8種綠化樹種光合特性及葉片解剖結(jié)構(gòu)比較

冮慧欣 王嘉琪 黃春巖 王秀偉

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040)

城市綠化作為城市生態(tài)建設(shè)中不可缺少的重要組成部分之一，生態(tài)園林不僅包含了園林綠化的美化作用,其更重要意義在于充分利用植物的釋氧和吸收CO2的能力,及降溫增濕、滯塵、殺菌、抗污、降噪等生態(tài)功能[1～2]。這些生態(tài)功能是通過植物的生理活動實現(xiàn)的，但是光合能力在種間和基因型間的變化很大，這些差異通常與代謝和(或)葉片的解剖結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有關(guān)[3]。種內(nèi)光合速率差異是由測定方法和環(huán)境對葉片解剖結(jié)構(gòu)的先決影響造成的[4]。葉片是對環(huán)境變化較敏感且變異性和可塑性較大的器官，不同環(huán)境中植物葉片厚度、角質(zhì)層、表皮細(xì)胞、柵欄組織和海綿組織等均發(fā)生相應(yīng)變化，不同種植物葉片解剖結(jié)構(gòu)存在著很大的差異[5～9]。已有的研究表明葉片厚度對生理指標(biāo)影響顯著，小麥旗葉厚度與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率呈顯著正相關(guān)[10]，大豆葉片光合速率取決于葉片厚度和單位面積柵欄細(xì)胞數(shù)[11]。表皮和表面角質(zhì)層蠟質(zhì)通過增加擴散的阻力來降低蒸騰[12]。氣孔是植物賴以調(diào)節(jié)自身和外界環(huán)境發(fā)生關(guān)系的一種重要結(jié)構(gòu)，是植物體內(nèi)和環(huán)境氣體交換與水分蒸騰的一個主要通道，葉表面氣孔密度、大小和分布受植物種類和環(huán)境影響[13]。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ),植物結(jié)構(gòu)的變化必然影響到生理生態(tài)功能的改變[14]。土壤含水量、不同光照對蒸騰速率和光合速率的影響顯著[15～16]。環(huán)境條件的差異會導(dǎo)致植物葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化[8]，陽生植物和陰生植物或陽生葉片和陰生葉片解剖結(jié)構(gòu)與生理指標(biāo)差異顯著[17]，除了環(huán)境條件差異外，是否城市綠化樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致其光合生理參數(shù)的差異還不清楚。為此，本研究比較測定了哈爾濱市8個樹種的葉片解剖結(jié)構(gòu)和光合生理相關(guān)因子，旨在比較分析不同樹種間葉片解剖結(jié)構(gòu)變化與其光合生理特征的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

選擇東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的8種生長狀態(tài)良好的樹木：暴馬丁香(Syringareticulata(Blume)Hara var.mandshurica(Maxim.)Hara)、東北溲疏(Deutziaamurensis(Rgl) Airy-Shaw)、紫丁香(SyringaoblataLindl.)、山楂葉懸鉤子(RubuscrataegifoliusBge.)、榛(CorylusheterophyllaFisch. ex Trautv.)、金銀忍冬(Loniceramaackii(Rupr.)Maxim.)、梓樹(CatalpaovataG.Don)和銀中楊(Populusalba×P.berolinensisDippel)為研究對象，每樹種選擇3株，每株選取3片生長狀態(tài)良好的葉片進(jìn)行光合生理指標(biāo)測定和解剖結(jié)構(gòu)觀察。

1.2 生理指標(biāo)測定

在生長旺季的2012年8月中旬,在天氣晴朗的上午，平均溫度30.97℃，采用便攜式光合儀(Model6400;Li-Cor Inc.,Lincoln,NE,USA)測定8個樹種葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)等參數(shù)。采用LED紅/藍(lán)光源(6400-02B)控制葉室內(nèi)的光強梯度為1200、1000、800、600、400、200、100、50、20、0μmol·photons·m-2·s-1。

1.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)的觀察

生理指標(biāo)測定后，摘取的葉片切成5mm長的小段，用FAA固定，參照李和平方法制作石蠟切片[18]。用顯微鏡觀察石蠟切片并應(yīng)用顯微圖像處理分析軟件PHMIAS2008Cs Ver2.2測量表皮細(xì)胞厚度、葉片厚度、柵欄組織和海綿組織的厚度。

采用指甲油印跡法，在葉片上、下表皮中部靠近主脈的兩側(cè)快速涂上一層薄薄的透明指甲油,約1cm2,待其風(fēng)干結(jié)成膜后,然后輕輕剝下，把所有葉表皮膜的指甲油層粘在透明膠帶上,制成臨時裝片,在顯微鏡下對單位面積氣孔進(jìn)行計數(shù)，對所測得的各樹種氣孔數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，然后計算氣孔密度。

1.4 統(tǒng)計分析

(1)

式中：Pn為凈光合速率，α是表觀量子效率，I為光通量密度；θ為曲角，Pmax是最大凈光合速率，Rd是光下呼吸速率[19]。

P=Pmax[1-exp(1-αI/Pmax)]

(2)

并采用公式2、3分別求出光補償點(LCP)與光飽和點(LSP)。

LCP=Pmaxln(C0)/α

(3)

LSP=Pmaxln(100C0)/α

(4)

式中：C0為度量弱光下凈光合速率趨于零的指標(biāo)。

采用Excel2010(Microsoft Inc，USA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS16.0for windows(SPSS Inc,USA)統(tǒng)計分析系統(tǒng)進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合，對最大光合速率、呼吸速率，表觀量子效率進(jìn)行估計，樹種間生理指標(biāo)和差異和解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)的差異采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)，對方差分析差異有統(tǒng)計學(xué)意義的指標(biāo)，用Duncan法進(jìn)行組間多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 樹種間生理指標(biāo)的差異

樹種間葉片最大光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、光飽和點差異顯著(P<0.05)(表1)。8個樹種葉片光合速率的變異系數(shù)為31.02%，梓樹葉片最大光合速率在大，為19.81μmol·m-2·s-1，金銀忍冬和榛葉片最大光合速率最低，分別為9.77和9.70μmol·m-2·s-1。胞間CO2濃度的變異系數(shù)為13.45%，暴馬丁香的胞間CO2濃度最大，為293.7μmol·mol-1，紫丁香胞間CO2濃度最低，為196.0μmol·mol-1，蒸騰速率的變異系數(shù)為44.50%，梓樹葉片的蒸騰速率最大，為7.9mmol·m-2·s-1，暴馬丁香和金銀忍冬葉片的蒸騰速率最低，為2.84和2.89mmol·m-2·s-1。光飽和點的變異系數(shù)為24.62%，梓樹葉片的光飽和點最大，為1643.89μmol·m-2·s-1，暴馬丁香葉片的光飽和點最低，為904.8μmol·m-2·s-1。梓樹葉片的氣孔導(dǎo)度最大，為0.53mol·m-2·s-1，其余7個樹種葉片氣孔導(dǎo)度差異不顯著。8個樹種葉片的光補償點(LCP)和呼吸速率(Rd)差異不顯著(P<0.05)(表1)。

2.2 樹種間葉解剖結(jié)構(gòu)的差異

8個樹種葉片的橫切面的基本結(jié)構(gòu)由葉肉細(xì)胞、上下表皮、柵欄組織、海綿組織、維管束等組成，柵欄組織細(xì)胞呈長柱狀，海綿組織由排列疏松的不規(guī)則細(xì)胞組成。8個樹種葉片表皮厚度、柵欄組織厚度、上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度差異顯著(P<0.05)(表2)。8個樹種表皮厚度的變異系數(shù)為27.03%，梓樹葉片的表皮厚度最大，為24.65 μm，銀中楊葉片的表皮厚度最小，為12.82 μm。8個樹種柵欄組織厚度的變異系數(shù)為30.33%，紫丁香的柵欄組織厚度最大，為108.6 μm，東北溲疏柵欄組織厚度最小，為50.0 μm。8個樹種葉片厚度和海綿組織厚度差異不顯著(P<0.05)。8個樹種下表皮氣孔密度差異顯著(P<0.05)，變異系數(shù)為42.33%，梓樹葉片下表皮氣孔密度最大，為60.2 個·mm-2,東北溲疏葉片下表皮氣孔密度最小，為15.0 個·mm-2。8個樹種中僅有紫丁香和銀中楊葉片上表皮具有氣孔，紫丁香葉片上表皮氣孔密度為3.2 個·mm-2，銀中楊上表皮氣孔密度為22.8 個·mm-2。

表2 8個樹種葉片葉解剖結(jié)構(gòu)差異

2.3 葉片解剖結(jié)構(gòu)與生理指標(biāo)的關(guān)系

由表3可見，8個樹種光飽和點與葉表皮厚度顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.78。胞間CO2濃度與上表皮氣孔密度顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.65。最大光合速率、呼吸速率、蒸騰速率和光補償點與表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度相關(guān)均不顯著(P>0.05)。胞間CO2濃度與表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和下表皮氣孔密度相關(guān)均不顯著(P>0.05)。光飽和點與柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度相關(guān)均不顯著(P>0.05)。

3 討論

8個樹種間葉片解剖結(jié)構(gòu)(柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上表皮氣孔密度和下表皮氣孔密度)和光合生理指標(biāo)(最大光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和光飽和點)均存在顯著差異。光合速率受到許多植物因素的影響，包括葉肉固碳能力的遺傳差異、葉片解剖結(jié)構(gòu)、葉齡(有時為樹齡)、氣孔體積、氣孔密度和氣孔開度調(diào)控[3]。本研究中光飽和點與葉表皮厚度顯著正相關(guān)，已有的研究表明葉片表皮毛和厚角質(zhì)膜發(fā)達(dá)能夠適應(yīng)或抵御外界環(huán)境(水分和光照)的脅迫，維持植物正常的生理生態(tài)機能[20]，因此表皮較厚能增強對太陽輻射的反射，即減少對太陽輻射能的吸收，可能間接促進(jìn)了光飽和點的升高。本研究中胞間CO2濃度與上表皮氣孔密度顯著負(fù)相關(guān)，氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行CO2和H2O等氣體交換的重要通道,直接決定著植物的蒸騰和光合作用[21]。已有研究表明大氣CO2濃度與土壤氮素供應(yīng)增加可影響葉片表皮組織分化，增加葉片上表皮氣孔出現(xiàn)的比例，促進(jìn)葉片的光合速率樹木生長[22]。單提波研究表明高氣孔密度水稻的最大光合速率為比中、低氣孔密度水稻分別高4.3%和19.6%[23]。

已有研究表明油橄欖(OleaeuropaeaL.)柵欄組織厚度、 柵欄/海綿組織與凈光合速率極顯著正相關(guān)，在一定時期和范圍內(nèi)可作為判斷光合能力的重要指標(biāo)[24]，但是本研究中未發(fā)現(xiàn)光合生理指標(biāo)與柵欄組織厚度、海綿組織厚度的相關(guān)關(guān)系。光合特征存在種和基因型的差異，但是也受到葉片類型、葉齡、空氣CO2濃度和溫度的影響[3]。已有葉片結(jié)構(gòu)與生理指標(biāo)間關(guān)系研究是針對同一種植物進(jìn)行研究，本研究選擇了8個樹種進(jìn)行研究，所以呈現(xiàn)出更復(fù)雜的趨勢。本研究的結(jié)果表明，在樹種之間，葉片解剖結(jié)構(gòu)能夠影響生理活動。但是值得注意的是，本研究只是選擇成熟葉片進(jìn)行研究，我們不清楚生理指標(biāo)是如何隨著葉片結(jié)構(gòu)的發(fā)育而變化的，以及在不同的發(fā)育階段，樹種在生理和葉片結(jié)構(gòu)上的差異是否會更小或更大。雖然仍有許多關(guān)于葉片結(jié)構(gòu)對生理的影響的機理需要研究，但我們認(rèn)為，對葉片結(jié)構(gòu)的研究，可以更好地理解光合速率、呼吸速率和蒸騰速率等生理指標(biāo)的變化。