青藏高原東部4科植物種子大小和比葉面積隨海拔和生境的變異

齊威，郭淑青，崔現亮，陽敏，張永東，杜國禎，卜海燕

（1.蘭州大學生命科學學院生態研究所，甘肅 蘭州730000；2.甘肅民族師范學院化學與生命科學系，甘肅 合作747000；3.思茅師范高等?？茖W校生命科學系，云南 普洱665000；4.武威市涼州區畜牧獸醫局，甘肅 武威733000）

＊種子大小是植物重要的生活史特征之一，它影響一個物種繁殖對策的多個方面，如萌發特征、幼苗存活率和種子數量［1］。另外，種子的散布、幼苗定居、被捕食的幾率，以及群落中物種的豐富度、種群的分布格局和群落的更新演替也都與種子大小有關。種子大小的變異是植物在自然環境下選擇和遺傳上的一種進化行為，不同大小的種子是植物適應環境和進化的結果。種子大小變異既受遺傳的控制，又受性狀間協同進化的約束，還受環境的影響［2－4］。作為種子大小變異的一個主要選擇壓力，環境因素對種子大小的影響主要體現在溫度、水分、光照以及土壤組成等形成的綜合因子差異上。在區域尺度上，尤其是高山地區，海拔差異因構成了不同的水、光、熱、土壤梯度，已成為影響種子大小的主要因子之一。目前，不同海拔梯度下種子大小變異已經成為生態學的研究熱點之一，Pluess等［5］在阿爾卑斯山的研究后發現隨著海拔升高屬內種子重量隨著海拔升高而增大，并認為高海拔地區嚴酷的環境壓力不利于幼苗成功建植，大種子物種因為能產生較大的幼苗而被選擇下來。但一些其他研究并不同意這一觀點［6－8］，他們認為凈初級生產力（NPP）是解釋種子大小在海拔方向上變異的變量之一，因為隨著海拔升高NPP通常降低，所以單位面積內可以轉化成種子的生物量和種子大小也會相應減少。

比葉面積（specific leaf area，SLA）是指單位干重的鮮葉表面積，其數值大小直接受葉片厚度、形狀和重量的影響，在一定程度上反應了葉片截獲光的能力和在強光下的自我保護能力［9］。SLA往往與植物的生長和生存對策有緊密的聯系，能反映植物對不同生境的適應特征，也是評價群落生產力水平及其結構是否合理的指針之一。比葉面積不僅可以用來推斷光合作用、蒸發、蒸散等過程以及估算陸地生態系統凈生產力，而且還可以作為參數輸入到水平衡、全球碳循環等模型中，SLA的測量對提高這些模型的運行效果至關重要［10，11］。另外，比葉面積是物種層面的特征參數，是物種在長期適應環境過程中形成的屬性之一。正因為如此，有人提出把比葉面積作為植物適應環境策略的分類依據之一［12］。因此，加強對這一葉性狀的格局分析研究將有助于從機理上解釋植被對全球氣候變化尤其對青藏高原高寒環境的適應與響應機制。

作為全球海拔最高的一個獨特地域單元，青藏高原是敏感響應全球變化和人為干擾的關鍵性研究地區，也是全球生物多樣性保護的重點區域之一［13－15］，其東部山地是青藏高原、黃土高原和秦嶺山地的交匯地帶，該區海拔變化大，地形復雜，氣候寒冷多變，植被垂直差異顯著，群落結構復雜，物種豐富度高。毛茛科、虎耳草科、龍膽科和石竹科植物在該區域分布廣泛，屬青藏高原優勢種。本研究致力于了解種子大小和比葉面積在高寒環境中隨海拔梯度和生境變化的變異模式及其生物學和進化意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青藏高原東部甘肅省甘南藏族自治州（100°50′～104°30′E，33°05′～35°25′N），海拔1 500～4 000 m。氣候特點是高寒濕潤，降水主要受西南季風控制，自東南向西北方向逐漸減少；降水季節分配極不均勻，雨季和旱季分明，年均降水量500～800 mm，雨季集中在7—9月；地面氣溫區域差異顯著，溫度季節差異明顯，沿海拔氣候從年均溫近14℃且無霜期超7個月的暖溫帶南緣過渡到年均溫不足－4℃且沒有無霜期的高寒地帶。該地區太陽輻射量達0.586～0.795 MJ／（cm2·a），是我國太陽總輻射值最高的地區之一。其植被以多年生草本和灌木為主。植被類型主要包括典型高寒草甸、高寒灌叢、亞高山針葉林、高寒沼澤草甸和高寒山地草甸等。

1.2 試驗材料和方法

63種植物的成熟種子和葉片于2006年和2007年的6－10月在青藏高原東部地區的甘南藏族自治州境內采集，同時記錄每種植物所處的海拔和生境特點（表1）。每一物種的種子隨機在20株以上的個體上盡量多而且均勻采取，然后將每一物種的所有種子充分混合，以避免母株對種子大小的影響。去除不成熟的種子和被昆蟲啃食的種子，并人工去除果肉、自然風干（種子含水量保持在12%～15%）、貯藏。以每100粒種子為單位用萬分之一電子天平進行稱量，3次重復，其平均值為種子平均百粒重量。每一物種的成熟、健康、完整的葉片隨機在10株以上的個體上盡量多而且均勻采取，然后將每一物種的所有葉片充分混合，以避免母株對葉面積及比葉面積的影響。用掃描儀（Epson－1670）掃描植物葉片以測量葉面積。根據葉片大小，每次掃描葉子3～15片，共掃描3組。掃描完畢后用水沖洗干凈，80℃下烘干至恒重，稱重。比葉面積（specific leaf area，SLA）計算方法如下［16，17］：

1.3 數據分析

數據分析前，種子大小和比葉面積均經對數轉化以消除原始數據的不正態性，經轉換后的數據用SPSS 16.0軟件進行分析。其中，Person’s相關分析用于檢測種子大小和比葉面積的關系，線性回歸分析用于檢測種子大小和比葉面積與海拔的關系，單因素方差分析（One－way ANOVA）和最小顯著差數法（LSD）用于不同生境下植物種子大小和比葉面積的比較及其差異顯著性檢驗；另外，由于海拔和生境2個因子對種子大小和比葉面積的影響可能存在共線性問題，用單因素協方差分析（One－way ANCOVA）來比較和區分二者的影響。最后，考慮到科內不同生境下的種子大小和比葉面積方差不齊，用非參數的Kruskal－Wallis H分析來檢驗生境對科內種子大小和比葉面積的影響，并用線性回歸分析來檢驗科內種子大小和比葉面積隨海拔的變異趨勢。

2 結果與分析

2.1 種子大小與比葉面積的關系

相關分析顯示63種植物的種子大小與比葉面積（表1）存在邊際明顯的負相關關系（R＝－0.233，P＝0.066）。

2.2 種子大小隨海拔及生境的變異

回歸分析顯示不但總體上63種植物的種子大小與海拔不相關（P＝0.376；圖1A），而且每個科科內的種子大小與海拔也沒有明顯的相關性（表2）。

另外，單因素方差分析（One－way ANOVA）和最小顯著差數法（LSD）未發現不同生境下植物種子大小有顯著差異（圖2A）。

同時，Kruskal－Wallis H檢驗顯示4個科植物在不同生境下的種子大小均沒有明顯的變異趨勢（表2），即生境類型對科內種子大小沒有顯著影響。

表1 試驗用物種及部分數據Table 1 Species included in the experiment and part of the data

續表1 Continued

圖1 海拔對63種植物種子大小和比葉面積的影響Fig.1 Effect of altitude on seed mass（A）and specific leaf area（B）of 63 plant species

圖2 不同生境下的植物種子大小和比葉面積Fig.2 Seed mass（A）and specific leaf area（B）in different habitats

表2 科內種子大小與海拔和生境的關系Table 2 Relationship between seed mass and altitude or habitats within family

2.3 海拔對不同生境下植物種子大小的影響

協方差分析顯示海拔和生境對種子大小變異均無顯著影響（表3），這與單因素方差分析結果相似。然而，當用線性回歸分析海拔對不同生境下植物種子大小的影響時，發現在林下環境中，種子大小與海拔有顯著的負相關關系（R＝－0.687，P＝0.049），即種子大小隨海拔的升高有減小的趨勢；在草地（R＝0.045，P＝0.822）、林緣（R＝－0.087，P＝0.733）及其他生境（R＝0.436，P＝0.280）中海拔對種子大小沒有影響（圖3）。

表3 海拔和生境對種子大小和比葉面積的協同影響Table 3 Combined effects of altitude and habitat on seed mass and SLA

2.4 比葉面積和海拔以及生境之間的關系

整體來看，63種植物的比葉面積和海拔之間呈顯著的負相關關系（R＝－0.351，P＝0.005），即比葉面積隨著海拔的升高而顯著減?。▓D1 B）。另外，石竹科和虎耳草科植物的比葉面積不受海拔梯度的影響，而龍膽科和毛茛科植物的比葉面積與海拔顯著負相關，即其比葉面積隨海拔的升高顯著減小（表4）。

圖3 不同生境下海拔對種子大小的影響Fig.3 Effect of altitude on seed size under different habitats

表4 科內比葉面積與海拔和生境的關系Table 4 Relationship between specific leaf area and altitude or habitats within family

比葉面積在不同生境條件下表現出明顯的差異，LSD的多重比較顯示，比葉面積在林下環境中最大（圖2 B）。另外，Kruskal－Wallis H檢驗顯示4個科植物在不同生境下的比葉面積均沒有明顯的變異趨勢（表4），即生境類型對科內比葉面積沒有顯著影響。

2.5 海拔對不同生境下植物比葉面積的影響

協方差分析顯示海拔和生境對植物比葉面積變異均有顯著影響（表3），這與單因素方差分析結果相同。當用線性回歸分析海拔對不同生境下植物比葉面積的影響時，發現在草地生境中隨著海拔升高比葉面積顯著減?。≧＝－0.479，P＝0.010），而在林下（R＝－0.154，P＝0.692）、林緣（R＝0.478，P＝0.763）和其他（R＝－0.478，P＝0.231）生境下海拔對比葉面積沒有顯著影響（圖4）。

3 討論

3.1 種子大小和比葉面積的關系

作為植物功能性狀的2個重要組成部分，有關比葉面積和種子大小關系的研究并不多。僅有的研究［18，19］發現具有較大種子的植物一般具有較小的比葉面積，并認為產生這種結果的原因可能與植物的生活史策略有關，即常綠的、壽命長久的植物種類（典型的K－對策者）一般具有較低的比葉面積、較長的葉片壽命和較低的潛在相對生長率，并具有較大的種子；而短命的植物（典型的r－對策者）一般具有較高的潛在相對生長率和比葉面積，并具有較小而多的種子，因此，比葉面積和種子大小間的關系可能是間接的，它們通過植株和葉片壽命以及潛在生長率而發生聯系。本研究在青藏高原也發現了這種負相關（邊際顯著），表明比葉面積和種子大小間的這種由植物生活史策略（如K－r對策等）介導的聯系具有普適性。

3.2 種子大小與海拔和生境的關系

一般情況下，環境不同，物種間或同一物種的不同種群間都可能存在種子大小的變異。然而，從整體上看，本研究結果并沒顯示海拔梯度和生境類型對青藏高原東部這4個典型植物科的種子大小有明顯的影響，其可能的解釋有以下兩點。第一，高海拔地區嚴酷的環境壓力選擇大種子及其幼苗生存，但較低的凈初級生產力（NPP）又不利于種子發育，這2個截然相反的壓力很多時候可能會保持平衡，使得種子大小隨海拔沒有明顯的變化趨勢［5－8］。第二，本實驗所用的材料全部為草本植物，并不包括本區系內的木本植物。草本植物本身選擇大種子受到限制，因為草本植物沒有木質化結構，植物莖尤其是末端所能承受的重量（大部分為種子的重量）有限，這樣就內在地限制了草本植物的種子大?。?0］。

圖4 不同生境下比葉面積隨海拔的變異Fig.4 Effect of altitude on specific leaf area in different habitats

值得注意的是，盡管海拔和生境整體上對種子大小都沒有影響，但是種子大小在生境和海拔的協同作用下卻表現出了差異。本研究結果表明，林下生長植物的種子大小隨海拔梯度有相對大的變異，其原因可以用種子大小在群落學中的作用來解釋。一般而言，大種子植物（尤其植物在幼苗階段）對光照、土壤水分和營養有較強的競爭能力，也更能忍受資源（光、土壤營養等）的缺失。在低海拔的森林中，建群種主要以各種槭樹和櫟樹等大種子植物為主，在這類植物的競爭壓力下，林下的草本植物必須有較大的種子才不至于被排斥出去而實現共存；相反，在高海拔的灌叢中，建群種主要以各種杜鵑花和金露梅等小種子植物為主，林下的草本植物可以有不太大的種子便不會被木本排斥出去而實現共存。

3.3 比葉面積與海拔和生境的關系

與種子大小不同，青藏高原東緣這4個常見植物科的比葉面積隨海拔升高顯著減小，其原因可能是隨著海拔的升高，光照強度增大，環境變得嚴酷，葉中很大一部分物質用于構建保衛結構（防蟲食、防止過度失水等）或者增加葉肉細胞密度，常形成厚度較大而面積較小即比葉面積較小的葉片［10］。另外，比葉面積在不同生境條件下也表現出明顯的差異，表現出遮陰越大其值越大的特點。這可能是因為在遮陰環境下，植物從種子萌發到幼苗建植都處在高大木本植物的“保護”下，植物葉不需要面對強光、強風、動物踐踏和蟲食等外界壓力，因此也不需要構建強大的保護組織。相反，由于遮陰使單位葉面積能獲得的光資源變少，植物通常發育厚度薄而表面積大的葉片來增加自身的光捕獲能力［19］。

值得注意的是，并不是所有生境下的比葉面積隨海拔都有明顯的變化，本研究結果顯示，植物的比葉面積只在草地中隨海拔變異顯著。草地的生境相對開闊，光照和風可以直接作用于植物葉片表面，因此，隨著海拔升高，太陽光輻射、紫外線、風速明顯變強，草地上的植物唯有改變比葉面積才能適應如此的環境變化；相反，在相對郁閉的林下、林緣環境中，木本植物的軀干和冠層阻擋了部分的太陽光輻射和紫外線，減弱了風速，并創造了微環境而減弱巨大的晝夜溫差，因此，在這種木本植物的“保護”下，林下和林緣草本所面臨的太陽光輻射、紫外線和風速隨海拔變化并不明顯，其比葉面積隨海拔的變化也不明顯。然而，這種解釋并不適用于同樣開闊的其他生境中的植物?！捌渌鄙吃趯嶒炛卸嗍歉蓴_嚴重或資源貧瘠的生境，可能在這種生境下光照不是植物適應環境時的主要壓力，植物并不是選擇比葉面積，而是選擇其他功能性狀的變異來適應海拔的變化，至于是選擇哪些功能性狀并不清楚，有待進一步研究。

3.4 科水平上的變異

根據本研究結果，青藏高原東緣這4個常見植物科科內的種子大小變異均不依賴于海拔和生境（表2），其原因可能是種子大小變異受系統發育影響，具有系統發育上的保守性。一些研究表明種子大小變異本身受到與分類學上相聯系的特征地制約，包括心皮數、胎座類型、有無胚乳和胚珠類型等，這些特征是不易改變的，在科內以保守的方式表達，使得科內種子大小變異獨立于環境變化［21－23］。相反地，這4個常見植物科科內比葉面積隨海拔變異卻出現科間差異（表4），表現為龍膽科和毛茛科植物的比葉面積與海拔顯著負相關而另兩科不相關，這一結果暗示在宏觀地理因素（如海拔）的選擇壓力下，不同植物類群可能會采取不同的生存策略，即改變不同的植物性狀，來適應這一壓力。另外，本研究還發現，沒有一個科的比葉面積和生境有明顯關系，這一結果可能表明微觀的地理因素（如生境）還不足以對科水平上的種子大小或比葉面積產生較大的影響。

本實驗中所采集的物種并沒有包含該科在青藏高原東部分布的全部物種，也沒有考慮諸如水分、溫度等氣候因子的影響，有一定的局限性。考慮到本實驗中的材料都是本區最典型和最常見的一些植物，本研究結果對研究本區域植物種子大小和比葉面積的變異有一定的參考價值。

［1］ 張世挺，杜國禎，陳家寬.種子大小變異的進化生態學研究現狀與展望［J］.生態學報，2004，23（2）：353－364.

［2］ Hodgson J G，Mackey J M L.The ecological specialization of dicotyledonous families within a local flora：some factors constraining optimization of seed size［J］.New Phytologist，1986，104：497－515.

［3］ 郭淑青，齊威，王玉林，等.青藏高原東緣海拔對植物種子大小的影響［J］.草業學報，2010，19（1）：50－58.

［4］ 柯君，王慧春，周華坤，等.三江源區高寒草甸43種植物繁殖體質量比較［J］.草業科學，2010，27（3）：15－20.

［5］ Pluess A R，Schütz W，Stcklin J.Seed weight increase with altitude in Swiss Alps between related species but not among population of individual species［J］.Oecologia，2005，144：55－61.

［6］ Baker H G.Seed weight in relation to environmental conditions in California［J］.Ecology，1972，53：997－1010.

［7］ Bu H Y，Ch X L，Xu X L，etal.Seed mass and germination in an alpine meadow on the eastern Tsinghai－Tibet Plateau［J］.Plant Ecology，2007，191：127－149.

［8］ Bondeau A，Kicklighter D W，Kaduk J.Comparing global models of terrestrial net primary productivity（NPP）：importance of vegetation structure on seasonal NPP estimates［J］.Global Change Biology，1999，5：35－45.

［9］ Wright I J，Cannon K.Relationships between leaf lifespan and structural defences in low nutrient，sclerophyll flora［J］.Functional Ecology，2001，15：351－359.

［10］ Reich P B，Ellsworth D S，Walters M B，etal.Generality of leaf train relationships：a test across six biomass［J］.Ecology，1999，80：1955－1969.

［11］ Wright I J，Westoby M，Reich P B.Convergence towards higher leaf mass per area in dry and nutrient poor habitats has different consequences for leaf life span［J］.Journal of Ecology，2002，90：534－543.

［12］ Westoby M A.Leaf－height－seed（LHS）plant ecology scheme［J］.Plant and Soil，1998，199：213－227.

［13］ 韓立輝，尚占環，任國華，等.青藏高原“黑土灘”退化草地植物和土壤對禿斑面積變化的響應［J］.草業學報，2011，20（1）：1－6.

［14］ 曹文俠，徐長林，張德罡，等.杜鵑灌叢草地土壤容重與水分特征對不同休牧模式的響應［J］.草業學報，2011，20（3）：28－35.

［15］ 楊霞，梁艷，陳學林，等.青藏高原東緣地區常見植物種子大小變異研究［J］.生態科學，2007，26（6）：483－489.

［16］ 馮燕，王彥榮，胡小文.水分脅迫對幼苗期霸王葉片生理特性的影響［J］.草業科學，2011，28（4）：577－581.

［17］ 馮燕，王彥榮，胡小文.水分脅迫對兩種荒漠灌木幼苗生長與水分利用效率的影響［J］.草業學報，2011，20（4）：293－298.

［18］ Garnier E.Growth analysis of congeneric annual and perennials grass species［J］.Journal of Ecology，1992，80：665－675.

［19］ Reich P B，Walters M B，Ellsworth D S.Leaf life－span in relation to leaf，plant，and stand characteristics among diverse ecosystems［J］.Ecological Monographs，1992，62：365－392.

［20］ Westoby M，Falster D S，Moles A T，etal.Plant ecological strategies：some leading dimensions of variation between species［J］.Annual Review of Ecology and Systematics，2002，33：125－159.

［21］ Leishman M R，Westoby M，Jurado E.Correlates of seed size variation－a comparison among five temperate floras［J］.Journal of Ecology，1995，83：517－529.

［22］ Lord J，Westoby M，Leishman M.Seed size and phylogeny in six temperate floras：constraints，niche conservatism，and adaptation［J］.American Naturalist，1995，146：349－364.

［23］ Crisp M D，Arroyo M T K，Cook L G，etal.Phylogenetic biome conservatism on a global scale［J］.Nature，1995，458：754－756.