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松嫩平原单优种群落斑块拂子茅种群构件的年龄结构



全 文 :DOI:10.11686/cyxb2016065 http://cyxb.lzu.edu.cn
张露丹,李海燕,杨允菲.松嫩平原单优种群落斑块拂子茅种群构件的年龄结构.草业学报,2016,25(9):20-27.
ZHANG Lu-Dan,LI Hai-Yan,YANG Yun-Fei.Age structures of modules in a Calamagrostis epigejos population in single-species dominant patches
in the Songnen Plain of China.Acta Prataculturae Sinica,2016,25(9):20-27.
松嫩平原单优种群落斑块拂子茅种群构件的年龄结构
张露丹,李海燕,杨允菲*
(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)
摘要:拂子茅是根茎型无性系禾草,在松嫩平原常形成单优种群落斑块。以拂子茅为研究对象,根据营养繁殖世代
数划分构件龄级的方法,研究分析了2013和2014年生长季末期,种群分株、根茎、冬性苗和芽的年龄结构与营养
繁殖力。结果表明,拂子茅种群的分株由2个龄级组成,1a分株在数量和生物量上所占比例均大于80%,呈增长
型年龄结构;根茎由3个龄级组成,其累积长度和生物量以2龄所占比例最高,达到40%以上,呈稳定型年龄结构;
1龄分株有较高的生产力,对种群贡献最大;1龄根茎贮藏力最高,是地下营养物质的主要贮藏部位;潜在种群由冬
性苗、分蘖节芽、根茎顶端芽和根茎节芽组成,其中1龄分蘖节芽均超过500个/m2,占优势地位,呈稳定型年龄结
构;分株的营养繁殖力高于根茎10倍以上,对于潜在种群贡献最大;干旱导致2014年2龄构件的生长受到限制。
关键词:拂子茅;无性系植物;种群构件;年龄结构;营养繁殖  
*Age structures of modules in a Calamagrostis epigejos population in single-species
dominant patches in the Songnen Plain of China
ZHANG Lu-Dan,LI Hai-Yan,YANG Yun-Fei*
Key Laboratory of Vegetation Ecology,Ministry of Education,Institute of Grassland Science,Northeast Normal University,
Changchun130024,China
Abstract:Calamagrostis epigejos is a typical clonal rhizomatous plant.It always forms mono-dominant patches
in the meadows of the Songnen Plain,China.In this research,a survey of age structures of plant modules was
conducted in the late growing season of 2013and 2014and analysis was carried out.Age structures of ramets,
rhizomes,daughter ramets and buds were classified according to the generation of vegetative propagation.Veg-
etative propagative ability was calculated by the ratio of the total buds or daughter ramets to total ramets or rhi-
zomes and storage ability of rhizome was calculated by the ratio of rhizome biomass to its length in C.epigejos
populations.It was found that ramets in C.epigejos population consisted of two age classes(1st and 2nd age
class)and the proportion of number and biomass on 1st age class of ramets was higher than 80%,which was an
increasing age structure.Rhizomes could be grouped into three age classes(1st,2nd and 3rd age class)and the
proportion of accumulate length and biomass was the greatest(more than 40%)on 2nd age class,which age
structure was stable.Ramet productivity(ramet biomass/ramet number)of 1st age class was 4% higher in
2013and 21.6%higher in 2014than 2nd age class,so ramets on 1st age class had greater contribution to the
population.Storage ability of rhizome on 1st age class was the highest,so rhizomes on 1st age class were the
main storage part of the underground nutrients.Potential population include daughter ramets,tiler buds,api-
20-27
2016年9月
   草 业 学 报   
   ACTA PRATACULTURAE SINICA   
第25卷 第9期
Vol.25,No.9
* 收稿日期:2016-03-02;改回日期:2016-04-28
基金项目:国家自然科学基金项目(31472134,31170504)资助。
作者简介:张露丹(1992-),女,吉林长春人,在读硕士。E-mail:zhangld168@nenu.edu.cn
*通信作者Corresponding author.E-mail:yangyf@nenu.edu.cn
cal rhizome buds and nodal rhizome buds,and the 1st age class tiler buds was dominant,which it was a stable
age structure.The vegetative propagative ability of ramets was significantly higher than rhizomes.Comparing
the two years of rainfal,the growth of 2nd age class modules was more sensitive to the extreme drought in
2014than others.
Key words:Calamagrostis epigejos;clonal plant;population module;age structure;vegetative propagation
许多天然植物具有营养繁殖习性[1-2]。通常将依靠营养繁殖方式产生子代的植物称为无性系植物[3]。无性
系植物不仅能够通过营养繁殖补充更新种群,更可以通过远离母株的营养繁殖扩大种群大小、抢夺空间生态
位[4]。由于无性系分株出生时间各不同,因此必然存在各构件的年龄结构。种群的年龄结构(age structure)是
指种群内不同年龄级个体的数量在种群内的分布情况[5]。种群的年龄结构不仅可以客观地反映出种群内各龄级
的生活力、生产力以及现存状态,还对分析种群动态与预测种群未来发展趋势有重要价值[6-7]。目前国内对于年
龄结构的划分方法尚无统一标准,不同学者根据所研究对象和研究目的的差异,采用的方法各不相同[3,8-10]。本
研究按照分蘖节营养繁殖的世代数划分龄级[3],通过分析多年生无性系草本植物的年龄结构来反映种群的现状
与动态变化。
拂子茅(Calamagrostis epigejos)为具有根状茎的多年生禾本科植物,具有较强的生态可塑性,在松嫩平原
广泛分布于坡地、沙丘、河岸、疏林下及盐生植被外围,在低湿地分布常形成单优种群落[11]。由于拂子茅根茎发
达、无性繁殖迅速、返青早、生物量较大,是早春家畜主要采食牧草之一[12]。以往对拂子茅的研究主要集中在形
态分类[13-14]、生态学特性[11,15]、能量动态[16]等方面的分析上,而有关其在种群构件年龄结构与营养繁殖力等方面
定量化的研究甚少。本研究以松嫩平原广泛分布的拂子茅为研究对象,分析其在不同生长季末期,种群构件的年
龄结构、分株生产力、根茎贮藏力及营养繁殖力,意在揭示其种群营养繁殖特性,为无性系植物种群生态学的深入
研究积累资料,同时也为松嫩平原拂子茅的利用和管理提供一定理论依据。
1 材料与方法
1.1 自然概况
本研究是在位于吉林省长岭县西北部腰井子种马场的东北师范大学松嫩草地生态研究站(44°45′N,123°45′
E)进行[17-19]。研究样地选设在围栏封育的杂类草草甸中拂子茅无性系斑块镶嵌分布地段,斑块内的拂子茅呈单
优种密集分布,斑块周围分布的植物主要有羊草(Leymus chinensis)、芦苇(Phragmites communis)、寸草苔
(Carex duriuscula)、全叶马兰(Kalimeris integrifolia)、野古草(Arundinella hirta)等。
1.2 研究方法
2013和2014年10月初,分别在大小相似的拂子茅斑块内随机选择取样。取样样方位于斑块中心,样方面
积为25cm×25cm,深度为根茎分布层以下约30cm,2013年5个斑块重复,2014年4个斑块重复。取样时,将
样方内的全体植物地上部分连同地下根茎一并挖出,除去土壤和杂质,注意保持地上部分与地下部分和全体构件
的自然联系,以便于鉴别和测量。
按样方用塑料袋分装并做好标记,回室内逐样方按分蘖节营养繁殖的世代数[3]划分分株、冬性苗的龄级,分
别记数;按实际生活年限划分根茎龄级,测量根茎累积长度。将分蘖节和根茎端部向上生长变绿的新分蘖一并称
为冬性苗;由根茎端部和根茎节横向生长的白芽一并为0龄(0a)芽;由1龄分蘖节形成的向上生长的白芽为1
龄(1a)芽;由2龄分蘖节形成的向上生长的白芽为2龄(2a)芽[20],依次类推,分别计数。分株和根茎80℃下烘
至恒重后,测定各龄级生物量。
1.3 数据处理
将样方面积25cm×25cm取样所调查测定的各项数量指标均换算成1m×1m的常规单位面积数量指标,
采用SPSS 19.0软件进行数据处理。用各龄级构件的数量或生物量指标的百分比构成年龄谱,用单位分株的生
物量表示分株生产力,单位根茎长度的生物量表示根茎贮藏力,营养繁殖力则用单位分株数量或单位根茎长度上
产生的冬性苗和芽来计算。用统计平均值(M)反映种群的数量指标,标准差(SD)和变异系数(CV)反映种群内
的变异度。各指标年份间差异,两个龄级分株数量、生物量、生产力、营养繁殖力间差异,分株与根茎营养繁殖力
12第25卷第9期 草业学报2016年
间的差异均通过t检验进行;3个龄级根茎累积长度、生物量、贮藏力和潜在种群数量间的差异则通过方差分析
和多重比较进行。
2 结果与分析
2.1 分株年龄结构
2013和2014年生长季末期,拂子茅种群分株均由2个龄级组成,其中1a分株数量和生物量所占比例均达
到80%以上,具有绝对优势,显著大于2a分株,呈增长型年龄结构(表1、图1)。此外,2013年拂子茅分株数量
和生物量整体上有大于2014年的趋势,其中2a分株间差异更为显著(P<0.05)。
表1 两个年份拂子茅种群分株数量的年龄结构
Table 1 Age structures of ramets in C.epigejos populations in two years
年份
Year
数量 Number(M±SD,ramet/m2)
1a 2a 合计 Total
年龄谱 Age spectrum(%)
1a 2a 合计 Total
2013  793.6±236.6* 179.2±42.9a 972.8±270.4  81.6  18.4  100
2014  544.0±259.6* 72.0±20.7b 616.0±248.0  88.3  11.7  100
 注:“*”表示同一年份龄级间差异显著(P<0.05);不同字母表示同一龄级年份间差异显著(P<0.05),下同。
 Note:Values with“*”in the same year mean significantly different(P<0.05)among age classes;Values with the different letters in the same
age class mean significantly different(P<0.05)between years,the same below.
图1 两个年份拂子茅种群分株生物量的年龄结构及年龄谱
Fig.1 Age structures and age spectrums of ramet biomass in C.epigejos populations in two years
 “*”表示同一年份龄级间差异显著(P<0.05),下同。Values with“*”in the same year mean significantly different(P<0.05)among age clas-
ses,the same below.
分株生产力表示植株在特定时间内的物质生产和积累情况,各龄级分株的生产力可以通过同一单位分株的
生物量来表示[21]。拂子茅种群两个年份分株生产力的均值相近,其中2013年1a、2a分株生产力相近,而2014
年分株生产力则以1a最高,与2a差异达到显著水平(表2),表明2013年两个龄级分株对种群贡献相近,而
2014年1a分株贡献更大。2013年分株生产力的变异系数达到26.2%,大于2014年的16.5%,表明2013年分
株生产力具有较大的生态可塑性。
2.2 根茎年龄结构
两个年份生长季末期,拂子茅种群的根茎均由3个龄级组成,其中2a根茎的累积长度和生物量所占比例最
高,均达到40%以上,1a、3a有不同幅度的减少,呈稳定型年龄结构(表3、图2)。2013年2a根茎长度和生物量
所占比例达到60%以上,占据显著优势,且其生物量显著大于2014年2a根茎生物量(P<0.05)。虽然2014年
各龄级根茎长度和生物量均值无显著差异,但相较于2013年,2014年根茎长度和生物量有着2a减小、3a增加
的趋势(表3)。
22 ACTA PRATACULTURAE SINICA(2016) Vol.25,No.9
  根茎是植物重要的物质贮藏器官和营养繁殖器
官,各龄级根茎的贮藏力可以用单位根茎长度的生物
量来表示。从表4可以看出,总体上,两个年份拂子茅
种群根茎贮藏力均以1a最大、3a最小。其中,2013
年2a根茎贮藏力与1a相同,大于3a;2014年2a根
茎贮藏力与3a相等,小于1a。此外,2013年拂子茅
2a根茎贮藏力以及根茎贮藏力的平均值均显著大于
2014年。2014年拂子茅根茎贮藏力的变异系数达到
23.7%,表明2014年拂子茅根茎贮藏力的生态可塑性
更大。
表2 两个年份拂子茅种群单位分株的生产力
Table 2 Productivity per unit ramet in
C.epigejos populations in two years
年份
Year
生产力Productivity
(M±SD,g/100ramets)
1a 2a 平均值 Mean
变异系数
Coefficient of
variation(%)
2013  46.8±7.7  43.2±16.6 45.0±11.8  26.2
2014  50.8±6.4* 32.8±11.5 41.8±6.9  16.5
表3 两个年份拂子茅种群根茎累积长度的年龄结构
Table 3 Age structures of rhizome accumulative length in C.epigejos populations in two years
年份
Year
累积长度 Accumulative length(M±SD,m/m2)
1a 2a 3a 合计 Total
年龄谱 Age spectrum(%)
1a 2a 3a 合计 Total
2013  38.2±25.2  91.6±25.4* 17.3±8.8  147.1±36.3  26.0  62.3  11.7  100
2014  25.8±17.2  46.4±33.2  35.1±28.0  107.3±47.2  24.0  43.3  32.7  100
图2 两个年份拂子茅种群根茎生物量的年龄结构及年龄谱
Fig.2 Age structures and age spectrums of rhizome biomass in C.epigejos populations in two years
 
表4 两个年份拂子茅种群单位根茎长度的贮藏力
Table 4 Storage ability per unit rhizome length in C.epigejos populations in two years
年份
Year
贮藏力Storage ability(M±SD,g/100cm)
1a 2a 3a 平均值 Mean
变异系数
Coefficient of variation(%)
2013  0.63±0.23  0.63±0.07a 0.44±0.11  0.57±0.06a 10.5
2014  0.42±0.10  0.36±0.06b 0.36±0.12  0.38±0.09b 23.7
2.3 潜在种群组成及年龄结构
拂子茅潜在种群是由冬性苗、0a芽、1a芽和2a芽组成,其中,0a芽包括根茎顶端芽和根茎节芽,1a、2a芽
分别包括株分蘖节芽和苗分蘖节芽(表5)。冬性苗由芽发育而来,因此将冬性苗的单位一并用芽表示。两个年
份的拂子茅潜在种群中,1a芽占据显著优势地位,0a芽、冬性苗、2a芽依次减少,呈稳定型年龄结构(图3)。表
明拂子茅种群主要是以形成大量1a芽来维持和保障其潜在种群的生存与生长,增大竞争力。
32第25卷第9期 草业学报2016年
表5 两个年份拂子茅潜在种群的组成及数量
Table 5 Components of C.epigejos potential populations in two years  bud/m2
年份
Year
冬性苗 Daughter ramet
1a 2a
0a芽0abud
根茎顶端芽
Apical rhizome bud
根茎节芽
Nodal rhizome bud
1a芽1abud
株分蘖节芽
Tiler bud
苗分蘖节芽
Seedling bud
2a芽2abud
株分蘖节芽
Tiler bud
苗分蘖节芽
Seedling bud
2013  172.8±80.3  44.8±30.8  403.2±144.2  60.8±70.1  464.0±208.6  80.0±83.9  57.6±47.5  16.0±22.6b
2014  184.0±137.3 60.0±30.3  424.0±270.4  4.0±8.0  484.0±214.8  168.0±104.9  112.0±62.7  48.0±13.1a
图3 两个年份拂子茅潜在种群构件的结构
Fig.3 Structures of modules in C.epigejos potential populations in two years
 不同字母表示同一年份构件间差异显著(P<0.05)。Values with the different letters in the same year mean significantly different(P<0.05)a-
mong modules.
2.4 营养繁殖力
营养繁殖力是衡量不同龄级分株/根茎在相同单位数量/长度上产生的苗/芽的能力。经测定和统计,2013
年拂子茅单位1a分株数量上产生的分蘖节芽具有显著优势地位,其他类型分株的营养繁殖力有不同程度减小,
表明2013年1a分株产生分蘖节芽的营养繁殖力最大,相反1a分株产生冬性苗的营养繁殖力最小(表6);2014
年2a分株的总体营养繁殖力均值显著大于1a分株(图4)。此外,2014年在各龄级及总体分株营养繁殖力上均
显著大于2013年(P<0.05),表明相对于2013年,2014年分株营养繁殖力均有显著的提高。
根茎方面,两个年份拂子茅种群1a根茎的营养繁殖力是2a根茎的20倍以上,均显著大于2a根茎,而3a
根茎上没有芽输出,表明3a根茎生活力很弱,几乎没有营养繁殖的能力(表6)。此外,两个年份拂子茅种群分株
的总体营养繁殖力均显著大于根茎营养繁殖力10倍以上(图5),由此表明,拂子茅分株的营养繁殖力更大,是其
无性系潜在种群的主要贡献者。
表6 两个年份拂子茅种群分株和根茎的营养繁殖力及其构件组成
Table 6 Vegetative propagative ability and module components of ramets and rhizomes in C.epigejos populations in two years
年份
Year
分株 Ramet(M±SD,module/100ramets)
1a
冬性苗 Daughter ramet 分蘖节芽 Tiler bud
2a
冬性苗 Daughter ramet 分蘖节芽 Tiler bud
根茎 Rhizome
(M±SD,bud/100cm)
1a 2a 3a
2013  23.4±11.3b 58.8±19.0a 29.8±27.2ab  36.6±32.2ab  12.5±5.6a 0.6±0.7b 0
2014  30.8±9.5  94.5±27.8  88.8±58.6  150.0±57.7  15.8±3.5a 0.2±0.3b 0
 注:不同字母表示同一年份分株/根茎营养繁殖力间差异显著(P<0.05)。
 Note:Values with the different letters in the same year mean significantly different(P<0.05)among vegetative propagative ability of ramets or
rhizomes.
42 ACTA PRATACULTURAE SINICA(2016) Vol.25,No.9
图4 两个年份拂子茅种群各龄级分株的营养繁殖力
Fig.4 Vegetative propagative ability of each age class
ramet in C.epigejos populations in two years
 
图5 两个年份拂子茅种群分株和根茎总体的营养繁殖力
Fig.5 The total vegetative propagative ability of ramets
and rhizomes in C.epigejos populations in two years
 
3 讨论
种群的现状及动态都与种群年龄结构的调查和研究密切相关。生长季末期,拂子茅有两个世代的分株共存,
呈增长型年龄结构,其中以1a分株在数量和生物量上占据优势地位,且有着较强的生活力和较高的生产力。同
时,拂子茅潜在种群又以1a分蘖节芽占优势地位,呈稳定型年龄结构,即种群翌年的生长发育与当年有着相似
的水平。因此,拂子茅种群采用输出大量1a分株来保障生长季内种群的维持和生长、输出大量1a分蘖节芽来
保障翌年种群补充和维持竞争力的种群营养繁殖策略。本研究与以往对于拂子茅属种群年龄结构的研究结果有
相似之处,大拂子茅(C.macrolepis)在不同生境中分株均呈现增长型年龄结构[22],而假苇拂子茅(C.pseudo-
phragmites)的冬眠构件中又以分蘖节芽对翌年种群更新速率的影响最大,保障了其在不同生境上的稳定性和适
应性[23]。
温带地区的多年生植物通过多年生部位的休眠状态渡过寒冷的冬季。在松嫩平原生长季末期,根茎型植物
将大量生产的物质输入根茎进行贮藏,根茎的物质贮藏相对于丛生禾草的分蘖节来说,可为植物在渡过不良季节
气候环境的呼吸消耗和形成营养繁殖体过程中提供更多的物质保障[24-25]。本研究中,拂子茅种群根茎贮藏力两
年总体呈现随着龄级增加而减弱的趋势,主要将其营养物质贮藏在1a根茎中,即1a根茎是地下营养物质的主
要贮藏部位,并对当年地上植株的生长发育乃至种群更新与维持有较大的直接贡献。与野古草相似,在生长季后
期野古草1a根茎物质积累的速率最快[21]。根茎顶端芽是构成假苇拂子茅在当地具有实际生态意义的潜在种群
中的重要一类[23],本研究中的拂子茅种群同样也会产生大量的根茎顶端芽,根茎顶端芽为当年形成,源于1a根
茎。虽然生长季末期拂子茅分株均仅有2个世代,但1a根茎通过形成大量的根茎顶端芽,在顶端优势作用下,
在翌年生长季开始时直接快速的发育成春性苗,远离母株,同时贮藏力最高的1a根茎又可以源源不断地直接为
其顶端芽的生长发育提供营养物质,这样可以有效、快速地拓展种群的空间生态位、减小种内竞争并保持种群的
持续更新。另外,3a根茎贮藏力很低,且没有根茎节芽输出,可能是通过向低龄级根茎输送营养物质,即通过整
合作用为种群的维持和更新做出贡献,这需要进一步的实验研究证明。
干旱对植物的生长发育具有重大的影响。干旱能够抑制小麦(Triticum aestivum)幼苗的干物质积累和叶片
的光合作用[26]、影响羊草的植株含水率[27]等。本研究中,相较于2013年,2014年拂子茅种群的2a分株数量、生
物量以及2a根茎生物量、贮藏力都显著减少,各龄级分株的营养繁殖力却均显著提高,原因在于2014年研究区
域内整个生长季发生了严重的干旱。据吉林省气象局报道,2014年7月1日-8月22日,吉林省平均降水量为
136.9mm,较常年同期少49%,居历史同期少雨的第1位,长岭等县市降水量创1951年以来最少[28]。2014年2
a构件数量和生物量的显著减少说明在干旱的环境条件下,拂子茅将生产的物质首先用于维系、稳固自身种群的
生存,其次再用于无性系的繁殖和拓展。此外,在水分、营养资源匮乏的情况下,随着无性系的生长,种内竞争加
剧,生活力较弱的2a分株生长、生产就会受到更大的制约,处于劣势地位,从而导致1a、2a分株生产力的差距加
52第25卷第9期 草业学报2016年
大。不利的干旱条件也会使得拂子茅根茎贮藏力具有较大的生态可塑性。而2014年各龄级分株的营养繁殖力
均显著增强,说明环境条件恶劣、限制种群生长时,拂子茅种群通过提高分株的营养繁殖力,来保证在翌年环境条
件变好时,可以快速产生新的分株,提高种间竞争力。
对两年生长季末期松嫩平原拂子茅种群的各构件做了年龄结构分析,但是对于其在生长季内各构件年龄结
构的动态变化以及构件间的生理整合过程有待进一步的实验和研究。
4 结论
按照营养繁殖的世代数划分龄级,采用随机取样法,对松嫩平原单优种斑块拂子茅种群在两个年份生长季末
期的分株、根茎、潜在种群的年龄结构,分株生产力,根茎贮藏力及营养繁殖力进行了取样和分析。主要结论如
下:
1)拂子茅分株有2个世代共存,1a分株在数量和生物量上均占优势地位,呈增长型年龄结构。2013年分株
生产力相近,但具有较大的生态可塑性;2014年1a分株生产力显著高于2a分株,对种群贡献更大。
2)拂子茅根茎有3个世代共存,2a根茎在长度和生物量上均具有显著优势,呈稳定型年龄结构。两年拂子
茅根茎贮藏力总体有随着龄级增加逐渐减弱的趋势,1a根茎是地下营养物质的主要贮藏部位,对当年地上植株
的生长发育有较大的贡献。
3)拂子茅潜在种群由冬性苗、分蘖节芽、根茎顶端芽和根茎节芽组成,1a分蘖节芽占优势地位,呈稳定型年
龄结构,保障了种群翌年的生长发育与当年有着相似的水平。
4)分株营养繁殖力大于根茎营养繁殖力,是无性系潜在种群的主要贡献者。2014年分株营养繁殖力比2013
年有较大的提高。2a根茎营养繁殖力显著高于1a根茎,3a根茎生活力很弱,几乎没有营养繁殖力。
5)干旱条件下,2a构件的生长发育会受到制约和影响,但通过提高分株的营养繁殖力来保障环境变好时种
群可以大量生产分株占据资源和空间生态位。
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72第25卷第9期 草业学报2016年