科爾沁沙地不同種源元寶楓功能性狀變異及其環境驅動因子研究

王雨晴,吳 莎,許 言,辛學兵,李曉剛,裴順祥*

(1 中國林業科學研究院華北林業實驗中心,北京九龍山暖溫帶森林國家長期科研基地,北京 102300;2 河北農業大學 林學院,河北保定 071000;3 中國林業科學研究院,北京 100091)

植物功能性狀是指植物體具有的與其定植、存活、生長和死亡緊密相關的一系列核心植物屬性,且這些屬性能夠顯著影響生態系統功能,并能夠反映植物對環境變化的響應和適應策略,會隨著環境梯度而改變。一般認為,在全球尺度或大尺度上,氣候因子對植物功能性狀的分布起到決定性作用;在中等尺度上,土地利用和干擾起主要作用,在小尺度或局地范圍內,地形和土壤因子決定性狀的分布[1]。

環境條件的改變也會促使植物在不同功能性狀間產生權衡或協同,且這種多性狀間的權衡(或協同)變化是植物對環境響應與適應的重要途徑[2]。例如比葉面積(SLA)和葉氮含量分別表征植物對光能的捕獲能力和碳同化能力,是全球葉片經濟型譜中最重要的葉功能性狀[3],且隨著溫度和降水量下降,植物通過降低SLA 和提高葉氮含量來提高葉片溫度、水分利用效率和光合速率[4-12]。種子的大小、環境條件也會對種子含油量產生影響,研究表明,種子越大含油量相對較低[13],且隨著氣溫下降,降水量、日照時間、日較差的升高,種子油脂含量升高[14-15]。所以,基于多個功能性狀和多種環境因子相結合的方法更有利于深入揭示植物對環境變化的響應和適應。

元寶楓(AcertruncatumBunge)是中國重點發展的木本油料作物之一,具有分布范圍廣、適應力強、籽油品質高等優點[16-17],其產業發展潛力較大,所以前人對其開展大量的研究,并取得一些關鍵成果,但仍存在以下不足:一是目前關于元寶楓的研究主要集中在水肥管理、籽油提取、神經酸分離純化及藥用開發等方面[18-21],而元寶楓對環境變化響應與適應研究較缺乏,使得在氣候變化背景下,對元寶楓油用林經營管理產生潛在風險;二是前人對元寶楓軟性狀種群內和種群間的變異及其對環境變化響應開展了系統研究[22-24],但關于元寶楓硬性狀的研究鮮見系統報道,而硬性狀相比軟性狀更能準確反映植物對外界環境變化的響應,從而給元寶楓核心育種群體構建和優良品種選育研究帶來不確定性。目前以元寶楓為優勢種的天然群落主要分布于科爾沁沙地周邊,但歷史氣象數據顯示,科爾沁沙地逐漸趨于暖干化,由于氣候變化的非均一性特征,導致科爾沁沙地各區域的暖干化程度不一致[25],并且科爾沁沙地為半干旱地帶的溫帶疏林草原,與其他生態系統相比,其自身的脆弱性,決定其對環境變化更為敏感。

因此,系統研究科爾沁沙地元寶楓功能性狀對環境變化的響應特征可為油用元寶楓核心育種群體構建和優良品種選育提供科技支撐,對緩解中國食用油短缺現狀至關重要。

針對以上研究的不足,作者以分布于內蒙古科爾沁沙地周邊的3個中國最大的元寶楓天然林為研究對象,通過測定不同分布區元寶楓葉片與種子的功能性狀及土壤理化性質,結合氣象數據,分析并探究元寶楓功能性狀變異及其對環境因子的響應和適應對策,為氣候變化背景下油用元寶楓產業發展提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 樣地概況

研究在內蒙古科爾沁沙地周邊元寶楓天然林調查的基礎上,選擇元寶楓集中分布的科爾沁左翼后旗烏旦塔拉林場(W)、翁牛特旗松樹山保護區(S)以及科爾沁右翼中旗代欽塔拉元寶楓自治區級自然保護區(D)為研究地。以上3地均屬溫帶半干旱大陸性季風氣候。植被屬溫帶疏林草原,主要樹種有元寶楓(Acertruncatum)、榆樹(Ulmuspumila),灌木主要為胡枝子(Lespedezabicolor)與山里紅(Crataeguspinnatifida),草本主要為龍牙草(Agrimoniapilosa)、馬齒莧(Portulacaoleracea)、狼尾草(Pennisetumalopecuroides)和沙蔥(Allium mongolicum)等。2019年10月在代欽塔拉(D)、松樹山(S)、烏旦塔拉(W)元寶楓核心分布區分別設置1個100 m×100 m 的樣地,采用GPS記錄樣地中心的經緯度、海拔,同時測定樣地的坡度、坡向等。樣地概況見表1。

表1 3個樣地概況Table 1 Overview of the three source areas

1.2 植物功能性狀測定

在每個樣地中隨機選擇30株生長良好的元寶楓成年植株為研究對象,在每株樹的東、南、西、北4個方向,上中下隨機采集15～20片健康成熟葉片及15～20個健康成熟的種子。

葉片功能性狀測定:將采集的葉片放在帶有比例尺的黑色背景板上,采用相機垂直拍照,之后將葉片放入標本夾帶回實驗室分析。采用Adobe Photoshop CS6(奧多比系統公司,美國加州圣何塞)測定葉片的面積,同時將葉片采用烘箱110 ℃殺青20 min后,維持75 ℃烘干至恒重,降至室溫后用1/100的天平稱量其干重并記錄。最后,采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定葉片有機碳(LCC)的含量,采用凱式定氮法測定葉片全氮(LTN)的含量。

種子功能性狀測定:將采集的種子放在帶有比例尺的黑色背景板上,采用相機垂直拍照,后將種子帶回實驗室陰干。采用Adobe Photoshop CS6(奧多比系統公司,美國加州圣何塞)測定種子的長和寬,同時將采集的種子送至國家林業和草原局經濟林產品質量檢驗檢測中心(杭州),采用GB 5009.6—2016 第一法測定種子油脂含量(OC),采用GB 5009.168—2016 第三法測定神經酸(NA)、油酸(OA)、亞油酸(LOA)在元寶楓脂肪酸組成中的占比。

1.3 環境因子測定

土壤理化性質測定:在每個樣地中隨機選取5個樣點,采用土壤剖面法分別采集0—10 cm、10—20 cm 和20—40 cm 土層的土壤樣品100 g,將樣品放入土壤袋中帶回實驗室陰干。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質(SOM)、凱式定氮法測定土壤全氮(TN)、酸溶-鉬銻抗比色法測定土壤全磷(TP)、酸溶-火焰光度法測定土壤全鉀(TK)、堿解擴散法測定土壤速效氮(AN)、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷(AP)、乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀(AK)、電位法測定土壤pH。3個樣地的土壤理化性質概況見表2。由表2可知,烏旦塔拉地區的所有土壤養分含量均最高,除土壤pH 和土壤有效磷外烏旦塔拉與松樹山2個地區在其余土壤因子間均差異性顯著。

表2 3個種源地土壤理化性質差異性分析Table 2 Analysis of differences in soil physicochemical properties of three source areas

氣候數據:來自于世界氣候數據庫(WorldClim 2.1,http://www.worldclim.org/),其中現代生物氣候數據是1970—2000年的平均值,數據分辨率為30″,(1 km×1 km)由于環境因子間的自相關性比較強,將其標準化后進行相關性分析,在P＜0.01水平上顯著相關且相關系數|r|≥0.8時,結合元寶楓生物學特性,最終保留BIO-1、BIO-3、BIO-4、BIO-9、BIO-14、BIO-15 6 個氣象因子以及SOM、TN、TP、TK、AN、AK 6個土壤因子,共計12個環境因子,由于土壤有效磷(AP)在3個樣地間無顯著差異,所以不保留,見表2、表3。

表3 元寶楓種源地氣象因子指標Table 3 Meteorological factor indicators of the source of A.truncatum

1.4 數據分析

采用Excel 2010 對數據進行初步整理,使用SPSS 27.0軟件對元寶楓功能性狀進行差異性分析,使用Origin 2022對功能性狀與環境變量進行相關性分析。使用Canoco 5.0軟件對性狀和環境因子進行RDA 分析,再利用Smartpls3 構建PLSSEM 圖,探究環境因子對元寶楓功能性狀的影響路徑。

2 結果與分析

2.1 元寶楓功能性狀差異性分析

對科爾沁地區3個不同種源地元寶楓的8個功能性狀進行差異性分析和多重比較,結果如表4所知,3個樣地除油酸含量(OA)無顯著差異外,其他功能性狀均存在顯著差異。具體表現為:元寶楓的比葉面積(SLA)、葉片碳含量(LCC)、種子長寬比(ZC∶ZK)這3個指標,代欽塔拉和烏旦塔拉兩地含量較高,且與松樹山地區有顯著差異。

表4 不同種源地元寶楓功能性狀差異性分析Table 4 Analysis of functional traits of A.truncatum from three species origins

松樹山地區的葉片碳氮比(C∶N)最大,且與其余兩地有顯著差異;代欽塔拉地區的元寶楓種子油脂含量(OC)最高,與另外兩地有顯著差異,但油脂中的神經酸含量(NA)是3地之中最低的,烏旦塔拉地區神經酸含量(NA)最高,但與松樹山地區沒有顯著性差異;亞油酸含量(LOA)在代欽塔拉和松樹山兩地含量較高,與烏旦塔拉地區有顯著性差異;油酸含量(OA)在3個種源地之間沒有顯著的差異性。

元寶楓功能性狀種源間及種源內的變異系數(CV)如表5所示,元寶楓功能性狀的種源間變異系數范圍為3.81%～19.51%,種源內變異系數范圍為3.60%～14.64%,除油酸含量這一指標外,其余元寶楓功能性狀的種源間變異均大于種源內變異。其中比葉面積、葉片碳氮比、種子長寬比、油脂含量、神經酸含量變異系數較大,說明其受環境影響較大,而葉片碳含量以及亞油酸含量的變異系數較小,說明其較穩定。

2.2 元寶楓功能性狀與環境因子相關性分析

元寶楓種子油酸含量(OA)、土壤pH 在3個種源地之間無顯著差異,后續分析將其排除在外。將12個環境因子和7個元寶楓功能性狀進行相關性分析,結果如圖1所示。元寶楓功能性狀與環境因子存在顯著的相關性。其中,比葉面積與氣溫季節性變異系數(BIO-4)有顯著正相關關系;葉片有機碳含量、種子長寬比主要與溫度季節性變異系數(BIO-4)、降水量季節性變異系數(BIO-15)、土壤全磷(TP)有顯著正相關性,與最干季平均氣溫(BIO-9)有顯著負相關性;葉片碳氮比主要與等溫性(BIO-4)、最干季平均氣溫(BIO-9)、土壤有機質含量(SOM)、土壤速效鉀(AK)4個環境因子有顯著相關性。

圖1 元寶楓功能性狀與環境因子相關性分析Fig.1 Correlation analysis of functional traits and environmental factors in A.t runcatum

油脂含量與神經酸含量與同樣的9個環境因子都有顯著的相關性,但相關性的正負正好相反。亞油酸含量與土壤有機質含量(SOM)、土壤全鉀(TK)、土壤速效鉀(AK)、年平均氣溫呈現顯著的負相關性,與等溫性(BIO-4)有顯著的正相關性?？傮w而言,最干月份降水量(BIO-14)、土壤全氮(TN)2個環境因子與元寶楓的功能性狀沒有顯著相關性,其余環境因子與各個功能性狀均有一定的相關性,而土壤因子主要與葉片碳氮比及油脂指標顯著相關。

2.3 環境因子與元寶楓功能性狀RDA分析

將12個環境因子與7個元寶楓功能性狀進行冗余分析,其結果如圖2所示,環境因子對元寶楓功能性狀的解釋度約為24.1%,其中氣象因子的解釋度約為12.1%,土壤因子約為12.0%,前兩軸的解釋率分別為10.43%和6.10%。對環境因子進行置換檢驗后,其結果如表6所示。所有環境因子中,土壤有機質(SOM)、溫度季節性變異系數(BIO-4)對元寶楓功能性狀的影響達到極顯著水平。其中土壤有機質的解釋度和貢獻率最大分別為7.2%和29.9%,氣溫季節性變異系數解釋度和貢獻率分別為6.5%和27.0%?？傮w而言,環境因子對功能性狀變化的解釋度約為24.1%,氣象因子和土壤因子的解釋度無明顯差異,氣象因子的影響度略大,主要影響因子是氣溫。

圖2 元寶楓功能性狀與環境因子RDA 分析Fig.2 RDA analysis of functional traits and environmental factors of A.truncatum

2.4 環境因子與元寶楓功能性狀PLS-SEM 模型

環境因子與元寶楓功能性狀的PLS-SEM 模型如圖3所示,從路徑系數上看,土壤因子和氣象因子對元寶楓葉片及種子等功能性狀的路徑系數更大,影響程度更強,對種子油脂相關指標的功能性狀路徑系數較小,影響較小,并且氣象因子對元寶楓葉片和種子性狀為正效應,對油脂相關指標為負效應,而土壤因子則與其相反。

圖3 元寶楓功能性狀與環境因子的PLS-SEM 模型圖中紅色箭頭表示正向的影響,藍色箭頭表示負向的影響,虛線表示不顯著的影響,*表示統計學上的顯著性水平(*P＜0.05,**P＜0.01),箭頭上的數字表示正效應(正數)、負效應(負數)的路徑系數。Fig.3 PLS-SEM model of functional traits and environmental factors of A.truncatumThe red arrow in the figure indicates the positive impact,the blue arrow indicates the negative impact,and the dotted line indicates the insignificant impact.* represents the statistical significance level (*P＜0.05,**P＜0.01),and the number on the arrow indicates the path coefficient of positive effect (positive number) and negative effect (negative number).

在葉片及種子性狀中,葉片碳氮比、比葉面積、種子長寬比的路徑系數均未達到顯著水平,但與其他性狀相比,是較為重要的性狀,在種子油脂相關指標中,3個性狀的重要程度基本一致;氣象因子中,年平均氣溫(BIO-1)、等溫性(BIO-3)2個因子的路徑系數達到顯著水平(P＜0.05)為主要因子,土壤各因子的路徑系數都達到極顯著水平(P＜0.01)。氣象因子對土壤因子之間的路徑系數達到顯著性水平(P＜0.05),表明氣象因子對其有強烈的正效應。模型結果還顯示氣象因子通過土壤因子對葉片及種子性狀、油脂性狀的間接效應系數分別為-1.400、0.338;葉片及種子性狀與元寶楓油脂性狀之間的路徑系數較小,為0.092,未呈現出顯著的協同關系?？偟膩碚f,元寶楓的功能性狀變異的主要性狀為葉片碳氮比、種子長寬比、比葉面積以及油脂相關性狀;氣象因子可以通過影響土壤因子從而間接影響元寶楓的功能性狀,是主要影響因子,葉片及種子性狀與油脂性狀之間未出現明顯的協同作用。

3 討論

3.1 不同種源地元寶楓功性狀變異情況

植物的功能性狀受環境因子以及植物自身遺傳物質的共同影響,當環境因子發生改變時,植物會變異出新的性狀以適應新的環境[26-28]。變異系數能反映性狀離散特征,一般而言,其值越大,性狀的離散程度越大[28]?？茽柷叩貐^3個種源地元寶楓的功能性狀的種源間變異以及種源內變異有較為明顯的差異性?？傮w而言,種源間功能性狀差異要明顯大于種源內個體間的性狀差異。種源內的性狀差異主要是由于遺傳等自身因素所造成的,而種源間的性狀變異除了受到自身遺傳因素的影響,還與3個種源地的立地環境密切相關,環境因子不同,植物為適應環境,性狀會發生顯著變化,因此研究種源間的性狀變異比種源內變異要更有意義[29]。無論是大尺度的地理空間上,還是局域尺度的小生境中,植物可以協調功能性狀之間的關系和資源分配,進一步改變形態特征來適應環境變化,從而導致植物功能性狀的差異性,這是植物響應環境變化采取的生態策略,是環境和遺傳共同作用的結果[30-31]。研究葉的功能性狀變異可以反映植物的遺傳多樣性、葉結構與功能的關系及物種對環境的適應性[32]。本研究中代欽塔拉及烏旦塔拉地區元寶楓的比葉面積、葉片碳含量、種子長寬比這3個指標就顯著高于松樹山地區、通過對土壤養分的分析可以看出,這兩地的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮含量都顯著高于松樹山地區,這可能是因為當土壤養分高時,元寶楓會通過增大比葉面積、種子長寬比、提高葉片碳含量等方式來提高自己獲取資源的能力。Liu等[33]的研究表明,比葉面積在低資源環境下較小,在中等適宜環境下趨于最大。研究葉片C、N、P 含量可以反映植物的養分吸收策略,一般情況下植物對養分的利用效率增強,葉片中積累的C、N、P 含量也較高[34-35]。種子的油脂含量和脂肪酸組成受到遺傳因素和環境因子的共同影響,而環境因子中氣溫起非常關鍵的作用[36-37]。根據對元寶楓功能性狀差異分析可看出,代欽塔拉地區的種子油脂含量最高,除了遺傳因素外,可能是由于代欽塔拉地區的年平均氣溫較低,有利于種子油脂的積累。前人在對藻類植物的油脂積累受溫度的影響中也發現,一定的低溫有利于油脂積累[38],這與本文研究結論相似。3個種源地元寶楓功能性狀的變異系數差異也很大,比葉面積變異系數最大,而葉片碳含量指標變異系數最小,其余性狀的變異系數則處于中間位置。這可能是因為比葉面積屬于葉片表型性狀,而葉片是進行光合作用主要的營養器官,對環境的變化更加敏感,環境發生變化時,更易隨之發生變異[39-40]。而葉片碳含量的變異最小,表明其對環境變化不敏感,性狀較穩定,這符合葉片養分濃度穩定假說[41]。

3.2 環境因子對元寶楓功能性狀的影響

功能性狀的變異表示遺傳基因在不同環境下給予植物性狀不同表型的能力,這就是表型可塑性,而植物功能性狀對環境因子的響應方式并不完全相同,但大多數的植物性狀與環境之間都存在顯著的相關性[42]。本研究中,環境因子與功能性狀的相關性分析結果顯示,元寶楓功能性狀與大多數環境因子的相關性顯著,RDA 分析結果也表明,環境因子對元寶楓功能性狀的解釋度約為24.1%,這表明除元寶楓自身遺傳因素導致的性狀差異外,環境能夠解釋約24.1%的性狀變異。其土壤因子中的土壤有機質(SOM)以及氣象因子中的溫度季節性變異系數(BIO-4)這2個因子對元寶楓功能性狀的解釋度較大,是主要的影響因子,總體而言,氣象因子對元寶楓整體功能性狀的解釋度略大于土壤因子,這與前人的研究結果相似。如王潔茹等[43]在研究土壤因子與油松葉功能性狀的關系時發現,土壤養分含量對其葉功能性狀影響較大,主要通過增加植物葉片養分含量,從而促進其光合作用。而溫度因子對絕大部分的植物性狀有顯著影響,如對澳大利亞大豆屬植物種子研究發現,氣溫和太陽輻射強度對種子質量的影響要大于降水等其他因子[44]。PLSSEM 模型結果也顯示,氣象因子對元寶楓功能性狀的路徑系數要大于土壤因子,并且兩者之間存在顯著的正效應,氣象因子不僅單獨影響元寶楓的功能性狀,還通過影響土壤因子間接對性狀起作用。氣象因子與土壤因子間有很強的相互作用,比如降水和氣溫變化能顯著影響土壤養分含量、土壤微生物及真菌的活動,進而對植物生長產生影響[45-46]。

3.3 元寶楓油脂性狀與其他性狀之間的協同作用及其對環境變化的響應

元寶楓作為重要的木本油料作物,種子的油脂相關指標是評價元寶楓種質資源較為重要的指標之一,且元寶楓油中含有豐富的神經酸,在醫藥健康領域也有很重要的用途。本研究結果顯示,科爾沁地區3個種源地的油脂含量具有明顯差異,含量最高的是代欽塔拉地區,為34.22 g/(100 g),可以作為以油料為主的優質種源地。許多研究表明,遺傳因素、氣象因子、土壤因子及其相互作用都會影響植物種仁的油脂含量以及脂肪酸合成與積累[47-51]。植物性狀之間密切相關,環境條件發生變化時,其功能性狀間可能會發生調整的協同或權衡[52]。如趙宇航等[53]發現白榆沿降水梯度其枝、葉功能性狀之間有明顯的協同或權衡關系。本研究PLS-SEM 模型顯示,科尓沁3個種源地的元寶楓葉片種子功能性狀與油脂指標之間的路徑系數較小為0.092,路徑系數沒有達到顯著水平,協同效應不明顯,這可能是因為元寶楓油脂指標主要還受遺傳和環境等因素的影響。植物含油量及脂肪酸受多種環境因素影響,其中平均降水量及活動積溫、海拔、經緯度等都是重要因素[54]。本研究結果顯示,環境因子中與元寶楓油脂相關指標呈現出顯著相關性的為年平均氣溫(BIO-1)、氣溫季節性(BIO-3)、最干季平均氣溫(BIO-9)、降水量季節性變異系數(BIO-15)以及除全氮(TN)之外所有的土壤因子,其中油脂含量(OC)、亞油酸含量(LOA)與環境因子主要是負相關性,但神經酸含量(NA)的含量與環境因子有顯著的正相關性,其中年平均氣溫是影響油脂相關指標最主要的因子,且與其呈負相關性,說明一定低溫有利于元寶楓油脂合成。故探究元寶楓種子油脂相關指標的影響因素時還應考慮遺傳因素,這有待進一步研究。

4 結論

文章研究了科爾沁地區代欽塔拉、松樹山、烏旦塔拉3個天然元寶楓種源地元寶楓功能性狀的變異情況及其與環境因子的關系,得出以下結論:

(1)元寶楓種源間變異系數在3.81%～19.51%之間,種源內變異系數在3.60%～18.63%之間,性狀變異明顯,說明元寶楓適應性強,能夠通過性狀變異適應環境的變化,尤其是在環境適宜時,通過性狀變異獲得資源最大化。

(2)代欽塔拉地區元寶楓種子油脂含量最高,為34.22 g/(100 g),可考慮開展油用元寶楓優良品種選育;烏旦塔拉和松樹山地區的元寶楓種子中神經酸含量較高,分別為5.39%和5.22%,可考慮開展藥用元寶楓優良品種培育。

(3)氣象是驅動元寶楓功能性狀變異的主導環境因子,氣溫是決定元寶楓種子油脂含量的關鍵因子,即一定低溫有利于元寶楓油脂積累。