0 引言
以往研究多是从植物单一结构观测或单方面环境选择压力阐述其对植物繁殖过程的影响，而针对荒漠灌木种群的有性繁殖研究则集中于种子萌发和根系特性生理研究［10-11］、种群分布式样及种群数量［12］等方向。围封作为退化草地修复的重要手段，在退化草原的恢复中被广泛采用［13］，长期的围封可能会影响植物生长发育和种群繁殖策略［14］。而围封管理下，对沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）种群传粉效率影响机制的研究鲜有报道。随着草原荒漠化现象加剧，加强退化草地的恢复和治理，已经成为维护草原生态安全和可持续发展的重要任务。因此，如何提高荒漠草原重要灌木种群的繁殖效率，也是目前传粉生物学研究的重要课题。本研究能够明确花部特征和访花频率对种群雌性适合度的作用机理，揭示围封状态对沙冬青种群的传粉效率的影响机制，为退化草地的恢复和荒漠生态系统的可持续发展提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
图1
图1
研究区域位于内蒙古乌拉特荒漠草原
Fig.1
The study area is located in the Urat desert steppe in Inner Mongolia Province
1.2 研究对象
沙冬青为豆科属灌木，具有抗逆性强、根系发达、固沙保土的性能；其根部具有根瘤，具有改良土壤作用。沙冬青种群分布于内蒙古、甘肃、宁夏等地，而在内蒙古西部，沙冬青多集中分布于乌拉特荒漠草原和阿拉善荒漠区，其种群花期多为4—5月，果期为5—6月，虫媒传粉是其重要的传粉方式，具有自交亲和性。
1.3 样地选择
研究区域选择中国科学院乌拉特荒漠草原研究站的周边样地，以沙冬青为优势种群的样地作为观测样地，样地选择过程中遵循以下几方面的原则：①选择同一坡向大面积的连续沙冬青灌丛，以减少样地的边缘效应；②选择围封区样地与自然生境样地的面积相同，每个样地选择12个样方；③选择样地靠近已有气象观测场，及时掌握降水变化等气象数据，便于开展实验。围封实验2018年开展，并于2023年对围封样地内沙冬青种群进行观测和记录。
1.4 花部特征和雌性适合度观测
在沙冬青花期内，其种群的花部特征观测利用高清物候相机采取定时和定位观测的方法［16］。通过高清物候相机对样地内所有标记植株和花序的开花物候进行记录。在沙冬青种群观测样地内，每个处理（围封处理和自然处理）选取12个样方，每个样方均选取多株生长状况一致的植物。对处于花芽期的花序挂牌标记，每株标记3个花序。记录每次观测时，标记花序内的开花数、花朵开放的持续时间；并采用电子游标卡尺（精度为0.02 mm）测量花冠冠幅、花瓣长度等指标；在花期结束后，收集并统计标记花序的种子，并根据不同处理组种子数目、种子质量，来计算种群雌性适合度。雌性适合度＝种子数目×种子平均质量。
1.5 虫媒传粉活动和访花频率观测
采用挂牌标记法对虫媒传粉活动进行观测，在沙冬青种群样地中，根据花部特征观测处理样方中的标记植株和花序，通过数码摄像和人工检测对访花昆虫的种类、访花次数、访花频率及其行为进行定时、定位的连续观测。从开花期开始，每天的08:00—18:00进行观测，持续7 d；观察访花昆虫在标记花序上的访花行为，并记录标记花序的开花数、昆虫的访花次数、访花时间等，统计虫媒传粉昆虫的访花频率。访花频率＝访花次数/观测时间
1.6 花粉限制观测
采用人工授粉试验，测定围封处理和自然状态下沙冬青种群的雌性适合度坐果是否存在花粉种类和数量限制。我们以花部特征观测标记花序为对照组，在同一标记植株上标记相近的3个花序作为人工花粉添加处理组，用花粉刷对标记花序中的花朵进行授粉。花粉添加通常在盛花期进行，花粉来自其他健康植株的花朵。果实成熟后， 对不同处理组的标记花序进行收集，统计其雌性适合度；并计算花粉限制指数（Pollen limitation index，PLI），验证沙冬青种群是否受到花粉限制影响［17］。
式中：FC为对照组的雌性适合度；FPA为花粉添加处理组雌性适合度。花粉限制指数是对种群是否受到花粉限制的直接生物学解释，指数为正值显示花粉添加处理组的雌性适合度高于对照组，表明种群受到花粉限制。零或负值则表明不存在花粉限制。
1.7 数据分析
利用方差分析，检验围封处理对开花数、花冠冠幅（花冠长度×花冠宽度）、旗瓣长度的影响。同样的模型被用来测试花部特征对雌性适合度的影响。当显著影响时，使用Fisher最小显著性差异进行事后检验。然后，使用线性回归来衡量选择。以雌性相对适合度作为响应变量。对开花数、花冠冠幅（花冠长度×花冠宽度）、旗瓣长度进行标准化处理，并以它们为解释变量。在此基础上，对平均雌性适合度（种子数×种子质量）进行了量化，并计算了各花部特征的标准化值。此外，我们通过检验方差膨胀因子（VIF）来检验多重共线性，发现花部特征所选择的VIF<3，表明共线性并不严重。
使用相同的模型来探索开花数与传粉者访花频率之间的关系。通过Spearman相关性，检验开花数与传粉者访花频率、传粉者访花频率与雌性适合度之间的线性回归关系，以上所有统计分析均使用RStudio （R Core Team， 2023.09.1）。
利用一般线性模型（GLM）分析在围封处理下，添加花粉处理对适宜度的影响。以雌性适应度作为因变量，以围封处理、花粉添加作为自变量，采用SPSS 24.0软件进行分析。
2 结果和分析
2.1 沙冬青花部特征
图2
图2
围封处理下沙冬青种群的花部特征
Fig.2
Floral traits of Ammopiptanthus mongolicus in the enclosure treatment
图3
图3
围封处理下沙冬青种群的花部特征与雌性适合度的关系
Fig.3
Relationship between floral traits and female fitness of Ammopiptanthus mongolicus in the enclosure treatment
2.2 花粉限制
不同处理组沙冬青种群的雌性适合度差异显著（P<0.01，图4）。自然生境下，对照组和花粉添加处理组的沙冬青雌性适合度分别为0.83和1.29，花粉限制指数为0.36；围封生境下，沙冬青种群的花粉限制指数为0.30，表明沙冬青种群在繁殖过程中受到花粉限制，围封生境中沙冬青种群受到的花粉限制低于自然生境中的沙冬青种群。
图4
图4
不同生境下花粉添加处理对沙冬青种群雌性适合度的影响
Fig.4
Effect of pollen addition on female fitness of Amopiptanthus mongolicus in different habitats
2.3 访花者种类、行为及访花频率
通过对不同生境中标记花序进行观察，我们发现沙冬青有效访花昆虫10余种，主要访花昆虫为蜂类和蝇类，多隶属于膜翅目、双翅目和鳞翅目。其中意大利蜂（Apis mellifera）的访花频率最高；蝇类中的灰被管蚜蝇（Eristalis cerealis Fabricius）的访花活动也较常见。蜂类访花时间及频率明显高于蝇类，在10:00—15:00，蜂类的访花活动最为频繁。在访花过程中，意大利蜂在花药上用口器吸取花蜜，并在花药上左右移动，使身体沾满花粉，通过其携带花粉的头部、胸部和腹部碰触柱头，完成花粉的传递；蝇类和蝶类在花上停留的时间较短，传粉时间相对较少。蜂类具有较大的躯干和较高的访花频率，从而加速了不同花朵之间花粉的交流，是高效的访花昆虫。
在围封生境下，访花昆虫平均访花频率为4.5，而在自然生境下，访花频率为3.1，二者差异显著（P<0.05）。标记花序的开花数越多，昆虫访花的频率越高，开花数与昆虫访花频率显著正相关（P<0.001，图5）；较高的昆虫访花频率能够显著促进沙冬青雌性适合度的增加（P<0.001）。
图5
图5
种群开花数、昆虫访花频率与雌性适合度的关系
Fig.5
Relationships between number of open flowers and pollinator visitation frequency influence female fitness
3 讨论
随着草原荒漠化现象加剧，如何利用围封等技术加强退化草地的恢复，已经成为维护荒漠草原生态安全和可持续发展的重要课题。围封处理对于花部特征和雌性适合度具有显著的作用，进而对灌木种群传粉过程和繁殖效率产生影响［18］。围封处理在一定程度上改变了生境的开放性和干扰程度［19］。放牧是草原退化的主要影响因子，人类活动导致的生境斑块化已被证明会对植物花部结构和传粉媒介的种群动态造成影响［20-21］。植物群落的生境斑块化会改变植物开花物候，缩短开花时间、减少开花数，增大当地传粉媒介灭绝的风险［22］。在围封区域内，封育恢复能够显著提高种群传粉媒介的数目和访花时间；放牧等人类活动和干扰的降低，能够形成相对稳定的环境，有利于提高传粉者的访花效率［23］。当然，自然生境中的放牧活动也并非完全对灌木种群的传粉过程产生负面作用，适度的放牧可能会通过动物的进食活动增加花粉的传播范围［24］。Fernando等［25］对Myrtillocactus schenckii （Cactaceae）种群类似的现象进行了研究，发现适度干扰生境中的植物种群部分枝条会产生更多果实，具有更高的结籽率。
花作为被子植物的重要繁殖器官，花部特征是影响植物雌性适合度的重要因子，并且花部特征与传粉者的访花频率和访花行为等密切相关［26］。环境因素可能导致传粉昆虫与植物之间的互利共生关系出现时间或功能上的不匹配，从而影响传粉昆虫的多样性和种群数量，影响花部特征的演化和发展［27］。围封可能改变植物的密度，进而改变花的覆盖度与多样性，对植物的繁殖效率产生影响［28］。很多开花植物具有“集中开花模式”，这种模式有利于在较短开花期内迅速吸引大量的传粉昆虫进行访花活动，并提高种群异交成功率［29］。我们发现，意大利蜂通常在10：00左右进行访花活动，传粉活动与沙冬青种群的开花时间吻合，能够保证具有充足的访花时间，这与环境温度和湿度密切相关。该结果与李琪等［30］对膜苞鸢尾的研究结果一致，沙冬青种群的花部特征和开花特性更有利于对恶劣环境的适应。此外，围封样地中沙冬青的开花数显著高于自然生境，而且沙冬青种群的开花数与访花频率显著正相关。因此，围封样地中种群开花数的增加，提高了沙冬青种群的昆虫访花效率。
花粉不足或花粉传递效率低下会降低植物的传粉成功率，并且种群繁殖成功可能受到花粉限制的影响［31］。花粉限制被定义为由于花粉传递的数量或质量不足，进而导致种群繁殖效率下降的现象［32］。许多开花植物的花粉限制与访花者的数量和质量有关，访花昆虫频率是影响花粉限制的重要因素［33］。围封草地中拥有更多的开花数，进而可以吸引更多的传粉媒介访问，提高授粉网络的稳定性和功能［34］。我们在沙冬青种群中也发现相似的现象，其访花频率与雌性适合度显著正相关，并且围封样地中沙冬青的访花频率显著高于自然生境。由于沙冬青种群具有更高的昆虫访花频率也导致其受到花粉限制强度的降低，进而促进了种群传粉效率的提高。因此，通过围封处理改变灌木种群的花部特征，从而提高荒漠草原灌木种群的繁殖效率，为退化荒漠草原的恢复提供技术支持，具有重要的研究意义。
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甘公网安备 62010202000688号
