貴州茂蘭喀斯特森林兩樹種葉片氣孔形態(tài)特征及其對蒸騰的影響

程 娟，丁訪軍，譚正洪，廖立國，周 汀，崔迎春

(1.海南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，海南 ?？?570100；2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550005；3.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

貴州地處西南高原屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，也是中國石漠化尤為明顯地區(qū)[1]。為改善該地區(qū)的石漠化環(huán)境，在綠化樹種選擇、撫育及管理上進(jìn)行了相關(guān)研究[2]，但由于地處典型的喀斯特地貌區(qū)，巖石透水性強(qiáng)、土壤儲(chǔ)水能力低、地下水文過程復(fù)雜，加之大氣降水時(shí)空分布不均[3]，目前在治理石漠化問題方面，尤其是適應(yīng)性樹種的篩選上仍無定論。一些森林植被中尤其是混交林，共存物種受水分條件的限制而不能維持正常生長或再生，長此以往會(huì)導(dǎo)致植被和生態(tài)系統(tǒng)退化[4-5]。植物完成正常的生長就必須進(jìn)行蒸騰和光合作用，要完成這一過程離不開與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換，如CO2和H2O等。陸地植物與大氣之間氣體交換由氣孔控制[6-7]，氣孔是反映光合作用、生產(chǎn)力、生態(tài)水文和氣候脅迫的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，植物通過改變氣孔數(shù)量及其開閉來調(diào)節(jié)葉片蒸騰速率和水勢；氣孔開放的變化可以顯示出與植物周圍環(huán)境條件的適應(yīng)性關(guān)系[8-9]，包括氣孔密度、大小和形狀的變化，而氣孔在不同的植物中表現(xiàn)出不同的形狀、大小和數(shù)量，不同植物的氣孔形態(tài)特征存在著較大差異[10-11]。目前從氣孔自身的形態(tài)特征研究發(fā)現(xiàn)，氣孔密度越小,氣孔開度越大，氣孔導(dǎo)度就能保持相對穩(wěn)定，滿足自身正常的生命活動(dòng)需求[12-13]。同時(shí)相關(guān)研究認(rèn)為，物種氣孔密度與氣孔長度、氣孔開度及葉面積有一定關(guān)系，但不同物種之間存在較大差異[14]，氣孔數(shù)量和形態(tài)及其調(diào)節(jié)用水效率對物種正常的生命活動(dòng)至關(guān)重要。

植物進(jìn)行生命活動(dòng)離不開水的參與，水分只有在蒸騰拉力作用下[15]才能被運(yùn)輸?shù)讲煌慕M織器官，保障其完成正常的生命活動(dòng)，已有研究表明，樹干液流可以作為重要生理指標(biāo)表征植物蒸騰[16]。茂蘭喀斯特地區(qū)森林樹種的蒸騰特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系已有一定研究[17-19]，但仍缺乏氣孔形態(tài)特征對喀斯特地區(qū)林木蒸騰的影響，環(huán)境因子與氣孔形態(tài)特征之間的關(guān)系，以及它們之間相互影響等方面的研究報(bào)道。為此，以貴州茂蘭喀斯特地區(qū)森林生長季常綠樹種脹果樹參(Dendropanaxinflatus)和落葉樹種瓜木(Alangiumplatanifolium)為研究對象，開展樹干液流、環(huán)境因子及樹種葉片氣孔形態(tài)特征的觀測，分析不同樹種的蒸騰與葉片氣孔形態(tài)特征，及在相似環(huán)境條件下葉片氣孔形態(tài)特征變化對其樹干液流的影響，進(jìn)一步探討在茂蘭喀斯特生境下，葉片氣孔對于林木蒸騰需求的響應(yīng)及其環(huán)境因子的影響，從而揭示環(huán)境因子影響樹木蒸騰的機(jī)理，了解類似氣候條件下相似物種對外界環(huán)境條件的基本調(diào)節(jié)策略，為茂蘭喀斯特地區(qū)森林的保護(hù)及石漠化治理中的樹種選擇、撫育、管理等提供理論參考[20]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樹種選擇

試驗(yàn)地位于貴州茂蘭國家級自然保護(hù)區(qū)(107°52.2′～108°5.7′E,25°9.3′～25°20.8′N)的喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)；地貌以峰叢洼地為主，海拔平均在430～1 078.6 m，年平均氣溫18.3 ℃，年平均降雨量達(dá)到1 752.5 mm，集中分布在4—10月。保護(hù)區(qū)內(nèi)母巖為碳酸鹽巖，所成土壤為石灰土，裸巖率在80%以上，土壤稀少，土層薄且不連續(xù)，土壤透水性強(qiáng)，地下水文過程復(fù)雜，生境異質(zhì)性大，具有典型喀斯特生境特征。

對原生喬木林群落類型設(shè)置固定樣地(30 m×30 m)，其中脹果樹參(D.inflatus)屬于常綠小喬木，生長在海拔740～1 800 m的常綠闊葉林或灌叢中,在貴州主要分布于荔波及獨(dú)山地區(qū)；瓜木(A.platanifolium)屬于落葉小喬木或灌木，生長于海拔2 000 m以下的向陽山坡或疏林中，在中國分布廣，該兩樹種在茂蘭喀斯特頂級群落里均存活有大量成熟植株。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，選取接近樣地內(nèi)的平均胸徑且生長良好、樹干通直、無病蟲害的該兩樹種作為監(jiān)測樣樹，每個(gè)樹種各選3株,基本特征見表1。

表1 貴州茂蘭喀斯特研究地兩樣樹基本特征Table 1 Basic characteristics of two species sample trees in Maolan Karst research area,Guizhou Province

1.2 邊材面積及樹干液流測定

在生長季5月(12、13、14、15、16日)選用3 cm長的熱擴(kuò)散探針(TDP-30，Dynamax Inc., Houston, USA)連續(xù)5個(gè)晴天，在8：00—17：00監(jiān)測脹果樹參和瓜木的樹干液流速率(安裝高度均為1.3 m)，每個(gè)樹種各選3株，為了盡可能防止外界環(huán)境對傳感器的影響，用太陽膜和錫箔紙包裹探針和樹干，并用膠帶密封好。將TDP探針纜線與CR 1000數(shù)據(jù)采集器連接，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的間隔期為10 min；結(jié)合Granier等[21]方法的經(jīng)驗(yàn)公式無量剛J=0.011 9×[(ΔTmax-ΔT)/ΔT]1.231。經(jīng)換算得樹干邊材瞬時(shí)液流速率[JS，g/(m2·s)]。式中：ΔTmax為上下探針間的最大晝夜溫差，℃；ΔT為瞬時(shí)溫差，℃；1.231為校正系數(shù)。

在樣地外分別選取3株不同胸徑的脹果樹參和瓜木，在樹干胸高(約1.3 m)處用生長錐鉆取樣芯。將樣芯帶回實(shí)驗(yàn)室后，用游標(biāo)卡尺分別測量樣芯的心材寬、邊材寬、半徑和皮厚等值。根據(jù)決定系數(shù)[19]R2=0.789 8計(jì)算樣木邊材面積和胸徑，建立了邊材面積與胸徑的回歸關(guān)系式：

SA=0.074 26×D1.807 7。

(1)

式中，D為樣木的胸徑，cm。

基于小時(shí)尺度下的樹干液流速率(FS):

FS=JS×SA×3 600。

(2)

式中：FS為樹干液流速率(液流通量)，g/h；SA為胸徑處邊材面積，cm2；3 600為時(shí)間換算系數(shù)[17]。

1.3 環(huán)境因子測定

環(huán)境因子(輻射、溫度、濕度)利用安裝在樣地內(nèi)觀測塔上的Campbell自動(dòng)氣象站測定，自動(dòng)氣象站距離地面10 m左右，與樹干液流采集水平距離在10 m內(nèi)，測定及數(shù)據(jù)采集時(shí)間與樹干液流同步。測定因子包括：太陽輻射強(qiáng)度(Rn，W/m2)、大氣溫度(Ta， ℃)、空氣相對濕度(RH，%)。采用水汽壓虧缺 (vapor pressure deficiency，VPD，公式中以VVPD表示)綜合表達(dá)氣溫和空氣相對濕度的協(xié)同效應(yīng)，計(jì)算公式為[22]：

(4)

1.4 葉片氣孔形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的測定

在試驗(yàn)期間，每天從8：00開始采集葉片，每隔1h采1次，直至17：00。由于該森林植被類型屬于闊葉林，樹冠不同樹種枝葉交錯(cuò)復(fù)雜，為了更好地反映在自然氣候狀態(tài)下植物葉片的生理活動(dòng)特征，從每個(gè)物種不同的3個(gè)個(gè)體上分別采集陽生、健康的葉片，放入裝有液氮的恒溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室立即放進(jìn)干燥皿干燥，用電子顯微鏡(EM—30，COXEM公司)觀測葉片，在×500、×1 000、×2 000、×5 000下拍攝一定數(shù)目的視野圖片，用ImageJ圖形處理軟件統(tǒng)計(jì)視野內(nèi)的所有氣孔個(gè)數(shù)，用來計(jì)算氣孔密度(stomatal density，SD)即視野中單位葉面積的氣孔數(shù)目，利用ImageJ軟件計(jì)算氣孔器大小(stomatal apparatus size，SAS)，具體為：長軸長/短軸長；氣孔長度(stomatal conductance，SC)為保衛(wèi)細(xì)胞長度以及氣孔開度(stomatal openness，SO)[12,23-24]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析、相關(guān)分析、回歸分析并作圖，數(shù)據(jù)處理為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩樹種樹干液流速率日變化特征

兩樹種樹干液流速率日變化曲線見圖1。從圖1可以看出，落葉樹種瓜木蒸騰作用開啟后快速增強(qiáng)，在13：00左右達(dá)到最強(qiáng)，之后快速減弱。常綠樹種脹果樹參的蒸騰作用同樣在開啟后快速增強(qiáng)，在12：00左右達(dá)到最強(qiáng)，之后快速減弱；從它們的均值來看，落葉樹種瓜木的液流速率[(585.25±53.46) g/h]顯著高于常綠樹種脹果樹參的[(384.83±39.12) g/h](P<0.05，df=48,F=7.42)，說明落葉樹種瓜木比常綠樹種脹果樹參的蒸騰能力強(qiáng)。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant difference(P<0.05). The same below.圖1 脹果樹參和瓜木樹干液流速率日變化曲線Fig.1 Diurnal variation curves of stem sap flow rate of evergreen Denchropanax inflatus and deciduous Alangium platanifolium

2.2 兩樹種葉片氣孔形態(tài)特征

兩樹種相似環(huán)境條件下，8：00—17：00時(shí)葉片氣孔形態(tài)特征均值比較見圖2。

圖2 脹果樹參和瓜木葉片氣孔形態(tài)特征Fig.2 The morphological characteristics of leaf stomata of evergreen D. inflatus and deciduous A. platanifolium

由圖2可知，落葉樹種瓜木的氣孔密度(SD)(1 005.08±80.99)個(gè)/mm2顯著大于常綠樹種脹果樹參的SD(237.16±21.67)個(gè)/mm2(P<0.05，df=48,F=7.08)，但落葉樹種瓜木的氣孔開度(SO)(8.27±0.16)μm小于常綠樹種脹果樹參的SO(8.89±0.18)μm,且落葉樹種瓜木的氣孔長度(SC)、氣孔器大小(SAS)分別為(14.67±0.31)μm和1.78±0.06，常綠樹種脹果樹參的SC、SAS分別為(16.34±0.77) μm和1.87±0.13，落葉樹種瓜木的SC、SAS均小于常綠樹種脹果樹參，但兩樹種的SO、SC以及SAS均無顯著差異(P>0.05，df=48,F=2.65)，說明兩樹種氣孔形態(tài)特征之間的差異來自氣孔密度。

不同樹種葉片SD與SO、SC之間的關(guān)系見圖3，兩樹種的SD與SO及SC之間均存在線性關(guān)系，且呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。表明同一樹種葉片的SD和SC會(huì)相互影響，SD大者，SO及SC相對較小，同時(shí)表明當(dāng)葉片氣孔孔徑發(fā)生變化時(shí)，植物氣孔密度也會(huì)作出相應(yīng)的反應(yīng)以保障氣孔導(dǎo)度的相對穩(wěn)定，滿足自身正常的生理活動(dòng)需求[14]。

注：*.P<0.05.圖3 脹果樹參和瓜木葉片氣孔密度(SD)與氣孔開度(SO)和氣孔長度(SC)的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Correlations of stomatal density(SD) with stomatal openness(SO) and stomatal conductance(SC) of evergreen D. inflatus and deciduous A. platanifolium

2.3 葉片氣孔形態(tài)對樹干液流速率的影響及與環(huán)境因子的關(guān)系

通過對落葉樹種瓜木和常綠樹種脹果樹參氣孔形態(tài)特征與樹干液流速率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表2)，兩樹種葉片的氣孔密度(SD)與液流速率(FS)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=16.03；P<0.01，df=48,F=32.10)，說明葉片SD越大的落葉樹種瓜木其蒸騰越強(qiáng)。從兩樹種葉片氣孔形態(tài)特征與環(huán)境因子作相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，落葉樹種瓜木葉片的SD與太陽輻射強(qiáng)度(Rn)和大氣溫度(Ta)呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=7.66；P<0.05，df=48,F=5.50)，SC與Rn和Ta呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=13.06；P<0.05，df=48,F=4.59)，SO與Ta呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=6.10)，說明Rn是影響落葉樹種瓜木氣孔形態(tài)變化的主要環(huán)境因子。而其FS與水汽壓虧缺(VPD)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=21.30)，與Rn呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=4.56)；常綠樹種脹果樹參葉片的SD與大氣溫度(Ta)呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=5.02)，SC與Ta呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=6.32)，SC與Rn呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=2.15)，SO與Ta和Rn均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=17.20；P<0.01，df=48,F=14.81)，同樣說明Rn是影響常綠樹種脹果樹參氣孔形態(tài)變化的主要環(huán)境因子，同時(shí)其還受Ta的影響[25-26]。而其FS與VPD呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=16.73)，與Rn呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=42.03)。另外落葉樹種瓜木的SC與FS呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=6.12)，SO與FS呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=9.25)，常綠樹種脹果樹參的SC與FS呈顯著正相關(guān)(P<0.05，df=48,F=11.06)，SO與FS呈極顯著正相關(guān)(P<0.01，df=48,F=29.41)，結(jié)合兩樹種的蒸騰差異以及環(huán)境因子對它們氣孔形態(tài)的影響不同，說明即使生長在相似環(huán)境下，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，兩樹種氣孔形態(tài)的反應(yīng)不同，常綠樹種脹果樹參氣孔形態(tài)特征(SD、SC、SO)對環(huán)境因子的響應(yīng)比落葉樹種瓜木氣孔形態(tài)特征(SD、SC、SO)對環(huán)境因子的響應(yīng)更強(qiáng)。所以導(dǎo)致兩樹種蒸騰差異的原因，一方面是兩樹種葉片的氣孔密度自身存在較大差異；另一方面是葉片氣孔形態(tài)對環(huán)境因子的反應(yīng)敏感性不同。

表2 脹果樹參和瓜木葉片的氣孔形態(tài)和樹干液流速率與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis among stomatal morphology and stem sap flow rate with environmental factors of different leaves of evergreen D. inflatus and deciduous A. platanifolium

3 討 論

植被在生長過程中與周圍的水文環(huán)境相互影響[27]，其蒸騰速率大于對水分的吸收能力，長時(shí)間條件下會(huì)導(dǎo)致植物不能完成正常生理活動(dòng)而死亡[28]，因此植物會(huì)做出一系列調(diào)節(jié)策略降低水分虧缺可能產(chǎn)生的損害[29]，其中通過調(diào)節(jié)植物葉片氣孔的開閉或氣孔密度，對環(huán)境信號如光、溫度、濕度等作出反應(yīng)，以優(yōu)化植物氣體交換，避免干旱脅迫[7,21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在喀斯特生境生長季(5月)5個(gè)連續(xù)晴天的條件下，兩樹種蒸騰表現(xiàn)不同，從葉片氣孔形態(tài)特征上看，主要存在兩個(gè)方面：

1)與自身葉片氣孔形態(tài)變化有關(guān)。一方面表現(xiàn)在兩樹種自身氣孔密度(SD)差異上，植物蒸騰是通過氣孔導(dǎo)度、開度、密度的變化調(diào)節(jié)對水分的吸收來控制的[8-9]，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片氣孔密度與植物蒸騰速率呈顯著正相關(guān)[29-30]，氣孔密度越大，蒸騰速率越高，而植物氣孔最大導(dǎo)度是由氣孔密度的長期變化來調(diào)節(jié)的，這些氣孔密度的變化可以表示為單位面積的氣孔密度[31-32]；同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，氣孔密度的數(shù)量與自身遺傳因素有關(guān)，即其最大值自身已經(jīng)限定[33]。所以，研究結(jié)果表現(xiàn)出氣孔密度越大的落葉瓜木蒸騰速率越高。另外，Brodribb等[34-35]研究葉片脫水過程發(fā)現(xiàn)，植物具有比較高的氣孔密度和相對較小的氣孔(氣孔長度較短)時(shí)更適合生長在水分虧缺條件下；羅春梅[36]研究小麥葉片氣孔分化及密度時(shí)發(fā)現(xiàn)，小麥氣孔總數(shù)在春季多雨的年份最少，說明生活在濕潤環(huán)境下植物葉片的氣孔密度較低。因此，氣孔密度越高的植物抗旱能力越強(qiáng)，相比而言，落葉樹種瓜木更適合生長在裸巖率較高，土壤稀少異質(zhì)性較高，土層薄且不連續(xù)，地下水文過程復(fù)雜的喀斯特生境[37]。

2)兩樹種葉片氣孔形態(tài)對環(huán)境因子反應(yīng)的敏感性不同。研究發(fā)現(xiàn)兩樹種的蒸騰與環(huán)境條件(光照、濕度)有關(guān)[20]；結(jié)果還顯示，太陽輻射強(qiáng)度是影響兩樹種氣孔形態(tài)變化的主要環(huán)境因子，但對兩樹種氣孔形態(tài)的影響不同，而常綠樹種脹果樹參的氣孔形態(tài)變化還受大氣溫度影響。Driesen等[38]綜述了環(huán)境因子(光照、濕度、溫度、水狀態(tài))對植物葉片氣孔開放的影響其表現(xiàn)因物種而異，但都會(huì)對氣孔的開放產(chǎn)生影響。如Salvucci等[39]研究高溫對氣孔的影響發(fā)現(xiàn)，激活酶對熱敏感，而這種酶在植物光合作用中起著重要作用，所以高溫對光合作用產(chǎn)生了負(fù)面影響，又因植物光合作用與蒸騰同在氣孔內(nèi)進(jìn)行，它們勢必會(huì)相互影響；Thomas等[40]研究輻照度信號對煙草(Nicotianatabaccum)發(fā)育成熟葉片的影響，發(fā)現(xiàn)氣孔長度和氣孔密度均受到影響；Aliniaeifard等[41]和Fanourakis等[42]]研究高水汽壓虧缺對植物氣孔開放結(jié)果顯示，在高水汽壓虧缺條件下生長的植物，植物氣孔變小(氣孔長度變短)，氣孔將關(guān)閉，以響應(yīng)較高的水汽壓虧缺或較低的相對濕度，從而使植物能夠在干燥的大氣中控制水分流失。本研究結(jié)果說明，在連續(xù)晴天的茂蘭喀斯特生境下，兩樹種的蒸騰強(qiáng)弱表現(xiàn)不同，與自身參與生理活動(dòng)的葉片氣孔的形態(tài)變化有關(guān)，主要表現(xiàn)在兩樹種自身氣孔密度差異以及氣孔形態(tài)對環(huán)境因子反應(yīng)的敏感性不同，從而導(dǎo)致樹種產(chǎn)生蒸騰差異。因此，類似葉片氣孔密度高的物種更適合在喀斯特生境下生長。