太白山櫟屬樹種氣孔特征沿海拔梯度的變化規(guī)律

溫婧雯,陳昊軒,滕一平,張碩新,2,王瑞麗,*

1 西北農林科技大學林學院,楊凌 712100 2 陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站,楊凌 712100

氣孔是植物體內水氣與外界環(huán)境交換的主要通道,并且控制植物的光合、呼吸和蒸騰作用[1]。植物通過氣孔開閉對短時間的環(huán)境變化快速做出反應,因此氣孔形態(tài)特征是植物在進化生存的過程中對外界環(huán)境長期適應的結果[2- 3]。單位葉表面積上氣孔數(shù)量(即氣孔密度)與氣孔大小共同決定了最大可能氣孔導度,最大氣孔導度直接影響最大同化速率的大小[4- 5]。氣孔密度與氣孔大小調節(jié)氣孔的發(fā)育與運動使得這兩個相互矛盾的需求達到最優(yōu)化[2],小的氣孔具有短的反應時間,往往與高氣孔密度相連,使葉片在有利條件下快速獲得較高的氣孔導度[6- 7]。探究氣孔性狀與環(huán)境的關系對了解植物進化規(guī)律及其應對并影響全球氣候變化具有重要意義。

海拔作為一種重要的地形因子,在較小的范圍內就可以形成環(huán)境與性狀的強烈變化,這為研究植物對環(huán)境變化的響應提供了理想的場所[8- 9]。長期以來,關于氣孔性狀對海拔梯度的響應展開大量研究并取得一些結果。隨海拔升高,氣孔密度顯著升高[10]、或顯著下降[11]、又或無顯著變化[12]等。Qiang等[13]研究表明,青海云杉(Piceacrassifolia)氣孔密度隨海拔先升高后降低,遼東櫟(Quercuswutaishansea)則相反[14]。Vitousek等[15]對多型鐵心木(Metrosiderospolymorpha)的研究發(fā)現(xiàn)氣孔導度隨海拔的升高而降低,與Friend等[16]研究結果相反。氣孔大小(氣孔長度、寬度或二者的乘積)隨海拔變化的形式也各不相同[12,14,17]。性狀與環(huán)境的關系能夠反映出不同植物在自然條件下的適應策略[18]。此外,各性狀之間不是獨立存在的,植物常常通過性狀組合來適應不斷變化的環(huán)境[4,6]。已有研究證明氣孔大小與氣孔密度之間存在穩(wěn)定的負相關關系[4,6,12,14],氣孔密度與葉片的水分散失顯著正相關,因而較高的氣孔密度往往代表了較高的氣孔導度[6- 7,19],這些研究都表明氣孔性狀之間存在一定的關聯(lián)性。然而,以往關于氣孔性狀的研究多側重于所有植物的普遍規(guī)律或單一植物的試驗研究[4,10,14,17],而對親緣關系相近的不同植物間的差異比較研究較少。因此,本文擬選擇同一屬的不同植物為研究對象,探討親緣植物的氣孔性狀隨海拔梯度的變化規(guī)律,這有助于理解全球氣候變化背景下植物的生理適應特征。

秦嶺是中國地理南北分界線和氣候、生態(tài)分水嶺。太白山是秦嶺主峰和最高峰,位于秦嶺山脊線處,高差大,坡度陡,地貌特征復雜,是對全球變化響應敏感的地區(qū)之一,也是研究植物沿海拔梯度變化的理想地點[20-21]。殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)是森林樹種中分布最廣的類群,生態(tài)適應幅度大,許多種類是群落中的優(yōu)勢種或建群種[21-22],對環(huán)境具有高度適應能力和在復雜生境下的自我調控能力,其葉片對氣候變化非常敏感,探討櫟屬樹種對環(huán)境變化的生態(tài)適應策略具有重要意義。因此本文以太白山4種櫟屬樹種葉片氣孔為研究對象,在野外調查的基礎上,選擇氣孔密度、氣孔長度、氣孔寬度以及潛在氣孔導度指數(shù)等氣孔性狀指標,旨在研究：(1)太白山海拔變化如何影響4種櫟屬樹種氣孔性狀？ (2)這些影響在不同樹種間是否有差異？

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺主峰太白山自然保護區(qū)(107°41′23″—107°54′40″E,33°49′31″—34°08′11″N),海拔1100—2300 m之間。該區(qū)域屬于典型的內陸季風氣候區(qū),夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,其北坡年降水量為694.2 mm,年均溫13℃[23]。在海拔800—2300 m之間主要為落葉闊葉林帶,其中在海拔800—1400 m間為栓皮櫟(Q.variabilis)林亞帶,土壤屬典型褐土;海拔1000—1900 m間為銳齒櫟(Q.alienavar.acuteserrata)林亞帶,土壤以普通棕壤為主,間有弱灰化棕壤;在海拔1900—2300 m間為遼東櫟(Q.wutaishansea)林亞帶,土壤為普通棕壤與弱灰化棕壤,間有生草棕壤[21]。研究區(qū)內櫟屬樹種分布垂直地帶性明顯,自下而上有栓皮櫟、槲櫟(Q.aliena)、銳齒櫟、遼東櫟。

2 研究方法

2.1 野外取樣

圖1 太白山櫟屬樹種海拔取樣圖 Fig.1 Sampling diagram of species of Quercus in Taibai Mountain ●為取樣樹木

2016年7月以100 m海拔間隔,采集太白山北坡1100—2300 m海拔梯度的櫟屬樹種樣品,選取地形、地貌、坡度和坡向等基本一致的標準樣地,按“ S ”型方法選擇健康樣木進行取樣(圖1)。在每個海拔梯度上,每個樹種選擇4個樹高、胸徑均勻的個體,每個個體選取位于樹冠外圍、能最大程度的接收陽光照射、完全成熟、無病蟲害損壞的葉片30片。同一海拔的混交樹種樣品分開,裝入10號自封袋內,帶回實驗室放入冰箱。同時,在距離所選樣木1 m處,利用土鉆對0—10 cm的土層進行取樣,去除根系和石礫后混合均勻。待土壤樣品風干后全部過2 mm篩,利用元素分析儀測定土壤有機碳、全氮和全磷含量,同時測定土壤的濕度、溫度和pH值[24]。

2.2 室內測定

氣孔密度(Stomatal density,SD)的測定采用印跡法,詳見王瑞麗等[24]。具體步驟為：每一個樹種個體隨機選擇3個葉片,首先使用透明指甲油涂在葉片下表皮(大約1 cm2,注意避開主脈和大的次級脈),靜置待指甲油干透后用鑷子撕下,制成臨時切片。然后將切片置于顯微鏡下,并利用配置的攝像裝置進行觀測,在40倍物鏡、10倍目鏡條件下拍照,每一樣品上隨機選擇3—5個視野記錄氣孔數(shù)目,根據(jù)視野內的氣孔數(shù)量計算SD。同時在每個視野圖片中隨機選擇3個氣孔,利用配套的分析軟件測定氣孔長度(Stomatal length,SL)、氣孔寬度(Stomatal width,SW),本文以氣孔器保衛(wèi)細胞的長軸長度(μm)和短軸長度(μm)代表氣孔大小。

氣孔可塑性指數(shù)按Valladares[25]的方法計算,即可塑性指數(shù)(Phenotypic plasticity index,PI)=(最大值-最小值)/最大值。

由于氣孔密度和氣孔大小共同決定最大氣孔導度(gmax)[4- 5,26],采用Holland等[12]方法計算潛在氣孔導度指數(shù) (Potential conductance index, PCI)。

PCI=SL2×SD×10-4

2.3 氣象數(shù)據(jù)的獲取

由于太白山地形復雜,野外氣候考察往往只是短期的行為,結果不具有代表性,因此山地研究中所需要的氣候資料大多是通過山區(qū)周邊地區(qū)的氣候資料推算得到[27]。

本研究將唐志堯等[23]推算方法作為氣溫(Mean annual temperature,MAT)、相對濕度(Relative humidity,RH)數(shù)據(jù)的推算依據(jù),以傅抱璞等[28]得出的推算公式作為降水(Mean annual precipitation,MAP)數(shù)據(jù)的推算依據(jù),推算出每個海拔高度的氣溫、相對濕度和降水量。

MAT=-0.0049ALT+17.9,(R2=0.99,P<0.001)

RH=0.4 ×10-6(ALT)2-0.0153ALT +83.7(R2=0.95,P<0.001)

MAP(Pz)=Ph0+a[ (2H-Z)·Z-(2H-h0)·h0]

式中,ALT為海拔高度(m),Pz為某一海拔高度降水量;Ph0為最大降水高度(H)以下某一參考高度(h0)的降水量;Z為海拔高度;a為區(qū)域參數(shù),秦嶺北坡a=4.795×10-5[29]。

2.4 數(shù)據(jù)分析

首先,對所有氣孔性狀進行以10為底的對數(shù)轉換,使數(shù)據(jù)滿足標準化正態(tài)分布,隨后計算氣孔形態(tài)特征間Pearson相關系數(shù);其次,針對存在極顯著的性狀關系采用標準化主軸估計(Standardized Major Axis Estimation, SMA) 方法[30],來分析氣孔性狀關系是否在不同樹種間存在顯著差異,即利用方程y=bxa表示不同氣孔性狀間的關系,線性轉化為ln(y)=ln(b)+aln(x),x、y表示兩個不同性狀,b代表性狀關系的截距,a表示相關性的斜率。該分析由軟件(S) MATR Version 2.0[31]來計算完成。最后,對氣孔性狀與環(huán)境因子進行相關性及一般線性模型(GLM)分析。實驗所用數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0軟件進行處理,相關圖形用SigmaPlot 10.0以及OriginPro 8軟件繪制。

3 結果

3.1 太白山櫟屬樹種氣孔性狀概況

櫟屬樹種氣孔性狀概況見表1。葉片氣孔性狀中,SD、SL和SW的均值分別為678.27個/mm2、21.08 μm、15.18 μm,變化范圍為404.00—1072.00個/mm2、17.69—26.99 μm、12.01—27.38 μm,其中,SD的變異程度(CV=0.25)大于SL(CV=0.09)和SW(CV=0.16)。PCI的變化范圍為17.56%—45.05%,平均值為29.67%,變異系數(shù)為0.22。由表2可見,銳齒櫟和栓皮櫟PCI的可塑性指數(shù)較大,分別為0.446、0.392;銳齒櫟SD的可塑性指數(shù)最大,為0.397。

對氣孔性狀進行差異顯著性分析表明(圖2)：栓皮櫟的SL、SW、PCI與槲櫟、銳齒櫟和遼東櫟之間差異顯著(P<0.05)。遼東櫟與銳齒櫟的SW、SL之間差異不顯著(P>0.05),SD與PCI差異顯著(P<0.05)。槲櫟的SD、PCI與遼東櫟差異顯著(P<0.05)。其中,栓皮櫟的SL最大,遼東櫟次之;槲櫟的SW最小,栓皮櫟最大。銳齒櫟和槲櫟的SD與PCI較大且無顯著差別,栓皮櫟SD最小,遼東櫟的PCI最小。

表1 氣孔性狀特征的數(shù)據(jù)描述

SD：氣孔密度 stomatal density;SL：氣孔長度 stomatal length;SW：氣孔寬度 stomatal width;PCI 潛在氣孔導度指數(shù) potential conductance index

表2 4種櫟屬樹種氣孔性狀的可塑性指數(shù)

栓皮櫟：Quercusvariabilis;槲櫟：Q.aliena;銳齒櫟：Q.alienavar.acuteserrata;遼東櫟：Q.wutaishansea

圖2 太白山4種櫟屬樹種氣孔特征性狀值的變化趨勢 Fig.2 Trends of stomatal traits in four species of Quercus from Taibai MountainSD：氣孔密度 stomatal density;SL：氣孔長度 stomatal length;SW：氣孔寬度 stomatal width;PCI 潛在氣孔導度指數(shù) potential conductance index

3.2 氣孔性狀間的關系

如表3所示,SD與其他氣孔性狀的關系,均達到極顯著水平(P<0.01)。其中,SD與SL和SW負相關,與PCI正相關。SL與SW存在極顯著的正相關(P<0.01)。

表3 葉片氣孔特征間的Pearson相關系數(shù)

**,P<0.01

進一步分析表明,除栓皮櫟外,SD與PCI的正相關關系在其他樹種間均達到顯著水平(圖3,P<0.05)。SW與SL之間的正相關關系只在栓皮櫟和銳齒櫟之間達到顯著水平(圖3,P<0.05)。

SD與SL之間存在穩(wěn)定的負相關關系,這種負相關關系在不同樹種之間均存在(圖3)。不同樹種間斜率差異不顯著(SMA共同斜率為-2.076,P>0.05),但截距間存在顯著差異(P<0.05)。其中,遼東櫟處的截距最大,栓皮櫟處的截距最小。各個方程參數(shù)見表4。

圖3 不同櫟屬樹種氣孔密度與潛在氣孔導度指數(shù)、氣孔寬度與氣孔長度、氣孔密度與氣孔長度的標準化主軸回歸關系Fig.3 SMA regression of stomatal density and potential conductance index, stomatal width and stomatal length,stomatal density and stomatal length for different Quercus species只列出顯著的回歸關系(P<0.05);*, P<0.05;**, P<0.01

指標物種組樣本量相關系數(shù)顯著水平斜率95%置信區(qū)間IndexGroupNumberR2PSlope95% CIsSL與SWH190.0030.836L360.0530.175R810.0770.0121.3171(1.0639,1.6306)S180.779<0.00010.8135(0.6358,1.0408)SD與PCIH190.4470.0021.045(0.720,1.516)L360.605<0.00011.191(0.958,1.480)R810.4630.0421.297(1.101,1.527)S180.2340.052SD與SLH190.1360.021-2.407(-3.811,-1.521)L360.7380.003-2.672(-3.759,-1.899)R810.2290.018-2.088(-2.602,-1.676)S180.220.049-1.03(-1.620,-0.655)

S：栓皮櫟Quercusvariabilis;H：槲櫟Q.aliena;R：銳齒櫟Q.alienavar.acuteserrata;L：遼東櫟Q.wutaishansea

3.3 氣孔性狀沿海拔梯度的變化

葉片氣孔密度、氣孔長度和潛在氣孔導度指數(shù)等性狀沿海拔梯度呈曲線變化形式(圖4)。在海拔約1600 m處,氣孔密度和潛在氣孔導度指數(shù)的平均值達到最大(分別為754.36個/mm2和32.74%),而氣孔長度的平均值達到最小(19.70 μm),氣孔寬度沿海拔下降緩慢,斜率為-0.0014,具有相對穩(wěn)定性。

圖4 太白山櫟屬樹種氣孔性狀沿海拔梯度的變化Fig.4 Variation of stomatal characteristics of Quercus trees in Taibai Mountains along the altitudinal gradient*,P<0.05;**,P<0.01

4種樹種氣孔性狀沿海拔變化各不相同。栓皮櫟和槲櫟的SL、SW隨海拔升高下降明顯,SD、PCI增加;銳齒櫟的SW沿海拔保持相對穩(wěn)定,變化不明顯,SL先降低后升高,在約1600 m處達到最小值,同時SD及PCI達到最大值,之后隨海拔升高降低;遼東櫟SL逐漸增大,SW降低,同時,SD與PCI沿海拔降低。

3.4 葉片氣孔性狀與環(huán)境因子的關系

3.4.1 氣孔性狀與土壤因子的關系

氣孔性狀與土壤因子的相關分析結果如表5所示。土壤濕度對SL存在顯著影響(P<0.05),土壤總碳、總磷等因子對氣孔性狀均無顯著性影響(P>0.05)。

3.4.2 氣孔性狀與氣候因子的關系

氣孔性狀與氣候因子的相關分析顯示,隨著年均降水量的增加,氣孔長度、氣孔寬度及潛在氣孔導度指數(shù)均隨之下降;同時,潛在氣孔導度指數(shù)隨著溫度及濕度的升高均升高,且顯著存在(表5)。然而,各環(huán)境因子對氣孔密度的影響均未達到顯著水平(P>0.05)。

進一步分析各環(huán)境因子對氣孔性狀的解釋量可看出,氣候因子對潛在氣孔導度指數(shù)影響的大小為：濕度>溫度>降水量,解釋變異信息的量分別為22.90%、16.70%、4.31%;降水量是影響氣孔長度與寬度的主要因子,解釋量分別為4.10%和4.60%(表6)。

表5 櫟屬樹種葉片功能性狀與環(huán)境因子間相關關系

*,P<0.05;**,P<0.01; MAP：mean annual precipitation;MAT：mean annual temperature;RH：relative humidity;TC： soil total carbon;TP：soil total phosphorus;H：soil humidity

表6 PCI、SL、SW的一般線性模型(GLM)結果

MS,均方 mean squares; SS%,解釋平方和百分比ercentage of sum of squares explained;*,P<0.05;**,P<0.01

4 討論

4.1 氣孔性狀間的關聯(lián)性

氣孔性狀在不同物種間存在較大差異,不同氣孔性狀間關系緊密,植物往往通過性狀組合來適應所在環(huán)境的變化[4,6]。

4種櫟屬樹種的氣孔密度(SD)與氣孔長度(SL)之間存在穩(wěn)定的負相關關系,該結果與其他對多物種及不同時間地點的研究結果基本一致[4,6,24]。單位面積內氣孔數(shù)量多,氣孔小的葉片能夠更好地儲存水分,在干旱脅迫時期能夠保持穩(wěn)定的水分供應,這種權衡關系調控了植物氣孔形態(tài)特征對生長環(huán)境的短期可塑性與長期的適應性進化[32]。

SD與植物葉片的水分蒸騰散失顯著正相關,因而較高的SD往往代表較高的氣孔導度和光合速率[4,6-7,19]。與之類似,本研究中除栓皮櫟外,銳齒櫟、槲櫟及遼東櫟的潛在氣孔導度指數(shù)(PCI)與SD顯著相關,且隨SD增加呈線性遞增。其中銳齒櫟的變化斜率最大,說明SD一定時,銳齒櫟往往具有更大的氣孔導度和碳同化速率。銳齒櫟對環(huán)境變化比較敏感,因而在太白山北坡,銳齒櫟是分布區(qū)域最廣的優(yōu)勢樹種[21,23]。SL與氣孔寬度(SW)的相關性只在銳齒櫟和栓皮櫟中顯著存在(P<0.05),與銳齒櫟相比,栓皮櫟SL與SW的關系更緊密,這可能是由于栓皮櫟多分布在低海拔地區(qū)(800—1400 m),生存環(huán)境比較適宜,因而變異性較小[24]。

本研究結果發(fā)現(xiàn),氣孔性狀間具有一定的關聯(lián)性,但這種關聯(lián)性并非在每個樹種內都顯著存在(P<0.05,圖3),可能的原因有：(1)單一植物的性狀值變化較小。生長環(huán)境相近的植物性狀具有相似性,可能會限制性狀之間關系的表達[33]。(2)生存環(huán)境不同。植物分布受到許多環(huán)境因子的共同影響,每個海拔梯度內作用的主要因子不同,在不同地方有其局部的小環(huán)境,如局部變化的光照等[34]。(3)取樣誤差。實驗過程中由于采樣時存在誤差,同樣會模糊性狀間關系。

4.2 氣孔性狀沿海拔梯度的變化

氣孔性狀對海拔梯度變化的響應,實際是對海拔高度引起的環(huán)境因子的響應。不同海拔高度處的溫度、降水、空氣濕度以及土壤含水量等都存在差異,因此氣孔性狀也表現(xiàn)出隨海拔變化而變化的規(guī)律[35]。

關于氣孔性狀與環(huán)境因子之間的關系,前人進行了大量研究,但結果不盡一致[17,36],這可能是由于不同植物的自身特征以及實驗過程中的環(huán)境不同所致,也可能是未充分考慮到各個環(huán)境因子的相互作用對氣孔的影響。本研究中土壤濕度與氣孔長度之間存在顯著負相關關系(P<0.05),但在干旱脅迫條件下,氣孔長度減少更具有適應意義。Hetherington 和Woodward[6]提出小氣孔具有較短的反應時間,能夠快速打開和關閉來應對環(huán)境變化,同時,小氣孔往往與高氣孔密度相連,這能夠快速增加氣孔導度,使得葉片在有利條件下快速獲得較高的氣孔導度,當環(huán)境不利時能夠快速降低氣孔導度,葉片能夠更好地儲存水分,在環(huán)境脅迫時期能夠保持更加穩(wěn)定的水分供應。其他土壤因子(土壤總碳、總磷等)與氣孔性狀的關系在本研究中不顯著,可能是研究區(qū)內土壤理化性質變化不明顯,對氣孔性狀作用不顯著。

降水量雖然對SL與SW變化具有顯著影響,但解釋量較少,可能是因為影響SL和SW變化的環(huán)境因子,除了本文所涉及的以外,還受其他環(huán)境因子的影響[10,17,37],有待進一步的探討和研究。本研究中,空氣相對濕度是影響櫟屬樹種氣孔導度的主導因子?？梢酝茢?當空氣濕度較低或出現(xiàn)干旱脅迫時,葉片從空氣中吸收的水分減少,為保持體內水分平衡,則相應地降低氣孔導度,減少水分向體外擴散,即氣孔導度受植物吸水速率與蒸騰速率平衡的反饋制約[38],是對干旱脅迫環(huán)境的一種適應策略。

表現(xiàn)型的可塑性是植物為適應環(huán)境變化在生理和形態(tài)上發(fā)生的變化,并被認為具有生態(tài)適應對策的意義[39]。高的可塑性常常與對環(huán)境具有高的潛在適應能力相關[40]。本研究中,相比栓皮櫟、槲櫟和遼東櫟,銳齒櫟氣孔性狀的可塑性最大,表明銳齒櫟具有更寬的環(huán)境適應能力。此外,銳齒櫟氣孔性狀沿海拔梯度表現(xiàn)為非線性特征,可能是因為隨著海拔的升高,溫度、濕度降低,使環(huán)境中的水分不易被樹種所吸收導致水分脅迫,適度干旱將增加樹種的氣孔密度并減小氣孔大小,這種小而多的氣孔可以適應多變化環(huán)境,對水分調節(jié)非常有效[34]。但隨著干旱的進一步加強,超出銳齒櫟適應干旱脅迫影響的范圍,氣孔密度將顯著下降[26],氣孔導度也隨之降低。因此在約1600 m海拔處是銳齒櫟生長的最優(yōu)地帶,具有更高的生長潛力[13,41]。

5 結論

太白山4種櫟屬樹種從整體而言氣孔性狀間變化特征有一定規(guī)律,但不同樹種對生境的適應特征存在差異。其次,在4種櫟屬樹種中,銳齒櫟對于環(huán)境變化具有更強的適應能力。因而在太白山北坡,銳齒櫟的分布范圍最廣。此外,空氣相對濕度是影響櫟屬樹種氣孔導度的主導因子,但在氣孔對環(huán)境因子響應高度復雜性的野外自然條件下,各種環(huán)境因子對氣孔導度存在綜合作用,因此,該結果僅能粗略地反映櫟屬樹種葉片氣孔導度與環(huán)境因子之間的相互關系。