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非损伤性摇动是风的直接效应之一。研究模拟风致摇动(刷动)和降水(施水)对植物的影响,有利于了解风致摇动的生态学效应和揭示植物应对干旱多风环境的适应机制。
本文研究毛乌素沙地流动沙丘中一年生先锋植物沙米(Agriophyllum squarrosum)生长、生殖和机械性状对不同频度的手工刷动和施水处理的反应(实验一)以及这些性状对不同频度和强度的机械刷动和施水处理的反应(实验二)。在第一个实验中,沙米接受四个刷动频度(每天0次、30次、60次和120次)和三个施水水平(每两天200ml、300ml和400ml)的处理。在第二个实验中,沙米接受四个刷动频度(每天0次、30次、60次和120次)、两个刷动强度(以0.1ms-1和0.4ms-1的线速度刷动)和三个施水水平(每两天200ml、300ml和400ml)的处理。这些实验主要回答沙米生长、生殖和机械性状对模拟风致摇动的响应。主要结果如下:
(1)刷动频度、强度和施水的交互作用影响沙米生物量:刷动频度和施水的交互作用影响沙米生长(叶面积)、生殖(果实数、单果重、种子数和能够萌发种子数)和机械性状(弯曲刚度、弹性模量和二次轴距);刷动强度和施水的交互作用影响沙米生长(株高、基径和总生物量)、生殖(果实生物量和种子萌发率)和机械性状(弯曲刚度、屈服力、弹性模量和二次轴距)。
(2)提高刷动频度降低沙米株高,但对基径和总生物量的影响不一致,而对生殖(果实生物量、种子数量、种子生物量、千粒重以及能够萌发种子数)没有影响。刷动强度的变化影响沙米生殖,高强度下促进沙米种子生物量积累,增加种子数。
(3)沙米在受到刷动后弹性模数不变或者增加,表明它应对大风环境的策略是尽量维持茎不动,而不是随风摇摆。弯曲刚度的变化与植物生物量的变化有很大关系,在沙米生物量很小时,较小的弯曲刚度就能维持沙米的机械稳定性。刷动强度没有影响沙米机械稳定性。
(4)手工刷动实验表明,模拟风致摇动并没有对沙米适合度造成影响,沙米通过性状间的权衡,使得总生物量和果实生物量维持在相对稳定的水平。机械刷动实验表明,中频度刷动降低沙米生物量,但对沙米生殖没有影响。提高刷动强度一定程度上促进沙米适合度增加,在保证后代可能萌发数量前提下提高种子千粒重,进而有利于沙米后代植株生长和维持。
(5)模拟风致摇动频度对生殖生长与营养生长、地上生物量与茎弯曲刚度的异速关系有显著影响,但这种影响并没有表现出线性增加的趋势。刷动强度并未对生殖生长与营养生长、地上生物量与茎弯曲刚度的异速关系造成显著影响。
这些结果表明:(1)模拟风致摇动频度和强度对沙米的影响受土壤水分可利用性的修饰;(2)模拟风致摇动限制沙米生长,对生殖生长没有显著影响;摇动强度的提高刺激沙米生殖生长;(3)模拟风致摇动频度增加了沙米茎硬度而降低了茎的机械稳定性;摇动强度没有影响沙米机械稳定性;(4)手工摇动频度没有引起沙米适合度显著下降;每天60次机械摇动减少沙米生长,没有影响沙米生殖,提高摇动强度一定程度上增加沙米适合度;(5)模拟风致摇动频度对沙米性状间的异速关系有一定的修饰作用;而强度对性状间的异速关系没有影响
沙米适应多风环境的策略是,受到风致摇动后,利用性状间的权衡关系维持植物适合度,然而我们对这些变化的机理了解依然较少,今后应从结构、生理甚至细胞水平开展相关研究。