不同物候階段木芙蓉葉功能性狀特征

許躍坤，王 勇，王麗華，王文鑫，唐淑琴

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川成都 611100；2.阿壩師范學(xué)院，四川汶川 623002）

在植物生長發(fā)育過程中，由于資源的有限性及植物自身的生長、繁殖及防御等功能之間的競爭關(guān)系，植物對(duì)現(xiàn)有資源的利用策略會(huì)因資源可獲得性的改變而發(fā)生變化。植物功能性狀作為植物進(jìn)化過程中適應(yīng)外界環(huán)境的結(jié)果，是植物生存和適應(yīng)環(huán)境的重要屬性[1]。在植物各器官中，葉功能性狀對(duì)氣候變化敏感，不僅能反映植物對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)能力，還能反映植物在復(fù)雜生境下的自我調(diào)控能力[2-3]。植物葉功能性狀包括形態(tài)和生理性狀，兩者在適應(yīng)環(huán)境的過程中相輔相成。植物在受到環(huán)境變化帶來的壓力時(shí)，會(huì)通過調(diào)節(jié)葉片結(jié)構(gòu)與生理特征來響應(yīng)，例如，植物在干旱環(huán)境下會(huì)通過減少比葉面積以減少水分的蒸發(fā)[4-6]。葉功能性狀與植物的生長對(duì)策和資源利用策略的關(guān)系最密切，可直接影響植物的基本行為和功能[7]，以植物葉片為研究對(duì)象，更能反映植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制。

異速生長是指生物體某兩個(gè)性狀的相對(duì)生長速率不相同的現(xiàn)象，是由物種遺傳所決定的固有特性，通過異速生長關(guān)系可系統(tǒng)地闡明植物個(gè)體大小和植物性狀之間的內(nèi)在關(guān)系[8-9]。葉片作為植物進(jìn)行光合作用的主要場所，葉面積的大小直接影響植物對(duì)光的截取和碳的獲取；葉柄是植物葉的重要支撐結(jié)構(gòu)和水分、養(yǎng)分的輸導(dǎo)通道，葉柄的支撐作用會(huì)隨葉片大小的增加而增加[10]。葉片和葉柄的異速生長關(guān)系是植物功能生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。祝介東等[11]對(duì)不同生物氣候帶內(nèi)植物的葉大小和葉柄間的生長關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同功能型和不同氣候帶的植物葉片干重、葉面積和葉體積與葉柄干重均存在顯著的異速生長關(guān)系；李金明等[12]研究重慶地區(qū)常見的6種復(fù)葉樹種的葉片與葉柄和葉脈的生長關(guān)系，發(fā)現(xiàn)葉片與葉柄、葉片與葉脈均呈顯著的異速生長關(guān)系。比葉面積是描述植物葉片結(jié)構(gòu)性狀、植物光合特性和其他生理特性的重要參數(shù)，在一定程度上能反映葉片截獲光的能力，其大小主要受自身因素和外界因素的影響[10,13-15]。比葉面積高的植物，葉面積普遍較高[16]。葉干物質(zhì)含量是植物功能性狀的另一個(gè)重要指標(biāo)，能反映植物獲取資源的能力，隨著葉干物質(zhì)含量的增加，葉內(nèi)水分向葉片表面擴(kuò)散的距離或阻力增大，更有利于植物內(nèi)部保持水分[17]。比葉面積和葉干物質(zhì)含量作為能反映植物適應(yīng)環(huán)境能力的關(guān)鍵性指標(biāo)，研究兩者之間的異速生長關(guān)系可進(jìn)一步揭示植物葉片對(duì)資源條件變化的響應(yīng)。

木芙蓉（Hibiscus mutabilis）別名大芙蓉或拒霜花，為錦葵科（Malvaceae）木槿屬落葉灌木或小喬木，原產(chǎn)地為中國，廣泛分布于湖南、云南和四川等地。木芙蓉花色艷麗、花期較長，具有較高的觀賞價(jià)值而被廣泛應(yīng)用于園林中[18]。目前，有關(guān)木芙蓉葉功能性狀及異速生長模型的研究還未見報(bào)道。本研究以木芙蓉為研究對(duì)象，研究不同物候階段（花芽期、始花期、盛花期和末花期）葉功能性狀間的相關(guān)性，建立葉柄鮮重與葉片鮮重、葉干物質(zhì)含量與比葉面積的異速生長方程比較各方程的擬合效果，期望找出木芙蓉在不同物候階段葉功能性狀組合及資源分配的特點(diǎn)，為深入了解木芙蓉的生態(tài)適應(yīng)性、提高經(jīng)營管理水平提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于四川省汶川縣水磨鎮(zhèn)阿壩師范學(xué)院校園內(nèi)（103°25'E，30°56'N），海拔920 m，屬山地亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均降水量1 281.5 mm，年均氣溫13.9 ℃，年溫差較小，年均無霜期260 天；土壤類型主要為山地黃棕壤。

1.2 物候期觀測

2020年7月— 2020年10月下旬，在校園西北區(qū)域，避開高大建筑物及樹木，選取樹齡一致（10年生）、生長狀況良好的20株木芙蓉并標(biāo)號(hào)；在每株的東、西、南、北4 個(gè)方向各選4 根枝條作為觀測對(duì)象并標(biāo)記，7天觀測1次。樹體上出現(xiàn)花芽至花朵開放少于10%為花芽期（2020年7月19日— 8月16日）；樹體上10%左右花朵開放為始花期（2020年8月17日—8月30日）；樹體上60%左右花朵開放為盛花期（2020年8月31日—2020年10月11日）；樹體上90%左右花朵凋謝為末花期（2020年10月12日—10月25日）。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

從每株植株的東、西、南、北4 個(gè)方向各選擇完全伸展、成熟無病害且完整的葉片3 片和完全開放的花朵3個(gè)，用于相關(guān)指標(biāo)的測定；每14天取樣1次。

測定葉片性狀時(shí)，用清水洗去葉片表面灰塵等雜物，擦干水分后采用葉面積儀（山東方科儀器有限公司YMJ-A）測定葉面積（LA）；采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)掃描花朵，測定花投影面積（FPA）；采用電子天平（精度為0.000 1 g）測量葉片鮮重（LFW）和葉柄鮮重（PFW），采用游標(biāo)卡尺（精確至0.01 mm）測量葉柄長度（PL）和葉柄直徑（PD）。將樣品放入105 ℃烘箱殺青30 min[19]，之后在80 ℃下烘48 h 至恒重，采用電子天平測量葉干重（LDW）和單個(gè)花重（SFW）。所有數(shù)據(jù)均測量3 次，取平均值。比葉面積（SLA，cm2∕g）、葉干物質(zhì)含量（LDMC，g∕g）計(jì)算公式[20]如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)PL、PD、LA、LDMC、SLA、SFW 和FPA 等數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)（S-W 法），將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，使其符合正態(tài)分布，利用Levene’s test 檢驗(yàn)方差齊性，再進(jìn)行單因素方差分析。采用標(biāo)準(zhǔn)主軸回歸（SMA）計(jì)算異速生長方程的斜率，根據(jù)Pitman 的方法計(jì)算斜率的置信區(qū)間[13]。采用SPSS 17.0 和R 2.0 軟件的SMATR 包進(jìn)行所有分析，采用Origin 2019作圖。

異速生長關(guān)系式為Y=β·Xα，為使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，關(guān)系式轉(zhuǎn)換為logY=logβ+ αlogX。式中，Y為某種生物學(xué)特征或功能；β為標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)；X為個(gè)體大??；α為異速生長指數(shù)，α=1為等速關(guān)系，α ≠1為異速關(guān)系。比較斜率α之間及其與1 的顯著性，若斜率α 間無顯著差異，給出共同斜率，并檢驗(yàn)各物候期間沿共同主軸偏移距離的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物候階段葉片性狀間的關(guān)系

在花芽期，PL與LFW 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與PD、PFW 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；PD 與LFW 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與LA、PFW 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；LDMC 與LFW、PFW 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；SLA 與LA 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與LFW 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；LA與LFW 和PFW、LFW 與PFW 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）（表1）。

表1 不同物候階段不同功能性狀間的Pearson相關(guān)性Tab.1 Pearson correlations among different functional traits at different phenological stages

在始花期，PL 與PD、SFW、LFW 和PFW 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與LDMC 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與SLA 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；PD 與LFW、PFW 均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與SLA 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；LDMC 與LFW、PFW 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；SLA 與LA 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與FPA、LFW 和PFW 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；LA 與FPA 呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）；LFW與PFW呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

在盛花期，PL 與SFW 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；PD與SFW呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與LDMC呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；LDMC 與LA 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與SLA、LFW 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；SLA 與LA 呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；LFW與PFW呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。

在末花期，LFW 與PFW 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），LDMC 與SLA 和LFW、LA 與PFW 均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

2.2 不同物候階段葉柄鮮重與葉片鮮重的異速生長關(guān)系

LFW 和PFW 從花芽期至末花期均呈先上升后下降趨勢(shì)，LFW 在始花期最大（2.170 g），PFW 在盛花期最大（0.507 g）（表2）。不同物候階段PFW 的變異系數(shù)均大于LFW，LFW、PFW 變異系數(shù)分別為17.23%～34.29%、35.29%～57.05%。

表2 不同物候階段葉片鮮重和葉柄鮮重變化Tab.2 Changes of LFW and PFW at different phenological stages

從花芽期至末花期，SMA 斜率分別為0.585（95%置信區(qū)間為0.603～0.895）、0.390（95%置信區(qū)間為0.408～0.631）、-0.065（95%置信區(qū)間為-0.877～ -0.444）、0.057（95%置 信 區(qū)間為0.239 ～ 0.468）（表3，圖1）。花芽期、始花期和末花期的斜率與1有顯著差異，盛花期的斜率與-1 有顯著差異，均為異速生長關(guān)系。多重比較表明，花芽期的斜率顯著或極顯著大于始花期和末花期（P＜0.05，P＜0.01），始花期和盛花期的斜率顯著大于末花期（P＜0.05），即花芽期葉片鮮重的增長比始花期和末花期快，始花期葉片鮮重的增長也比末花期快，盛花期葉片鮮重的增長比末花期慢?；ㄑ科诤褪蓟ㄆ谂c盛花期的斜率差異不顯著，花芽期與盛花期的共同斜率是0.563（95%置信區(qū)間為0.594～0.836，P=0.400），始花期與盛花期的共同斜率為0.136（95%置信區(qū)間為0.449 ～ 0.649，P= 0.307）。對(duì)截距進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)物候階段在y軸截距沒有顯著差異。

圖1 不同物候階段葉片鮮重與葉柄鮮重的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Correlations between LFW and PFW at different phenological stages

表3 葉片鮮重與葉柄鮮重的SMA回歸參數(shù)與多重比較分析Tab.3 SMA regression parameters of LFW and PFW and multiple comparison analysis

2.3 不同物候階段比葉面積和葉干物質(zhì)含量的異速生長關(guān)系

從花芽期至末花期，SMA 斜率分別為-0.002（95%置信區(qū)間為-0.767 ～ -0.429）、-0.010（95%置信區(qū)間為-0.544 ～ -0.473）、-0.002（95%置信區(qū)間為-0.700 ～ -0.527）和-0.001（95% 置信區(qū)間為-0.876 ～ -0.777）（表4，圖2）?；ㄑ科谥聊┗ㄆ诘男甭逝c-1 均有顯著差異，均為異速生長關(guān)系。多重比較表明，花芽期的斜率顯著大于始花期（P＜0.05），極顯著大于末花期（P＜0.01）；始花期的斜率極顯著大于盛花期和末花期（P＜0.01）。花芽期和盛花期的斜率差異不顯著且共同斜率為-0.002（95%置信區(qū)間為0.594 ～ 0.836，P= 0.324），盛花期與末花期的斜率差異不顯著且共同斜率為-0.006（95%置信區(qū)間為-0.033～-0.472，P=0.116）。對(duì)截距進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些物候階段在y軸截距沒有顯著差異。

圖2 不同物候階段葉干物質(zhì)與比葉面積的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlations between LDMC and SLA at different phenological stages

表4 葉干物質(zhì)含量與比葉面積的SMA回歸參數(shù)與多重比較分析Tab.4 SMA regression parameters of SLA and LDMC of H.mutabilis and multiple comparison analysis

3 討論與結(jié)論

3.1 葉片與葉柄的相關(guān)性

植物會(huì)通過長期的內(nèi)部功能調(diào)整，最終形成一系列功能性狀組合，以適應(yīng)環(huán)境的變化[21]。物種在生長發(fā)育和適應(yīng)環(huán)境的過程中，植物功能性狀間的相關(guān)關(guān)系會(huì)發(fā)生改變[22]。本研究中，隨著物候期的變化，葉功能性狀組合也發(fā)生改變。在花芽期，PL隨LFW、PD 和PFW 的增加而增加，PD 隨LFW、LA和PFW 的增加而增加；在始花期，PL 隨PD、SFW、LFW 和PFW 的增加而增加，PD 隨LFW、PFW 的增加而增加；在盛花期，PL、PD 均隨SFW 的增加而增加；到了末花期，LA 隨PFW 的增加而減小，PL 和PD與其他性狀均不存在顯著相關(guān)性。原因可能是隨著花期的到來，木芙蓉會(huì)消耗大量的同化物，為保證足夠的同化物，植物可能會(huì)通過增加葉面積以獲取更多的碳和光能。葉面積增大后要遭受更大的拉拽力，葉柄也要具有更強(qiáng)的支撐力[11,23]。到盛花期和末花期，由于葉片老化，葉片光合色素含量比前期減少，光合能力減弱，使葉片有機(jī)物積累減少，呼吸消耗增強(qiáng)，同化速率減緩[24]。

SLA 反映植物獲取資源的能力，LDMC 反映植物對(duì)養(yǎng)分的保有能力[25]。本研究中，盛花期和末花期的SLA 與LDMC 均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致[26-28]?；ㄑ科诤褪⒒ㄆ诘腟LA 與LA 均呈顯著正相關(guān)，說明木芙蓉在花芽期和盛花期葉片構(gòu)建的資源隨著葉面積增加而增加，與王雪艷等[29]的研究結(jié)果一致。在花芽期，LDMC 隨LFW 和PFW 增加而減??；在始花期，LDMC 隨PL 和SLA 增加而減??；在盛花期和末花期，LDMC 隨SLA 和LFW 增加而減小。原因可能是木芙蓉處于開花期，葉片光合作用同化的產(chǎn)物更多地被分配給繁殖構(gòu)件（花數(shù)量、花質(zhì)量）和支撐結(jié)構(gòu)（葉柄、葉脈）來共同完成開花[14]，使木芙蓉葉片本身的資源保存量大大減少。

3.2 不同物候階段葉的資源利用策略

本研究中，木芙蓉葉片鮮重與葉柄鮮重從花芽期至末花期均呈異速生長關(guān)系，研究結(jié)果與楊冬梅等[4]的研究結(jié)果一致。其原因可用“管道模型理論”進(jìn)行解釋，即理論上，植物輸導(dǎo)組織的橫截面積與其所在葉片的葉面積是等比例關(guān)系，但葉柄除了具有傳導(dǎo)水分和養(yǎng)分等功能和作為葉片的支撐結(jié)構(gòu)外，還需承受整個(gè)葉的靜態(tài)重力和外界的動(dòng)態(tài)拉力等，這些因素使得在葉水平上的葉柄和葉片之間存在異速生長關(guān)系[30]。當(dāng)以葉鮮重表示葉大小時(shí)，木芙蓉為增加葉大小所付出的代價(jià)有可能比其獲得的收益更大。對(duì)大葉物種，適當(dāng)?shù)匮娱L枝條、莖和葉柄長度，可有效減少葉片間的遮蔭，有利于提高葉的光攔截效率[31-32]。

植物葉干物質(zhì)含量與比葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)的異速生長關(guān)系[33-34]。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，原因可能與木芙蓉在生長過程中有機(jī)物積累和消耗之間的權(quán)衡有關(guān)[16,35]。以往研究結(jié)果表明，植物的SLA 隨葉齡增加而增大，在同一物種中，SLA小的成熟葉(或幼齡葉)比SLA 大的老齡葉更具活力和抵抗力[36]。因此，隨著物候的更迭，因葉片衰老、溫度下降等原因，葉片的含水量降低，透光性變差，光合能力降低，使LDMC含量增加、SLA降低。

本研究僅對(duì)木芙蓉葉性狀間的相關(guān)性及生長關(guān)系進(jìn)行了研究，不同物候階段木芙蓉枝葉之間的生長關(guān)系可作為后續(xù)研究。