水文恢復與河蟹養殖對鹽堿化沼澤蘆葦種群有性生殖特征的影響

陳均則，崔銘洋，李曉宇，穆春生

(1.中國科學院濕地生態與環境重點實驗室，中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春 130102；2.東北師范大學草地科學研究所，植被生態科學教育部重點實驗室，吉林長春 130024；3.延邊大學農學院，吉林延邊 133002)

松嫩平原西部分布著蘇打型鹽堿化沼澤，是典型的生態脆弱區。1954年至2008年，松嫩平原西部濕地面積由640×104hm2下降到160×104hm2，鹽堿地面積增加了1.73倍[1-2]。沼澤生態系統退化是鹽堿地面積增大的主要原因之一[3]。治理鹽堿地和恢復沼澤是當前研究的熱點，對松嫩平原西部生態安全和經濟發展具有重要意義。

蘆葦(Phragmites australis)是松嫩平原西部鹽堿化沼澤的優勢物種，其生態幅廣、無性繁殖力強，具有很強的生境適應性。蘆葦沼澤為鳥類提供了棲息地，并具有凈化水質和調節氣候等作用。蘆葦是重要的纖維原料，有顯著的經濟價值。在自然生境中，蘆葦種群依靠克隆繁殖來完成種群擴張[4-5]，極少利用種子進行種群擴張[6]；蘆葦的有性生殖能力很弱，結實率較低，其抽穗[7]、開花[8]、結實[9]和種子萌發[10]受環境條件影響巨大。蘆葦種群恢復和重建通常采用挖取蘆葦根狀莖進行移栽方法[11]，但是該方法實施成本較高。因此，有必要提高蘆葦種群有性生殖能力和種子結實率。

克隆植物的有性生殖取決于環境條件，水是影響植物生長繁殖的關鍵因素。地下水位較低通常會導致植物生長季節開始和結束時間的延遲[12]；非生長季增水推遲了部分植物生長營養物候[13]；不同深度的淹水對虉草(Phalaris arundinacea)的生長及退水后的繁殖產生了嚴重影響[14]；淹水深度和鹽分都是影響蘆葦存活率、株高、分蘗數和結穗率的因素[15]；在降水量小的年份，冷地早熟禾(Poacrymophila)生殖枝生物量、地上與地下生物量明顯減??；在冬季長期水淹下，秋華柳(Salix variegate)會顯著降低繁殖分配比例和全株生物量及單株花序數[16]。

適當開展養殖活動有利于作物的生長積累和土壤的環境優化，如稻-鴨共育模式可以促進水稻增產，鴨子通過取食可以減少水稻無效分蘗，提高水稻成穗率，鴨子活動和排泄可以降低土壤緊實度，提高土壤養分，利于水稻根系的生長[17]。與單一種稻相比，稻-蟹生態種養模式可以改善土壤理化性質[18]，提升水稻土的微生物物種豐富度，加速營養物質循環，提高作物產量[19]。蘆葦-魚-蟹養殖模式下的蘆葦產量也得到顯著提高[20]。目前，葦蟹養殖中河蟹養殖對蘆葦種群有性生殖方面的影響還未見報道。

碳和氮元素是植物生長所必需的元素，碳氮比在一定程度上可以反映植物體內養分元素的利用率[21]。碳和氮元素的相對穩定狀態容易受到外界環境干擾而發生改變[22]。土壤濕度增大會促進植物固定CO2能力。玉米灌漿期含氮營養物主要向其子粒轉移，因此穗中的氮元素含量會普遍偏大[23]。環境增溫會提高青藏高原植物對氮的利用效率，碳氮比減小[24]。環境條件變化，誘導植物對營養元素進行權衡和重新分配，碳和氮元素含量的變化也是植物對環境條件的響應。

在松嫩平原西部選擇退化區、水文恢復區和河蟹養殖區的蘆葦種群為研究對象，通過調查蘆葦種群密度和株高等生長指標以及抽穗和結實等有性生殖特征，分析莖葉和穗的碳和氮養分含量，研究水文恢復和河蟹養殖對蘆葦有性生殖特征的影響，以期為提高蘆葦種子繁殖能力提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區

在中國科學院東北地理與農業生態研究所松嫩平原西部鹽堿濕地生態研究站(45°13′N～45°16′N，123°13′E～123°21′E)，開展實驗。該區是由霍林河與洮兒河水力運動產生的河間洼地積水形成[25]，面積約為33 km2。該區氣候屬中溫帶半干旱季風氣候，年降水量為395.7 mm，年蒸發量為1 696.9 mm，年總輻射量為525.9 kJ/cm2，≥10 ℃活動積溫為2 921.3 ℃，無霜期為137 d，土壤為鹽化沼澤土和堿土[26]。21 世紀初，由于區域氣候特征導致沼澤退化，部分區域甚至形成鹽堿地。2000年以后，開展了引水工程恢復退化沼澤的水文條件[27]以及合理養殖中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis，俗稱河蟹)技術[28-29]的研究。研究區沼澤的水文恢復受上游察爾森水庫供水限制，導致沼澤補水中斷，2019年沼澤區再次干涸，2020年初，恢復水源供給。

1.2 研究方法

在研究區內，選擇無水源補給的退化區、水文恢復區和水文恢復同時進行河蟹養殖的區域(河蟹養殖區)，采集不同區域的蘆葦種群樣品，作為研究對象(表1)。水文恢復區和河蟹養殖區內蘆葦種群的生長水位都為80 cm，2021 年4 月底，向河蟹養殖區投放了15 kg/hm2的中華絨螯蟹蟹種。

2021 年10 月12 日，在蘆葦種群生長季末，分別在退化區、水文恢復區和河蟹養殖區，隨機設置5 個面積為0.5 m×0.5 m 的樣方，調查單位面積蘆葦的密度和抽穗數。利用米尺，測量其株高和穗長。然后，采用破壞性取樣的方式，收割蘆葦地上部分并帶回實驗室內。

在每個實驗區的每個樣方中，取2 穗蘆葦，共取10穗蘆葦，做有性生殖調查，包括每穗的不同穗位的成花和結實情況，統計總花數和結實數，并計算結實率。

蘆葦是復圓錐花序，又可稱為復總狀花序，許多小花排列在花軸的主軸和分出的小軸上，將從穗的形態學下端第一個從主軸上分出的分支定義為第一穗位，這一分支上的主軸和分出的小軸上的全部種子數作為第一穗位的結實數，全部花數為第一穗位的總花數。從形態學下端至形態學上端，穗位依次遞增，統計每一穗位上的結實數和總花數。由于結實多集中于1 穗位至25 穗位，所以只統計分析了1穗位至25穗位的結實情況。

將蘆葦的莖葉與穗分開，在60 ℃條件下，烘干至恒質量，利用球磨儀粉碎。然后，采用燃燒法，利用元素分析儀(vario MAX cube)，分別測定其全碳和全氮含量。

1.3 數據分析

利用SPSS 19.0軟件，對實驗數據進行統計分析，利用ORIGIN 2021軟件，制圖。

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)方法，分析不同處理的蘆葦種群特征，同時進行數據方差齊性檢驗，方差不齊的數據開平方等數據轉換后再分析。采用最小顯著差數法(LSD)，對蘆葦有性生殖指標與其他生長及生理指標進行多重比較，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 蘆葦種群主要生長指標

3種蘆葦種群株高平均值差異顯著(n=15，p＜0.05)(表2)。河蟹養殖區蘆葦種群株高平均值相對最大，退化區的相對最小。河蟹養殖區蘆葦種群株高平均值顯著大于水文恢復區，水文恢復區蘆葦種群株高平均值顯著大于退化區。河蟹養殖區蘆葦種群株高的平均值比退化區的增大1.06倍，比水文恢復區的增大0.59倍。

表2 不同蘆葦種群的株高、穗長、密度和抽穗數Table 2 Height,spike length,density and heading number of different Phragmites australis populations

水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦種群穗長的平均值無顯著差異(p＞0.05)，但是都顯著大于退化區(p＜0.05)，河蟹養殖區蘆葦種群穗長的平均值比退化區蘆葦種群穗長增大了0.52倍。

退化區蘆葦種群密度的平均值顯著大于養殖河蟹區(n=15，p＜0.05)，而退化區與水文恢復區、水文恢復區與河蟹養殖區之間的蘆葦種群密度的平均值都無顯著差異。

河蟹養殖區和水文恢復區蘆葦種群抽穗數的平均值顯著大于退化區(n=15，p＜0.05)，河蟹養殖區和水文恢復區蘆葦種群抽穗數的平均值之間無顯著差異。

2.2 蘆葦種群穗和莖葉的全碳、全氮含量及碳氮比

退化區蘆葦種群穗的全碳質量比平均值為423.95 g/kg，水文恢復區蘆葦種群穗的全碳質量比平均值為451.55 g/kg，比退化區的增大了6.5%(圖1A)；河蟹養殖區蘆葦種群穗的全碳質量比平均值為453.60 g/kg，比水文恢復區的增大了0.45%。水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦種群穗的全碳含量無顯著差異。3 種蘆葦種群莖葉全碳質量比平均值變化在460.43～463.448 g/kg 之間，蘆葦種群莖葉的全碳含量都大于其在穗中的含量。3種蘆葦種群莖葉的全碳含量之間無明顯差異。

圖1 不同蘆葦種群穗和莖葉的全碳(A)、全氮(B)含量及碳氮比(C)Fig.1 Contents of total carbon(A),total nitrogen(B)and ratios of carbon and nitrogen(C)of panicle,stem and leaf in different Phragmites australis populations

退化區蘆葦種群穗的全氮質量比平均值為8.50 g/kg，水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦種群穗的全氮含量無明顯差異，但都大于退化區(圖1B)。3 種蘆葦種群莖葉的全氮含量無明顯差異，莖葉全氮質量比平均值變化在2.70～3.15 g/kg 之間。蘆葦種群穗的全氮含量都大于其在莖葉中的含量。

蘆葦種群穗的碳氮比平均值為35.40～49.99，莖葉的碳氮比平均值為158.36～170.63(圖1C)。退化區蘆葦種群穗的碳氮比平均值為49.99，顯著大于水文恢復區和河蟹養殖區(n=30，p＜0.05)，而水文恢復區和河蟹養殖區之間無顯著差異。3 種蘆葦種群莖葉碳氮比無明顯差異，莖葉的碳氮比遠大于穗的碳氮比。

2.3 蘆葦種群單穗總花數和單穗結實數

3 種蘆葦種群的單穗總花數和結實數變化規律一致，即水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦種群的單穗總花數和結實數平均值都顯著大于退化區(n=30，p＜0.05)，而水文恢復區與河蟹養殖區之間無顯著差異(表3)。退化區蘆葦種群每一穗位的結實數平均值都小于水文恢復區，除了1穗位和2穗位，水文恢復區蘆葦種群每一穗位的結實數都小于河蟹養殖區(表4)。

表3 不同蘆葦種群的單穗總花數和單穗結實數Table 3 Total numbers of flowers and seeds per spike of different Phragmites australis populations

表4 不同蘆葦種群每一穗位上的結實數Table 4 Average seeds number per spikelet of different Phragmites australis populations

2.4 蘆葦種群抽穗率和單穗結實率

3 種蘆葦種群的抽穗率平均值差異顯著(n=30，p＜0.05)(表5)。其中，河蟹養殖區、水文恢復區和退化區蘆葦種群抽穗率平均值分別為64.44%、44.29%和14.07%，河蟹養殖區蘆葦種群的抽穗率平均值顯著大于其他兩種實驗區。3 種蘆葦種群的單穗結實率之間無顯著差異。

表5 不同蘆葦種群的抽穗率和單穗結實率Table 5 Rates of heading and seed setting per spikelet in different Phragmites australis populations

2.5 蘆葦種群各生長指標之間的關系

通過相關分析可知，蘆葦種群穗的全碳和全氮含量分別與蘆葦抽穗數、單穗結實率顯著相關(n=30，p＜0.05)(圖2)。蘆葦莖葉的全氮含量與蘆葦株高顯著相關(n=30，p＜0.05)。

圖2 蘆葦各指標之間的相關分析圖Fig.2 The correlation analysis diagram between the indices of Phragmites australis

3 討 論

蘆葦是中國濱海鹽沼典型本土物種[30]，也是松嫩平原西部鹽堿地的優勢植物。由于自然因素和人為活動的干擾，導致沼澤大面積減少，生態功能下降，蘆葦種群退化[31]。為了適應變化的生境，蘆葦種群通過調整無性和有性生殖方式，來適應環境的變化[32]。在退化生境得到修復后，蘆葦種群也會通過調整生殖分配的方式，來獲得種群利益最大化。與缺水退化的種群相比，水文恢復和河蟹養殖利用處理下的蘆葦種群生境不再受缺水限制，株高、穗數、抽穗率和結實數等生長繁殖指標都顯著提高。在本研究中，水文恢復后的蘆葦種群單穗結實數和總花數相較于退化區的蘆葦種群都顯著提高，這與以往的研究結果一致，土壤水分恢復會促進蘆葦的開花率，有利于蘆葦的有性生殖[33]，水分恢復或者補水對蘆葦的生長表現為促進作用[34]。但是，過量淹水有時也會抑制蘆葦的生長[35]。所以，水文恢復要與蘆葦生長的需水特征相匹配。此外，影響蘆葦有性繁殖的因素還有土壤鹽分和人為放牧。研究表明，高鹽分處理下蘆葦不能開花，鹽脅迫對蘆葦的生長和有性繁殖影響很大[36]。高強度放牧干擾下的蘆葦不能進行抽穗和結實，從而抑制其有性生殖，但是蘆葦會通過增加無形系分株來延續種群，形成以無性繁殖為主的生態適應對策[37]。繁殖期的蘆葦需水量很大，根據資源最優分配理論，植物會優先將能量分配給可以獲得更多限制性資源的器官，以促進生長[38]。因此，當水資源受限時，蘆葦優先將資源分配給營養器官，通過無性的克隆繁殖以獲取較多的分株，來維持種群生長；當水資源充沛時，蘆葦種群增加有性生殖器官的資源分配。碳、氮元素是植物生長發育所必需的大量元素[39]。在退化種群內，水分作為限制因子，限制更多的養分流向生殖器官，因此當進行水文恢復時，蘆葦穗的全碳含量顯著大于退化區蘆葦穗的全碳含量，而穗的全碳和全氮含量分別與蘆葦抽穗數和單穗結實率顯著相關，說明水文恢復對蘆葦抽穗數和單穗結實率有顯著的促進作用。有關蘆葦不同部位碳、氮含量的研究表明，蘆葦不同器官的全碳和全氮含量有很大不同[40]，造成這些差異的原因應該是器官的功能差異所致。在本研究中，水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦的碳氮比顯著小于退化區的，說明氮元素的利用效率有所提高[41]，可能是因為水文恢復后，蘆葦生長迅速，吸收了大量可利用的氮素供其生長，導致器官內的全氮含量明顯增大[42]，因此，水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦莖葉和穗中的氮元素積累量增加，這也與全氮含量的實驗結果一致。蘆葦莖葉的全氮含量與蘆葦的株高顯著相關，水文恢復區和河蟹養殖區蘆葦全氮含量增大也顯著促進了其株高的增長。

河蟹養殖對蘆葦種群的生長繁殖有一定的影響。放養河蟹能夠恢復水生植物群落，增加蘆葦產量[2]。在本研究中，與退化種群相比，河蟹養殖雖然對蘆葦的密度有抑制作用，但是其能顯著提高蘆葦抽穗數、總花數和結實數等有性繁殖特征。與水文恢復區的種群相比，河蟹養殖顯著提高了蘆葦的株高和抽穗率，而穗長、結實數以及蘆葦穗的全碳和全氮含量有所增大，但是并不顯著，這可能與河蟹養殖年限較短且養殖密度低有關。在稻-蟹養殖模式下，隨著河蟹養殖年限和密度的增大，有機肥施肥量的增加，河蟹排泄物增多，土壤肥力增強，進而增加水稻的抽穗率和結實率[43]。從稻-蟹養殖研究中發現，水稻的有效穗數、有效穗粒、千粒重和結實率隨著放蟹密度的增大呈單峰型變化，隨著飼料投喂量的增大而減小[44]。河蟹生長對水中的溶解氧含量和pH的要求很高，適度養殖河蟹對蘆葦的生長非常有利[45]。蟹類能夠通過挖穴等方式，改變微生境、涵養水源，在某些環境條件下可以促進鹽地植物的定植和生長[46]。但是，隨著養殖密度的增加，河蟹對鹽沼植物的變化具有一定的下行控制作用，對鹽沼內蘆葦種群的密度具有顯著影響[47]。水位波動、河蟹密度變化和飼喂強度對蘆葦有性生殖的影響規律需要進一步研究。此外，河蟹養殖通過顯著提升蘆葦的抽穗率促進其有性生殖能力，單穗的結實數也有所增加，未來將收集不同蘆葦種群的種子，開展萌發實驗，進一步研究蘆葦種子的活力及成苗情況。

4 結 論

水文恢復與河蟹養殖對蘆葦有性生殖能力影響顯著，能有效增加蘆葦的抽穗數、總花數和結實數，提高蘆葦的株高和穗長等指標。水文恢復與河蟹養殖能夠促進碳、氮養分向蘆葦的穗轉移，提高蘆葦種群的有性生殖能力。養殖河蟹與水文恢復對鹽堿化沼澤中蘆葦種群有性繁殖的恢復具有重要作用，能夠更好對蘆葦種子資源進行恢復和利用。