蒙古沙冬青葉片解剖特征與生態(tài)因子的關(guān)系

馬紅英，李小偉*，楊君瓏，黃文廣，王旭，康錦蕓

1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 寧夏草原工作站，寧夏 銀川 750021

葉片是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用以及呼吸作用等生理代謝活動的重要器官（張?jiān)伱返龋?019），與周圍環(huán)境關(guān)系最為密切，是植物體暴露在環(huán)境中面積最大的器官，對外界環(huán)境反應(yīng)最為敏感且具有較大的可塑性，也是植物進(jìn)行生命活動的主要部位，受生境變化影響顯著（康薩如拉等，2013；吳麗君等，2015）。葉片可以在不同的環(huán)境中形成各種適應(yīng)類型，主要體現(xiàn)在葉片形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)上（Zhang et al.，2016；Bosabalidis et al.，2002）。葉片結(jié)構(gòu)對環(huán)境敏感、適應(yīng)性強(qiáng)，且葉片結(jié)構(gòu)的變化是植物適應(yīng)環(huán)境變化的重要機(jī)制（He et al.，2018）。國內(nèi)外學(xué)者從葉片解剖結(jié)構(gòu)與生態(tài)因子之間的關(guān)系進(jìn)行探討分析（田苗，2016；郭婧宇等，2017；Hoque et al.，2018），研究各種植物與環(huán)境的關(guān)系，進(jìn)而得出環(huán)境因子對它的影響，以此探尋植物適宜生長發(fā)育的環(huán)境。因此，通過分析植物葉片的解剖結(jié)構(gòu)與生態(tài)因子的關(guān)系能夠反映環(huán)境對其的影響以及植物對環(huán)境的適應(yīng)性。

沙冬青屬（Ammopiptauthus Cheng f.）是豆科蝶形花亞科中的一屬。沙冬青屬有2種，一種是蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus），是豆科常綠闊葉灌木樹種（蘇志豪等，2018），分布于蒙古國南部以及中國甘肅中東部、內(nèi)蒙古西部和寧夏中北部地區(qū)，另一種是新疆沙冬青（Ammopiptanthus nanus）國家二級保護(hù)植物，地方一級保護(hù)植物，僅見于新疆喀什地區(qū)南部昆侖山與帕米爾交界處（馬松梅等，2012；Gao et al.，2015）。蒙古沙冬青是一種超旱生的珍稀瀕危植物，在中國將其列為國家三級保護(hù)植物（段義忠等，2018），也是中國西北荒漠地區(qū)唯一的常綠闊葉灌木。蒙古沙冬青抗逆性強(qiáng)，對荒漠區(qū)及鹽堿地植被恢復(fù)、維持西北荒漠生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要的生態(tài)價(jià)值；另外，蒙古沙冬青也是抗凍蛋白提取的主要材料，在牲畜飼料、化學(xué)和藥用等方面具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值（Chao et al.，2015；Chen et al.，2016）。蒙古沙冬青生長于西北干旱的荒漠地區(qū)，在生長發(fā)育過程中會受到風(fēng)沙、寒冷、干旱、高溫、鹽堿各種不利生態(tài)因子的影響（Kosová et al.，2018），且隨著極端氣候出現(xiàn)，環(huán)境惡化，生境破碎化加重，棲息地遭到破壞，種群數(shù)量不斷縮小，面臨瀕危的現(xiàn)狀（馬松梅等，2012），因此，備受學(xué)者關(guān)注。目前，眾多研究人員對蒙古沙冬青的研究主要集中在遺傳多樣性與育種（Liu et al.，2013；沈奇等，2019）、無性繁殖（Wei et al.，2011）、基因分析（唐寬剛等，2018；Chen et al.，2011）方面，而對于自然條件下，某一生態(tài)主導(dǎo)因子作用下其解剖結(jié)構(gòu)變化的研究還未見報(bào)道。

本研究選取 26個(gè)樣地的蒙古沙冬青植物葉片作為主要研究對象，借助石蠟切片技術(shù)觀察葉片解剖結(jié)構(gòu)，再結(jié)合氣候因子與土壤指標(biāo)，利用冗余分析（RDA）進(jìn)一步探討其葉片解剖特征與生態(tài)因子之間的關(guān)系，試圖從多個(gè)方面、多個(gè)指標(biāo)評價(jià)蒙古沙冬青葉片解剖特征在大尺度上的變化，確定一個(gè)或多個(gè)與蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)的生態(tài)因子，并確定影響蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因子，主要回答以下幾個(gè)問題：（1）研究蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)特征；（2）闡明導(dǎo)致蒙古沙冬青葉片結(jié)構(gòu)差異的主導(dǎo)環(huán)境因素，探究蒙古沙冬青適應(yīng)環(huán)境的策略，以其為瀕危植物蒙古沙冬青的保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域位于東經(jīng) 104.79°—107.15°、北緯36.28°—41.77°之間，分別是寧夏與內(nèi)蒙古西部地區(qū)（圖 1），屬典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，降雨從南向北依次遞減，且多集中于 7—9月，年降雨量100—400 mm，蒸發(fā)量2000 mm以上，地勢南高北低，海拔1014—1883 m，年均溫9.5 ℃，年均輻射 198712 kJ·m?2·d?1，熱量充足；土壤類型從南向北依次為黑壚土、黃綿土、灰鈣土和砂質(zhì)土。

1.2 樣本的采集及測定

1.2.1 葉片樣本的采集

于2018年7—8月，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置26個(gè)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)10 m×10 m樣方，每個(gè)樣方內(nèi)選取3個(gè)生長良好、發(fā)育成熟、有代表性的植株，選取其同一部位的葉片（3—5片），裝入帶有FAA固定液的離心管，帶回實(shí)驗(yàn)室。采回的蒙古沙冬青葉片經(jīng)過取材﹑固定、脫水、透明、透蠟、包埋、切片、展片、貼片、烤片、染色、封藏、烤片等步驟制成永久制片，將制片置于Olympus顯微鏡下觀察。采用Motic Image Advanced 2.0軟件測量并進(jìn)行顯微照相。

圖1 蒙古沙冬青采樣點(diǎn)詳細(xì)分布圖Fig. 1 Detailed map of the sampling points of Ammopiptanthus mongolicus

選擇葉片厚度（Thickness of leaf，TL）、上表皮細(xì)胞厚度（Thickness of upper epidermis cell，TUE）、下表皮細(xì)胞厚度（Thickness of lower epidermis cell，TLE）、上柵欄組織厚度（Thickness of upper palisade tissue，TUP）、下柵欄組織厚度（Thickness of lower palisade tissue，TLP）、主脈厚度（Thickness of main vein，TMV）共6項(xiàng)葉片結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.2 土壤樣本的采集

在設(shè)置的每個(gè)蒙古沙冬青樣方內(nèi)同時(shí)采集土樣，按五點(diǎn)取樣法取樣，用土鉆在每個(gè)樣地內(nèi)取 0—40 cm土層土壤，剔除其中的植物根系及石塊等非土樣組成部分，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。將土壤樣品混合均勻并按照四分法取土樣研磨，過2 mm土壤篩后用于土壤養(yǎng)分指標(biāo)的測定。

土壤有機(jī)質(zhì)（SOC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮（TN）含量采用全自動凱氏定氮儀測定，土壤全磷（TP）含量采用 HClO4-H2SO4消煮鉬銻抗比色法測定，土壤含水率（MOIS）采用烘干法測定，土壤pH（pH）采用電位法測定。

1.3 氣候數(shù)據(jù)的獲取

選取5個(gè)氣候因子，即年均降雨量（MAP）、太陽輻射（SRAD）、蒸汽壓（VARP）、年均溫（MAT）、生長季降雨量（GSP）。每一個(gè)樣地都使用GPS確定海拔（ALT）、經(jīng)度（LON）和緯度（LAT）即空間因子。依據(jù)世界氣候數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http://www.woridclim.org/），基于調(diào)查地點(diǎn)的經(jīng)度、緯度與海拔數(shù)據(jù)，分別獲取26個(gè)樣地的上述5個(gè)氣候因子指標(biāo)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 21.0對蒙古沙冬青植物葉片解剖結(jié)構(gòu)與生態(tài)因子的相關(guān)性進(jìn)行分析。用Canoco 5.0軟件對蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)和生態(tài)因子進(jìn)行冗余分析（RDA排序）和繪圖。

2 結(jié)果

2.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征

本研究測量了蒙古沙冬青葉片厚度、上、下表皮細(xì)胞厚度、上、下柵欄組織厚度與主脈厚度（圖2），結(jié)果顯示，蒙古沙冬青葉片具有超旱生結(jié)構(gòu)，葉片小而厚，且解剖結(jié)構(gòu)為等面葉。由表1可以看出，蒙古沙冬青葉片厚度平均值為385.01 μm，最大值為 (516.02±25.35) μm，最小值為 (278.44±22.13) μm；表皮由單層細(xì)胞組成，形態(tài)特征基本一致，近長方形或橢圓形，上表皮細(xì)胞較細(xì)長，排列較下表皮細(xì)胞疏松，下表皮細(xì)胞近圓狀或不規(guī)則狀，排列較緊密。葉片上下表皮細(xì)胞厚度平均值分別為：(19.39±1.46) μm 和 (22.90±2.00) μm，上表皮細(xì)胞厚度最大值為 (28.77±3.25) μm，最小值為(13.33±1.26) μm，下表皮細(xì)胞厚度最大值為(39.81±3.98) μm，最小值為 (15.89±1.85) μm，表明下表皮細(xì)胞厚于上表皮細(xì)胞，并且下表皮細(xì)胞厚度變化幅度高于上表皮細(xì)胞厚度變化。葉肉組織分化為上柵欄組織與下柵欄組織，上柵欄組織排列較緊密，其厚度平均值為 (128.47±5.02) μm，最大值為(165.21±8.50) μm，最小值為 (95.78±8.60) μm；下柵欄組織排列較疏松，其厚度平均值為(161.03±6.35) μm，最大值為 (199.28±19.62) μm，最小值為 (116.28±12.35)，這表明蒙古沙冬青葉片下柵欄組織厚于上柵欄組織，并且變化幅度也高于上柵欄組織。蒙古沙冬青葉片主脈較突出，主脈厚度平均值為 (277.25±9.23) μm，最大值為 (396.16±29.26) μm，最小值為 (185.94±25.02) μm。

圖2 蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)Fig. 2 The anatomical structure of Ammopiptanthus mongolicus leaves

表1 蒙古沙冬青葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)Table 1 Anatomical structure index of Ammopiptanthus mongolicus leaves

2.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)與生態(tài)因子的相關(guān)性

對葉片解剖結(jié)構(gòu)與生態(tài)因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果（表 2）表明，上、下表皮細(xì)胞厚度分別與緯度呈極顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.780，P<0.01）、（r=?0.634，P<0.01）；上表皮細(xì)胞厚度與年均降雨量呈極顯著正相關(guān)（r=0.671，P<0.01），下表皮細(xì)胞厚度與年均降雨量呈顯著正相關(guān)（r=0.492，P<0.05）；上、下表皮細(xì)胞厚度也分別與生長季降雨量呈極顯著正相關(guān)（r=0.681，P<0.01）、（r=0.518，P<0.01）；葉片厚度、上表皮細(xì)胞厚度分別與太陽輻射呈顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.395，P<0.05）、（r= ?0.423，P<0.05）；上、下表皮細(xì)胞厚度分別與蒸汽壓呈極顯著正相關(guān)（r=0.774，P<0.01）、（r=0.686，P<0.01）；上表皮細(xì)胞厚度與土壤全氮呈極顯著正相關(guān)（r=0.506，P<0.01），下表皮細(xì)胞厚度與土壤全氮呈顯著正相關(guān)（r=0.485，P<0.05）。上柵欄組織厚度分別與年均降雨量、生長季降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)（r= ?0.419，P<0.05）、（r= ?0.412，P<0.05），而下柵欄組織厚度、主脈厚度與生態(tài)因子均無顯著相關(guān)關(guān)系。葉片解剖結(jié)構(gòu)與海拔、經(jīng)度、年均溫、有機(jī)質(zhì)、土壤水分、土壤全磷、pH無顯著相關(guān)關(guān)系。

2.3 蒙古沙冬青葉片解剖與生態(tài)因子之間的冗余分析

對 26個(gè)蒙古沙冬青樣地葉片解剖與生態(tài)因子進(jìn)行冗余分析（圖 3、表 3），結(jié)果表明：蒸汽壓（F=8.0，P=0.002）、緯度（F=7.2，P=0.002）、生長季降雨量（F=5.0，P=0.01）、年均降雨量（F=4.7，P=0.012）、土壤全氮（F=2.9，P=0.04）、太陽輻射（F=2.7，P=0.048）對葉片解剖結(jié)構(gòu)具有顯著影響。而年均溫（F=1.9，P=0.144）、經(jīng)度（F=1.7，P=0.168）、有機(jī)質(zhì)（F=0.6，P=0.562）、土壤 pH（F=0.3，P=0.858）、土壤水分（F=0.3，P=0.862）、土壤全磷（F=0.3，P=0.824）、海拔（F<0.1，P=0.972）對葉片解剖結(jié)構(gòu)影響不顯著。

方差分解結(jié)果顯示（圖4），氣候因子、土壤因子和空間因子共同解釋了蒙古沙冬青葉片解剖75.6%的方差，未解釋率為24.4%。其中氣候因子、土壤因子和空間因子對蒙古沙冬青葉片解剖的單獨(dú)解釋率分別為 21.1%、17.3%和 10%，氣候因子的影響最大，土壤因子次之，空間因子最小。對 3組環(huán)境進(jìn)行雙因素分析，氣候因子和土壤因子、空間因子和氣候因子、空間因子和土壤因子的共同解釋率分別為65.6%、58.3%和54.5%，三者之間的共同解釋率為27.2%。

表2 葉片解剖與生態(tài)因子的相關(guān)性Table 2 Correlation between leaf anatomy and ecological factors

圖3 蒙古沙冬青樣地、葉片解剖與生態(tài)因子的RDA排序Fig. 3 Sample plot、leaf anatomy and ecological factor ranking of Ammopiptanthus mongolicus by RDA

3 討論

3.1 蒙古沙冬青葉片解剖特征

圖4 氣候因子、土壤因子和空間因子對蒙古沙冬青葉片解剖的方差分解圖Fig. 4 Variance decomposition diagram of Ammopiptanthus mongolicus leaf anatomy by climatic, soil and spatial factors

干旱是影響植物生長發(fā)育的重要因素之一，不同種植物受自身遺傳特性與外界環(huán)境的共同影響，對干旱形成了不同的生態(tài)適應(yīng)對策。為了適應(yīng)高溫、干旱等逆境環(huán)境，植物葉片解剖結(jié)構(gòu)均具有相應(yīng)的變化特征（孟林等，2011）。有研究表明，長期生長在干旱環(huán)境中的植物葉片通常表現(xiàn)出葉片厚度增大、角質(zhì)層增厚、柵欄組織厚度增加、海綿組織厚度減少或退化等（李蒙蒙等，2016）。也有研究表明，植物適應(yīng)干旱環(huán)境的第一個(gè)特點(diǎn)是盡量縮小葉面積以減少蒸騰量，但是不同的植物適應(yīng)干旱環(huán)境所表現(xiàn)出來的特征有所不同（康薩如拉等，2013；吳麗君等，2015）。本研究發(fā)現(xiàn)：（1）蒙古沙冬青的葉片橫切面為典型的等面葉，屬于厚葉植物；（2）葉片的上、下表皮均由一層細(xì)胞組成，細(xì)胞肥大形狀規(guī)則，排列整齊緊密無細(xì)胞間隙，可以減少葉片的蒸散量；（3）葉肉細(xì)胞緊密排列全部柵欄化，貼近上下表皮分布，上柵欄組織厚度較小，細(xì)胞垂直排列且較緊密規(guī)則，下柵欄組織厚度較大，排列較疏松，海綿組織退化，可以減少水分蒸騰流失；（4）葉脈為平行脈，由維管束與機(jī)械組織構(gòu)成，發(fā)達(dá)的主脈呈橢圓狀且較為突出，增強(qiáng)了對水分的輸導(dǎo)能力。以上這些特征表明生長于干旱荒漠地區(qū)的蒙古沙冬青葉片具有典型的超旱生結(jié)構(gòu)（李蒙蒙等，2016；劉美等，2017；李苗苗，2008），且這與石麗麗等（2018）對蒙古沙冬青和新疆沙冬青的比較研究結(jié)果一致。

3.2 蒙古沙冬青葉片解剖特征與環(huán)境因子的關(guān)系

植物葉片的結(jié)構(gòu)與功能可較好的反映植物對各種環(huán)境的適應(yīng)性（England et al.，2006；Tian et al.，2016）。盡管葉片基本上由表皮、氣孔和葉肉組成，但由于系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和對特定環(huán)境的適應(yīng)，不同種類葉片在面積、厚度和形狀上表現(xiàn)出明顯的差異（Royer et al.，2008）。研究表明，決定大尺度植物形態(tài)結(jié)構(gòu)差異的因素主要為溫度和降雨等生態(tài)因子（胡建瑩等，2008）；而在小尺度上，植物形態(tài)結(jié)構(gòu)差異主要由微環(huán)境導(dǎo)致，如地形條件（緯度）、土壤理化性質(zhì)及其他生態(tài)因素（邰建輝等，2011）。植物的形態(tài)特征與環(huán)境因子的關(guān)系，尤其是水熱因子的關(guān)系逐漸從定性描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎棵枋觯獌|偉等，2011）。環(huán)境對葉片的影響主要體現(xiàn)在葉片厚度、上表皮細(xì)胞厚度、下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、主脈厚度等方面（王維睿等，2015）。本研究對葉片解剖特征與生態(tài)因子的相關(guān)性分析表明：生態(tài)因子對下柵欄組織和主脈無顯著影響，以往的研究表明光合作用主要發(fā)生在完全發(fā)育的柵欄組織中（Mendes et al.，2001），而下柵欄組織是由海綿組織發(fā)育而來，并未完全發(fā)育成熟，所以環(huán)境因素對它的影響不顯著（周宜君等，2001）；主脈則主要是進(jìn)行養(yǎng)分與水分的運(yùn)輸（張文霞等，2018），與環(huán)境因子的關(guān)系較弱。生態(tài)因子主要對蒙古沙冬青上、下表皮影響較大，對葉片上柵欄組織也有一定影響。具體而言，在本研究區(qū)域中隨著緯度的升高，環(huán)境特征趨向于溫暖，上、下表皮厚度減小，有利于葉片內(nèi)部的氣體交換，使得外界氣體可迅速向內(nèi)部擴(kuò)散（Verboven et al.，2015），而且利于葉片內(nèi)部的柵欄組織進(jìn)行光合作用（He et al.，2018）。另外，上表皮細(xì)胞還與緯度、年均降雨量、生長季降雨量、蒸汽壓、土壤全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），蒙古沙冬青從北向南分布主要是降雨和溫度的變化，降雨量呈增加趨勢，但海拔逐漸升高，溫度下降，為適應(yīng)寒冷的環(huán)境，上表皮細(xì)胞隨之增厚，上表皮細(xì)胞增厚保水保護(hù)能力增強(qiáng)，且足夠的水分也保證了光合作用，而且也起到抵御寒冷的逆境環(huán)境（郭學(xué)民等，2015；郝文芳等，2019）；與上表皮相比，下表皮位于葉片下方，受環(huán)境因子影響較小，因此，環(huán)境更多的影響上表皮；土壤理化指標(biāo)中，只有全氮對葉片解剖特征有較大的影響，蒙古沙冬青是豆科植物，根系發(fā)達(dá)且可結(jié)瘤固氮（郝文芳等，2019），而且賈曉紅等（2006）有研究表明，在干旱和半干旱的草地中，大量灌木生長的地方會加劇灌叢下的養(yǎng)分聚積，從而形成了“肥島”，促進(jìn)這些灌木在群落中的定居，因此，土壤中的氮素對葉片解剖特征有較大的影響。

表3 蒙古沙冬青葉片解剖與生態(tài)因子的RDA排序Table 3 RDA sequencing of leaf anatomy and ecological factors in Ammopiptanthus mongolicus

總體而言，年均降雨量與生長季降雨量對蒙古沙冬青葉片解剖特征有較大的影響，這是由于蒙古沙冬青生長于干旱的荒漠地區(qū)，水分是其生長發(fā)育的限制性因素（石麗麗等，2018）。本研究結(jié)果表明，降雨對上、下表皮細(xì)胞和上柵欄組織影響較大，葉片表皮細(xì)胞具有保護(hù)功能與儲水作用（張香凝等，2011），降雨主要通過影響表皮細(xì)胞厚度使其適應(yīng)不同的水分環(huán)境?？傊?，利用 RDA分析蒙古沙冬青葉片解剖特征與生態(tài)因子相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及方差分解累計(jì)解釋量表明，氣候因子是影響蒙古沙冬青葉片解剖特征的主要生態(tài)因子，生態(tài)因子中的蒸汽壓、緯度、生長季降雨量、年均降雨量、土壤全氮、太陽輻射的影響較大，表明各環(huán)境因子對葉片解剖特征的影響不是單一的，它們共同作用，影響蒙古沙冬青葉片的解剖特征（段義忠等，2018）；其中熱量的影響最大，降雨的影響次之，這與田苗（2016）的研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

（1）蒙古沙冬青葉片橫切面為典型的等面葉，表皮肥大，葉肉全部柵欄化，主脈突出，維管束發(fā)達(dá)，具有旱生結(jié)構(gòu)。

（2）對蒙古沙冬青葉片解剖特征影響最大的是氣候因子，其次為土壤因子，空間因子的影響最小；其中氣候因子中的蒸汽壓、降雨是主要影響因子，土壤因子中的全氮是主要影響因子，空間因子中的緯度是主要影響因子。