高 嵩，王俊锋，郭继勋，穆春生

(1.长春大学园林学院，吉林 长春 130022；2.东北师范大学草地科学研究所，植被生态科学教育部重点实验室，吉林 长春 130024)

植物的有性生殖过程对于植物个体完成生活史以及物种的延续有着非常重要的作用，有性生殖能力的高低直接关系到物种的适合度[1].生殖物候期的变化能够指示在外界条件变化时植物生殖生产过程的改变[2-4]，对植物种子的发育及成熟有重要的影响[5-7].在物候期变化的同时，生殖分配过程也发生变化[8]，以维持基因的遗传和种群的发展.植物在完成其生活史的过程中，物候期的变化、生殖能量的分配和最终的生殖输出是相互联系的，其中某个发展阶段的变化均会影响最终的生殖结果[9-11].

由于自然和人为的影响，近一个世纪以来，全球气候已经发生明显的变化，包括大气成分的变化和温度的升高等，预计到2100年全球温度会升高1.4℃～5.8℃[12].大气温度的升高必然会引起植物的生殖过程产生适应性改变，进而影响其在群落中的生态位.研究表明，温度升高能改变植物的物候期[13-16]，影响植物的生长和发育[17-20]以及种子生产等过程[21-22].

羊草(Leymuschinensis)广泛分布于北到俄罗斯外贝加尔地区、南到中国华北平原、东到中国三江平原、西到黄土高原的广大区域[23]，是欧亚大陆草原带东端植物群落的优势种.在自然状态下羊草以无性繁殖为主、有性生殖为辅，有性生殖对于环境的变化较为敏感，具有很大的可塑性[24].温度升高会造成空气和土壤温度的增加以及土壤含水量匮缺[25-26]，这些变化可能对种子生产产生负面影响，导致羊草有性生殖能力减弱[27-28].为此，本文以羊草为研究对象，通过野外模拟增温实验探讨了增温条件下，羊草有性生殖能力的变化规律，以及温度升高与羊草有性生殖对策的相互关系.

1 研究地点与方法

1.1 研究地概况

定位模拟的研究地点设在松嫩草原西南部的吉林省长岭县吉林松嫩草地生态系统国家野外科学观测研究站，地理位置为东经123°44′～123°47′、北纬44°40′～44°44′.该地区属于温带半干旱季风气候，具有典型的大陆性气候特点.冬、夏季风更替现象明显，温差较大，冬季寒冷、夏季炎热.年平均气温为4.9℃，最暖月平均气温为22℃～25℃，绝对最高气温可达39℃，出现在7月；最冷月平均气温为-16℃～-22℃，绝对最低温度可达-35℃，出现在1月.年降水量为250～500 mm之间，大部分集中在6—8月，约占全年降水量的70%以上.该地区处于黑钙土向栗钙土的过渡地带，水平地带性土壤为淡黑钙土，隐域性土壤主要有草甸土、盐土和碱土.该地区的地带性植被为草甸草原，种类组成较简单，主要植物有羊草(Leymuschinense)、拂子茅(Calamagrostisepigeios)、小花碱茅(Puccinelliatenuiflora)、虎尾草(Chiorisvirgata)等.群落类型以羊草群落占绝对优势，羊草群落的产量占整个草地生产量的80%～90%.

1.2 研究材料

羊草属赖草属根茎型禾草，每年在4月中上旬返青，部分植株5月下旬抽穗、6月上旬开花、7月下旬到8月初种子成熟.其后，未抽穗植株(营养枝)进入果后营养期的同时，羊草地下的芽逐步长出地面，成为新的植株.新植株一般只生长1～4片叶，且始终不拔节，被称为子株.营养枝和子株在9月末或10月初秋霜来临后停止生长，越冬后在下一生长季继续生长.

1.3 实验设计

模拟增温实验设置两个水平，即对照、增温两个处理.2006年4月在羊草返青时进行样地设置，待羊草开始返青后进行实验.实验样地总面积为144 m2，在样地内设置12个面积为4 m×3 m的长方形小区，小区间隔为3 m，各个处理均6次重复.温度控制采用红外线加热仪(Kalglo electric infrared heater typical insheightation instructions)，红外线辐射器长边方向为南北方向，架设在小区东西长边的最中间处，辐射器距地面高度为2.25 m.为了保证土壤表面各点的增温幅度相同，在加热器顶部架设倒V字形的反光设备，避免小区边缘部分因距离辐射器较远而导致温度有所降低，增温处理保持全年实施.经测定，小区内土壤表面各点的温度无显著差异.在对照小区，为了避免辐射器阴影对植物造成影响，同样架设了一个没有加热器的倒V字形设备.利用自动计数仪器(STM-01 soil temperature measurement system，河南电子研究所) 记录地下0～10 cm土层的温度和湿度，6个记录仪器每隔10 min记录一次数据；地下10 cm的土壤湿度利用土壤探针(Divner-2000 portable soil moisture probe，Sentek Pty Ltd.，Balmain，NSW，美国) 进行测定.

1.3.1 生殖物候期的观测

羊草返青后在样地内对羊草进行标记，跟踪调查其物候期.标记时，在每个小区中央选择20株羊草，同时标记一些待用的个体以填补开花失败造成的空缺.由于羊草群落自身的开花期不集中，且单株穗状花序开花有早有晚[29]，因此采用改进的Price等[30]的方法每3 d对各个物种的物候期进行监测.计算方法是：0代表孕穗期，1代表抽穗，2代表穗第一个花粉囊外露，2.5代表盛花期(80%以上的穗均开花)，3代表种子发育期，3.5代表种子成熟期，4代表种子脱落期.

1.3.2 生殖输出的计算

在2006年、2007年和2008年3个实验年份的7月25日羊草种子完熟收获时，在每个小区中随机选取3个1 m×1 m的样方，调查羊草的密度和抽穗植株的数量.为避免边际效应，在每个小区中央取回10个完整的穗，并将结实小花和未结实的小花从穗轴分离后，调查每穗小花数、结实粒数.随后将结实小花、未结实小花、穗轴、茎、叶、鞘放进65℃烘箱烘干48 h后进行称重，得出各部分生物量.然后将各处理的种子随机分成10组，每组100粒.千粒重计算方法为：1 000粒重(g)=质量/100粒×10.

1.3.3 生殖分配的计算

生殖分配指植物用于生殖部分的生物量占总生物量的比例[31].本研究中，计算4个层次的生殖分配额：

羊草种群生殖枝总生物量/种群总生物量×100%(RA1)；

生殖枝穗生物量/生殖枝总生物量×100%(RA2)；

籽实生物量/穗生物量×100%(RA3)；

籽实生物量/生殖枝生物量×100%(RA4).

1.4 数据统计

所有的分析均采用SPSS 22.0(SPSS，Chicago Illinois，USA)软件进行.分析时将不同的实验年份也作为一个独立的因素，各个因素对有性生殖指标影响的分析用一般线性模型的单因变量多因素方差分析得出(GLM过程).

2 结果

2.1 气候条件的变化

3个实验年份以及前一年秋季的平均气温和降雨量情况见图1，数据由距离实验样地200 m左右的通量塔提供.由图1可见，2006年冬季的温度高于平均值4.31℃，2007年春、夏季以及2008年春季的温度均比多年平均值略高，其他季节的温度与多年平均值相比差异不大.3个实验年份以及2005年的降水量差异较大，春季降水量在2006年、2007年比多年平均值下降，而在2008年增加.夏季降水量在2006年和2008年比多年平均值增加，而2007年减少.秋季降雨量在2005年比多年平均值高出15.1 mm，而2006年和2007年减少了19.6，29.7 mm，2007年降幅最大.地下0～10 cm的土壤温度比对照显著升高1.75℃，而湿度均显著比对照低5%.

图1 2005年秋季以及2006—2008年的日平均温度和日平均降雨量

2.2 增温对羊草生殖物候期的影响

模拟增温后，2006年的生殖物候期在抽穗之前没有变化，从第一个花粉囊外露开始至果实生长期，增温处理使羊草物候期分数增加，即物候期有所提前(见图2(a)).进入结实期以后，物候期分数与对照相比没有差别.

2007年，在6月3日时羊草种群刚达到齐穗期，在6月17日时才达到盛花期.增温处理后，在17日观测时已过盛花期，大部分已经进入果实成熟期(见图2(b)).在此后的观测中直到果实脱落期，除了7月11日果实成熟期时两个处理的物候期分数有所重叠外，增温处理均比对照的分数要高，在时间上提前了5～7 d.

2008年，对照和增温处理在5月27日时均已处于齐穗期(见图2(c)).对照在6月3日时只有一小部分花粉囊外露，直到6月10日时刚达到盛花期.增温处理在6月3日时已经接近盛花期，6月10日时已经进入种子发育期.此后一直到果实脱落期，增温处理的羊草物候期分数除了在7月4日成熟期与对照重叠外，其余观测时期均比对照提前了7 d左右.

因此，2006年和2008年羊草从开花直至成熟期和种子脱落期的时间比2007年要早，年际间物候期的变化非常明显.通过对比两个处理后发现，增温后羊草群落的第一个花粉囊外露时期、盛花期、果实发育期等几个重要的物候期分数分别比对照有所增加，3年的生殖物候期从开花到种子成熟均提前，与实际日期相比，物候期比对照提前了7 d左右.

注：a，b，c分别为2006年、2007年和2008年.调查时间中0—20分别代表观测日期，0为5月6日，以后每隔6 d观测一次，20代表观测日期为10月4日.

2.3 增温对羊草生殖输出的影响

2.3.1 对生殖枝数量和生殖枝生物量的影响

方差分析表明，实验年份显著影响生殖枝数量和生殖枝生物量(P<0.01)，但增温只对生殖枝数量有显著影响(P<0.01)(见表1).与对照相比，增温后羊草种群生殖枝的数量在2006年与对照相比差异不显著，但2007年和2008年分别比对照降低16株和17株，达到极显著水平(P<0.01)(见表2).而单株生殖枝的生物量在增温后有所提高，尤其是2007年增温使得生殖枝单株生物量比对照高出0.06 g，达到极显著水平(见表2).对比发现，增温能够使生殖枝的数量降低，但使平均每株的生物量增加.

表1 增温和实验年份对羊草各有性生殖参数影响的方差分析

表2 增温对羊草种群有性生殖性状的影响

2.3.2 对每穗结实粒数、小花数量的影响

实验年份对每穗结实粒数的影响均达到极显著水平(P<0.01)，对小花数的影响达到显著水平(P<0.05)，而增温只对每穗结实粒数和小花数的影响达到显著水平(P<0.05).在3个实验年份里，增温使平均每穗结实粒数分别比对照增加5粒、2粒和3粒，其中2008年达到显著水平(P<0.05)(见表2).增温还使每穗的小花数量分别比对照增加了2个、7个和15个，其中2008年达到极显著水平(P<0.01)(见表2).

2.3.3 对千粒重的影响

双因素方差分析表明，实验年份和增温两个因素均是影响千粒重的主效因素，二者对千粒重的影响均达到极显著水平(P<0.01).2006年，与对照相比增温后羊草千粒重没有显著变化(见表2)，而在2007年和2008年，千粒重分别比对照显著增加了0.02 g和0.03 g (P<0.01) (见表2).

2.3.4 增温对羊草生殖分配的影响

双因素方差分析表明，除RA1外，实验年份对其他3个不同层次的生物量分配均有显著的影响，对RA2和RA4有极显著影响(P<0.01)(见表3).增温除对RA3无显著影响外，对RA1，RA2，RA4均有显著影响，对RA1有极显著影响(P<0.01)(见表3).年份与增温的交互作用对各生殖分配比例均无显著影响.

在RA1层次的生殖分配上，增温后2006年种群对于生殖枝分配的生物量与对照相比没有显著性差异(见表4)，而2007和2008年有显著的降低(P<0.05).在RA2层次上，增温后生殖枝对穗的生物量分配在2006年和2007年均没有显著差异，在2008年有显著增加(P<0.05).在RA3层次上，生殖枝对穗的生物量分配在3个实验年份均没有显著差异.在RA4层次上，2006年和2007年无影响，但在2008年增温显著增加了生殖枝对籽实的生物量分配 (P<0.05)(见表4).

表3 增温和实验年份对生殖分配影响的方差分析

表4 不同实验年份羊草不同层次的生殖分配的变化 %

3 讨论

3.1 羊草的生殖物候期

物候期对温度的响应在寒冷的冬天和春天十分明显[32-33].青藏高原在气候变暖条件下植物返青期和初花期提前，枯黄期推迟[34].Wookey等[10]对一些亚高山物种的研究也表明，增温对物候期的影响一般是从开花期开始，并能够导致随后的一系列生殖过程提前.本文的研究结果与前人的一致，在春季和初夏温度较低时增温影响最为明显，增温能够使羊草的生殖物候期提前7 d左右.在2006年，物候期分数尽管有所提前，但不是很明显，这可能是由于增温对物候期的影响是一个累积的过程，在第一个实验年份，实验是在羊草返青后才正式开始的，所以物候期分数不明显可能与增温时间的长短有关.2007年和2008年增温对物候期的影响较为明显(见图2)，从孕穗开始，物候期就已经比对照提前，尤其是从第一个花粉囊外露以后，增温使得物候期分数增加更为明显.相对于大多数植物而言，生殖始于植株生物量的高低而非年龄大小[35].增温后植株的生长速度加快，叶片扩展较早，光合增加，导致其开花株重量首先达到一定程度，所以物候期提前[36].在本实验中，增温后羊草开花株的生物量比对照要高，说明增温使得羊草生殖枝的生长速度加快，开始有性生殖时其生物量早于对照达到最小生物量，因而物候期提前.

需要指出的是，不同实验年份里增温对物候的影响效果不同，这与年际间气候条件的差异有关.从图1可以看出，2007年在返青后降雨极少，并且同期温度要高于另外两个实验年份，因此，该年物候期延迟可能是由于降雨稀少导致的春旱所致.羊草在开花期时高温干旱的天气条件下，可以推迟开花时间，使物候期延后.Liorens等[37]对地中海地区的一些物种2年的研究同样发现，干旱可以推迟绝大多数开花植物的物候期.

3.2 羊草的生殖输出和生物量分配

植物在不同的生长环境中会采取如增加或者减少生殖投入等不同的生殖策略[38].本文的研究发现，增温显著减少了羊草单位面积的抽穗数量，而增加了单株生物量、每株籽实粒数、每株籽实生物量、每株小花数和千粒重等(见表2).增温能够促进种子生产，可能与增温影响了氮素的利用和土壤水分含量有关.已有研究表明，地表温度升高能够导致土壤氮矿化的速度加快，植物的可利用性营养增加[39-41]，而氮素能够显著地影响羊草的种子生产[42].所以，生殖枝上着生的籽实数和籽实生物量均比对照显著增加.

同时，生殖分配的结果显示尽管在RA2层次上的分配值没有差异(见表4)，但是羊草种群分配给生殖枝的生物量显著减少，而生殖枝分配给小花和籽实的生物量却显著增加了，这说明生殖输出的结果与生殖分配的变化有关[22].Lee[38]同样指出，生殖分配变化的一个重要功能就是使植物的种子数量和大小产生变化.生殖输出和生殖分配的结果说明在增温条件下，羊草种群会通过减少生殖枝的数量而降低对有性生殖总能量的分配，但会促进少量生殖枝更好的结实，即在外界温度连续升高的条件下，羊草这种多年生根茎型禾草会减少有性生殖的投入，而将更多的能量用于无性繁殖，营养枝的数量在增温后明显增加.

从表2同样可以看出，生殖枝数量在实验年份之间有较大差异.研究表明，抽穗数量受到上一年秋季降雨量的影响[24，43].在本文的研究中，2007和2008年增温后抽穗数量显著增加，这可能是由于秋季增温使土壤表面温度增加、湿度降低引起的.在2006年灌浆期，降雨较多、温度较低，增温明显促进了结实粒数和籽粒重量的增加.其他相关的研究[22，44]同样表明，温度影响种子生产，而且和土壤湿度的变化也有联系，尤其在凉爽的夏季能够明显促进种子的生产.本文的研究中，2008年的结实粒数和籽粒重量明显低于前2年，这与开花灌浆期的温度和降雨有关，表明夏季降雨太多且温度很低的气候不利于结实[24].

本文的研究表明，在温度升高的条件下，羊草的生殖物候期会比正常情况下提前5～7 d，羊草种群通过减少种群开花株的数量、增加开花株向籽实的生物量分配，使得籽实数量和籽实重量增加，这表明羊草的有性生殖策略发生了明显的变化.物候适应性的差异可能会影响物种适应气候变暖的能力，物候适应性差的物种在长期的气候变暖期间可能面临越来越大的压力[45].在本研究中生殖物候期和生殖分配均发生了明显的改变，二者同时发生变化也表明了物候期的提前在一定程度上决定着羊草生殖枝的种子生产能力，即开花物候期对于种子生产有着极其重要的作用[11，41，46].有研究已经表明，物候期的提前同样能够影响植物的生殖分配，导致向生殖器官的分配比例增加[10].

Wang等[43，47]的研究表明，生殖枝的数量是限制羊草种子产量的关键，而在本实验中穗数量的降低则可能直接导致产量的降低.本实验中，增温使羊草生殖物候期发生了明显变化，且有性生殖输出策略也发生了相应的改变，但这种变化是增加了还是削弱了羊草生殖能力，暂时还不能肯定.但可以肯定的是，长时间的增温可能会引起由于抽穗数量的降低而导致的种子产量的降低.本文模拟研究的结果表明，在全球气候变暖的背景下，类似于羊草这种典型的多年生根茎型禾草的生殖过程可能会发生较大变化.