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濒危物种疏花水柏枝残存种群有性繁殖的时空变化

来源：花匠小妙招时间：2024-11-22 12:56

有性繁殖是种子植物生活史中的关键环节，对植物繁衍和种群更新具有非常重要的作用，很多植物濒危的原因便是因为其有性繁殖受到了影响与阻碍[1]。植物有性繁殖受温度、光照、土壤含水量等诸多环境因子的影响，它们除了调控植物花芽的分化和形成外[2, 3]，还对花和果的生长产生影响[4]。由于自然界中各种环境因子会随着海拔梯度而变化，植物种群的有性繁殖也常因这种空间异质性而产生变化[5]。河岸带是一种较为特殊的生态系统，不同消涨梯度的河岸带因高程的差异，其出露时期以及出露期间的温度、光照和土壤含水量都会出现较大程度的变化，这种环境空间异质性会进一步引起河岸带植物种群的有性繁殖沿高程而产生变化[6, 7]。Warwick等[8]对澳大利亚一些湿地植物的研究结果表明，植物有性繁殖器官的数量随着消涨梯度的变化呈现显著差异。

疏花水柏枝（Myricaria laxiflora (Franch.) P. Y. Zhang et Y. J. Zhang）是柽柳科水柏枝属的一种灌木，原产于湖北省枝江至四川省宜宾长江干流的河滩地，三峡库区是其主要的分布区域[9-11]。三峡大坝的修建淹没了疏花水柏枝在库区所有的栖息地，目前仅在向家坝和葛洲坝下游长江部分河段的岛屿上有少量残存种群的分布，该物种已成为濒危物种[12]。在每年夏季洪水来临前及水淹期间，疏花水柏枝植株的枝叶均会枯黄与凋落。洪水退去后，植株恢复生长，并开花结果[13]。已有研究显示，疏花水柏枝残存种群植株的枝叶生长和光合性能存在显著的时空变化，且枝叶生长特性和光合性能的变化与海拔梯度以及由之引起的出露时间、温度和土壤含水量的变化密切相关[14, 15]。三峡大坝和葛洲坝因防洪发电的需要改变了下游水位的消涨节律，使得疏花水柏枝残存种群生境地夏季水淹时间延长，秋季水位下降速率加快，并由此引起生境地发生出露时间推迟、生长发育期温度下降和土壤含水量急剧下降的变化[16]。大坝对河流的调节在一定程度上影响了疏花水柏枝残存种群植株枝叶的生长和光合性能[17, 18]。本文以三峡工程-葛洲坝梯级电站下游的疏花水柏枝残存种群为研究对象，通过调查不同高程植株的开花结果特性，揭示其有性繁殖的时空变化规律；同时，通过分析残存种群有性繁殖时空变化与环境因子的关系，结合大坝对河流调节所引起的水位消涨节律及生境地生态环境的变化特征，探讨人工调节河流对疏花水柏枝残存种群有性繁殖的影响。

1. 材料与方法

1.1 样地与样方设置

研究地点位于湖北省枝江市关洲岛（30°15' 54.83"N，111°34'14.91"E）。该岛地处三峡大坝-葛洲坝梯级电站长江下游，东西长约4.5 km，南北宽约1.2 km，面积约为3.2 km2，最高海拔46.0 m。岛屿所在地区属于亚热带季风性气候，年平均降水量 1 212 mm，最大日降水量 183.9 mm；年平均气温为16.7 ℃，极端最高温度为41.4 ℃，极端最低气温为−15.6 ℃；土壤主要以砂粒为主，土壤 N、P 含量较低，土壤 pH值呈弱碱性；植被类型为以疏花水柏枝为优势种的灌丛，草本层优势物种为狗牙根（Cynodon dactylon (L.) Pers）和牛筋草（Eleusine indica (L.) Gaertn.）等。关洲岛分布约有两万株疏花水柏枝[19]。受洪水涨落的影响，整个岛屿连同疏花水柏枝残存种群每年夏季（6-8月）都会被淹没，而后待秋季（9月）洪水退去再出露。而在葛洲坝和三峡大坝修建前，生境地通常是在6-7月被淹没，8月再出露[19]。

本研究在植株分布相对均匀的岛屿北面设置样地。在样地内沿高程设置3条样带，分别为上部消涨带（海拔43.20～43.40 m）、中部消涨带（海拔42.40～43.00 m）和下部消涨带（海拔41.80～42.20 m）。因岛屿坡度小，样带间的高程差异较小，样带间水平间隔50 m。每个样带均设置 6个5 m×5 m的灌丛样方，各样方间隔10 m，共设置18个样方（图1）。野外调查时间为2021年10-12月。各样带间因高程不同，在生境地出露时间和植物开花、结果时间上均有较大差异（表1）。上部消涨带出露时间比中、下部分别早了15、35 d。上部、中部、下部消涨带分别在植株出露 45、39和34 d后进入盛花期，在植株出露56、48和45 d后进入盛果期（盛花期和盛果期以样方三分之二植株进入开花和结果状态为标准）。

图 1 研究区的地理位置与样带分布

主图为样地高程图，来自于2022年3月27日的无人机遥感影像（其数据为相对于水平面DEM加上水位线高度，DEM数据源自无人机，当天水位线高度源自宜昌市水利和湖泊局官方网站的枝城河道站的监测数据）；右上角为生境地鸟瞰图，截取自谷歌地图；右下角为湖北省行政区划图，源自地理空间数据云网站。

Figure 1. Location of study site and distribution of transects

Main elevation data: UAV remote sensing image data from 27 March 2022 (relative to horizontal plane DEM plus height of water mark on the day. DEM data were obtained from a drone, and height of water level on the day was obtained from the Zhicheng River Station monitoring data from the Yichang Water Conservancy and Lake Bureau website). Picture on upper right was taken from Google Maps, and administrative division map of Hubei Province and vector map of the Yangtze River on the lower right were downloaded from the geospatial data cloud website.

表 1 不同消涨梯度与高程疏花水柏枝植株出露与开花结果时间

Table 1. Exposure, flowering, and fruiting time of Myricaria laxiflora plants at different fluctuation gradients and elevations

消涨梯度
Fluctuation gradient 高程
Elevation / m 出露日期
Exposure date 盛花期
Peak flowering time 盛果期
Full fruiting time 上部
43.20~43.40 2021-09-10 2021-10-24 2021-11-04 中部
42.40~43.00 2021-09-25 2021-11-03 2021-11-12 下部
41.80~42.20 2021-10-15 2021-11-17 2021-11-28 1.2 样地和样带生态环境特征调查

各样带在盛花期和盛果期每隔3 d进行一次土壤含水量现场调查，并记录气温。土壤含水量通过在每个样方内随机采集1份土壤（深度5 cm），利用烘干法测定。日均温度等气温数据来源于天气网中枝江市的日均温度（http://www.weather.com.cn/）。上部、中部和下部消涨带在盛花期的平均气温分别为16.88 ℃、11.5 ℃和12.5℃，土壤含水量分别为8.70%、6.68%和5.60%，盛果期的平均气温分别为12.25 ℃、14.17 ℃和10.17 ℃，土壤含水量分别为5.69%、4.39%和1.83%（图2）。

图 2 不同消涨梯度与高程盛花期和盛果期的气温和土壤含水量

Figure 2. Soil water content and temperature at different fluctuation gradients and elevations during peak flowering and full fruiting periods

1.3 种群开花结果特性调查

在各样带每个样方内随机选择3株大小相近的成年疏花水柏枝植株作为调查对象。在盛花期分别调查各植株的花枝数和每枝开花数，在盛果期调查其果枝数、每枝结果数和每果种子数。在盛果期随机从每株采集3个成熟果实，带回实验室计数，获得每果种子数。将每个样方内所采集的种子混合均匀，随机挑选100 粒种子作为一个实验单元，在人工气候培养箱进行萌发实验，每个样方3个重复，每个样带18个重复。萌发实验人工气候箱的温度设定为25 ℃，湿度为80%。分别计算各实验单元的种子发芽率。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行实验数据的处理和分析。以高程为自变量，以植株开花（每株花枝数、每枝花朵数、每株花朵数）和结果（每株果枝数、每枝结果数、每株结果数、每果种子数、发芽率）特征为因变量，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）法分析高程对植株有性繁殖影响的显著性，并用Duncan多重比较法对不同高程植株有性繁殖的差异进行比较。采用Pearson相关性法分析疏花水柏枝植株有性繁殖的相关特征值与高程、土壤含水量、出露时间和日均温度等环境因子变化的相关性。最后，利用RDA分析（Canoco 5软件）探讨环境因子对植株开花结果特性的影响。

2. 结果与分析

2.1 疏花水柏枝残存种群开花的空间异质性

疏花水柏枝残存种群的开花性状在各高程之间存在较大差异（图3）。上部消涨带的每株花枝数与中部和下部消涨带之间均存在极显著差异（P<0.01），中部和下部消涨带之间无显著差异。上部和中部消涨带的每枝开花数均与下部消涨带之间存在极显著差异（P<0.01），上部与中部消涨带之间无显著差异。上部、中部、下部消涨带的每株开花数之间均存在极显著差异（P<0.01）。上部消涨带的每株花枝数、每枝开花数、每株开花数分别比中部高66.09%、50.14%、98.63%，比下部高79.50%、283.33%、461.05%；中部消涨带的每株花枝数、每枝开花数、每株开花数分别比下部高8.07%、155.31%、182.66%。

图 3 不同消涨梯度与高程疏花水柏枝植株盛花期的开花性状

不同小写字母表示差异极显著（P<0.01）。下同。

Figure 3. Flowering traits of Myricaria laxiflora at different fluctuation gradients and elevations during peak flowering period

Different lower letters indicate significant difference (P<0.01). Same below.

2.2 疏花水柏枝结果的空间异质性

疏花水柏枝残存种群的结果性状在各高程之间存在较大差异（图4）。上部消涨带的每株果枝数与中、下部消涨带之间均存在极显著差异（P<0.01），但中部消涨带与下部消涨带之间无显著差异。上部、中部消涨带的每枝结果数均与下部消涨带存在极显著差异，但上部与中部消涨带之间无显著差异。上部消涨带的每株结果数与中部、下部消涨带之间均存在极显著差异，但中部与下部消涨带之间无显著差异。上、中、下部消涨带的每果种子数之间均存在极显著差异。上部消涨带的种子发芽率与中、下部消涨带之间均存在极显著差异，但中部和下部消涨带之间无显著差异。上部消涨带的每株果枝数、每枝结果数、每株结果数、每果种子数和种子发芽率分别比中部消涨带高60.17%、25.26%、88.05%、6.96%、和30.69%，比下部消涨带高97.39%、82.45%、208.31%、19.12%和45.91%。

图 4 不同消涨梯度与高程疏花水柏枝植株的结果性状

Figure 4. Fruiting traits of Myricaria laxiflora plants at different fluctuation gradients and elevations

2.3 疏花水柏枝残存种群开花结果与环境因子的关系

Pearson相关性分析结果显示，疏花水柏枝残存种群的开花结果性状之间、环境因子之间、开花结果性状与环境因子之间均存在显著的相关性（表2）。高程与土壤含水量、出露时间、日均温度之间相关性显著，表明高程的差异会导致种群在开花结果期其他环境因子的变化。种群开花与结果特性之间的相关性显著，表明植株的开花质量会影响结果质量。而种群开花和结果性状与环境因子之间的相关性显著，则表明开花与结果受高程以及由之引起的土壤含水量、出露时间、日均温度变化的影响。

表 2 疏花水柏枝植株开花结果性状与环境因子的Pearson相关性分析

Table 2. Pearson correlation analysis between flowering and fruiting traits of Myricaria laxiflora and environmental factors

性状
Traits 每株开花数
Flower number per plant 每株结果数
Fruit number per plant 每果种子数
Seed number per fruit 种子发芽率
Seed germination percentage 高程
Elevation 土壤含水量
Soil water content 出露时间
Exposure time 日均温度
Average daily temperature 每株开花数 1 每株结果数 0.564** 1 每果种子数 0.626** 0.535** 1 种子发芽率 0.463** 0.497** 0.547** 1 高程 0.637** 0.540** 0.962** 0.598** 1 土壤含水量 0.607** 0.500** 0.970** 0.551** 0.675** 1 出露时间 0.637** 0.547** 0.910** 0.613** 0.656** 0.981** 1 日均温度 0.358** 0.546** 0.939** 0.609** 0.797** 0.699** 0.656** 1 注：** 表示在0.01 水平（双侧）上显著相关。 Note: ** indicates significant correlation at 0.01 level (bilateral).

冗余分析（RDA）结果显示，出露时间、高程、日均温度和土壤含水量对疏花水柏枝残存种群开花结果影响的贡献率分别为58.3%、35.5%、4.9%和1.4%（表3）。出露时间对有性繁殖性状的影响从大到小依次为：每果种子数、种子发芽率、每株结果数、每株开花数；高程对有性繁殖性状的影响从大到小依次为：每株开花数、每株结果数、种子发芽率、每果种子数；日均温度对有性繁殖性状的影响从大到小依次为：每株开花数、每株结果数、种子发芽率、每果种子数；土壤含水量对有性繁殖性状的影响从大到小依次为：每株开花数、每果种子数、种子发芽率、每株结果数（图5）。可以看出，生境地的出露时间越早、高程越高、日均气温和土壤含水量越高，则越有利于残存种群的开花结果。

表 3 环境因子对疏花水柏枝残存种群开花结果影响的冗余分析

Table 3. RDA of effects of environmental factors on flowering and fruiting traits of the Myricaria laxiflora remnant population

因子
Factor解释率
Explanation贡献率
ContributionF值
Pseudo-FP值
P-value 出露时间44.5%58.3%85.10.002高程27.1%35.5%100.00.002日均温度3.7%4.9%15.80.002土壤含水量1.0%1.4%4.50.008

图 5 疏花水柏枝残存种群开花结果与环境因子的RDA 排序

FLP：每株开花数；FNP：每株结果数；FNF：每果种子数；SGP：种子萌发率；E：高程；SW：土壤含水量；ET：出露时间；ADT：日均温度。

Figure 5. RDA ordination of flowering and fruiting traits of the Myricaria laxiflora remnant population and environmental factors

FLP: Flower number per plant; FNP: Fruit number per plant; FNF: Seed number per fruit; SGP: Seed germination percentage; E: Elevation; SW: Soil water content; ET: Exposure time; ADT: Average daily temperature.

3. 讨论

3.1 疏花水柏枝残存种群开花结果的空间异质性

植物通过开花结果产生了种群更新与扩张所需的繁殖体，因此有性繁殖对于维持种群的稳定性和恢复力起着决定性作用[20]。植物开花结果的过程受温度、日照长度、光照强度、土壤水分等环境因子的共同作用[21, 22]。日照长度是影响植物开花时间的决定性环境因素，植物自身的基因可以对日照长度进行判断和反应，并启动开花结果进程[23]。温度对开花结果进程的影响主要是通过影响植物生理代谢来实现的，但对于长日照植物而言，要完成从营养生长到生殖生长的转变需要经过一定时间的低温累积[24]。光照强度除了通过影响光合作用和营养生长对开花结果产生间接影响外，还能通过诱导花芽分化和调节成花相关活性物质，对开花结果产生影响[25]。土壤水分含量通过影响叶片中淀粉酶的活性来影响植物对碳水化合物的吸收利用效率，进而影响开花结果[26]。

疏花水柏枝植株在夏季要经历长时间的水淹，期间植物处于休眠状态[27]。植株在秋季出露后恢复营养生长，随即开始开花结果。水位消涨是影响河岸带植物生长与发育的重要生态过程[28]。不同消涨梯度生境地的生态环境因淹没和出露时间的不同常常有着较大的差异。一般而言，上部消涨带所经历的水淹时间较短，出露时期较早，而中、下部消涨带经历的水淹时间相对较长，出露时期相对较迟。水位涨落导致的消涨带生态环境空间异质性常常会引起河岸带植物生长与发育出现空间变化[29]。疏花水柏枝的光合生理和营养生长随消涨梯度呈明显的空间变化，高海拔植株的光合生理和营养生长显著高于中、低海拔[30]。上部消涨带受水淹的时间相对较短，植株的生长期相对较长，营养生长比较旺盛。而中、下部消涨带受水淹的时间相对较长，植株的生长期相对较短，营养生长比较不足。本研究结果进一步显示，消涨带生态环境的空间异质性也导致了疏花水柏枝开花结果的空间变化。植株的开花性能（每株花枝数、每枝开花数、每株开花数）和结果性能（每株果枝数、每枝结果数、每株结果数、每果种子数、种子发芽率）均随高程的上升而增加。虽然疏花水柏枝开花结果的环境调控机理目前还不清楚，但其残存种群有性繁殖空间变化格局的形成机制是明确的。上部消涨带的疏花水柏枝由于出露时间早，开花与结果期的温度较高，植物能够充分利用体内所贮藏的营养物质进行有性繁殖。而中、下部的疏花水柏枝植株由于出露时间迟，开花与结果期的温度较低，植物体内所贮藏的营养物质有限，一定程度上影响了有性繁殖。

3.2 疏花水柏枝残存种群开花结果性能对水位消涨格局变化的响应

疏花水柏枝残存种群开花结果受生境地生态环境的影响，相关性能与高程的变化以及因高程差异而引起的土壤含水量、出露时间、日均温度等环境因子的改变存在极显著的相关性。RDA分析结果显示，出露时间对疏花水柏枝残存种群有性繁殖性状的影响最大，其次为高程、日均温度和土壤含水量。事实上，上述环境因子均受制于河流水位的消涨，河流水位消涨会导致植物生境地周期性的出露与淹没，使植物经历水淹与干旱的交替胁迫。水位消涨节律直接决定了植物受水淹胁迫的时间、出露后生长发育的时间，并间接影响植物生长发育期的温度、光照强度、土壤含水量等环境因子的变化[31]。因此，水位的消涨格局对疏花水柏枝残存种群的开花结果性能有着重要影响。

河岸带植物经过长期的进化，通常对水位消涨节律及其带来的水淹与干旱胁迫形成了一定的适应机制。如，消落带植物水蓼（Persicaria hydropiper (L.) Spach）能通过形成不定根和发达的主根、茎的伸长等形态学变化来适应环境胁迫[32]；秋华柳（Salix variegata Franch.）能通过生理生化的变化，如抗性酶的形成来适应胁迫[33]；而疏花水柏枝则通过生活史的变化，如夏季休眠来适应这种胁迫[34]。因此，正常的水位消涨格局一般不会对河岸带植物的生长与繁殖产生大的影响，即使植物短期受到影响，后期也会通过补偿性生长来弥补其受到的损害[35]。但当水位消涨格局发生长期性的重大变化时，如大型水电工程建设使水位消涨格局发生长期性的急剧改变，植物的生长与繁殖则会受到影响[36, 37]。

研究显示，每年5月底疏花水柏枝便自动进入休眠，在6-8月的夏季水淹期间一直保持休眠状态，9月份待生境地出露后则恢复营养生长，随之进行开花结果[19, 38]。三峡大坝和葛洲坝的修建，改变了下游河流水位的消涨节律，出现夏季洪水季节水淹时间延长和水位下降速率加快的现象，使疏花水柏枝残存种群生境地的出露时间推迟，造成土壤含水量下降过快[39]，植株有性繁殖期间的温度和光照强度也发生了降低。由于疏花水柏枝残存种群的开花结果性能与温度、出露时间以及土壤含水量均密切相关，水位消涨节律的变化，一定程度上会影响其有性繁殖的性能，从而降低种子产量。疏花水柏枝种群通过种子来繁殖，种子数量的减少一定程度制约了其残存种群的更新与扩展。在今后残存种群的保护中，可通过河流水位的生态调度或生境地地形的工程改造，来维持原有的水位消涨节律，以保证物种生长发育的正常进行。