶生物量、单叶面积生长阶段显著高于繁殖阶段，4300 m 海拔处不同发育阶段瑞香狼毒的比叶面积无显著差异（图2i），其余性状在4169 m 和4300 m 海拔处均为繁殖枝显著高于生长枝。

图2 不同发育阶段和海拔下瑞香狼毒的小枝性状Figure 2 Twig traits of Stellera chamaejasme at different growth stages and altitudes

瑞香狼毒的生长枝叶片数（图2d）与单叶生物量（图2e）均在4169 m 海拔处达到最大值（46.848±0.881，0.005±0.001g）。生长枝的茎长（图2j）、茎粗（图2k）与茎生物量（图2l）均海拔的升高呈现先升高，后下降的变化趋势，繁殖枝的叶片数（图2d）、单叶生物量（图2e）、茎长（图2j）与茎粗（图2k）随海拔的变化与生长枝趋势相同。生长枝总叶生物量（图2f）在海拔间无显著差异，而繁殖枝生物量则随海拔升高而升高。生长枝单叶面积（图2g）与总叶面积（图2h）均在最低海拔处达到最大值，而繁殖枝则相反。两者均在4300 m 海拔处达最大茎生物量（0.213±0.141g，0.228±0.009g）。

2.2 海拔和小枝大小对瑞香狼毒小枝生物量分配的影响

以小枝生物量为协变量分析不同海拔与发育阶段的茎、叶和花构件的生物量分配占比存在差异，具体表现为生长枝在4000 m 海拔上升至4300 m 海拔时，叶生物量分配比例不断升高，由原本的53.1 %显著提高至60.0 %（表1，P＜0.05）；而繁殖枝叶生物量分配比例相反，在4000 m 处达到最高（53.6%，P＜0.05），茎生物量分配比例随海拔升高而上升（36.0%＜39.5%＜41.1%)，花的生物量分配比例则在4300m处最高（13.4%，P＜0.05）。以小枝生物量为协变量时，生长枝茎、叶生物量分配受到海拔和个体大小的共同影响，但是主要受海拔影响（0.008=PA＜0.031=PB）。繁殖枝的叶生物量分配主要受小枝生物量的影响（PB＜0.001），茎、花生物量分配受海拔和小枝生物量的交互影响显著（0.016=P＜0.05，0.027=P＜0.05）。

表1 不同发育阶段和海拔下瑞香狼毒小枝生物量分配比较Table 1 Comparison of twig traits of Stellera chamaejasme at different growth stages and altitudes

2.3 海拔和发育阶段对瑞香狼毒小枝性状相关生长关系的影响

瑞香狼毒生长枝茎生物量与总叶生物量积累在4000 m 和4169 m 海拔处呈显著的正相关关系（图3a，P＜0.001，P＜0.01），为显著的异速生长关系，且茎生物量积累小于总叶生物量（0.468＜0.550＜1.0；P＜0.05，P＜0.05）；4000 m 海拔处的总叶生物量与茎粗间SMA 斜率为0.809（图3b，P＜0.05），与1.0 无显著差异（P＞0.05），即该海拔二者呈现等速生长关系，4169 m海拔处总叶生物量与茎粗间SMA斜率为1.870（图3b，P＜0.001），与1.0存在显著差异（P＜0.05），即总叶生物量积累快于茎粗。不同海拔的总叶面积与总叶生物量均为等速生长关系（图3c，P＞0.05），且存在共同的斜率1.082（P＜0.05），低海拔相比中高海拔有共轴漂移（P＜0.05）。所有海拔的茎粗与茎长同样呈显著的正相关关系（图3d，均是P＜0.01），且低海拔处表现出等速生长关系（图3d，0.982，P＞0.05），中高海拔则为异速生长关系（图3d，0.553、0.463；P＜0.05，P＜0.05）。

图3 瑞香狼毒营养生长阶段小枝相关生长关系图Figure 3 Growth relationship of Stellera chamaejasme at growth stages and different altitudes

瑞香狼毒繁殖枝的总花生物量与花个数在三个海拔处为等速生长关系（图4a，均是P＞0.05），且存在共同的斜率1.107，共同斜率与1.0 无显著差异（P＞0.05），三个海拔间均存在截距漂移（P＜0.05），低、中海拔与高海拔相比发生了共轴漂移（P＜0.05）。总叶面积与总叶生物量在三个海拔处为同速生长关系（图4f，任一海拔内均是P＞0.05），且存在共同的斜率1.052，共同斜率与1.0 无显著差异（P＞0.05），低、中海拔与高海拔间存在共轴漂移（P＜0.05）。茎粗与茎长的关系由4169 m 处的异速生长关系（图4d，0.556，P＜0.05）转变为4300 m 处的等速生长关系（0.783，P＞0.05）。茎生物量与总叶生物量在4000 m处的异速生长关系（图4e，0.397，P＜0.05）转变为4169 m 处的等速生长关系（图4e，0.730，P＞0.05）。同时4300 m 海拔处总花生物量与总生物量间呈现等速生长关系（图4c，0.803，P＞0.05），4169 m 海拔处总叶生物量与茎粗间存在显著的异速生长关系（图4b，2.709，P＜0.05）。

图4 瑞香狼毒开花繁殖阶段小枝相关生长关系图Figure 4 Growth relationship of Stellera chamaejasme at reproductive stages and different altitudes

2.4 不同发育阶段的瑞香狼毒小枝特征对生物量分配的影响

构建不同发育阶段下瑞香狼毒的小枝功能性状间的标准化结构方程模型（图5），生长枝和繁殖枝两种情况下结构方程模型卡方自由度比(CHI/ DF)为1.88 和1.19，P 值为0.149 和0.314，拟合优势指数(GFI)为0.998 和0.997，近似误差均方根(RMSEA)分别为0.044 和0.032，p 值为0.480 和0.557，表明该模型具有良好的适配性。模型结果表明，不同发育阶段小枝功能性状间存在一定的相关性，总叶面积对生长枝总生物量具有极显著的正效应（0.72，P＜0.001），茎长对繁殖枝生物量具有显著正效应（0.34，P＜0.001）。叶片数与则在不同发育阶段表现出相反的效应（-0.13，P＜0.001；0.34，P＜0.001）。小枝长与海拔均对不同阶段的总生物量表现出相同的正效应（均是P＜0.001），且对繁殖枝影响均大于生长枝（0.15＜0.28；0.22＜0.34）。海拔对生长枝茎长、茎粗存在显著的负效应（-0.15，-0.23；P＜0.001，P＜0.001）。

图5 不同发育阶段小枝功能性状对生物量的结构方程模型Figure 5 SEM of traits of current twigs at different growth stages on total biomass

3 讨论

植物在长期的自然选择中，通过调节自身形态及资源配置以适应特定的生长环境，形成了独特的生长繁殖规律［34］。在高寒草地生态系统中，空间垂直尺度上的小范围变化会造成植物生境中非生物因素如降水、温度、光照强度及土壤养分含量的组合改变［2,32］。本研究中瑞香狼毒开花繁殖阶段叶片数量在各海拔均大于生长发育阶段，这可能是因为繁殖阶段需要更多的资源以满足器官发育，而开花繁殖阶段茎长与茎粗也在4169 m 和4300 m 海拔处显著高于营养生长阶段。通过调整叶片在茎上的排列方式和数量，构成较为优越的光捕获构型，以提高养分获取及资源合理配置的能力［35］。如，长茎有利于叶片的合理排布，减少叶片间的遮挡，使光获取能力最大化，粗茎则有利于保证植物养分及水分的输入，同时更加稳定。比叶面积可以反映叶片对光的利用效率，同时也能够反映植物不同环境下的资源获取能力［36］。本研究中，随海拔的上升，比叶面积总体上呈现下降趋势，SLA 直接影响植物光获取效率，低SLA 可以更好的适应干旱和贫瘠的环境。总叶生物量、总叶面积和茎生物量在4169 m 和4300 m 处开花繁殖阶段显著高于营养生长阶段，这同样是因为开花繁殖阶段的小枝需要分配更多的碳同化物质给繁殖器官以及支撑结构［37］。但总叶生物量、茎生物量及总花生物量均表现出随海拔升高而增加的趋势，这表明，高海拔的严酷生长环境并不影响，甚至会促进瑞香狼毒对资源的利用效率。随着海拔的升高，传粉昆虫的多样性、丰富性及活动能力逐渐降低［38］，花数量及质量的提高可以提高传粉和授粉的成功率，因此花个数和总花生物量随海拔升高而升高。本研究结果表明4000 m 海拔生境中的单叶生物量、单叶面积、总叶生物量、总叶面积、茎长、茎粗和茎生物量与其他海拔明显不同，营养生长阶段显著大于开花繁殖阶段或无显著差异，拥有较大的单叶质量和单叶面积，这说明了在此海拔瑞香狼毒偏向叶片生长，有助于同化产物的积累。在高SLA 的情况下总叶生物量和茎质量较低，说明繁殖器官需要植物生物量积累到一定程度才可以有效提供物质保障。本文中此海拔下光合产物的总积累量较小，植物个体以投资光合器官为主。虽然一些研究认为随海拔的升高，植物个体大小、营养器官与繁殖器官的生物量均减少［39,40］，但高海拔生境下一定程度减少了支撑结构的资源分配而提高了繁殖器官的资源分配比例［41］。Körner［42］对阿尔卑斯山地区50 种高山植物生物量随海拔的分配研究表明，植物茎的功能从低海拔地区的光能捕获及同化器官（叶）转变为支持繁殖器官（花），与本文研究结果相一致（表1）。另外还有研究表明，植物的繁殖模式规律随海拔升高不存在统一性［43］，说明海拔不是唯一影响繁殖分配的因子，温度、降水等也同样起作用，不同植物应对胁迫环境的阈值与策略存在较大差异。

研究表明，植物自身的生物量分配会在生长关系的约束与资源的限制下达到最优［42］。瑞香狼毒生长枝和繁殖枝在各个海拔均表现出茎生物量积累快于总叶生物量的异速关系，但生长发育阶段的SMA斜率则随海拔升高而下降，即偏好为总叶生物量积累；开花繁殖阶段则相反，偏好为茎生物量，这与Niinemets［44］等的研究结果相符，即小枝生长发育至繁殖开花期，需要更多的生物量投入到支撑结构。小枝大小与叶片大小之间的相关性可以反映植物生化和水力生物学方面的协调关系［45］，是由茎上叶片和茎提供的支持、传导能力供需协调的结果［46］。根据Corner法则对叶—小枝大小关系初探，茎的粗细与其上生长的单叶、总叶大小相关，大叶物种一般具有更大的枝条［47］，即叶大小与小枝大小之间存在显著的正相关关系［48,49］，本文亦表现出相同的规律。Brouat［50］等在单叶水平上、Westoby［10］等、Preston［51］等在小枝水平上的研究均说明，总叶面积与小枝茎的横截面积之间存在一个特定的数值，并且异速生长常量（y 轴截距）随温度、养分的变化而改变。严酷的生境条件下，为避免栓塞等现象，小枝水分运输效率将减小，小枝相对粗壮，其上总叶面积较小［39］。小枝上着生叶片数量随当年生小枝茎长度呈正相关，发育阶段的瑞香狼毒小枝在高海拔下偏好细长的小枝，这可能是因为生长阶段的小枝通过增强叶光合能力获得更多的生存空间和资源，以提高其竞争力。

4 结论

瑞香狼毒不同生长阶段小枝性状随海拔升高响应不同，繁殖阶段花数量、总花质量随海拔的升高而升高，叶片数量在各海拔处均高于繁殖期，总叶生物量、总叶面积、茎长、茎粗和茎生物量在4169 m 和4300 m 海拔处繁殖阶段显著高于生长阶段。4000 m处植物生长偏好生长发育阶段，此海拔下物质的积累无法为瑞香狼毒繁殖生长提供足够的物质基础。随着海拔的升高，生长发育阶段的小枝通过增加叶生物量分配，提高光合作用的效率以提高其竞争力，而开花繁殖阶段则增加花生物量分配及其支持结构的投入以提高植物的繁殖和遗传能力。