半附生與非附生榕樹葉片光合作用相關(guān)功能性狀比較

張 謙,張翼飛

(1.中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園/熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南勐臘 666303；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

植物功能性狀(functional traits)是指對(duì)植物的定植、存活、生長(zhǎng)和死亡存在潛在顯著影響的關(guān)鍵植物性狀(core plant traits)；這些性狀主要反映植物如何適應(yīng)所處環(huán)境，并同時(shí)強(qiáng)烈影響所在生態(tài)系統(tǒng)的功能[1-2]。越來越多研究表明，在當(dāng)前全球氣候變化的背景下，植物功能性狀已經(jīng)被學(xué)者用作衡量生物多樣性保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)管理的重要指標(biāo)[3]。其中，葉功能性狀(leaf functional traits)與植物對(duì)資源的獲取、利用及利用效率關(guān)系最為密切，可以較為清晰、準(zhǔn)確地反映植物的適應(yīng)策略[4-5]。

榕屬(Ficus)植物是熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵類群之一，能為超過1 200種動(dòng)物提供食物和棲息地[6]。全球超過800種榕樹中，半附生榕樹(hemiepiphyticFicus)約500種，非附生榕樹(nonepiphyticFicus)約300種[7]。榕樹生活型的分化為其多樣的生態(tài)功能提供了支撐。然而，非附生榕樹與半附生榕樹通常生長(zhǎng)在不同的微環(huán)境，前者生長(zhǎng)在土壤中，而后者有部分時(shí)間需要附生在其他植物上，后者受到養(yǎng)分、水分的脅迫通常比前者更加劇烈。這2類植物如何通過調(diào)節(jié)與光合作用相關(guān)的功能性狀，適應(yīng)不同的微環(huán)境尚缺乏系統(tǒng)研究。筆者以西雙版納熱帶植物園榕樹專類園的11種榕樹為材料，通過測(cè)定其含水量、比葉面積、葉片厚度等指標(biāo)，探討2種生活型的榕樹在葉功能性狀上是否存在差異，該研究結(jié)果有助于根據(jù)葉功能性狀了解榕樹對(duì)環(huán)境的適應(yīng)對(duì)策，尤其是半附生榕樹在葉功能性狀上對(duì)高溫干旱環(huán)境的響應(yīng)，同時(shí)也可為保護(hù)榕屬植物的多樣性提供參考。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況研究地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園的榕樹專類園，地理坐標(biāo)為101°15′E，21°56′N，海拔約560 m。該區(qū)域位于東南亞熱帶北部，屬熱帶季風(fēng)氣候，一年可分為干季、雨季及霧涼季，干季(3—5月)高溫少雨，日間溫度可達(dá)38 ℃；雨季(6—10月)氣候濕熱，降水占全年的80%左右；霧涼季(11月至翌年2月)降水量減少，溫度較低(平均氣溫17.5 ℃)，全天大部分時(shí)間被濃霧籠罩。園區(qū)內(nèi)榕樹專類園收集保存了榕屬植物約150種，是國(guó)內(nèi)開展榕屬植物研究的重要平臺(tái)[8]。

1.2 研究對(duì)象研究分別調(diào)查了半附生榕樹6種和非附生榕樹5種。其中，半附生榕樹包括枕果榕(Ficusdrupacea)、心葉榕(Ficusrumphii)、勁直榕(Ficusstricta)、筆管榕(Ficussubpisocarpa)、假斜葉榕(Ficussubulata)、黃葛樹(Ficusvirens)；非附生榕樹包括北碚榕(Ficusbeipeiensis)、瘦柄榕(Ficusischnopoda)、蘋果榕(Ficusoligodon)、肉托榕(Ficussquamosa)、棒果榕(Ficussubincisa)(表1)。

表1 11種榕樹的自然生境Table 1 Native habitat of 11 Ficus tree species

1.3 研究方法該研究共涉及7種與水分、光能利用相關(guān)的葉功能性狀，分別為含水量(leaf water content,LWC)、比葉面積(specific leaf area,SLA)、葉片厚度(leaf thickness,LT)、葉脈密度(vein density,VD)、氣孔密度(stomatal density,SD)、氣孔大小(stomatal size,SS)、凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)。每物種挑選3株植株，選取相同部位的3片葉進(jìn)行功能性狀的測(cè)定。

采樣當(dāng)天用0.001 g電子秤測(cè)定葉片鮮重，將葉片在70 ℃下烘至恒重測(cè)定干重，計(jì)算得含水量；使用葉面積儀測(cè)定葉片面積，計(jì)算得到比葉面積；使用DTG03數(shù)字測(cè)厚儀測(cè)定葉片厚度，測(cè)量10次取平均值，測(cè)量時(shí)注意避開中脈及兩側(cè)次級(jí)葉脈；使用光學(xué)顯微鏡拍攝圖像，對(duì)含有葉脈、氣孔的照片用ImageJ 1.4.8編輯處理，分別統(tǒng)計(jì)葉脈密度與氣孔密度；以保衛(wèi)細(xì)胞長(zhǎng)度為長(zhǎng)軸、氣孔寬度為短軸的橢圓計(jì)算氣孔大??；在天氣晴朗無風(fēng)的10：00—11：00，使用LI-6800便攜式光合儀，測(cè)定植株的凈光合速率。

1.4 數(shù)據(jù)分析首先在Excel中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與初步計(jì)算，得到各樹種的含水量、比葉面積、葉片厚度、葉脈密度、氣孔密度、氣孔大小、凈光合速率的平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差；在R-4.0.2[9]中使用aov函數(shù)進(jìn)行單因素方差分析，對(duì)半附生榕樹和非附生榕樹的葉功能性狀差異進(jìn)行比較，顯著水平P=0.05；在R-4.0.2中使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_nbclust函數(shù)進(jìn)行輪廓系數(shù)(average silhouette width， ASW)的計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況確定聚類簇個(gè)數(shù)后，使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_cluster函數(shù)進(jìn)行PAM聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 半附生榕樹與非附生榕樹的葉功能性狀比較方差分析結(jié)果表明，半附生榕樹與非附生榕樹的含水量(LWC)與凈光合速率(Pn)無顯著差異，半附生榕樹的比葉面積(SLA)、葉片厚度(LT)與氣孔密度(SD)顯著低于非附生榕樹，半附生榕樹的葉脈密度(VD)與氣孔大小(SS)顯著高于非附生榕樹(表2和圖1)。

從圖1可見，大部分葉功能性狀在2類榕樹之間存在差異。葉片含水量和比葉面積最大的分別是半附生榕樹中的心葉榕[(76.32±3.18)%]與半附生榕樹中的黃葛樹[(245.10±42.65) cm2/g]，半附生榕樹中的勁直榕葉片含水量(65.55±6.29%)和比葉面積[(114.23±28.44)cm2/g]最小。就葉片厚度而言，數(shù)值最大的是非附生榕樹中的肉托榕[(0.46±0.03)mm]，最小的是半附生榕樹中的黃葛樹[(0.13±0.01) mm]。對(duì)于葉脈密度，半附生榕樹中的勁直榕最大[6.58±0.59)mm/mm2]最大，非附生榕樹中的蘋果榕最小[(1.91±0.17) mm/mm2]。氣孔密度方面，密度最高的是非附生榕樹中的肉托榕[(741.22±99.00) mm-2)，最低的是半附生榕樹中的枕果榕((157.68±27.82) mm-2)。氣孔大小以半附生榕樹中的枕果榕最大[(1 088.5±270.66)μm2]，非附生榕樹中的北碚榕最小[(154.86±19.23)μm2]。凈光合速率則以半附生榕樹中的心葉榕最高[(10.21±2.01)μmol/(m2·s)]，以半附生榕樹中的假斜葉榕最低[(3.63±1.10) μmol/(m2·s)]。

表2 半附生榕樹與非附生榕樹葉功能性狀的方差分析Table 2 Analysis of variance for leaf functional traits of hemiepiphytic Ficus and nonepiphytic Ficus

2.2 半附生榕樹與非附生榕樹的葉功能性狀聚類聚類簇個(gè)數(shù)為3時(shí)，輪廓系數(shù)最大為0.27；聚類簇個(gè)數(shù)為2時(shí)，輪廓系數(shù)次之，為0.22。考慮到生活型，最終選擇聚類簇個(gè)數(shù)為2。11種榕樹根據(jù)葉功能性狀數(shù)據(jù)，經(jīng)PAM聚類后被分為2組：第1組為枕果榕、勁直榕、筆管榕、假斜葉榕、黃葛樹，均為半附生榕樹；第2組為心葉榕、北碚榕、瘦柄榕、蘋果榕、肉托榕、棒果榕，除心葉榕為半附生榕樹外，其余均為非附生榕樹(圖2)。

圖1 11種榕樹葉功能性狀比較(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Fig.1 Leaf functional traits within eleven Ficus species(Mean±SD)

注：相同顏色的物種位于同一聚類簇中 Note:Species of the same color are in the same cluster圖2 PAM聚類結(jié)果Fig.2 Results of PAM

3 討論

總體而言，半附生植物受到相對(duì)更加嚴(yán)酷的水分、養(yǎng)分脅迫，使得半附生榕樹和非附生榕樹的葉功能性狀產(chǎn)生分化，這種現(xiàn)象可以從2類生活型榕樹的生境進(jìn)行解釋。枕果榕、心葉榕等半附生榕樹，生境多位于山脊地帶，光照充足且相對(duì)高溫干旱；北碚榕、瘦柄榕非附生榕樹，生境則多位于溝谷潮濕地帶，水分充足而光照欠缺。2類生活型榕樹可依據(jù)7種葉功能性狀進(jìn)行PAM聚類，一定程度上反映了其對(duì)不同生境的適應(yīng)策略差異。

該研究發(fā)現(xiàn)，半附生榕樹、非附生榕樹分別通過葉脈密度和增大比葉面積截獲光能，提升光合速率，進(jìn)而適應(yīng)其土壤干旱的山脊環(huán)境與陰蔽的溝谷環(huán)境。半附生榕樹通過增加葉脈密度，一方面從葉脈基部向葉肉細(xì)胞傳輸水分，可以更好地適應(yīng)土壤干旱[10]；另一方面，更高的葉脈密度可以提高葉片蒸騰作用，保證葉片處于適宜的溫度并提高光合速率，進(jìn)而更好地應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境[11]。比葉面積反映了葉片對(duì)光的截獲能力和強(qiáng)光下的自我保護(hù)能力[12-13]，非附生榕樹較大的比葉面積，是為適應(yīng)溝谷陰蔽環(huán)境、截獲更多光能而產(chǎn)生的適應(yīng)性特征；半附生榕樹的比葉面積較小，則有助于其在強(qiáng)光下進(jìn)行自我保護(hù)。此外，非附生榕樹擁有更厚的葉片，由于葉片厚度與葉片壽命長(zhǎng)短、投入多少、抗干擾能力相關(guān)[12]，因此非附生榕樹的葉片壽命更長(zhǎng)，抗干擾能力更強(qiáng)。

Hao等[14]研究表明，半附生榕樹為適應(yīng)旱生環(huán)境，具有較小的相對(duì)電導(dǎo)率、較小的葉膨大損失點(diǎn)以及更早的氣孔關(guān)閉時(shí)間。通常情況下，植物的葉片含水量、氣孔密度、氣孔大小在旱生環(huán)境下也會(huì)發(fā)生適應(yīng)性改變，但就該研究的結(jié)果而言，2種生活型榕樹對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，與以上葉功能性狀的關(guān)聯(lián)較小。葉片含水量反映了植物對(duì)水分利用情況與植物生存狀況，非附生榕樹與半附生榕樹葉片含水量的差異不顯著，說明兩者對(duì)水分利用情況類似，可能與西雙版納地區(qū)雨水充沛有關(guān)。小而密的氣孔具有較高的靈活性，因此有利于植物保持體內(nèi)水分及保證有效的呼吸作用，是植物適應(yīng)旱生環(huán)境的表現(xiàn)[10]，然而該研究中半附生榕樹適應(yīng)干旱環(huán)境的主要對(duì)策是增大比葉面積，其氣孔大小和氣孔密度與非附生榕樹相比更小。