植物葉壽命測定方法綜述

朱 毅，任海燕，韓國棟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

葉片在自然界以各式各樣的形態(tài)存在，其最大的作用在于通過光合作用固定碳，這也是植物獲取碳的最主要途徑。Wright等人基于全球植物性狀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，研究了葉片性狀之間的關(guān)系，確立了葉片經(jīng)濟(jì)學(xué)譜(Leaf economic spectrum)，即表征葉片生產(chǎn)性狀(如光合速率、氮磷含量)與表征葉片維持和消耗性狀(如葉壽命、比葉重)之間存在權(quán)衡關(guān)系，并認(rèn)為這是植物在長期進(jìn)化中與環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果[1,2]。例如，光合能力強(qiáng)的葉片往往由于對防御方面的投資較少而壽命較短[3]。全球變化導(dǎo)致資源供給改變，進(jìn)而影響植物對資源(水分、養(yǎng)分等)的獲取能力，然而在資源獲取過程中植物面臨著效率和壽命的權(quán)衡[4]。因此，葉壽命直接影響植物對資源的獲取和利用，是反映植物物候的重要指標(biāo)，連接著葉片生理生態(tài)、植株個(gè)體生長和生態(tài)系統(tǒng)過程，它是影響生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和生產(chǎn)力的決定性因子[4～6]。葉壽命是指葉片個(gè)體或葉片部分存活和生理活動(dòng)的時(shí)間段，它以天、月或年表示[7]。有研究表明，從葉片出生開始，隨著葉面積的增加到完全展開狀態(tài)，光合速率也隨之增加至最大，隨后隨著葉片的衰老逐漸下降[8,9]。葉壽命的研究具有極其重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 葉壽命研究歷程

植物葉壽命的研究最早可追溯到1914年，Harper首次報(bào)道了葉壽命與生境養(yǎng)分可利用性相關(guān)[10]。隨后到了20世紀(jì)60～80年代，更多的研究集中在葉壽命的生態(tài)適應(yīng)性方面，尤其是在落葉和常綠生境中。較有代表性的如Monk于1966年在Ecology上發(fā)表的關(guān)于常綠生境的生態(tài)學(xué)意義[11]。1982年，Chabot和Hicks更詳細(xì)地闡述了葉壽命的生態(tài)學(xué)意義[8]。Coley等人1985年發(fā)表在Science上的文章，研究了資源可利用性、植物抗草食性防御和葉壽命的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)葉壽命取決于資源可利用性，影響植物不同周轉(zhuǎn)率防御的相對優(yōu)勢[12]。

上世紀(jì)90年代，對葉壽命的研究達(dá)到了高潮，更多的學(xué)者投入到葉壽命的研究中來，在各種生境下開展葉壽命的研究工作，主要探討葉壽命與植物碳收益、養(yǎng)分動(dòng)態(tài)、植物防御和地理分布的關(guān)系。代表性的學(xué)者如日本的Kikuzawa[13]，基于模型從植物的碳獲得和碳消耗之間的權(quán)衡關(guān)系出發(fā)，研究了葉壽命變異的原因及意義；美國的Peter Reich等[14]則從葉片水平、植株個(gè)體水平和立地水平對葉壽命展開了研究；西班牙的Escudero等[15]發(fā)現(xiàn)，植物具有長壽命的葉片是植物提高養(yǎng)分利用效率的適應(yīng)性表現(xiàn)；瑞士學(xué)者Diemer[16]首次通過灌木的葉壽命數(shù)據(jù)集闡述了葉壽命的生物地理分布格局；Craine等[17]則首次利用葉壽命模型測定了14種植物(6種禾本科、8種雜類草)的葉壽命。到21世紀(jì)，植物功能性狀再次成為全球熱點(diǎn)研究問題，而葉壽命作為最重要的功能性狀之一也備受關(guān)注。在全球變化的背景下，葉壽命與其他功能性狀的關(guān)系以及尺度推演方面的研究尤為突出，代表性學(xué)者有Wright、Shipley和Reich等人。Wright等人首次在全球尺度上闡明了6個(gè)關(guān)鍵葉片性狀之間的相互關(guān)系，重點(diǎn)分析了LL-LMA(葉壽命-比葉重)這組關(guān)系[1]；之后，Bill Shipley等人基于全球數(shù)據(jù)集，通過模型討論了LL、Am(最大光合速率)、Nm(單位質(zhì)量葉片氮含量)、LMA之間的權(quán)衡關(guān)系[18]；Ren等從植物激素乙烯的角度，揭示了荒漠草原植物葉壽命隨氮素添加變化的生理機(jī)制[19]；Xu等在Kikuzawa(1991)研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了性狀驅(qū)動(dòng)的碳最優(yōu)模型，預(yù)測了潮濕熱帶林的葉壽命變化，揭示了葉壽命的變異是如何由葉片結(jié)構(gòu)特征和非生物環(huán)境約束下的碳優(yōu)化產(chǎn)生的[20]。

盡管葉壽命的相關(guān)研究已有一個(gè)多世紀(jì)(表1)，但目前仍然存在許多問題：如缺少公認(rèn)的測定葉壽命的方法；不同葉片性狀之間的權(quán)衡關(guān)系制約著對葉壽命變異機(jī)制的客觀評價(jià)；全球變化對葉壽命影響的研究較少等。

表1 植物葉壽命研究熱點(diǎn)文獻(xiàn)

2 葉壽命的測定方法

葉壽命是指植物葉片從出生到衰老的時(shí)間長度。一般把完全展葉定義為葉片的出生，部分或完全枯黃定義為葉片的死亡[17]。葉壽命的測定方法主要包括生命表法、傳統(tǒng)的野外標(biāo)記觀測方法和野外監(jiān)測與葉壽命模型結(jié)合的方法。其中,編制生命表的方法一般用來測定常綠闊葉樹種的葉壽命，與人口統(tǒng)計(jì)學(xué)中的生命表類似，計(jì)算的是葉片的期望壽命，而與人口統(tǒng)計(jì)中的生命表不同的是，葉壽命的生命表包含的主要指標(biāo)包括葉片的齡級(jí)、存活葉片數(shù)、脫落葉片數(shù)、總存留葉片數(shù)以及葉片的期望壽命。標(biāo)記觀測法，就是選取一定數(shù)量的植物個(gè)體，對其葉片進(jìn)行標(biāo)記并進(jìn)行觀測，觀測間隔時(shí)間一般較短，類似于物候觀測，最后經(jīng)過大量重復(fù)樣本的綜合分析得出某種植物的葉壽命。標(biāo)記觀測法包括傳統(tǒng)的野外標(biāo)記觀測法以及后來基于標(biāo)記觀測發(fā)展的標(biāo)記觀測與葉壽命模型結(jié)合的方法。與傳統(tǒng)的標(biāo)記觀測方法相比，采用標(biāo)記觀測與葉壽命模型結(jié)合的方法具有減少工作量的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算的結(jié)果為某物種葉片的平均壽命，能夠更好的比較禾本科和其他不同生長形態(tài)的植物的葉壽命。

2.1 生命表法

編制生命表的方法一般用來測算常綠闊葉植物的葉壽命。由于常綠闊葉植物的生活期較復(fù)雜，葉壽命往往大于1，有的甚至可以存活3～4個(gè)生長季。為了能夠精確的推算常綠闊葉植物的葉壽命，可以根據(jù)枝條上的芽鱗痕所形成的節(jié)環(huán)以及枝條的粗細(xì)程度、顏色等特征來識(shí)別枝條的生長年齡，并對不同年齡枝條上的葉片數(shù)計(jì)數(shù)。以1年為一個(gè)年齡級(jí)，規(guī)定當(dāng)年形成的葉為1齡葉，去年形成的為2齡葉，以此類推，然后據(jù)此編制成生命表(見表2)。計(jì)算葉片的期望壽命，公式如下[21,22]：

式中：x為葉齡級(jí)(按年劃分等級(jí))；Nx為在x年齡級(jí)開始時(shí)的存活葉片數(shù)；Dx=Nx-Nx+1，即x到x+1年齡期的脫落葉片數(shù)；Lx為從x到x+1年齡期的平均存活葉片數(shù)；Tx為齡期x及其以后各年齡級(jí)的葉片留存總年數(shù)；Ex為x期開始時(shí)的平均期望壽命。

注：引自宋永昌,2000。

由于表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)關(guān)系，只要測得同齡出生的葉片總數(shù)Nx，各齡級(jí)開始的存活葉片數(shù)Nx或該齡級(jí)期限內(nèi)的脫落葉片數(shù)Dx，即可通過上述公式計(jì)算出其他數(shù)值。Tx與Lx是專為計(jì)算Ex而設(shè)立的，所以在生命表的各個(gè)參數(shù)中，只有Nx或Dx是直接觀測值，其余的都是統(tǒng)計(jì)值。

采用編制生命表測定葉壽命的方法主要適用于對常綠闊葉樹種的研究。例如：王希華等通過生命表法對天童國家森林公園的常綠闊葉樹種葉壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)常綠闊葉樹種的葉壽命大多在1～3年之間，小喬木及灌木的葉壽命要大于中喬木[22]；田玉鵬等使用生命表法對福建梅花山51種常綠闊葉植物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)灌木的葉壽命最長，而小喬木的葉壽命最短，并且同種植物的葉壽命隨海拔升高而延長[23]，這可能是環(huán)境因素的差異造成兩個(gè)研究結(jié)果的不同，是植物適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)；王瑞雪等采用生命表法對江蘇寶華山常綠植物的蟲食頻度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，葉壽命越長蟲食頻度也越高[24]。

2.2 傳統(tǒng)的野外標(biāo)記觀測方法

采用野外標(biāo)記觀測法測定葉壽命的方法雖然勞動(dòng)強(qiáng)度大，但以重復(fù)監(jiān)測時(shí)間間隔跟蹤植物個(gè)體葉片出生和死亡無疑是最好的方法。具體做法是隨機(jī)選取植物個(gè)體，抽取部分葉片并掛上小標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，定期記錄它們的存活或死亡情況，間隔時(shí)間大約為預(yù)估葉壽命的1/10。而為了提高精確性，每個(gè)物種至少需要40個(gè)葉片，最好是能達(dá)到160個(gè)葉片。為了達(dá)到這個(gè)數(shù)目，建議增加物種的個(gè)體抽樣數(shù)，而不是增加每個(gè)植物個(gè)體的枝條數(shù)量。根據(jù)長期監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)葉片的壽命，最后取每株的平均值[7]。如Sydes曾報(bào)道了對石灰?guī)r草地進(jìn)行葉群體統(tǒng)計(jì)[25]，對于要測定葉壽命的物種，隨機(jī)選取一株植物個(gè)體作為代表，標(biāo)記抽樣的葉片，并每間隔一段時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測，記錄葉片存活的葉長，當(dāng)葉片上沒有任何活的綠色組織時(shí)便認(rèn)為葉片死亡，葉片的出生率和死亡率為自上次抽樣日期以前每個(gè)植物每天出現(xiàn)或死亡的葉數(shù)。在確認(rèn)得到的結(jié)果近似于服從正態(tài)分布以后，采用t-檢驗(yàn)對觀測樣本進(jìn)行驗(yàn)證分析：

這種測定葉壽命的方法缺點(diǎn)是工作量太大，需要對植物葉片以重復(fù)間隔長期觀測,并且對于葉壽命的估計(jì)是整個(gè)葉片而不是單位葉長(單位葉長更能代表生物量周轉(zhuǎn)率)，因此在比較禾本科和其他不同生長形態(tài)的物種葉壽命時(shí)可能不夠準(zhǔn)確。

2.3 標(biāo)記觀測與葉壽命模型結(jié)合的方法

因?yàn)橐陨弦巴鈽?biāo)記觀測法存在的局限性，Craine & Reich等人提出了一種新的將野外標(biāo)記觀測與葉壽命模型結(jié)合的測定方法[17,26]。此方法和上述標(biāo)記觀測法類似，當(dāng)一片葉子被認(rèn)為完全展開時(shí)，此時(shí)被定為它的“出生時(shí)間”，當(dāng)葉片至少有2/3變成黃色或棕色時(shí)，則被認(rèn)為死亡。選取一部分植物完全展開葉片進(jìn)行標(biāo)記，長期監(jiān)測被標(biāo)記葉片的葉面積或長度。該方法認(rèn)為，在第一次監(jiān)測時(shí)已經(jīng)有了一些植物葉片，雖然出生時(shí)間不同，但都會(huì)在監(jiān)測期間死亡。監(jiān)測開始后，出生較早的一部分葉片會(huì)陸續(xù)死亡，而一些出生較晚的葉片在檢測結(jié)束后還未死亡。減去這兩部分后就是在監(jiān)測期間出生并死亡累積的葉面積，再減去累積死亡的葉面積就是在壽命期內(nèi)的累積葉面積，除以葉片面積后就得到葉壽命。用此方法測出來的是某物種葉片的平均壽命。

根據(jù)模型，平均葉壽命(LL，day)等于在監(jiān)測期間產(chǎn)生并死亡的累積葉片長度(m·day)或面積(m2·day)除以葉片長度(m)或面積(m2),計(jì)算公式如下：

式中：i表示第一次監(jiān)測時(shí)間；j表示最后一次監(jiān)測時(shí)間；An表示從開始監(jiān)測到n天之間累積產(chǎn)生的葉片長度或面積；Sn表示從開始監(jiān)測到n天之間累積死亡的葉片長度或面積；Kn表示監(jiān)測時(shí)間n和n+1之間的間隔；ns表示當(dāng)累積死亡的葉片長度或面積等于第一次監(jiān)測時(shí)的葉片長度或面積的累積量時(shí)(即S=Ai)的時(shí)間；nl表示當(dāng)累積產(chǎn)生的葉片長度或面積等于最后一次監(jiān)測死亡的葉片長度或面積的累積量時(shí)(即A=Sj)的時(shí)間。

如圖1[17]：曲線A(方形)表示在整個(gè)監(jiān)測期間產(chǎn)生或死亡的葉片累積長度或面積(上述式A)；曲線B(三角形)表示整個(gè)監(jiān)測期間死亡的葉片累積長度或面積(上述式B)；曲線下面區(qū)域的面積是產(chǎn)生或死亡葉片長度或面積的總天數(shù)(A下面區(qū)域)和產(chǎn)生葉片長度或面積的總天數(shù)(B下面區(qū)域)，這兩條曲線之差表示未死亡的葉片長度或面積的天數(shù)。區(qū)域C表示在監(jiān)測開始時(shí)就已經(jīng)存在(出生日期未知)的葉片長度或面積(即方程式C)；區(qū)域D表示在監(jiān)測結(jié)束還沒有死亡(死亡日期未知)的葉片長度或面積(即方程式D)。從曲線A和B之間的區(qū)域減去C和D(A-B-C-D)，就得到監(jiān)測期間產(chǎn)生并死亡的葉片累積長度或面積(m·day或m2·day，即區(qū)域E)。將區(qū)域E除以區(qū)域E中的總?cè)~片長度或面積(m或m2，區(qū)域E的高)，就得到葉片的壽命，相當(dāng)于區(qū)域E的水平長度。該模型的機(jī)理類似積溫，如果在知道某個(gè)時(shí)期的積溫(℃·day)和這一時(shí)期的平均溫度(℃)時(shí)，將積溫除以平均溫度就可以得到該時(shí)期的天數(shù)(day)。

在采用這種新的將標(biāo)記觀測和模型結(jié)合的方法測定了14種植物的葉壽命之后，Craine & Reich隨后又使用了同樣的方法對10種草原植物展開研究，發(fā)現(xiàn)葉壽命在提高CO2的供給下延長了3.4d，而在提高N供給的條件下縮短了4.2d[26]。Ren等(2011)使用該方法對我國內(nèi)蒙古典型草原的5個(gè)重要物種進(jìn)行原位研究發(fā)現(xiàn)，不論在豐雨年還是貧雨年，水分添加減少了葉壽命約10d，氮素添加減小了葉壽命約5d[27]。此外，Ren等(2013)采用此方法測定盆栽和大田實(shí)驗(yàn)中的植物葉壽命，通過設(shè)置不同梯度的氮素添加實(shí)驗(yàn)(5、10、15 g N m-2yr-1)，表明氮素添加增加植物乙烯生產(chǎn)，降低葉壽命；同時(shí)乙烯生物合成抑制劑(CoCl2)的添加減小乙烯生產(chǎn)，增加葉壽命；揭示氮素添加通過影響植物激素乙烯而導(dǎo)致葉壽命的變化[19]。該研究首次從植物生理角度為已經(jīng)廣泛存在的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象(即氮輸入影響葉壽命)提供了全新的解釋。

為什么植物葉壽命對養(yǎng)分以及CO2的供給變化做出如此響應(yīng)，許多專家學(xué)者對于葉壽命的變異做了大量的研究，其中“碳平衡”理論被廣泛接受，它認(rèn)為葉壽命是植物優(yōu)化碳收益的結(jié)果[8]。植物為了最大限度的提高凈碳收益，當(dāng)葉片每單位時(shí)間的凈碳收益在其生命周期內(nèi)達(dá)到最大值時(shí)，葉片必須更換，這就是最佳葉壽命理論。最佳葉壽命理論認(rèn)為，植物的葉片以及支撐葉的相關(guān)莖、根等其他一切組織的建造成本和這些器官及組織的后期維護(hù)成本，共同決定了植物的最佳葉壽命，從而能使植物獲得最大凈碳收益?；谶@種假設(shè)，日本學(xué)者Kikuzawa提出了最佳葉壽命模型[13]：

topt=[2bc/(a-m)]1/2

式中：topt表示最佳葉壽命；b為光合速率降低為0所需要的時(shí)間；C表示葉片建成消耗；a表示某一時(shí)刻的瞬時(shí)光合速率；m為a時(shí)刻的瞬時(shí)呼吸速率。從式中可以看出，影響葉壽命的因素為葉片凈光合速率(a-m)、葉片建成消耗(c)以及葉片光合作用降低速率(1/b)，由此可以得到以下推論：葉壽命隨葉片建成消耗的增加而變長；葉壽命隨光合作用降低速率的增加而變短；葉壽命隨最大光合速率的增加而變短。

雖然此模型在一定程度上能夠通過葉片凈光合速率來預(yù)測植物的葉壽命，但由于在建模時(shí)植物的功能性狀相互作用常常被忽略，葉片建造成本被低估等因素，限制了模型的預(yù)測能力。對此，Xu等人優(yōu)化了該模型[20]：

式中：G為平均碳收益率；t為葉齡；CCleaf為葉片層級(jí)的葉片建成生物化學(xué)消耗；CCplant為沒有被計(jì)入的植物層級(jí)消耗；LMA為比葉重，視為常數(shù)，等于成熟葉片的LMA。該模型的核心思想是優(yōu)化葉片整個(gè)生命期內(nèi)的平均凈碳收益。最佳葉壽命被定義為G(t)達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間，也就是G(t)和g(t)相等時(shí)的時(shí)間。

Xu等人的研究結(jié)果表明，植物可以根據(jù)光的可利用性動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片生物化學(xué)特性以達(dá)到最佳碳收益[20]，Lloyed等人的研究也支持了這一結(jié)果[28]。Kikuzawa等從碳收益的角度研究了葉壽命的全球模式，將f定義為一年中每月氣溫和水分可利用性有利的部分，在短f的條件下，常綠植物需要較長的葉壽命才能獲得最大的碳收益，而落葉植物的葉壽命隨著f的縮短而降低[29]。有報(bào)道表明，生長在貧瘠土壤和生長在陰涼處的植物葉壽命更長，可能是不利的環(huán)境因素限制了植物的光合作用，而植物則通過延長葉壽命來獲得更大的碳收益[30～33]。當(dāng)然，植物不會(huì)無限制的延長葉壽命，根據(jù)Xu等人的研究，葉壽命回報(bào)(Leaf lifetime return)雖然隨著葉壽命的增加而增加，但碳收益的價(jià)值可能會(huì)隨著時(shí)間的延長而降低[20,34]。葉壽命長的好處只有在葉片實(shí)際能夠達(dá)到最佳葉壽命時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，各種環(huán)境不利因素都能在葉片達(dá)到最佳壽命之前殺死它們，而短葉壽命的葉片潛在損傷率可以降低。

綜上所述，葉壽命的測定方法主要有生命表法、標(biāo)記觀測法、標(biāo)記觀測與葉壽命模型結(jié)合法三種，其中基于觀測芽鱗痕的編制生命表的方法只適用于針對常綠闊葉樹的研究，此方法已被廣泛使用，國內(nèi)已有許多應(yīng)用此方法的報(bào)道[22～24]；而傳統(tǒng)的標(biāo)記觀測的方法適用于針對喬木以及草本植物的研究，有著十分可靠的優(yōu)點(diǎn)，但很明顯的缺點(diǎn)是工作量太大；采用標(biāo)記觀測法和葉壽命模型結(jié)合的方法同樣適用于喬木及草本的研究，這種方法雖然在可靠性上比不上傳統(tǒng)的標(biāo)記觀測法，但在保證可靠性的同時(shí)可大大的縮減工作量，尤其在對草原植物的研究時(shí)是最為推薦使用的一種方法。幾種不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見表3。

表3 葉壽命測定方法

3 結(jié)語

從上世紀(jì)初一直到本世紀(jì)，針對葉壽命的研究一直在開展。因?yàn)槿~壽命具有非常重要的生態(tài)學(xué)意義，它連接著葉片生理生態(tài)到植株個(gè)體生長和生態(tài)系統(tǒng)過程。在葉片水平，葉壽命與葉片氮含量、光合作用和氮素轉(zhuǎn)移息息相關(guān)；在植株水平，葉壽命對植物凈碳固定和氮素吸收起重要作用；在生態(tài)系統(tǒng)水平，葉壽命是生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力和氮素循環(huán)的一個(gè)重要決定因子。加強(qiáng)葉壽命及其相關(guān)性狀的研究，可以為當(dāng)前的生物地球化學(xué)循環(huán)模型提供重要的科學(xué)依據(jù)。雖然國外學(xué)者已經(jīng)有大量關(guān)于葉壽命研究的報(bào)道，但多數(shù)集中在對于常綠或落葉樹種及其在全球尺度上的地帶性研究[20,29]，而對于草地植物及其對資源環(huán)境供給的變化的響應(yīng)方研究甚少，特別是在中國非常缺乏這方面的數(shù)據(jù)，因此我們現(xiàn)在很有必要開展相關(guān)方面的研究。雖然對于葉壽命的研究已經(jīng)長達(dá)近一個(gè)世紀(jì)，但對于葉壽命的測定一直缺少一種公認(rèn)的研究方法。此外，葉壽命及其相關(guān)性狀在陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的研究中還未引起足夠的重視，需要更多的研究來彌補(bǔ)這些缺口。