海拔對(duì)暗紫貝母物候及形態(tài)特征的影響

徐 波 石福孫 王麗華 楊子松

（1. 中國科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041；2. 阿壩師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，阿壩 623002）

植物物候是植物綜合適應(yīng)生物與非生物因子而形成的以年為周期的自然現(xiàn)象，包括萌芽、開花、結(jié)實(shí)等［1］，反映了植物生長發(fā)育節(jié)律對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)［2］。環(huán)境因子（如溫度、水分、土壤養(yǎng)分等）的變化將影響植物物候期的改變［3～6］，從而影響植物的生長發(fā)育［4，6］。

植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出差異化特征［7～10］。植物在面臨環(huán)境因子改變時(shí)所表現(xiàn)出的形態(tài)特征變化是應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的重要生存策略［11～13］。植物株高和葉面積是兩個(gè)重要的形態(tài)指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于探究植物形態(tài)特征面臨環(huán)境變化時(shí)的適應(yīng)性調(diào)整［13～15］。

海拔作為影響植物生長和分布的綜合環(huán)境因子［13，16］，很大程度上控制著其它環(huán)境因子的變化，如溫度、降水和光照強(qiáng)度等隨海拔變化而表現(xiàn)出規(guī)律性改變［16～17］。植物物候［18～19］和形態(tài)特征［13，20～22］隨海拔變化表現(xiàn)出差異化特征。李蘭暉等［19］研究發(fā)現(xiàn)青藏高原高寒草甸返青期隨海拔上升明顯推遲，而枯黃期則隨海拔上升逐漸提前。劉夢穎等［22］探究全緣葉綠絨蒿（Meconopsis integrifolia）對(duì)不同海拔環(huán)境的形態(tài)適應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)，植物的株高隨海拔升高逐漸減小，葉片隨海拔升高逐漸變小。

名貴瀕危藥用植物暗紫貝母（Fritillaria unibracteata）是百合科（Liliaceae）貝母屬（Fritillaria）多年生草本植物，主要分布于四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣、紅原縣、松潘縣和茂縣等地海拔3 200～4 500 m 的高山草甸和灌草叢［23～24］。由于暗紫貝母種子在野生環(huán)境中萌發(fā)率較低，且長期以來被過度采挖，導(dǎo)致其野生資源量急劇減少［25］。加強(qiáng)暗紫貝母野生資源保護(hù)和研究工作迫在眉睫［26］。目前，學(xué)者關(guān)于暗紫貝母的相關(guān)研究主要針對(duì)其鱗莖藥用成分提取和分析［27～28］。部分學(xué)者開展了野生暗紫貝母形態(tài)和生物量分配特征對(duì)高山環(huán)境的適應(yīng)性研究［9，13，26］；探討了暗紫貝母鱗莖大小和物候在不同海拔的差異［18］。此外，關(guān)于暗紫貝母人工種植方面的研究結(jié)果表明，植物生長調(diào)節(jié)劑浸泡有利于提高種子萌發(fā)率［29］；適度的遮陰與增溫有助于暗紫貝母鱗莖的生長［30］。雖然暗紫貝母人工種植技術(shù)已日漸成熟，但相關(guān)研究主要在高海拔（3 000 m 以上）地區(qū)開展，而對(duì)低海拔（3 000 m 以下）地區(qū)暗紫貝母人工種植研究相對(duì)較少。因此，開展暗紫貝母低海拔人工種植研究對(duì)拓展其產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間具有重要意義，對(duì)充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)價(jià)值起到重要作用。本文選擇5個(gè)海拔開展暗紫貝母野外盆栽試驗(yàn)，探究暗紫貝母物候及形態(tài)特征在不同海拔的差異，旨在回答以下兩個(gè)科學(xué)問題：①海拔對(duì)暗紫貝母物候?qū)a(chǎn)生哪些影響？②海拔對(duì)暗紫貝母形態(tài)特征將產(chǎn)生哪些改變？本文通過探究海拔尤其是低海拔對(duì)暗紫貝母物候及形態(tài)特征的影響，以期為暗紫貝母低海拔人工種植提供參考，以減緩產(chǎn)量與市場需求間的矛盾，緩解野生資源的過度采挖狀況，對(duì)保護(hù)其野生資源具有重要作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料采集

本試驗(yàn)所種植的植物材料為野生暗紫貝母（F. unibracteata），幼苗采集于四川省阿壩藏族羌族自治州松潘縣境內(nèi)的高寒草甸。該區(qū)域位于川西北高原，屬青藏高原東緣岷山山系中段，年平均降水量為720 mm，年平均溫度為5.7℃，土壤類型以山地暗棕壤為主，呈酸性［9］。本試驗(yàn)所選擇的暗紫貝母植株為2 年生階段（俗稱“一匹葉”）。2018年7月中旬，在松潘縣境內(nèi)的高寒草甸（海拔3 500～3 900 m）中采集大小相近的“一匹葉”完整植株500 株裝入無菌自封袋中，并將其移栽至海拔3 413 m 的高寒草甸試驗(yàn)樣地內(nèi)（103°40'58″E，32°59'38″N），進(jìn)行盆栽試驗(yàn)前的預(yù)培養(yǎng)。

1.2 盆栽土壤與容器

盆栽試驗(yàn)所選擇的土壤統(tǒng)一采集于高寒草甸試驗(yàn)樣地（海拔3 413 m）內(nèi)的山地暗棕壤（pH 6.26），通過實(shí)驗(yàn)室分析其主要可溶性土壤養(yǎng)分含量如圖1所示。2018年9月底，對(duì)采集的試驗(yàn)土壤進(jìn)行過篩、消毒、混勻等處理，平鋪晾置2 天后，定量裝入統(tǒng)一規(guī)格的試驗(yàn)容器（長45 cm、寬20 cm、高15 cm的塑料花盆）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為減少暗紫貝母植株在盆栽試驗(yàn)過程中的損傷，在高寒草甸試驗(yàn)樣地內(nèi)進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)前的預(yù)培養(yǎng)，待其地上部分完全枯萎后才挖取鱗莖進(jìn)行移栽。2018 年9 月25 日，挑選300 粒大 小相近的暗紫貝母鱗莖，隨機(jī)種植于裝滿土壤的花盆內(nèi)。每個(gè)花盆種植10粒鱗莖，每粒鱗莖間距5 cm，共計(jì)種植30 盆。在2018 年9 月25 日 至2019 年3 月28日期間，將30盆栽有鱗莖的花盆放置于3 413 m 的試驗(yàn)樣地內(nèi)越冬，以滿足其生長對(duì)低溫的需求。

在2019 年3 月28 日至29 日（此時(shí)花盆中的表層土壤仍處于凍結(jié)狀態(tài)），按每一海拔放置6盆（共計(jì)60 株）的方式將30 盆植物材料分別位移至5 個(gè)海拔（1 174、1 784、2 371、3 076 和3 413 m）的試驗(yàn)樣地內(nèi)（詳見表1）。為避免陽光對(duì)暗紫貝母可能產(chǎn)生的傷害，盆栽試驗(yàn)統(tǒng)一進(jìn)行了50%的遮陰處理（采用透光率為50%的遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮陰）。在生長季（4 月初～9 月底），每隔5～7 d 進(jìn)行澆水、除草等人工管理，使花盆內(nèi)土壤保持濕潤狀態(tài)。

表1 試驗(yàn)樣地概況Table 1 Survey of experimental plots

1.4 物候監(jiān)測

2019 年4 月初至9 月底，每隔5 d 對(duì)暗紫貝母植株的物候階段進(jìn)行監(jiān)測（每一海拔均隨機(jī)選擇30 株）。幼苗開始生長的日期（萌芽期）以植株冒出地面0.5 cm 時(shí)算起；展葉期以葉片出現(xiàn)的日期開始算起，直到葉片達(dá)到其最大面積為止。各海拔的物候監(jiān)測工作直到目標(biāo)植株全部枯黃為止。為了統(tǒng)計(jì)分析方便，本文將記錄物候階段的日期進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，即按照1月1日記為1進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.5 樣品采集

由于每一海拔內(nèi)暗紫貝母的物候節(jié)律存在較大差異，故分別選擇在各海拔植株處于展葉末期進(jìn)行植物樣品采集，即在1 174、1 784、2 371、3 076和3 413 m海拔，其樣品采集時(shí)間分別為：2019年5月30 日、6 月20 日、7 月10 日、7 月30 日和8 月5日。通過1個(gè)生長季的人工種植，分別在每一海拔采集長勢良好且物候階段相近的“一匹葉”暗紫貝母完整植株（包括根、鱗莖和葉片）15株，隨后將植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)處理。

1.6 指標(biāo)測定

暗紫貝母的株高在植物樣品采集前使用米尺（精度為1 mm）進(jìn)行測量；鱗莖的橫軸長和縱軸長使用電子數(shù)顯卡尺（精度0.01 mm，成都成量工具集團(tuán)有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行測量；單葉面積采用高清照片掃描儀（愛普生V370）掃描葉片輪廓，然后采用Matlab-R2016b軟件計(jì)算其單葉面積。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

通過Excel 2018 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，采用SAS 9.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以O(shè)rigin 95 繪圖軟件進(jìn)行作圖。采用SAS 9.2 統(tǒng)計(jì)軟件中的一般線性模型（GLM）進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），探究海拔對(duì)暗紫貝母物候（萌動(dòng)期、展葉期、枯黃期和生長季長度）和形態(tài)特征（株高、單葉面積、鱗莖橫軸長和縱軸長）的影響，并采用Duncan 法進(jìn)行多重比較（顯著水平α=0.05）［31］。

2 結(jié)果與分析

2.1 海拔對(duì)暗紫貝母物候的影響

如表2所示，暗紫貝母在不同海拔進(jìn)行人工種植時(shí)，其萌芽期、展葉期、枯萎期和生長季長度均存在極顯著差異（P＜0.01）。

表2 海拔對(duì)暗紫貝母物候影響的單因素方差分析Table 2 Effects of altitude on phenology of F.unibracteata by one-way ANOVA

如圖2 所示，暗紫貝母的萌芽期、展葉期和枯萎期隨海拔的降低表現(xiàn)出逐漸提前的趨勢。其中，萌芽期在海拔1 174 m 最早，而在3 413 m 最晚，分別為（108.67±3.92）和（141.17±4.68），兩者相差32.5 d（見圖2A）。在海拔1 174 m 展葉期最早，而 在3 413 m 最 晚，分 別 為（116.17±3.64）和（150.17±3.82），兩者相差34 d（見圖2B）。枯萎期在海拔1 174 m 最早，而在3 076 m 最晚，分別為（164.50±5.14）和（231.17±8.38），兩者相差66.67 d（見圖2C）；枯萎期在3 076 和3413 m 差異不顯著（P＞0.05），但顯著晚于其他3個(gè)海拔（P＜0.05）。

如圖2D 所示，暗紫貝母生長季長度隨海拔的降低表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。生長季長度在海拔3 076 m最大，為（114.83±3.59）d，顯著高于其他海拔（P＜0.05）。生長季長度在不同海拔的大小關(guān)系為：3 076 m＞2 371 m＞3 413 m＞1 784 m＞1 174 m，分別為：（114.83±3.59）、（92.00±2.49）、（88.67±2.25）、（79.17±1.90）和（55.83±3.24）d。

2.2 海拔對(duì)暗紫貝母形態(tài)特征的影響

如表3所示，暗紫貝母在不同海拔進(jìn)行人工種植時(shí)，其株高、單葉面積、鱗莖橫軸長和鱗莖縱軸長均存在極顯著差異（P＜0.01）。

表3 海拔對(duì)暗紫貝母形態(tài)特征影響的單因素方差分析Table 3 Effects of altitude on morphological characteristics of F.unibracteata by one-way ANOVA

2.2.1 海拔對(duì)暗紫貝母株高的影響

如圖3A 所示，暗紫貝母株高隨著海拔的降低表現(xiàn)出先增加后減小的特征。株高在海拔2371 m最大，為（11.00±0.70）cm，與海拔1 784 m差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于其他海拔（P＜0.05）。株高在不同海拔間的大小關(guān)系為：2 371 m＞1 784 m＞3 076 m＞3 413 m＞1 174 m，分別為：（11.00±0.70）、（10.67±0.63）、（8.43±0.79）、（8.05±0.90）和（7.71±0.93）cm。

2.2.2 海拔對(duì)暗紫貝母單葉面積的影響

如圖3B 所示，暗紫貝母單葉面積隨海拔的變化特征與株高相似，表現(xiàn)出先增加后減小的特征。單葉面積在海拔2 371 m 最大，為（7.71±0.87）cm2，顯著高于其他海拔（P＜0.05）。單葉面積在不同海拔間的大小關(guān)系為：2 371 m＞3 076 m＞3 413 m＞1 784 m＞1 174 m，分別為：（7.71±0.87）、（6.65±0.77）、（6.45±0.92）、（6.27±0.85）和（4.78±0.89）cm2。

2.2.3 海拔對(duì)暗紫貝母鱗莖橫軸長的影響

如圖3C 所示，暗紫貝母鱗莖橫軸長隨海拔降低表現(xiàn)出先增加后減小的特征。鱗莖橫軸長在海拔3 076 m 最大，為（10.63±0.87）mm；與海拔2 371 m 差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于其他海拔（P＜0.05）。鱗莖橫軸長在不同海拔間的大小關(guān)系為：3 076 m＞2 371 m＞1 784 m＞1 174 m＞3 413 m，分別為：（10.63±0.87）、（10.25±0.92）、（8.02±0.94）、（4.70±0.46）和（4.49±0.58）mm。

2.2.4 海拔對(duì)暗紫貝母鱗莖縱軸長的影響

如圖3D 所示，暗紫貝母鱗莖縱軸長隨海拔變化的特征與鱗莖橫軸長相似，表現(xiàn)出先增加后減小的特征。鱗莖縱軸長在海拔3 076 m 最大，為（12.11±0.72）mm；與海拔2 371 m 差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于其他海拔（P＜0.05）。鱗莖縱軸長在不同海拔間的大小關(guān)系為：3 076 m＞2 371 m＞1 784 m＞1 174 m＞3 413 m，分別為：（12.11±0.72）、（11.72±0.60）、（9.66±0.54）、（5.14±0.22）和（4.83±0.45）mm。

3 討論

面對(duì)嚴(yán)酷多變的高山環(huán)境，多數(shù)高山植物需經(jīng)歷較長時(shí)間才能積累充足的營養(yǎng)物質(zhì)完成其生活史［17，32］。暗紫貝母（F. unibracteata）屬于典型的高山植物，在長期適應(yīng)嚴(yán)酷多變的高山環(huán)境中形成了獨(dú)特的生活史特征［13］。通常情況下，暗紫貝母至少需要4 年時(shí)間方可完成從種子萌發(fā)到開花結(jié)果的生活史階段，即種子萌發(fā)后1 年，其地上部分僅長出一片很細(xì)的葉，俗稱“一根針”；第2 年則長出一片寬大的葉，俗稱“一匹葉”；第3 年則形成地上莖，并著生數(shù)片葉，俗稱“樹兒子”；第4 年則在地上莖頂端著生紫色的燈籠狀花，俗稱“燈籠花”［26］。然而，以上4 個(gè)階段的形態(tài)特征并非按照時(shí)間規(guī)律一成不變，即“一匹葉”階段的暗紫貝母植株可能是種子萌發(fā)后2年的植株，也有可能是第3 年甚至更多年的植株在遇到不利環(huán)境時(shí)退回至“一匹葉”階段［33］。本文研究發(fā)現(xiàn)，“一匹葉”階段的暗紫貝母植株在經(jīng)過1個(gè)生長季后，大量植株仍然處于“一匹葉”階段。這一結(jié)果也印證了上述現(xiàn)象。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因可能是暗紫貝母鱗莖中所積累的營養(yǎng)物質(zhì)不能滿足其進(jìn)入下一生長階段（“樹兒子”階段）。因此，用“一匹葉”來描述暗紫貝母生活史階段要比用“2 年生”更符合其生長發(fā)育狀況。本文則主要探究“一匹葉”階段暗紫貝母經(jīng)過1 個(gè)生長季人工種植后仍處于“一匹葉”階段的植株物候及形態(tài)特征在不同海拔的差異。

3.1 海拔對(duì)暗紫貝母物候的影響

本研究從低海拔（1 174 m）至高海拔（3 413 m）分別設(shè)置了5 個(gè)海拔高度，探討不同海拔人工種植對(duì)暗紫貝母物候的影響。研究表明，暗紫貝母萌芽期和展葉期隨海拔降低表現(xiàn)出顯著提前的特征（P＜0.05；見圖2：A～B）。這一結(jié)果與陳文年等［18］在青藏高原東緣3 500～3 950 m海拔范圍內(nèi)進(jìn)行人工移栽試驗(yàn)結(jié)果一致。這表明，隨著海拔的降低，溫度增加將大大提前暗紫貝母的生長啟動(dòng)時(shí)間。然而，暗紫貝母枯萎期并未完全表現(xiàn)出與萌芽期和展葉期隨海拔梯度降低而顯著提前的結(jié)果，而表現(xiàn)出其枯萎期在3 076 m 比3 413 m 存在延遲的趨勢。這表明，在高海拔地區(qū)適度增溫將延遲暗紫貝母的枯萎期。這與部分學(xué)者關(guān)于增溫對(duì)青藏高原高寒草甸植物物候格局影響的結(jié)果一致［34～35］。通過分析暗紫貝母生長季長度在不同海拔間的差異發(fā)現(xiàn)，其生長季在3 076 m 最長，可達(dá)到（114.83±3.59）d；在2 371m 次之，可達(dá)到（92.00±2.49）d，而在其他海拔則相對(duì)較短（見圖2D）。由此可以看出，暗紫貝母生長季長度在2 371～3 076 m 范圍相對(duì)較長，有利于其積累足夠的營養(yǎng)物質(zhì)滿足生長發(fā)育需要。海拔太低，其生長季長度過短，不利于其生長發(fā)育。這印證了劉先齊［36］關(guān)于暗紫貝母引種至低海拔地區(qū)不利于其正常生長發(fā)育的研究結(jié)果。

3.2 海拔對(duì)暗紫貝母形態(tài)特征的影響

海拔作為一個(gè)重要的綜合環(huán)境因子對(duì)高山植物的生長發(fā)育及生存策略具有重要作用［13，32，37］。植物形態(tài)特征隨著海拔的變化存在明顯差異［20～21］，這在很大程度上體現(xiàn)為對(duì)溫度變化的響應(yīng)。本文選擇的5個(gè)海拔之間，其生長季節(jié)土壤平均溫度差異明顯，最低海拔與最高海拔之間的溫度差為9.46℃，且海拔間的溫度差最小為1.82℃（見表1）。本研究表明，暗紫貝母株高隨海拔降低表現(xiàn)出先增加后減少的特征，株高在海拔2 371 m最大（見圖3A）。暗紫貝母株高在高海拔范圍隨海拔的升高表現(xiàn)出矮化的特征。這與徐波等［9］對(duì)野生暗紫貝母形態(tài)特征隨海拔梯度變化的調(diào)查研究結(jié)果一致。此外，暗紫貝母株高在低海拔范圍隨海拔的升高則表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。這些結(jié)果表明，暗紫貝母在高海拔地區(qū)個(gè)體矮小表現(xiàn)出對(duì)低溫環(huán)境和較短生長季的適應(yīng)［9，13，32］；而在低海拔地區(qū)其個(gè)體變小則一方面表現(xiàn)出對(duì)高溫環(huán)境的不適，另一方面則與其顯著縮短的生長季長度密切相關(guān)。

暗紫貝母單葉面積隨海拔的變化特征與株高相似，即隨海拔增加表現(xiàn)出先增加后減小的特征，其單葉面積在海拔2 371 m 最大（見圖3B）。暗紫貝母單葉面積在高海拔范圍表現(xiàn)出隨海拔升高而減小的特征。這與徐波等［9］關(guān)于野生暗紫貝母形態(tài)特征調(diào)查研究結(jié)果一致。而在低海拔梯度范圍則表現(xiàn)出隨海拔升高而增加的特征。出現(xiàn)這些結(jié)果可能的原因有以下兩個(gè)方面：一是在高海拔地區(qū)隨海拔的增加，環(huán)境溫度明顯降低，葉面積減小有利于增加植物的抗凍能力［13，38～39］，以適應(yīng)低溫環(huán)境。二是在低海拔地區(qū)隨著海拔的降低，暗紫貝母生長季長度顯著縮短，其葉面積減小則表現(xiàn)出對(duì)低海拔地區(qū)環(huán)境的不適應(yīng)。因此，通過分析暗紫貝母葉面積在不同海拔的差異可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低其種植海拔有利于植株葉面積的增加，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累；但海拔過低將限制其葉片大小，不利于光合產(chǎn)物的形成。

本研究表明，暗紫貝母鱗莖橫軸和縱軸長均隨海拔梯度的降低，表現(xiàn)出先增加后減小的特征，且在3 076 m 和2 371 m 兩個(gè)海拔顯著高于其他3個(gè)海拔（見圖3：C～D）。鱗莖作為暗紫貝母的地下儲(chǔ)藏組織，起到貯存營養(yǎng)物質(zhì)滿足其生長發(fā)育的重要作用［26］。通過分析暗紫貝母鱗莖橫軸和縱軸長在不同海拔的差異可以發(fā)現(xiàn)，其鱗莖大小在3 076 m 和2 371 m 最大。這表明，在暗紫貝母人工種植過程中，適當(dāng)降低其海拔有利于鱗莖的生長，但海拔過低將限制其正常生長。一方面表現(xiàn)為適當(dāng)降低其海拔（2 371～3 076 m）將有助于延長其生長季長度，從而促進(jìn)鱗莖的生長。另一方面則表現(xiàn)為環(huán)境溫度隨海拔的降低而升高，這將促進(jìn)其生長發(fā)育；但超過其溫度閾值又將抑制其正常生長。綜上，如果考慮暗紫貝母鱗莖大小這一方面，可選擇在2 371～3076 m 的海拔范圍進(jìn)行其人工種植。

4 結(jié)論

“一匹葉”階段暗紫貝母各物候階段隨海拔降低表現(xiàn)出逐漸提前的特征；而生長季長度則隨海拔降低表現(xiàn)出先增加后減少的特征，且在海拔3 076 m 其生長季長度最長。暗紫貝母株高、單葉面積、鱗莖橫軸長和縱軸長均隨海拔降低呈現(xiàn)出先增加后減少的特征。本研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低海拔有利于延長暗紫貝母生長季長度，促進(jìn)其鱗莖的生長。如果從生長季長度和鱗莖大小的角度考慮，暗紫貝母低海拔種植的海拔范圍可選擇在2 371～3 076 m。