貢嘎山不同海拔峨眉冷杉葉片生態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特性研究

陳艷艷 黃 軒 黃曉霞，2 程小毛，2

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)國家林業(yè)與草原局

西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650233)

海拔作為自然穩(wěn)定型變量，在多個領(lǐng)域的研究中都能起到非常重要的作用。環(huán)境因素受不同海拔梯度的影響而發(fā)生改變[1]，不同的海拔環(huán)境下植物形態(tài)的特征以及生理會隨著環(huán)境的改變而改變，由此為探究植被的生長對不同環(huán)境的響應(yīng)提供了有利的條件。與植物光合作用和呼吸作用密切相關(guān)的葉片對環(huán)境因素的改變較為敏感，在植被的進(jìn)化發(fā)展過程中，葉片結(jié)構(gòu)特征對不同環(huán)境因素的響應(yīng)較為靈敏。通過研究位于不同海拔梯度上的植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)，分析其葉片的差異性，可以幫助進(jìn)一步對此探明針葉林植物生長與環(huán)境因子之間的關(guān)系。針葉植物葉型與其他植物不同，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，其葉片解剖結(jié)構(gòu)特性的研究對于掌握針葉樹種與環(huán)境因子間的關(guān)系有著重大的意義，因此對于探明針葉樹種對長期環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制具有重要意義[2]。

峨眉冷杉（Abies fabri），又名泡杉、塔杉，是松科冷杉屬植物。成熟峨眉冷杉一般高18～35 m，且粗壯，生長于垂直海拔的方向上，主要分布在海拔2 800～3 800 m，在不到海拔2 800 m 時，峨眉冷杉常與油麥吊杉（Picea brachytyla）形成混交林，在海拔2 800 m 以上則多為峨眉冷杉純林[3]。峨眉冷杉是青藏高原東緣亞高山暗針葉山林區(qū)的優(yōu)勢樹種，作為當(dāng)?shù)刂匾乃Y源林，在調(diào)節(jié)氣候類型、改善水質(zhì)資源、保持水土環(huán)境以及維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面均發(fā)揮著極為重要的作用[4]。其木材顏色為淺紅褐色或黃褐帶紅，材質(zhì)具有量輕質(zhì)軟，加工容易，平展開闊，可用于房屋、板料、家具及木纖維工業(yè)等原料，樹膠可制成冷杉膠，用于做光學(xué)儀器粘合劑，樹皮可用作增加尿醛樹脂膠合性的增量劑[5]。現(xiàn)階段關(guān)于峨眉冷杉的探究主要集中在群落的動態(tài)和結(jié)構(gòu)、生境研究調(diào)查、生理機(jī)制及凋落物特征等方面，而關(guān)于海拔梯度對峨眉冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的影響的相關(guān)研究尚少，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，通過對峨眉冷杉的葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從葉片結(jié)構(gòu)對貢嘎山峨眉冷杉在不同海拔下其葉片對生態(tài)的適應(yīng)情況進(jìn)行研究，從而增加對高海拔脆弱生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識，能夠給保護(hù)高海拔脆弱生態(tài)系統(tǒng)提供一定的借鑒，且能夠揭示高山植物與環(huán)境相互作用的復(fù)雜關(guān)系及給人類提供科學(xué)保護(hù)和持續(xù)利用高山植物資源的借鑒[6]。

1 研究區(qū)概況

貢嘎山地處青藏高原和四川盆地的交界處，地處東經(jīng)101°03′50″～102°05′49″，北緯29°33′12″～29°36′30″，在青藏高原東側(cè)，是橫斷山系下大雪山脈的主峰，是川西地區(qū)非常具有代表性的高山生態(tài)系統(tǒng)[7]，其最高峰海拔7 566 m。由于受亞熱帶季風(fēng)氣候和高山氣候的影響，海拔梯度上的氣候差異明顯。該地區(qū)為山地寒溫帶氣候，氣溫4 ℃，年均降水量1 900 mm[8]。該區(qū)人為干擾因素較少，因生物多樣性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)等較為復(fù)雜，所以較好的保留了原始森林的生態(tài)系統(tǒng)。因相對高差達(dá)6 km，所以完整的植被和土壤帶譜在急劇變化的環(huán)境要素下形成[9]。在30 km的水平距離下相對高差約為6 400 m，林線和雪線位置分別是3 700 m 與4 900 m[10]。沿海拔的變化梯度依次是1 600～2 400 m 的常綠闊葉林帶，最主要的是櫟類（Quercusspp.）和包果柯（Lithocarpus cleistocarpus）；2 400～2 900 m 的針闊葉混交林帶，主要為麥吊云杉、云南鐵杉（Tsuga dumosa）和扇葉槭（Acer flabellaatum）；2 900～3 650 m 的暗針葉林帶，樹種以冷杉為主；3 700～4 100 m 的灌叢草甸帶，高山杜鵑（Rhododendron lapponicum）為優(yōu)勢樹種；4 100 m 至雪線為草甸帶。針葉林是最重要的植被類型之一，范圍最廣分布在貢嘎山地區(qū)，東坡海拔2 600～3 200 m 是峨眉冷杉林帶[11]。

2 材料與方法

2.1 采樣方法

在四川省貢嘎山東坡海拔區(qū)域2 800～3 800 m處峨眉冷杉林進(jìn)行取樣，研究設(shè)置2 800、3 000、3 200、3 500、3 800 m 共 5個海拔梯度，每個海拔梯度取樣5 棵，在每棵樹各個方向采集當(dāng)年生枝條中部葉片，每棵樹采集葉片鮮質(zhì)量為10 g。

2.2 石蠟切片及指標(biāo)測定

制作切片和葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定切片制作方法參照李蘭芳等[12]的方法。利用LEICA DM 2000 光學(xué)顯微鏡（尼康株式會社，日本）觀測葉片角質(zhì)層厚度、韌皮部厚度、上表皮厚度、維管束直徑、木質(zhì)部厚度、轉(zhuǎn)輸組織厚度、內(nèi)皮層厚度、葉片長短徑，每項指標(biāo)均重復(fù)測量5次，取其平均值。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS22 統(tǒng)計分析軟件對所有數(shù)據(jù)計算進(jìn)行一元方差分析，分析的葉片特征參數(shù)分別位于不同的海拔，平均數(shù)之間的多重比較采用Ducan′s 的檢驗方法。

3 結(jié)果及分析

3.1 峨眉冷杉葉片位于不同海拔梯度下的解剖形態(tài)比較

由圖1 可知，峨眉冷杉葉片結(jié)構(gòu)主要包括表皮組織、海綿組織和柵欄組織，隨海拔的升高，峨眉冷杉葉片表皮角質(zhì)層的厚度呈現(xiàn)出先上升后下降隨后小幅上升的趨勢，并且在海拔3 000 m左右達(dá)到最大值，上表皮由2 層細(xì)胞組成且排列緊密。柵欄組織和海綿組織的厚度在海拔3 000 m左右時均達(dá)到最大值。海拔3 500 m 附近，葉片上表皮厚度達(dá)到最大值。由此可以看出，峨眉冷杉的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)能夠在不同海拔梯度的復(fù)雜環(huán)境條件下形成差異，需要對在不同海拔下的葉片解剖結(jié)構(gòu)具體參數(shù)進(jìn)行更深入的比較，分析其環(huán)境對于葉片結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 峨眉冷杉葉片位于不同海拔下的解剖形態(tài)比較Fig. 1 A comparative study on anatomic form at gradient elevation of A. fabiri leaves

3.2 峨眉冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)對海拔梯度的響應(yīng)

由圖2 可知，隨著海拔的上升，峨眉冷杉葉片厚度呈波動性變化趨勢。在海拔為3 000 m處，葉片總厚度達(dá)到最大值，與海拔2 800 m 處的最小值相比，上升了53.95%，差異顯著（P＜0.05），其余各海拔梯度間峨眉冷杉葉片厚度變化均不顯著。不同海拔梯度下峨眉冷杉葉片的表皮組織結(jié)構(gòu)參數(shù)隨海拔的上升，葉片的表皮角質(zhì)層厚度呈現(xiàn)出上升下降隨后小幅上升的變化，且在海拔3 000 m 左右達(dá)到最大值，但其位于各個海拔梯度上的差異并不顯著。在海拔3 500 m 附近，葉片上表皮厚度達(dá)到最大值，3 800 m 附近的最小值與之相比，降低32.49%，差異顯著（P＜0.05）。而隨海拔的升高，峨眉冷杉葉片下表皮的厚度僅在海拔3 500 m 處有輕微回落，整體呈現(xiàn)上升趨勢，并且在海拔3 800 m 左右達(dá)到最大值，與海拔2 800 m 左右的最小值相比，上升了75.31%，但該項指標(biāo)位于各海拔梯度間差異不明顯。

峨眉冷杉葉片葉肉組織結(jié)構(gòu)參數(shù)位于不同海拔梯度下的不相同葉肉組織中的海綿組織與柵欄組織的厚度為（127.47±19.86）～（183.27±20.41）μm 與（91.81±10.60）～（127.27±14.64）μm，并且在海拔升高的情況下，海綿組織與柵欄組織都有相同的厚度變化趨勢。當(dāng)海拔3 000 m 左右時，海綿組織和柵欄組織的厚度均達(dá)到最大值。在各個海拔梯度下，柵欄組織厚度在海拔3 000 m與海拔3 200 m 處差異顯著（P＜0.05），相差38.62%，其余各海拔梯度間均無顯著差異；但隨著海拔的上升海綿組織厚度表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢，在海拔3 000 m 處達(dá)到最大值，并與其他海拔梯度間表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）。

圖2 不同海拔峨眉冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化Fig. 2 Changes in anatomical characteristics of A. fabri leaves at different elevations

3.3 不同海拔峨眉冷杉群體葉片各解剖結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性分析

由表1 可知，不同海拔峨眉冷杉群體葉片各項解剖結(jié)構(gòu)間均存在一定的相關(guān)性。其中，在峨眉冷杉葉片總厚度與葉片表皮組織厚度之間，葉片總厚度與葉片上表皮間具有顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），葉片總厚度與角質(zhì)層厚度具有極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；當(dāng)葉片總厚度與葉片葉肉組織厚度比較時，葉片總厚度與柵欄組織厚度及海綿組織厚度間均為極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。在峨眉冷杉葉片表皮組織厚度之間均存在顯著的相關(guān)性（P＜0.05），其中葉片上表皮厚度與下表皮厚度為顯著正相關(guān)（P＜0.05），與角質(zhì)層厚度之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；同時，葉片下表皮厚度與角質(zhì)層厚度之間也存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。在峨眉冷杉葉片葉肉組織厚度之間，葉片柵欄組織厚度與海綿組織厚度之間為極顯著正相關(guān)的關(guān)系（P＜0.01）。當(dāng)峨眉冷杉葉片的表皮組織厚度與葉肉組織厚度比較時，葉片的下表皮厚度與海綿組織厚度之間呈出顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），角質(zhì)層厚度與柵欄組織厚度和海綿組織厚度之間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表1 峨眉冷杉葉片各解剖結(jié)構(gòu)間相關(guān)性分析Table 1 The correlation analysis of anatomical characteristics of A. fabri leaves

4 結(jié)論與討論

環(huán)境因素因受不同的海拔梯度影響而發(fā)生改變，在不同的海拔條件下，植物的生理及形態(tài)特征會隨著環(huán)境的改變而改變，為了研究植物的生長對不同環(huán)境的響應(yīng)提供了良好的條件[13]。與植物光合作用和呼吸作用密切相關(guān)的葉片對環(huán)境因素的改變較為敏感，在植物的進(jìn)化過程中，葉片結(jié)構(gòu)特征對于不同的環(huán)境因素響應(yīng)較為靈敏，通過對位于不同海拔梯度上的植物葉片結(jié)構(gòu)形態(tài)的研究，分析其在不同環(huán)境下的差異，可以幫助進(jìn)一步探明植物生長和環(huán)境因子間的關(guān)系。海拔的變化往往會引起溫度和水分條件的差異，隨海拔的升高，植物葉片形態(tài)的可塑性也會發(fā)生變化。因此，在不同海拔生境中，降水和溫度隨著海拔的變化而成為影響植物葉片葉肉組織厚度的主要生態(tài)因子[12-16]。在本研究中，貢嘎山峨眉冷杉的植物葉片總厚度與葉肉結(jié)構(gòu)中的海綿組織、柵欄組織厚度均在海拔3 000 m 附近達(dá)到最大值，造成這種狀況的原因可能是由于貢嘎山東坡海拔3 000 m 附近為針闊葉混交林帶，此處年降水量為1 938 mm，年均溫4 ℃ 260 d，大氣相對濕度大于90%[17-18]，該處空氣濕度大，氣溫低的良好的水分條件為葉片的生長以及厚度的增加提供了有利的條件，不僅具有保溫的效果使得植物能夠適應(yīng)這種濕冷的環(huán)境，且海拔3 000 m處是闊葉針葉混交林帶，植被種類相對豐富，凋落物結(jié)構(gòu)及土壤養(yǎng)分也較其他海拔更為豐富，這樣的環(huán)境條件均有利于植物的生長和發(fā)育。因此，在高海拔地區(qū)，葉片厚度增加不僅可以減少水分的蒸騰，防止高海拔地區(qū)風(fēng)力對其造成的損傷，增加葉片的保水性，更有利于植株適應(yīng)獨(dú)特的高海拔地區(qū)嚴(yán)酷生態(tài)環(huán)境[13]。在本研究中，峨眉冷杉葉片上表細(xì)胞形狀規(guī)則，排列緊密，而下表皮細(xì)胞排列較疏松，這樣的結(jié)構(gòu)特征可有效減少強(qiáng)輻射對葉肉細(xì)胞的損傷和細(xì)胞水分的散失[19-20]。植物進(jìn)行光合作用的主要場所是葉肉細(xì)胞，柵欄組織以及海綿組織厚度對于植物光合速率的影響重大[21]。李廣民等[22]發(fā)現(xiàn)短波輻射在海拔升高的情況下不斷增強(qiáng)，這能夠產(chǎn)生保護(hù)葉片柵欄組織細(xì)胞的穩(wěn)定遺傳結(jié)構(gòu)，并由此防止葉面因溫度升高而引起的組織灼傷。本研究中，貢嘎山峨眉冷杉葉片中的柵欄組織厚度與海綿組織厚度在海拔3 000 m附近達(dá)到最高值后回落，隨后均隨海拔的上升呈持續(xù)上升的趨勢。這可能是由于隨著海拔的不斷升高，降水量增加與溫度降低，光照增強(qiáng)，葉片柵欄組織和海綿組織厚度的增加可以有效減少水分的散失[13-14]，并幫助植物體抵御干旱、寒冷脅迫及光照輻射帶來的傷害，是峨眉冷杉在貢嘎山高海拔地區(qū)這類特定環(huán)境條件中形成的適應(yīng)性機(jī)制[23]。

本研究中，貢嘎山峨眉冷杉的葉片在解剖結(jié)構(gòu)之間基本都具有一定的關(guān)聯(lián)性，說明隨著海拔的升高，峨眉冷杉的葉片解剖機(jī)構(gòu)均形成了針對不同海拔梯度的響應(yīng)機(jī)制，且葉片組成部分間具有一定的聯(lián)系。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，葉片的表皮細(xì)胞以及表皮角質(zhì)層具有防止植物葉片水分過度蒸騰、抵抗外界風(fēng)雨及病蟲侵害的作用[24]。而本研究中，盡管在不同海拔高度，峨眉冷杉群體間的葉片表皮各組織結(jié)構(gòu)變化的趨勢并不一致，但相關(guān)性分析結(jié)果顯示，葉片上表皮、下表皮及角質(zhì)層的厚度3 項解剖結(jié)構(gòu)兩兩之間均存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這說明葉片上表皮、下表皮及角質(zhì)層的變化一致，這可能與高海拔區(qū)域，水熱及光照條件的特殊性相關(guān)。

綜合分析表明，由于貢嘎山海拔3 000 m 附近的降水量較大，植被種類相對豐富，因此峨眉冷杉植物葉片總厚度與葉肉結(jié)構(gòu)中柵欄組織、海綿組織的厚度均在該海拔處達(dá)到最大值。葉片表皮間各組織結(jié)構(gòu)的變化趨勢不一致，但相關(guān)性分析結(jié)果顯示，葉片上表皮、下表皮及角質(zhì)層的厚度3 項解剖結(jié)構(gòu)兩兩之間均存在著顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這說明葉片上表皮、下表皮及角質(zhì)層的變化是一致的。