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新疆和吉尔吉斯斯坦2种猪毛菜种群构件生物量分析



全 文 :doi:10. 13866 / j. azr. 2015. 04. 03
新疆和吉尔吉斯斯坦 2种猪毛菜种群构件生物量分析
迪利夏提·哈斯木1,麦尔耶姆古丽·阿布都瓦力1,古丽努尔·阿不都肉苏力1,
周桂玲1, 买买提江·吐尔逊2, Aibek Attokurov3
(1.新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆草地资源与生态重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052;
2.新疆农业大学林学与园艺学院,新疆 乌鲁木齐 830052;
3. College of Environmental Sciences,Osh Technology University,Osh,Kyrgyzstan)
摘 要:植物种群构件理论认为,植物种群构件生物量是植物与环境因素共同作用的结果。以共同分布于吉尔吉
斯斯坦南部和中国新疆北部荒漠环境中的紫翅猪毛菜(Salsola affinis)和散枝猪毛菜(Salsola brachiata)为研究材
料,从构件水平对 2 种猪毛菜种群构件的生物量进行了定量分析。结果表明:2 个分布区的 2 种猪毛菜属植物生长
与分配均有规律性的同速生长,各种群构件生物量的比例有差异(P < 0. 01);分布于新疆的 2 种猪毛菜各构件生物
量和个体总生物量均比分布于吉尔吉斯斯坦的大(P < 0. 01);紫翅猪毛菜的各构件生物量和个体总生物量比散枝
猪毛菜大(P < 0. 01)。这可能是因为新疆和吉尔吉斯斯坦地理和气候等条件差异以及这 2 种猪毛菜对特殊环境的
适应机制不同所致。因此,两者之间的关系适合于植物种群构件理论。
关键词:植物种群构件;散枝猪毛菜(Salsola brachiata);紫翅猪毛菜(Salsola affinis) ;生物量;新疆;吉尔吉斯斯坦
植物种群构件理论认为,植物种群构件生物量
是植物与环境因素共同作用的结果〔1 - 2〕。植物与环
境因素之间的相互作用表现为植物种群对环境条件
的适应性以及环境条件对植物种群的影响程
度〔3 - 4〕。从种群构件水平研究植物与环境的相互作
用,有助于理解植物种群和群落的动态、发展和演化
机理〔5 - 6〕。国外有关植物种群构件的研究内容十分
广泛,研究范围涉及到狭义(芽、无性系小株构件的
数量特征和扩展行为)和广义(叶、花、果、枝条的数
量变化及其与生长或生产的关系)两个层次〔7 - 8〕。
虽然我国地域辽阔、气候横跨 3 带、植物区系丰富,
但是种群构件方面的研究还不深入〔9〕。
猪毛菜属(Salsola)植物隶属于藜科,包括 130
多种,主要分布于亚洲、非洲和欧洲。中亚地区是猪
毛菜植物的起源分布中心,猪毛菜属植物在吉尔吉
斯斯坦有 19 种;中国分布有 37 种 1 变种;新疆分布
有 33 种,其中分布于新疆北部的有 25 种〔10〕。新疆
准噶尔盆地是中国猪毛菜属植物种类多样性中
心〔10 - 11〕。猪毛菜属植物是新疆荒漠区植被的重要
组成部分〔12〕。在夏秋季,猪毛菜属植物形成新疆荒
漠的主要建群种,它们在新疆荒漠植被恢复与重建,
以及维持荒漠生态系统平衡中具有特殊的生态功
能〔13〕。此外,有些猪毛菜属植物还有药用和饲用价
值〔14〕。关于猪毛菜属植物的种群构件生物量结构
特性方面的研究未见报道。
本文以共同分布在吉尔吉斯斯坦和中国新疆荒
漠地区的紫翅猪毛菜(Salsola affinis)和散枝猪毛菜
(Salsola brachiata)为研究对象,对其种群构件生物
量特征进行比较,旨在明确这 2 种猪毛菜在构件生
物量分配方面的规律及其与环境因素之间的关系,
以期为探讨这 2 种猪毛菜在不同荒漠环境下的适应
性提供理论依据。
1 研究地区与研究方法
1. 1 研究区自然概况
野外试验于 2012 年 9—10 月进行,研究区分别
位于新疆乌鲁木齐县和吉尔吉斯斯坦的贾拉拉巴德
州(图 1)。乌鲁木齐的取样点位于八一钢铁厂附
近,地理坐标为 43° 45 57″ N,87° 14 19″ E,海拔
第 32 卷 第 4 期
2015 年 7 月
干 旱 区 研 究
ARID ZONE RESEARCH
Vol. 32 No. 4
July 2015
收稿日期:2014 - 10 - 31; 修订日期:2015 - 01 - 27
基金项目:国家国际科技合作计划资助(2010DFA92720 - 11 - 6);土壤学自治区重点学科项目
作者简介:迪利夏提·哈斯木(1964 -),男,副教授,硕士,主要从事干旱区植物资源方面的研究. E-mail:dilxatxj@ sina. com
通讯作者:买买提江·吐尔逊. E-mail:mmtj007@ 163. com
651 - 656 页 http:/ /azr. xjegi. com
890 m,该地区为典型的山间丘陵荒漠,主要建群种
为角果藜、盐生草及各类猪毛菜,年平均降水量
200 ~ 300 mm,年平均气温 5 ~ 10 ℃,最高气温
42. 1 ℃,属于大陆性荒漠气候,取样时间为 10 月 5
日和 6 日;吉尔吉斯斯坦的取样点位于贾拉拉巴德
州的 Byrgondu,地理坐标为 41°34″N、72°1334″E,
海拔 650 m,该地区为典型的平原荒漠,主要建群种
为角果藜和蒿类,年平均降水量 200 ~ 500 mm,年平
均气温为 10 ~ 13 ℃,最高气温达 50 ℃〔15 - 16〕,大陆
性荒漠气候,取样时间为 10 月 14 日和 15 日。
A为新疆采样点;B为吉尔吉斯斯坦采样点。
图 1 采样点示意图
Fig. 1 Location of sampling sites
1. 2 研究方法
1. 2. 1 取样方法 选择具有代表性的猪毛菜属植
物种群分布地段,分别随机设立 10 个 1 m × 1 m 的
样方,统计样方内 2 种猪毛菜种群个体数量,并随机
挖取大小不等的植株,10 个样方共 60 株(2 种猪毛
菜 × 2 个分布区 × 60 株 = 240 株)。测量每个植株
的株高,将每株根、茎、叶和果实分开,分别装袋,烘
干,用 1 /1 000 电子天平逐株逐项称重。
1. 2. 2 数据处理 对全部测定的数据采用 SPSS
16. 0 软件进行统计分析,对各构件生物量之间关系
建立定量化描述模型。所有定量关系均进行直线函
数,幂函数和指数函数模型的回归分析,其相关性最
高者为其描述模型。
2 结果与分析
2. 1 2 个分布区 2 种猪毛菜种群各构件数量特征
新疆散枝猪毛菜种群各构件生物量所占比例
为:叶 >果实 >茎 >根,而吉尔吉斯斯坦的为:叶 >
茎 >果实 >根(表 1)。新疆的紫翅猪毛菜种群各构
件生物量为:叶 >茎 >果实 >根,而吉尔吉斯斯坦的
为:叶 >果实 >茎 >根(表 1)。对 2 个分布区的同
一物种,分布于新疆的 2 种猪毛菜各构件生物量和
个体总生物量均比吉尔吉斯斯坦的大。对同一分布
区的 2 种猪毛菜,紫翅猪毛菜的各构件生物量和个
体总生物量比散枝猪毛菜的大(表 1)。
2. 2 2 个分布区 2 种猪毛菜各构件生物量之间的
关系
新疆和吉尔吉斯斯坦散枝猪毛菜各构件生物量
呈正相关(P < 0. 01,表 2)。根生物量随着茎和叶生
物量均呈线性函数形式增加,茎和叶生物量对根生
物量的影响表现为,在新疆,叶 >茎,而在吉尔吉斯
斯坦,茎 >叶;叶生物量随着茎生物量呈线性函数形
式增加,茎和根生物量对叶生物量的影响 2 个地区
均为茎 >根;叶和根生物量对茎生物量的影响 2 个
地区均为叶 >根(表 2)。营养器官生物量与果实生
物量呈正相关(P < 0. 01) ,在新疆果实生物量随根、
茎和叶生物量均呈线性函数形式增加趋势,各营养
器官对果实生物量的影响表现为:叶 >茎 >根(表
2) ;在吉尔吉斯斯坦果实生物量随根、茎和叶生物
量均呈幂函数形式增加,各营养器官对果实生物量
的影响表现为:根 >茎 >叶(表 2)。
新疆和吉尔吉斯斯坦的紫翅猪毛菜各构件生物
量之间存在着极显著的正相关关系(P < 0. 01,表
3)。根生物量随着茎和叶生物量均呈线性函数形
表 1 2 个分布区 2 种猪毛菜种群各构件数量特征
Tab. 1 Quantity characteristics of the two Salsola species modules in the two distribution areas
物种 生境 根重 / g 茎重 / g 叶重 / g 果实重 / g 个体总重量 / g
散枝猪毛菜 新疆 0. 31 ± 0. 02 2. 10 ± 0. 15 4. 82 ± 0. 39 3. 62 ± 0. 27 10. 88 ± 0. 82
吉尔吉斯斯坦 0. 15 ± 0. 02 1. 50 ± 0. 16 2. 43 ± 0. 24 1. 01 ± 0. 11 6. 52 ± 0. 65
紫翅猪毛菜 新疆 0. 56 ± 0. 06 4. 94 ± 0. 48 8. 71 ± 0. 71 3. 93 ± 0. 45 19. 37 ± 1. 63
吉尔吉斯斯坦 0. 22 ± 0. 01 1. 65 ± 0. 16 3. 78 ± 0. 30 2. 57 ± 0. 26 8. 29 ± 0. 72
数值为平均值 ±标准误。
256 干 旱 区 研 究 32 卷
表 2 2 个分布区散枝猪毛菜各构件生物量间的关系模型
Tab. 2 Correlation models between different modules
of two distribution areas of Salsola brachiata
生境 项目 生物量 拟合方程 R2 P
新疆 根生物量 茎 y =0. 108 8x +0. 070 4 0. 950 < 0. 01
叶 y =0. 040 3x +0. 100 6 0. 895 < 0. 01
叶生物量 茎 y =2. 383 2x -0. 178 3 0. 912 < 0. 01
果实生物量 根 y =0. 061 9x +0. 071 0. 933 < 0. 01
茎 y =0. 497 6x +0. 294 9 0. 906 < 0. 01
叶 y =1. 244 4x +0. 312 8 0. 866 < 0. 01
株高 根 y =26. 827x0. 274 3 0. 648 < 0. 01
茎 y =15. 919x0. 224 9 0. 601 < 0. 01
叶 y =12. 138x0. 294 2 0. 640 < 0. 01
果实 y =15. 056x0. 181 8 0. 647 < 0. 01
吉尔吉斯
斯坦
根生物量 茎 y =0. 089 4x +0. 027 4 0. 765 < 0. 01
叶 y =0. 075 5x -0. 007 7 0. 855 < 0. 01
叶生物量 茎 y =1. 280 2x +0. 504 0. 857 < 0. 01
果实生物量 根 y =0. 128x0. 705 6 0. 550 < 0. 01
茎 y =1. 372 1x0. 662 6 0. 563 < 0. 01
叶 y =2. 209 1x0. 528 0. 530 < 0. 01
株高 根 y =20. 244x0. 125 7 0. 330 < 0. 01
茎 y =14. 468x0. 175 1 0. 322 < 0. 01
叶 y =13. 105x0. 177 5 0. 424 < 0. 01
果实 y =15. 312x0. 134 7 0. 342 < 0. 01
式增加,茎和叶生物量对根生物量的影响表现为
茎 >叶;叶生物量随着茎生物量呈线性函数形式增
加,茎和根生物量对叶生物量的影响为茎 >根,而叶
和根生物量对茎生物量的影响表现为叶 > 根(表
3)。营养器官生物量与果实生物量呈正相关(P <
0. 01) ,果实生物量随着根、茎和叶生物量均呈线性
函数形式增加,各营养器官对果实生物量的制约表
现为:叶 >茎 >根(表 3)。
2. 3 2 个分布区 2 种猪毛菜各构件生物量与株高
之间的关系
2 个分布区 2 种猪毛菜营养器官及果实生物量
与株高呈正相关(P < 0. 01)。2 个分布区的 2 种猪
毛菜株高随着各营养器官和果实生物量均呈现幂函
数形式增加。各营养器官和果实生物量对株高的制
约表现为,散枝猪毛菜,在新疆:叶 >根 >茎 >果实
(表 2) ,而在吉尔吉斯斯坦:叶 >茎 >果实 >根(表
3)。紫翅猪毛菜,在新疆:根 > 果实 > 茎 > 叶(表
3) ,而在吉尔吉斯斯坦:果实 >叶 >茎 >根(表 2)。
2. 4 生境对 2 种猪毛菜生长结实的影响
多因素方差分析表明,物种(P < 0. 01)、生境
(P < 0. 01)及其相互作用(P < 0. 01)对猪毛菜单株
生物量、株高、果实生物量和结实量均有显著影响
(表 3)。分布在新疆的 2 种猪毛菜单株生物量和果
实生物量、株高及结实量,均显著高于分布在吉尔吉
斯斯坦的 2 种猪毛菜(P < 0. 01) ;而对于同一生境,
紫翅猪毛菜的单株和果实生物量、株高及结实量,均
极显著地高于散枝猪毛菜(P < 0. 01,表 4)。
表 3 2 个分布区紫翅猪毛菜各构件生物量间的关系模型
Tab. 3 Correlation models between different modules of
two distribution areas of Salsola affinis
生境 项目 生物量 拟合方程 R2 P
新疆 根生物量 茎 y =0. 098 8x +0. 072 9 0. 747 < 0. 01
叶 y =0. 071 3x -0. 06 0. 808 < 0. 01
叶生物量 茎 y =1. 347 8x +2. 057 4 0. 900 < 0. 01
果实生物量 根 y =0. 082 3x +0. 237 7 0. 587 < 0. 01
茎 y =0. 786 1x +1. 849 8 0. 740 < 0. 01
叶 y =1. 106 4x +4. 366 1 0. 696 < 0. 01
株高 根 y =3. 221 8lnx +27. 793 0. 587 < 0. 01
茎 y =4. 596 9lnx +18. 849 0. 764 < 0. 01
叶 y =4. 364 7lnx +16. 18 0. 586 < 0. 01
果实 y =2. 885 1lnx +22. 187 0. 617 < 0. 01
吉尔吉斯
斯坦
根生物量 茎 y =0. 06x +0. 124 4 0. 792 < 0. 01
叶 y =0. 028 4x +0. 114 5 0. 710 < 0. 01
叶生物量 茎 y =1. 702 9x +0. 962 0. 924 < 0. 01
果实生物量 根 y =0. 038 2x +0. 125 0. 840 < 0. 01
茎 y =0. 591 8x +0. 134 9 0. 952 < 0. 01
叶 y =1. 057 6x +1. 063 7 0. 924 < 0. 01
株高 根 y =31. 124x +12. 036 0. 754 < 0. 01
茎 y =2. 007 5x +15. 118 0. 723 < 0. 01
叶 y =0. 858 2x +15. 207 0. 576 < 0. 01
果实 y =1. 298x +15. 24 0. 754 < 0. 01
表 4 物种、生境及其交互作用对猪毛菜生长影响的
多因素方差分析
Tab. 4 Multi-factor NOVA of effects of species,habitats
and their interactions on the growth
and fruiting of Salsola species
项目 因素 F P
单株生物量 物种 24. 622 < 0. 001
生境 55. 635 < 0. 001
物种 ×生境 10. 566 0. 001
株高 物种 71. 521 < 0. 001
生境 62. 802 < 0. 001
物种 ×生境 7. 574 0. 006
果实生物量 物种 9. 799 0. 002
生境 44. 264 < 0. 001
物种 ×生境 4. 365 0. 038
结果量 物种 16. 867 < 0. 001
生境 58. 265 < 0. 001
物种 ×生境 1. 928 0. 166
3564 期 迪利夏提·哈斯木等:新疆和吉尔吉斯斯坦 2 种猪毛菜种群构件生物量分析
3 讨论和小结
对于荒漠植物,水分和温度是影响生长和发育
最主要的环境影响因子。当土壤中的水分达到植物
所需的最低量后,水分的增加对植物生长和发育没
有明显的影响〔17〕。适宜的温度条件有利于植物的
生长和发育,过低或过高的温度条件降低光合速度,
抑制植物的正常生长和发育〔18〕。在新疆,紫翅猪毛
菜和散枝猪毛菜植株生长趋势随时间变化呈“先慢
后快”的模式,即在春季,地上生物量增加缓慢;夏
季由于高温干旱,以“休眠”度过不利时期,地上生
物量不再增加;秋季,随着气温下降、土壤含水量上
升,地上生物量快速增加〔19〕。同一种群在不同生境
会产生不同大小植株,进而形成不同的繁殖分配模
式〔20〕。吉尔吉斯斯坦因受来自大西洋的暖湿气流
影响,形成干旱环境中的“湿岛”,产生了大量降
水〔21〕,Byrgondu 地区较乌鲁木齐年均降水量高约
300 mm,无霜期比乌鲁木齐长约 30 d,年均气温高
5 ~ 8 ℃,年最高温度可达 50 ℃,远高于乌鲁木齐
42. 1 ℃的最高温度〔15 - 16〕。尽管 Byrgondu地区雨水
相对较多,有利于猪毛菜种子萌发,但是,由于夏季
的极端高温及较长的无霜期,猪毛菜的幼苗在夏季
持续的高温环境中生长受到抑制。因此,高温可能
是导致 Byrgondu地区 2 种猪毛菜植株个体矮小,各
营养器官生物量小于新疆 2 种猪毛菜的重要原因
之一。
表型可塑性是指同一个基因型对不同环境应答
而产生不同表型的特性〔22〕。干旱气候和贫瘠土壤
通常限制植物的生长和发育,因此,大多数草本植
物将较多的能量投入到茎和叶来保证植物的生
长〔23〕。该试验结果发现,新疆散枝猪毛菜和吉尔吉
斯斯坦紫翅猪毛菜种群各构件生物量比例表现为:
叶 >果实 >茎 >根;吉尔吉斯斯坦散枝猪毛菜和新
疆紫翅猪毛菜表现为:叶 >茎 >果实 >根。说明,2
个分布区 2 种猪毛菜叶上投入的资源均比其他构件
投入的多。叶是进行光合作用制造有机物质的场
所,其生物量分配比例较大,对植物扩大光合面积、
增加有机物的合成十分必要〔24〕。另外,同一生境的
2 种猪毛菜或 2 个分布区的同种猪毛菜,生物量在
第 2 和第 3 位的构件有所不同,说明猪毛菜种群构
件的资源分配受生境和物种的相互影响。
植物各构件生物量之间在结构、功能上有相互
依存和制约关系。资源利用假说认为,植物可通过
调整分配给各构件的相对资源比例来保障其生长发
育成功〔25〕。植物生长结果和资源的分配一般遵循
某种规律,大部分可用线性函数、幂函数或指数函数
模型表达,并选择其中相关系数最大的作为其研究
模型〔26〕。试验结果发现,2 个分布区的 2 种猪毛菜
属植物营养器官生物量之间的关系均遵循线性函数
模型表达。这结果表明 2 个分布区的 2 种猪毛菜营
养器官的生长与分配存在同速生长。
2 个分布区 2 种猪毛菜的茎和根生物量对叶生
物量的影响为茎 >根;叶和根生物量对茎生物量的
影响为叶 >根,说明 2 种猪毛菜的生长资源分配过
程中,对茎和叶的依赖性比根的依赖性大。吉尔吉
斯斯坦散枝猪毛菜和紫翅猪毛菜及新疆紫翅猪毛菜
的茎和叶生物量对根生物量的影响均表现为茎 >
叶,而新疆散枝猪毛菜表现为叶 >茎,说明紫翅猪毛
菜的根生物量中茎的变化起主导作用,并对其生境
的依赖不大,而散枝猪毛菜根生物量和其他营养构
件的关系受生境的影响,即散枝猪毛菜在不同环境
的长期进化过程中,表现出特殊适应机制来保持种
群的数量。
新疆散枝猪毛菜和紫翅猪毛菜营养器官对果实
生物量的影响均表明没有显著差异,说明新疆的 2
种猪毛菜茎和叶的生长对结实的影响较大,存在同
速生长关系。吉尔吉斯斯坦散枝猪毛菜和紫翅猪毛
菜营养器官对果实生物量的影响均有显著差异,说
明吉尔吉斯斯坦散枝猪毛菜果实生物量和各营养构
件之间存在异速生长关系,根和茎的生长在结实中
起关键作用。
植株高度是植物体生长状况的重要量度,植株
通过高度优势优先获得生长所需光能,尤其是在资
源受限的生境中,株高和各构件生物量间的关系对
植物生长调节尤为重要〔26〕。试验结果显示,2 个分
布区的散枝猪毛菜各营养器官和果实生物量对株高
的影响没有明显差异(表 2) ,说明散枝猪毛菜植株
高度与叶生物量的积累有着密切联系,而生境对其
构件关系的影响不大。2 个分布区的紫翅猪毛菜各
营养器官和果实生物量对株高的影响有明显差异
(表 3) ,说明生境对紫翅猪毛菜的株高与营养器官
和果实生物量的影响较大,该物种可能利用此特征
保障其生长结果成功。
综上所述,植物种群构件生物量是植物与环境
456 干 旱 区 研 究 32 卷
因素共同作用的结果。结果表明,虽然,2 个分布区
的 2 种猪毛菜属植物生长与分配均有规律性的同速
生长,但是各种群构件生物量的比例有差异。分布
于新疆的 2 种猪毛菜各构件生物量和个体总生物量
均比分布于吉尔吉斯斯坦的大。紫翅猪毛菜的各构
件生物量和个体总生物量比散枝猪毛菜均明显的
大,这可能是因为新疆和吉尔吉斯斯坦地理和气候
等条件差异以及猪毛菜对特殊环境的适应机制所
致。两者之间的关系适合于植物种群构件理论。
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Modules Biomass Analysis of Two Salsola Species in
Xinjiang and Kyrgyzstan
Dilixiati Hasimu1, Maieryemuguli Abuduwali1, Gulinuer Abudurousuli1,
ZHOU Gui-ling1, Maimaitijiang Tuersun2, Aibek Attokurov3
(1. Key Laboratory of Grassland Resource and Ecology,College of Pratacultural and Environmental Sciences,
Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,Xinjiang,China;
2. College of Forestry and Horticulture,Xinjiang Agriculture University,Urumqi 830052,Xinjiang,China;
3. College Environmental Sciences,Osh Technology University,Kyrgyzstan)
Abstract: The Plant Population Modular theory states that the plant population module biomass is resulting from
interactions between plant and environmental factors. The interaction between plants and environmental factors of
plant populations shows the adaptability to environmental conditions and the influence degree on plant population of
environmental conditions. In this paper,we select two Salsola species (Salsola brachiata and Salsola affinis)
which are common species in southern Kyrgyzstan and northern Xinjiang,China as study material,conducting
quantitative analysis of module biomass on component level. The results showed that although growth and resource
allocation of two Salsola species in two distribution areas have regularity with isogony,but module biomass structure
was different (P < 0. 01). Both of population and individual module biomass structure of two Salsola species dis-
tributed in Xinjiang was greater than that in southern Kyrgyzstan (P < 0. 01). In both of two distribution areas,
population and individual module biomass structure of Salsola affinis was greater than Salsola brachiata (P <
0. 01). These results may be not only caused by regional geography and climate conditions differences in southern
Kyrgyzstan and northern Xinjiang,but also caused by the adaptation mechanism of two Salsola species in special
environment. Therefore,It can be seen that the characteristics of population module biomass construction of these
two Salsola species support the plant module construction theory.
Key words: plant population module;Salsola brachiata;Salsola affinis;biomass;Xinjiang;Kyrgyzstan
656 干 旱 区 研 究 32 卷