河南4種櫟屬樹木葉脈序特征研究

陳丹丹，郝 凡，張益菻，張 通，張碩新,2*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2．陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng) 國家野外科學(xué)觀測研究站，陜西 寧陜 711699)

葉脈在葉片中的分布和排列式樣就是葉片脈序，也稱為葉脈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。植物在不斷適應(yīng)環(huán)境的過程中，其葉脈序特征也對環(huán)境條件產(chǎn)生適應(yīng)性[1]，且植物葉脈序特征穩(wěn)定[2]。葉的宏觀結(jié)構(gòu)特征是眾多學(xué)者進(jìn)行活植物分類和葉化石鑒定的重要依據(jù)[3]，近年來葉的很多穩(wěn)定性狀如整體脈型、一級脈、二級脈、三級脈、邊緣末級脈、網(wǎng)眼和葉緣齒端結(jié)構(gòu)等被越來越廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代植物分類的研究中[4]，葉脈性狀在種的鑒定方面體現(xiàn)出重要的意義[5-7]。

櫟屬(Quercus)20余種落葉櫟構(gòu)成了我國溫帶和暖溫帶地區(qū)落葉闊葉林和針闊混交林的主要組成部分[8]。櫟屬植物為適應(yīng)不同的生存環(huán)境，葉脈序特征也產(chǎn)生相應(yīng)的變異。河南寶天曼自然保護(hù)區(qū)地處伏牛山南麓，是北亞熱帶向南暖溫帶過渡區(qū)域，也是中原地區(qū)保存最為完好的綜合性森林生態(tài)系統(tǒng)，植物群落類型復(fù)雜，具有豐富的生物多樣性[9-10]。短柄枹櫟(Q.serratavar．brevipetiolata)、麻櫟(Q．a(chǎn)cutissima)、銳齒槲櫟(Q.alienavar．a(chǎn)cuteserrata)和栓皮櫟(Q．variabilis)均是河南落葉闊葉林的重要成分。國內(nèi)對櫟屬植物葉脈序的研究鮮有報(bào)道，因此對河南寶天曼自然保護(hù)區(qū)內(nèi)短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉脈序特征進(jìn)行提取和分析，探究其葉脈序特征差異，具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。

1 材料與方法

在寶天曼自然保護(hù)區(qū)內(nèi)采摘短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉片。各樹種均選取陽坡正常生長的健康樹木8株，每株摘取陽面中部3～5個(gè)小枝，每株的小枝上采摘完全展開的成熟葉片共20片，使用彩色掃描儀(BenQ 5560C)逐一對新鮮葉片進(jìn)行掃描，獲取灰度圖像。

由于各樹種葉片大小不一，葉面積過大會(huì)對數(shù)據(jù)的精確性產(chǎn)生一定的影響，故統(tǒng)一對葉片圖像進(jìn)行截取。以栓皮櫟為例，通過分析發(fā)現(xiàn)，所獲取的8個(gè)葉脈序特征指標(biāo)在完整葉片圖像與截取的主脈長度1/3中部圖像間均無明顯差異，即P>0.05。故截取葉片中部主脈長度的1/3的圖像，使用Leaf extraction and analysis framework graphical user interface(簡稱LEAF GUI)葉脈序分析軟件獲取葉脈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)。

短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟葉片圖像樣本共計(jì)115個(gè)。8個(gè)葉脈序特征分別為葉脈平均寬度、網(wǎng)眼密度(單位面積網(wǎng)眼數(shù))、網(wǎng)眼面積(葉脈所圍成的閉合區(qū)間面積)、葉脈間距離(閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的最大當(dāng)量直徑)、葉脈密度(單位面積葉脈長度)、葉脈邊緣平均二維面積(葉脈所圍成的閉合區(qū)間中葉脈的二維面積)、葉脈邊緣平均三維面積(葉脈圍成的近似圓柱體的表面積)和閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積(葉脈所圍成的近似圓柱體的體積)。

通過主成分分析、單因素方差分析和多重比較的方法，對葉脈序特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所有分析和作圖均使用SPSS Statistics V20.0軟件和Microsoft Excel 2010完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉脈序特征指標(biāo)的篩選

對短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉脈序特征指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(PCA)(表1)。從各主成分的方差貢獻(xiàn)率可以看出，第1主成分和第2主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.351%，即第1主成分和第2主成分可以解釋原8個(gè)變量的87.351%變異，所反映的信息已經(jīng)比較全面，故提取前2個(gè)主成分。

以葉脈序特征主成分為橫坐標(biāo)，各主成分對應(yīng)的特征值為縱坐標(biāo)得到葉脈序特征主成分分析提取圖(圖1)。主成分1和主成分2之間連線的斜率比較大，從第3個(gè)主成分開始，其對應(yīng)的特征值都很小，這對解釋原變量的貢獻(xiàn)也很小，可以被忽略。圖1 與表1的結(jié)果相一致，說明提取2個(gè)主成分較為合理。

表1 短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟葉脈序特征主成分的特征值和累積貢獻(xiàn)

主成分與各葉脈序特征指標(biāo)相關(guān)程度見表2。第1主成分與葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積、閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積和葉脈密度的相關(guān)性較高；第2主成分與葉脈間距離相關(guān)性較高。

經(jīng)過對原8個(gè)葉脈序特征進(jìn)行主成分分析，篩選出最適合進(jìn)行研究的葉脈序特征共5個(gè)，分別為葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積、閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積、葉脈密度和葉脈間距離。

2.2 葉脈序特征差異比較

短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的5個(gè)重要葉脈序特征方差分析和多重比較結(jié)果見圖2。短柄枹櫟的葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積、葉脈間距離和葉脈密度與麻櫟、銳齒槲櫟、栓皮櫟均存在顯著差異(P<0.05)，栓皮櫟的這4個(gè)特征與麻櫟、銳齒槲櫟也存在顯著差異(P<0.05)，麻櫟與銳齒槲櫟之間的差異不顯著(P>0.05)。在閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積上，短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟兩兩之間均存在顯著差異(P<0.05)。

圖1 短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟葉脈序特征的主成分提取

葉脈序特征主成分12葉脈邊緣平均三維面積0.973-0.102葉脈邊緣平均二維面積0.973-0.102閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積0.965-0.128葉脈密度-0.9370.166網(wǎng)眼面積0.8610.410葉脈平均寬度0.856-0.265網(wǎng)眼密度-0.7340.136葉脈間距離0.5680.794

從柱形圖中可以看出，短柄枹櫟的葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積、閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積和葉脈間距離最大，栓皮櫟次之，銳齒槲櫟與麻櫟的葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積相差不多，但銳齒槲櫟的閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積和葉脈間距離稍>麻櫟。葉脈密度最大的是麻櫟和銳齒槲櫟，兩者無明顯差別，栓皮櫟次之，短柄枹櫟最小。

3 結(jié)論與討論

相比短柄枹櫟而言，麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟可能通過增加葉脈密度而更適應(yīng)寒冷和干旱的環(huán)境條件。葉脈邊緣三維面積和二維面積小、葉脈間距離以及閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)體積小、葉脈密度和網(wǎng)眼密度大的特點(diǎn)可能使麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈系統(tǒng)運(yùn)輸能力相對更強(qiáng)。葉脈密度和網(wǎng)眼密度大，增加了麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟葉脈系統(tǒng)的機(jī)械支持能力和抵御外部損傷能力。

注：不同小寫字母表示不同樹種之間在0.05水平存在顯著差異。

圖2短柄枹櫟、麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟葉脈序特征比較

Fig.2 Comparisons of five venation characteristics among four oak species

葉脈承擔(dān)著運(yùn)輸植物養(yǎng)分和水分的重要作用，其結(jié)構(gòu)特征具有種的特異性，同時(shí)對環(huán)境具有適應(yīng)性[11]。植物隨著環(huán)境中生態(tài)因子的變化而發(fā)生形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，其中葉的變化是最明顯和快速的[12]。葉脈邊緣平均三維面積、葉脈邊緣平均二維面積、閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積、葉脈間距離和葉脈密度等特征在不同的櫟屬植物中呈現(xiàn)出差異性，是物種與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生的結(jié)果。

李曉鵬[13]通過研究發(fā)現(xiàn)，北方棗品種通過增加葉脈密度而提高自身的抗旱性和抗寒性。在干旱脅迫下，植物通過增加末端葉脈密度來響應(yīng)水分的變化[14]。落葉櫟在中國的地理分布[15]顯示，麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的分布北界明顯比短柄枹櫟分布北界緯度更高，麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的分布西界也明顯比短柄枹櫟分布西界更靠近四川西部，由此推測麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的抗寒性和抗旱性>短柄枹櫟，研究結(jié)果顯示麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉脈密度明顯>短柄枹櫟。這與李曉鵬[13]的研究結(jié)果相似。

李樂[1]等研究發(fā)現(xiàn)，不論是末端葉脈還是較粗葉脈，其密度越大，葉脈系統(tǒng)的物質(zhì)運(yùn)輸能力則越強(qiáng)。不同物種中，高葉脈密度則能支持高的光合速率[16]。櫟屬樹種在南北樣帶溫暖帶區(qū)內(nèi)，由北往南，其葉脈密度增加，較高的葉脈密度保證了葉片水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸，促進(jìn)葉片生理活動(dòng)正常進(jìn)行[17]。葉脈間距離越小，則葉脈到氣孔的距離就短，允許通過的水分和碳通量就越高[18]。葉脈密度和葉脈間距離等性狀對水分、養(yǎng)分和光合產(chǎn)物在葉脈系統(tǒng)中的運(yùn)輸產(chǎn)生重要的影響[19]。分析結(jié)果顯示麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈間距離明顯短于栓皮櫟和短柄枹櫟，麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈密度也相對更高，而麻櫟具有養(yǎng)分奢侈吸收、養(yǎng)分損失少和養(yǎng)分再吸收能力強(qiáng)的特性[20]，生長迅速，適應(yīng)能力強(qiáng)[21]，35年生銳齒槲櫟林地上部分凈生產(chǎn)力與年齡呈正相關(guān)，年齡遞增則葉的分配比遞增[22]，由此推測麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈系統(tǒng)具有較強(qiáng)的運(yùn)輸能力。

葉脈系統(tǒng)的運(yùn)輸能力與閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的特性有著密切的關(guān)系，當(dāng)閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有利于水分、養(yǎng)分及光合產(chǎn)物的流動(dòng)和運(yùn)輸時(shí)，則葉脈系統(tǒng)的運(yùn)輸能力更強(qiáng)。相比短柄枹櫟和栓皮櫟，麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈間距離短、葉脈密度大，其葉脈系統(tǒng)的運(yùn)輸能力更強(qiáng)，說明其閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于物質(zhì)的流動(dòng)。研究中發(fā)現(xiàn)，麻櫟和銳齒槲櫟的葉脈邊緣平均三維面積和平均二維面積、葉脈間距離以及閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)平均體積明顯<栓皮櫟和短柄枹櫟，說明麻櫟和銳齒槲櫟的網(wǎng)眼密度更大，且通過單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，麻櫟和銳齒槲櫟的網(wǎng)眼密度明顯>短柄枹櫟(P<0.05)，但栓皮櫟的網(wǎng)眼密度與銳齒槲櫟處于同一水平。由此推測，葉脈邊緣三維面積和二維面積小、葉脈間距離短、閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)體積小的特點(diǎn)更有利于提高葉脈系統(tǒng)的運(yùn)輸能力。

葉脈密度和網(wǎng)眼密度等性狀還與葉脈系統(tǒng)的機(jī)械支持能力和抵御蟲害等干擾能力有著密切的關(guān)系，葉脈密度大更有利于提高機(jī)械支持能力，葉脈密度和網(wǎng)眼密度大則更有利于抵御蟲害[1]。李東勝[17]等認(rèn)為櫟屬植物多為高大喬木，葉片在群落冠層中更加突出，降水和風(fēng)吹等外部影響更為明顯，葉脈密度增加可以增大葉片的強(qiáng)韌度，從而減少或避免外部沖擊造成的機(jī)械損傷。麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉脈密度和網(wǎng)眼密度都明顯>短柄枹櫟，由此推測麻櫟、銳齒槲櫟和栓皮櫟的葉脈系統(tǒng)機(jī)械支持能力和葉片抵御外部損傷能力更強(qiáng)。

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