川西林線交錯帶岷江冷杉幼苗異齡葉形態(tài)對長期模擬增溫的響應

曾瑞琪,趙家國,劉銀占,陳國鵬,鮮駿仁,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院, 成都　611130 2 旺蒼縣林業(yè)和園林局, 廣元　628200 3 河南大學生命科學學院,全球變化生態(tài)學國際聯(lián)合實驗室, 開封　475004 4 甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院, 蘭州　730070

全球氣候變暖已是不爭的事實。IPCC在2013的評估表明：1880—2012年間全球平均氣溫增加了0.85℃,預計到21世紀末還將增加0.3—4.8℃,全球溫室效應仍在繼續(xù)和擴大,對高寒地段的影響將更大[1]。溫度控制著生態(tài)系統(tǒng)中幾乎所有生化反應速率,直接或間接作用于植物生理過程,進而調控植物功能性狀的變化[2- 5],是生態(tài)系統(tǒng)過程中重要的驅動力之一。葉片是植物進行光合作用的主要器官,其生長發(fā)育和形態(tài)特征直接影響植物的行為和功能[6]。葉形態(tài)是反映植物適應環(huán)境變化所形成生存對策的重要指標之一,如葉面積與植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等均有直接或間接地聯(lián)系,是評價植物群落凈初級生產(chǎn)力、衡量群落結構是否合理的重要指標[7- 8]；葉片厚度則會影響植物對資源的獲取和利用[9- 10]。植物生長過程中,各葉形態(tài)之間有很強的關聯(lián)性[11]。不同年齡葉片(下文簡稱“異齡葉”)由于其形成年份、發(fā)育階段等的不同,其葉片物質分配、環(huán)境敏感性均有差異[12- 14]。持續(xù)上百年的全球變暖已顯著影響到植物的物候和生理過程[15- 16],在變化環(huán)境條件下,由于異齡葉葉形態(tài)響應增溫的敏感度不同,其可塑性也勢必存在差異[17- 19]。因此,開展長期模擬增溫對異齡葉片葉形態(tài)的影響研究對準確預測植物適應全球變暖的模式是十分重要的。

川西亞高山林線交錯帶是長江上游典型的生態(tài)敏感和脆弱區(qū),是針葉林向高山草甸過渡的關鍵區(qū)域,相對簡單的植物群落結構、較矮的植物高度及林線普遍存在的邊緣效應等,為了解高寒生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應提供了理想的天然研究平臺[20]。在全球變暖的背景下,亞高山林線交錯帶極有可能被其下緣針葉林建群種入侵。岷江冷杉(Abiesfaxoniana)是川西北亞高山針葉林的建群種之一,位于林線交錯帶之下。在全球變暖的背景下,岷江冷杉的葉片是否會在形態(tài)上表現(xiàn)出對長期增溫的適應,這種適應是否存在年際差異？以往研究顯示,增溫條件下,岷江冷杉幼苗芽開放提前,葉片呈現(xiàn)變長變薄的趨勢,且葉面積、比葉面積顯著增加,比葉重顯著下降,物候和側枝生長也對增溫表現(xiàn)為正響應[20- 21],但都并未系統(tǒng)涉及岷江冷杉幼苗葉片形態(tài)。因此,本研究假設岷江冷杉幼苗異齡葉會對長期模擬增溫產(chǎn)生差異性響應。利用前期設置于此的開頂式生長室(Open-top chamber,OTC)模擬全球變暖,研究長期模擬增溫對岷江冷杉幼苗異齡葉片葉長、葉寬、葉面積和葉厚等形態(tài)的影響,并分析其可塑性變化,探討岷江冷杉葉功能性狀對長期模擬增溫的響應,旨在為全球變暖背景下的亞高山森林群落功能變化研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1　材料和方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究位于四川省平武縣王朗國家級自然保護區(qū)(32°59′N, 104°01′E,海拔2300—4980 m)。地處青藏高原東緣,屬山地季風性氣候[22]。年平均氣溫1.5—2.9℃,7月平均氣溫12.7℃,1月平均氣溫-6.1℃。年降水量在801—825 mm之間,雨季多集中在5月到8月[16]。岷江冷杉林(2600—3500 m)是保護區(qū)主要森林群系,土壤為暗棕壤[23],0—15 cm和15—40 cm深度,土壤有機碳分別為(180.2±5.5)、(180.2±3.7) g/kg,土壤總氮為(4.5±0.8)、(0.8±4.0) g/kg,土壤總磷為(5.5±0.7)、(4.1±0.5) g/kg[24]。

1.2　樣地設置

2005年9月,在大窩凼外側坡樹線交錯帶的平緩地段設置 3個1.5 m×1.5 m×2.6 m、頂端開口面積1.2 m×1.2 m的OTC,OTC由聚碳酸酯制作,每個OTC間距在5 m以上[20]。同時在OTC附近設置3個對照樣方(CK),其底面積同樣為1.5 m×1.5 m。10月,從樣地附近移植長勢良好且相當?shù)哪繕宋锓N到OTC及CK內(nèi),岷江冷杉年齡大約12—15 a,株高約50—60 cm。在OTC及CK內(nèi)均種植5株,即中心1株,4個拐角各1株,拐角幼苗據(jù)OTC邊緣均30 cm。2006年,定期對OTC及CK內(nèi)物種澆水,大約間隔15 d一次,以確保物種存活。每個OTC及CK內(nèi)均放置溫度傳感器(6507A,±0.1℃,Finland)。監(jiān)測表明：在生長季,OTC中空氣溫度(1.2 m)平均較CK高2.9℃,土壤溫度(5 cm)增加0.4℃[20]。增溫全年進行,試驗地周圍用網(wǎng)圍欄封育,避免動物干擾,OTC和CK均不再人工施肥和澆水,OTC外膜保持潔凈,期間不定期對OTC裝置進行維護。

1.3　研究方法

1.3.1植物取樣

本實驗以岷江冷杉幼苗的1 a葉、2 a葉、3 a葉為研究對象。2016年8月下旬,用枝剪從OTC及對照樣地內(nèi)逐株個體的不同方向采集生長良好的枝條,根據(jù)枝條上芽鱗痕形成的環(huán)節(jié)判斷枝段年齡,并在其上采集葉片[25],被采集葉片均保證其完整性且沒有發(fā)黃衰老癥狀。葉片隨機采集,每個OTC、CK內(nèi)各齡級保證10個有效樣本,則不同處理下各齡級樣本分別為30個,分別裝入自封袋,記錄編號帶回實驗室。用數(shù)顯卡尺(±0.01 mm)測量葉長、葉寬、葉厚,使用葉面積儀(CI- 203,CID,USA)測定單葉面積。

1.3.2統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析在Microsoft Excel 2010(Microsoft Corporation, Redmond, WA)和SPSS 20.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)上進行,作圖在Origin 8.0(Origin Lab, MA)上進行。有溫度和葉齡二因素,溫度類型為主區(qū)處理因素,葉齡為副區(qū)處理因素,對兩種條件下葉片各形態(tài)用裂區(qū)試驗方差分析方法進行顯著性分析,用鄧肯多重比較(Duncan′s multiple range test)檢驗在方差分析中有差異的變量間的差異顯著性。利用箱圖來展現(xiàn)增溫實驗下異齡葉葉形態(tài)其數(shù)據(jù)整體位置和分散情況,箱圖中5個線段由上到下分別代表該形態(tài)最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、最小值。采用表型可塑性指數(shù)(phenotypic plasticity index,PPI)解釋表型可塑性的大?。?/p>

PPI = (MAX-MIN)/MAX

式中,MAX和MIN分別表示該環(huán)境下的最大和最小形態(tài)值,PPI取值為0—1[11,26],其值的大小與表型可塑性的大小呈正相關。通過PPI計算葉表型可塑性大小,并與常用的表型可塑性指標變異系數(shù)(coefficient of variation,CV；CV=標準差/平均值)比較。

2　結果分析

2.1　增溫和葉齡對葉形態(tài)的影響

2.1.1葉長、葉寬及長寬比的響應

OTC增溫極顯著降低岷江冷杉幼苗葉片的長度和寬度(P<0.01),對長寬比的影響很小(表1)；區(qū)組間對葉長的影響不顯著,溫度、葉齡及交互作用均對葉長有顯著影響(表2)；僅葉齡對葉寬產(chǎn)生顯著性作用(P<0.05),其余因素影響均不顯著(表2)。

岷江冷杉幼苗葉片各葉形態(tài)值的范圍和離散程度對增溫、葉齡的響應有差異。OTC中1 a葉的長度較對照增加2.01%(表1),葉長值變化范圍(12.24—25.98 mm)較對照(10.63—28.31 mm)減小、分布更匯聚(圖1A)；OTC中2 a、3 a葉的葉長比對照極顯著降低21.87%(P<0.01)、15.11%(P<0.01)(表1)；增溫條件下2 a、3 a葉長值分布更匯聚,特別是2 a葉(OTC：1.331—2.527 mm;CK：1.801—3.112 mm)(圖1B、C)；增溫處理下異齡葉間的葉長差異不顯著,而對照中差異顯著(P<0.05)(表1)。增溫使1 a、2 a葉葉寬比對照極顯著減小13.48%、13.99%,3 a葉葉寬較對照減小8.43%(表1),葉寬分布更分散(圖1D、E、F)；增溫與對照條件下,異齡葉間葉寬值變化均不顯著(表1)。增溫未對葉長寬比產(chǎn)生顯著影響(表1),但葉齡間響應并不一致：增溫使1 a葉整體長寬比值比對照顯著增大18.82%,值分布較對照小,表現(xiàn)出明顯的匯聚(圖1G,表1)；增溫使2 a葉、3 a葉整體長寬比值分別比對照減小7.93%、5.70%,值分布范圍更分散(2 a：6.02—20；3 a：5.35—12.44)(圖1H、I,表1)；增溫處理下的2 a葉長寬比分別與1 a、3 a葉有顯著差異(P<0.05),而對照處理下的異齡葉間葉長寬比變化均不顯著(表1)。

表1　模擬增溫對岷江冷杉幼苗葉形態(tài)的影響

同排不同小寫字母表示增溫處理下不同年份間存在顯著差異 (P<0.05)；同排不同大寫字母表示對照處理下不同年份間存在顯著差異 (P<0.05); *表示在0.05水平上有顯著差異；**表示在0.01水平上有顯著差異；OTC：開頂式增溫室 open-top chamber；CK：控制對照 control check

表2　裂區(qū)分析的方差分析結果

圖1　增溫對岷江冷杉幼苗葉長、葉寬以及葉長寬比的影響Fig.1　Effects of simulated warming on the leaf length, leaf width, and leaf aspect ratio of A. faxoniana seedlings圖中黑點表示各形態(tài)值的大小分布情況

2.1.2葉面積、葉厚及葉體積的響應

OTC極顯著降低岷江冷杉幼苗的葉面積(比對照減小17.76%,P<0.01)、極顯著增加葉厚(比對照增加7.27%,P<0.01)、顯著降低葉體積(比對照減小11.49%,P<0.05)(表1)；區(qū)組間對葉面積的影響不顯著,溫度、葉齡及交互作用均對葉面積有顯著影響(表2)；溫度對葉厚有極顯著影響(P<0.01),葉齡對葉厚有顯著影響(P<0.05),溫度和葉齡的交互作用、區(qū)組間對葉厚的影響均不顯著(表2)。

岷江冷杉幼苗葉面積、葉厚、葉體積對增溫、葉齡的響應有差異。增溫抑制異齡葉片葉面積擴展,特別是2 a葉,減少達28.41%(表1),OTC內(nèi)葉面積介于14—64 mm2,較CK(28—64 mm2)分布范圍增大(圖2B)；1 a、3 a葉葉面積較對照分別減少12.97%、8.81%,離散程度較對照增大(圖2A、C,表1)；增溫處理的異齡葉間葉面積變化均不顯著,對照處理的2 a葉葉面積分別與1 a、3 a葉有顯著差異(P<0.05)(表1)。增溫促進異齡葉片變厚,1 a、2 a、3 a葉厚分別比對照增大7.84%、3.51%、6.78%,分布范圍也被擴大,值更發(fā)散(對照處理中葉厚值多集中在中位數(shù)附近),其中1 a、3 a葉增溫后值分布范圍為0.31—0.74 mm、0.43—0.86 mm,而對照內(nèi)為0.41—0.63 mm、0.45—0.69 mm(圖2D、E、F,表1)；增溫處理下3 a較1 a葉葉厚變化顯著,對照處理的1 a葉葉厚分別與2 a、3 a葉差異顯著(P<0.05)(表1)。增溫抑制異齡葉葉體積膨大,使其較對照顯著減小11.49%,值更發(fā)散：OTC內(nèi)1—3 a葉葉體積范圍為4.4—32.4、 7.92—37.76、4.3—35.2 mm3,而CK內(nèi)分別為7.74—28.42、11.76—40.6、9.52—29.48 mm3(表2,圖2G、H、I)。增溫處理下異齡葉間體積變化均不顯著,對照處理的2 a葉分別與1 a、3 a葉葉體積差異顯著(P<0.05)(表1)。

圖2　增溫對異齡岷江冷杉幼苗葉面積、厚度以及體積的影響Fig.2　Effects of simulated warming on the leaf area, thickness and volume of A. faxoniana seedlings

2.2　增溫對異齡葉葉形態(tài)可塑性的影響

2.2.1葉長、葉寬可塑性的響應

表型可塑性指數(shù)分析結果表明(圖3)：增溫提高了岷江冷杉幼苗異齡葉葉寬的可塑性和2 a、3 a葉葉長的可塑性,增幅最大達68.22%(3 a葉葉寬)(圖3)；降低當年生葉葉長的可塑性、降幅為15.32%(圖3)。除2 a葉葉寬的CV對照大于增溫外(圖3),其余各齡級指標CV的比較結果與PPI一致。說明2種表型可塑性分析方法的結果相似,均可用于分析長期增溫對岷江冷杉異齡葉葉片長、寬影響的研究。

圖3　岷江冷杉幼苗葉長、葉寬表型可塑性指數(shù)(PPI)和變異系數(shù)(CV)Fig.3　The phenotypic plasticity index (PPI) and coefficient of variation (CV) of leaf length, leaf width of A. faxoniana seedlings

2.2.2葉面積、葉厚可塑性的響應

兩種可塑性結果分析均表明(圖4)：增溫條件下葉面積和葉厚度較對照均有較大的可塑性,但不同方法中,可塑性增長比例不同,如增溫條件下2 a葉葉厚的CV較對照增大69.02%,而PPI僅增大12.78%(圖4)；3 a葉葉面積PPI增大16.66%,而CV僅增大8.03%(圖4)。增溫處理下3 a葉葉厚的CV值是各齡級較對照增幅最大的葉厚可塑性,即比對照增大143.57%(圖4)。

圖4　岷江冷杉幼苗葉面積、葉厚表型可塑性指數(shù)(PPI)和變異系數(shù)(CV)Fig.4　The phenotypic plasticity index (PPI) and coefficient of variation (CV) of leaf area, leaf thickness of A. faxoniana seedlings

3　討論

3.1　葉形態(tài)對增溫的響應

葉片的擴展性生長(如葉片長、寬、面積、厚度)極易受到周圍環(huán)境因子,特別是溫度的影響。高寒地區(qū)的環(huán)境溫度普遍低于該區(qū)域植物生長所需的最適溫度,故增溫通常能促進極地和高山地區(qū)植物的營養(yǎng)生長[27- 29]。本研究發(fā)現(xiàn),增溫顯著降低異齡岷江冷杉幼苗葉長、葉寬、葉面積形態(tài)值,這與前人研究結果不一致：如徐振峰等的研究表明,短期(2 a)模擬增溫促進岷江冷杉幼苗葉片增長變薄[20]；楊兵等的研究也表明,長期(65個月)模擬增溫亦促進岷江冷杉幼苗葉面積的增大[21]。導致這種差異的原因可能有二：一是模擬增溫的時間長短不同；二是研究期間土壤的水分條件不一樣：徐振峰等研究的2007年降雨較當?shù)囟嗄昶骄涤炅看骩20],楊兵等其研究過程中則不定期澆水以保證土壤水分適于植物生長[21]。在利用OTC自然增溫過程中,個別年份會因降雨充足致使土壤水分含量下降不明顯,但長期增溫過程中土壤水分降低的趨勢不會改變(一是因為OTC開口較小影響雨水進入,二是增溫加劇土壤水分丟失)[30- 31],這一負面效應使葉片通過減小葉片平均葉長、葉面積等,使葉形態(tài)傾向旱生,來達到防止過多水分散失、保持最適葉表溫度的目的[32]。同時,減小葉面積也起到降低高蒸騰傷害的作用,是葉片對溫度更高、更干旱環(huán)境的適應方式[16,33],這與Yates等提出的植物因有較小葉面積來自我保護的結論一致[34]。結果顯示,OTC長期增溫效應使冷杉葉片葉厚顯著大于對照(P< 0.05)。葉片增厚,保水能力增強[35],也進一步驗證了之前的分析,即該增溫條件下岷江冷杉幼苗葉片形態(tài)向更適應相對干熱生境的方向調整。同時,較小較厚的葉片也可減緩葉片在增溫條件下的生長速度,利于儲備更多的碳用于防御結構[36]。增溫顯著增大葉片體積,對葉片長寬比無顯著影響,說明岷江冷杉幼苗葉片細胞分裂和體積擴展方向對增溫的響應存在差異。

3.2　葉形態(tài)的年際差異

雖然增溫在總體上改變岷江冷杉幼苗的葉片形態(tài),但不同年齡之間葉形態(tài)亦有明顯差異,表明年際間的溫度和降水等環(huán)境因素的波動也會對植物的增溫響應產(chǎn)生明顯影響。這與Oguchi等對藜(Chenopodiumalbum)[19]和Frak等對雜交核桃(Juglansnigraxregia)[18]的研究結果一致。盡管本研究未提供長期的增溫監(jiān)測數(shù)據(jù)(2009年項目結束而未進行溫度的連續(xù)監(jiān)測),但從本實驗的前期研究可推測：OTC增溫的效應存在明顯的年際差異,特別是降雨量差異較大的年份,這必然將影響植物的物候和葉片的生長進程,使葉片的形態(tài)特征表現(xiàn)出明顯的年際差異。前期利用OTC短期增溫的研究也證明了這一推測：2007年較多的陰雨天氣,使王朗國家級自然保護區(qū)大窩凼外側坡樹線OTC在生長季節(jié)的溫度增加2.2℃,由于大量降雨,增溫并未導致土壤水分減少過多,因而增溫促進了綿穗柳(Salixeriostachya)葉片長、寬的生長,進而增加單葉面積[37- 38]；而2009年降雨不如2007年,生長季節(jié)OTC內(nèi)的溫度平均升高2.9℃、土壤水分平均減少2.4%,由此導致綿穗柳長度減小、寬度顯著減小、葉面積顯著降低,表現(xiàn)出明顯的旱生趨向,盡管增溫導致綿穗柳單個葉片的面積減少,但增溫使單個植株上的葉片總數(shù)大量增加,由此彌補單葉面積的減小,因而總體仍表現(xiàn)為增溫促進生長[16]；OTC增溫效應對綿穗柳的物候、葉壽命等也均存在明顯年際差異現(xiàn)象[16,39]。持續(xù)OTC增溫對棚內(nèi)干旱情況的累積作用,也加劇了OTC內(nèi)年度微氣候的差異程度[31]。此外,較老葉片的次生代謝也可能導致葉片形態(tài)的改變,如Kayama等對3種云杉(Piceaglehnii,P.jezoensis和P.abies)的研究表明,鈣離子和某些次級代謝產(chǎn)物在老葉中的積淀,導致葉片增厚[40]。因此,植物年際微生境中的適應性調整會導致葉形態(tài)表現(xiàn)出明顯的年際差異。

3.3　葉表型可塑性及葉形特征參數(shù)對增溫的響應

本研究表明,岷江冷杉幼苗葉形態(tài)(長、寬、面積和厚度等)適應模擬增溫的方向總體均傾向于旱生,即減小水分散失、保持葉片最適溫度,年度氣候差異對葉形態(tài)的響應亦產(chǎn)生重要影響。但在增溫和異齡兩個條件交互影響下,對葉寬和葉厚兩個形態(tài)沒有顯著性影響,可以理解為兩個處理條件在葉寬、葉厚形態(tài)下的趨勢抵消。表型可塑性存在于大多數(shù)植物中[41],其可通過使物種具有更寬的生態(tài)幅和更好的耐受性,來增強物種對變化環(huán)境的適應能力,使物種更好地占據(jù)地理和生境優(yōu)勢[14,42]。本研究結果顯示增溫總體上增大岷江冷杉幼苗葉形態(tài)的可塑性,說明在研究期內(nèi)葉形態(tài)的調整是植物對異質增溫環(huán)境的一個適應方式,但這種調整同樣受到研究期間年際微氣候差異的影響[43],即不同年齡的葉形態(tài)可塑性的變化幅度不同。其中1 a葉增溫處理下的葉長表型可塑性較對照小,而2 a和3 a葉均是較對照大,進一步驗證了這一觀點,即“葉片適應存在明顯年際差異”,同時增溫條件下1 a葉長值比對照大但可塑性卻比對照小這一結果,也說明在OTC增溫條件下,小葉較小的蒸騰作用更能適應干熱環(huán)境、保護自我[34]。

綜上所述,OTC中的岷江冷杉幼苗葉片對長期增溫作出相應的適應性調整；葉片形態(tài)特征表現(xiàn)出顯著的旱生傾向,但因年際氣候差異而存在明顯的葉齡變化；完全支持實驗初期提出的假說——“岷江冷杉幼苗異齡葉會對長期模擬增溫產(chǎn)生差異性響應”。本實驗僅從葉片形態(tài)的視角探討岷江冷杉幼苗對長期增溫的響應,將來的適應性研究還可盡量整合微生境氣候等資料,輔以生理、樹木構型、地下生態(tài)過程等方面,以全面揭示岷江冷杉對全球變暖的響應機制。

致謝：四川農(nóng)業(yè)大學環(huán)境學院李濘鈺、范瀟月、陶媛和馮時等同學給予幫助，四川王朗國家級自然保護區(qū)提供采樣便利條件,特此致謝。