海岸梯度上黑松針葉形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)性狀的變化規(guī)律

張 鵬 孫 陽 虞木奎 吳統(tǒng)貴*

(1.國家林業(yè)局華東沿海防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站,中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所,杭州 311400； 2.山東榮成大天鵝國家級自然保護(hù)區(qū),榮成 264300)

風(fēng)環(huán)境下植物形態(tài)、生理與生物力學(xué)特征發(fā)生的系列變化稱為“向觸性形態(tài)建成”[1]。葉片是植物光合作用的主要器官，也是受風(fēng)影響最嚴(yán)重的器官，具有較強的可塑性，因此葉片性狀對風(fēng)脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)研究一直備受關(guān)注[2～3]。大量研究發(fā)現(xiàn)，樹木在風(fēng)環(huán)境中，葉片變短、變窄，葉面積減少[2,4～8]；葉片解剖結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)變化，如角質(zhì)層、表皮和葉片厚度均呈現(xiàn)增厚的趨勢[2,8～9]。樹木葉片形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)的變化可以有效減少機械損傷和水分散失，有助于其更好地適應(yīng)大風(fēng)(強氣流)帶來的機械刺激和環(huán)境變化[4]。

當(dāng)前，樹木對風(fēng)脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但多數(shù)集中在闊葉樹種(如：麻櫟Quercusacutissima、楊樹Populustremula、美國榆Ulmusamericana等)上，而對針葉樹種的研究相對較少。研究方法多采用風(fēng)洞[10～13]，或鼓風(fēng)機、風(fēng)扇等模擬風(fēng)脅迫[2,6,8～9,14]，或通過施加機械刺激模擬來達(dá)到與風(fēng)脅迫相同的效果[2,5,15]，也有少量研究采取野外短期遮風(fēng)處理，比較遮風(fēng)與不遮風(fēng)環(huán)境下植物的響應(yīng)差異[7,16]。目前這些研究雖然為我們了解樹木對風(fēng)脅迫的響應(yīng)規(guī)律提供了較好的啟示，但卻難以反映出樹木在自然環(huán)境下的長期適應(yīng)機制。

由海岸向內(nèi)陸延伸，海岸梯度上風(fēng)速逐漸降低，進(jìn)而形成不同程度的風(fēng)脅迫[14,17]，是研究風(fēng)脅迫下樹木長期響應(yīng)與適應(yīng)機制的天然實驗室。本文以不同海岸距離梯度上60年生日本黑松(Pinusthunbergii)為研究對象，揭示其針葉形態(tài)與解剖結(jié)構(gòu)在海岸梯度上的變化規(guī)律，為探明黑松對風(fēng)脅迫的長期響應(yīng)與適應(yīng)機制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)立與樣品采集

試驗點位于山東省榮成市成山林場內(nèi)，地處北緯37°23′，東經(jīng)122°31′。林場擁有黑松純林面積833 hm2，海岸線長10 000 m，垂直海岸林帶寬1 000 m，年平均氣溫為11.4℃，年平均降水量為793.2 mm，為暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，主風(fēng)向為東北偏北。

垂直于海岸線，每隔700 m設(shè)置一條樣線；在每條樣線上每隔100 m設(shè)置一個10 m×10 m的固定樣地，樣地的四個角用水泥樁做永久標(biāo)記，并在水泥樁上掛上鋁牌做好編號標(biāo)記，每條樣線設(shè)置8個樣地。共設(shè)置樣線3條，樣地24塊，黑松林樣地基本情況見下表1。

表1 黑松林固定樣地基本情況

2016年9月，在每個樣地中選擇長勢良好、正常的3株標(biāo)準(zhǔn)木，記錄標(biāo)準(zhǔn)木編號并標(biāo)記。分別在每株標(biāo)準(zhǔn)木的迎風(fēng)面和背風(fēng)面樹冠中部位置用高枝剪剪下樣枝，在每個樣枝上選擇5～8片成熟的功能針葉，用雙面刀片切割成10小段放入FAA固定液中固定24 h以上，用來測定針葉解剖結(jié)構(gòu)性狀。同時選取樣枝上100～200片成熟的功能針葉，立即帶回實驗室測定針葉形態(tài)，所有樣品需以個體為單位標(biāo)記好。

1.2 針葉形態(tài)測量

使用i800 plus掃描儀(中晶科技有限公司，上海)掃描針葉樣品，采用LA-S植物圖像分析系統(tǒng)(萬深檢測科技有限公司，杭州)分析針葉長度、寬度、表面積等指標(biāo)，然后放入裝有干燥劑的信封袋中在65℃下用烘箱烘干至恒重，并稱量所掃描的針葉干重，計算比葉面積：

比葉面積=針葉總面積/針葉總干重

(1)

1.3 針葉解剖結(jié)構(gòu)測定

將采集的針葉樣品進(jìn)行脫水、抽氣、浸蠟、包埋、切片、染色等一系列處理，切片厚度為10 μm，番紅—固綠雙重染色，中性樹膠封片。制片后用Motic數(shù)碼顯微鏡(Motic B5 Professional Series)及圖像分析系統(tǒng)(Moptic Images Advanced 3.0)觀察和測定針葉厚度、表皮細(xì)胞厚度、角質(zhì)層厚度、導(dǎo)管孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，5次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進(jìn)行方差分析(α=0.05)，對迎風(fēng)與背風(fēng)面針葉形態(tài)解剖特征采用配對樣本T檢驗法。

2 結(jié)果與分析

2.1 海岸梯度上黑松針葉形態(tài)性狀的變化規(guī)律

試驗區(qū)內(nèi)黑松針葉長度、寬度、周長、面積和比葉面積的變化范圍分別為145.45～211.05 mm、5.72～8.77 mm、299.03～475.54 mm、280.60～475.03 mm2、11.44～17.31 cm2·g-1，平均值分別為188.27 mm、7.52 mm、407.62 mm、417.64 mm2、13.79 cm2·g-1。黑松迎風(fēng)面針葉長度、寬度、周長、面積和比葉面積在海岸梯度間存在顯著差異(P<0.05)，隨著離海岸距離的減小而逐漸減小，且在300～500 m處逐步趨于平穩(wěn)(圖1)；而背風(fēng)面各指標(biāo)在梯度間差異均不顯著(P>0.05)。

圖1 海岸梯度上黑松針葉形態(tài)性狀的變化規(guī)律 圖中不同大寫字母表示同一梯度迎風(fēng)面與背風(fēng)面的差異性(P<0.05)；不同小寫字母表示不同梯度的差異性；相同的字母表示無顯著性差異 下同。Fig.1 Variation in needle morphological traits of Pinus thunbergii along the coastal-inland gradient Different capital letters indicate significant differences between windward and leeward of the same gradient(P<0.05)；Different lowercase letters indicate significant differences among different gradients；The same letters indicate no significant differences. The same as below.

同時，在近海岸梯度的200 m以內(nèi)，迎風(fēng)面針葉長度、寬度、周長、面積和比葉面積顯著小于背風(fēng)面(P<0.05)；在遠(yuǎn)海岸梯度500～700 m處，迎風(fēng)面比葉面積顯著大于背風(fēng)面(P<0.05)。其他梯度處迎風(fēng)面和背風(fēng)面間各指標(biāo)差異均不顯著(圖1)。

2.2 海岸梯度上黑松針葉解剖結(jié)構(gòu)性狀的變化規(guī)律

海岸梯度上黑松針葉厚度、表皮厚度、角質(zhì)層厚度和導(dǎo)管孔徑的變化范圍分別為903.13～1 352.76、20.49～24.00、3.45～5.16、9.32～13.22 μm，平均值分別為1 215.88、21.54、4.07、10.39 μm。黑松迎風(fēng)面針葉厚度隨著離海岸距離的減小而逐漸減小，在400 m處逐步趨于平穩(wěn)，針葉表皮厚度、角質(zhì)層厚度、導(dǎo)管孔徑則隨著離海岸距離的減小而逐漸增加，在300 m處逐步趨于平穩(wěn)；而背風(fēng)面針葉表皮厚度、角質(zhì)層厚度、導(dǎo)管孔徑、針葉厚度在海岸梯度間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 海岸梯度上黑松針葉解剖結(jié)構(gòu)性狀的變化規(guī)律Fig.2 Variation in needle anatomical traits of P.thunbergii along the coastal-inland gradient

同時，海岸線(0 m處)上迎風(fēng)面導(dǎo)管孔徑顯著大于背風(fēng)面，海岸梯度100、300、500 m處以內(nèi)，迎風(fēng)面與背風(fēng)面針葉表皮厚度、針葉厚度和針葉角質(zhì)層厚度均存在顯著差異(P<0.05)。其他梯度各指標(biāo)在迎風(fēng)面和背風(fēng)面間差異均不顯著(圖2)。

3 討論

異質(zhì)環(huán)境條件下，同一樹種經(jīng)過自然選擇和長期適應(yīng)，會在形態(tài)、生長等方面產(chǎn)生變異，其葉片形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征能反映出樹木在變化環(huán)境中的適應(yīng)策略[18～19]。海岸距離梯度，如同海拔、緯度梯度等，形成了連續(xù)變化的異質(zhì)環(huán)境，為我們研究風(fēng)脅迫下樹木的長期響應(yīng)與適應(yīng)策略提供了天然實驗室。在本研究中，形態(tài)、解剖特征隨海岸距離的變化規(guī)律不盡相同，但在海岸距離500 m處以后，多數(shù)形態(tài)、解剖特征的變化已趨于平穩(wěn)，且除比葉面積外，迎風(fēng)面與背風(fēng)面間差異也不再顯著，說明風(fēng)對500 m內(nèi)黑松針葉形態(tài)產(chǎn)生較大的影響，這與前人研究結(jié)果基本相同[18,20～21]。

風(fēng)脅迫下，樹木葉片數(shù)量顯著減少，葉片長度、面積、比葉面積等也顯著降低，以減少受力面積和風(fēng)的危害[6～8,17]。本實驗中針葉面積、周長、長、寬等形態(tài)指標(biāo)隨著離海岸距離的減小都呈現(xiàn)減小趨勢，即隨著風(fēng)脅迫的增加而逐漸降低；近海岸處的迎風(fēng)面各指標(biāo)顯著小于背風(fēng)面，這些變化與前人研究結(jié)論相吻合。比葉面積也和其它指標(biāo)相同，隨著離海岸距離的減小也呈現(xiàn)減小的趨勢，近海岸點迎風(fēng)面小于背風(fēng)面，這與Cordero等[16]、Wu等[8]的研究結(jié)果相同；但在500 m以后，迎風(fēng)面比葉面積卻大于背風(fēng)面，這主要是因為500 m后樹木基本不受風(fēng)脅迫的影響，而在正常環(huán)境下，受光越弱，比葉面積越大[22～23]，因此本實驗中500 m后迎風(fēng)面(偏陰面)的比葉面積顯著大于背風(fēng)面(偏陽面)。

葉片水分利用特征對風(fēng)脅迫的響應(yīng)變化較為復(fù)雜，弱風(fēng)會增加葉片蒸騰速率[24～25]；但強風(fēng)容易引起葉片氣孔逐漸關(guān)閉，其蒸騰速率顯著下降[3,10,26]。但無論是弱風(fēng)還是強風(fēng)環(huán)境中，葉片的氣孔性和非氣孔性水分散失都會導(dǎo)致葉片干旱[13,27～28]。Whitehead認(rèn)為，葉片通過調(diào)整解剖結(jié)構(gòu)來更好地抵抗風(fēng)帶來的水分生理傷害[29]；風(fēng)脅迫下葉片厚度、表皮厚度和葉脈厚度顯著增加，一方面可以增強氣流中葉片的抗性與支撐作用[8～9,28]；另一方面，較厚葉表皮能有效減少水分喪失、阻止植物組織內(nèi)水分的非氣孔性散失[30]，這是逆境下植物采取的相對保守水分利用策略，以提高水分利用效率[31]。本研究中，與遠(yuǎn)海岸梯度(距海岸500 m以外)處相比，近海岸處黑松針葉角質(zhì)層厚度增加約1.5倍，針葉表皮厚度增加約115%，針葉厚度減少約30%，小于闊葉樹種的變化幅度(角質(zhì)層增厚2～2.5倍，葉表皮厚度增加117%～213%，葉片厚度增加31.85%～48%)[8～9]，這可能是由于樹種間差異造成的。與闊葉樹種不同，黑松針葉解剖結(jié)構(gòu)的這種變化會最大程度的減少針葉在風(fēng)中的體積，降低其暴露面積，增加表皮和角質(zhì)層厚度，進(jìn)而減少機械損傷和水分蒸發(fā)。導(dǎo)管孔徑通常被認(rèn)為和葉片的水分運輸和蒸騰作用有關(guān)，在干旱的環(huán)境中，導(dǎo)管孔徑有增大的趨勢[32]，本研究中導(dǎo)管孔徑隨著離海岸距離的減小而增大，與干旱環(huán)境下表現(xiàn)出相同趨勢?？梢钥闯觯谒舍樔~通過增大導(dǎo)管孔徑、表皮厚度和角質(zhì)層厚度保持針葉較高的水分傳輸，減少水分的非氣孔性散失以維持正常的生理功能。

風(fēng)的作用一方面對植物產(chǎn)生的機械刺激，直接會對植物造成機械損傷；另一方面改變了植物周圍的空氣環(huán)境，如降低了大氣濕度、溫度等，會間接導(dǎo)致植物葉片生理干旱[12]，為此Telewski提出植物在風(fēng)脅迫下會形成躲避策略和忍受策略[5]。本研究中針葉厚度和寬度的減小直接導(dǎo)致針葉變得更細(xì)，針葉面積、周長、長寬等形態(tài)特征的減少能使黑松針葉在風(fēng)環(huán)境中最少程度的承受風(fēng)害，是一種躲避策略；而黑松針葉的表皮厚度、角質(zhì)層厚度和導(dǎo)管孔徑在風(fēng)環(huán)境中的增大，是為了增加針葉的堅韌性和保證針葉的水分供應(yīng)，是一種忍受策略。這兩種策略能抵御長期大風(fēng)引起的機械和生理損害，會最大限度的提高黑松針葉在風(fēng)環(huán)境中的適應(yīng)能力。

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