藏東南色季拉山不同海拔川滇高山櫟葉解剖結(jié)構(gòu)及環(huán)境適應(yīng)性

郭文文 卓么草 何 竹 任毅華 屈興樂 方江平

（1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2. 西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏 林芝 860000；3. 西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 林芝 860000；4. 米林縣派鎮(zhèn)人民政府，西藏 林芝 860000）

植物葉片接觸外界環(huán)境面積最大，最易感受到外部環(huán)境的變化，因此其細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)更易受外界環(huán)境影響，最能體現(xiàn)對環(huán)境變化的適應(yīng)性，因此葉片成為生態(tài)解剖研究的主要器官之一[1-4]。青藏高原平均海拔在4 000 m以上，造就了獨(dú)特的高原氣候（紫外線強(qiáng)、氧含量低、晝夜溫差大等）[5-6]。植物長期在如此極端的環(huán)境中生存，會形成獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)外界環(huán)境[7]。因此，通過研究高原地區(qū)不同海拔植物葉片解剖結(jié)構(gòu)，分析其解剖結(jié)構(gòu)在海拔梯度上的變化規(guī)律，對揭示高原高海拔地區(qū)植物的生態(tài)適應(yīng)性具有重要意義。近幾年以來，以高原高山植物為切入點(diǎn)，通過不同海拔植物葉片與外界環(huán)境的適應(yīng)情況來研究當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境變化，已經(jīng)成為全球變化的研究熱點(diǎn)之一[8-11]。不同海拔梯度下植物形態(tài)特征及生理會隨著外界環(huán)境的變化而變化，因此為探究植物生長對不同環(huán)境的響應(yīng)提供了有利條件。因此通過研究不同海拔梯度上植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)，分析解剖結(jié)構(gòu)的差異性，可以幫助進(jìn)一步分析植物生長與外界環(huán)境之間的關(guān)系，對探明植物對長期環(huán)境變化的適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

川滇高山櫟（Quercus aquifolioides）隸屬于殼斗科（Fagaceae）櫟屬（Quercus），廣泛分布于我國西藏、四川等地，我國特有植物，對西藏自治區(qū)生物多樣性保護(hù)、水源涵養(yǎng)等方面具有十分重要的作用[12-13]。諸多學(xué)者先后對青藏高原的川滇高山櫟群落進(jìn)行過研究[12-16]，而關(guān)于青藏高原不同海拔梯度川滇高山櫟葉解剖結(jié)構(gòu)及環(huán)境適應(yīng)性的相關(guān)研究尚少，因此本研究擬通過對藏東南色季拉山不同海拔的川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，從而增加對青藏高原高海拔地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識，且為川滇高山櫟的種質(zhì)資源保護(hù)和全球氣候變化背景下藏東南森林動態(tài)預(yù)測提供基礎(chǔ)資料。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)林芝市色季拉山（94°28′～94°51′E，29°21′～29°50′N)，是念青唐古拉山脈向南延伸的余脈，該區(qū)干濕季分明，年均降水量1 134 mm，每年6－9月為雨季，約占全年降水的80%，年均相對濕度78.8%，年均蒸發(fā)量544 mm，年均溫-0.73 ℃，7月最暖月均溫為9.8 ℃，1月最冷月均溫為-13.8 ℃，全年無霜期160 d[17-18]。該區(qū)植被主要有高山松（Pinus densata）、杜鵑（Rhododendron simsii）、急尖長苞冷杉（Abies georgeivar.smithii）等。

1.2 采樣方法

2018年9月底，在色季拉山東坡，以100 m（從海拔2 540～3 652 m）作為1個海拔梯度，在每個海拔梯度選擇有代表性的川滇高山櫟群落作為樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)選擇4～6株（胸徑20～30 cm）進(jìn)行取樣，采集發(fā)育程度相近、生長位置相同的成熟、健康、無殘缺川滇高山櫟葉片，未采集土壤樣品，并及時記錄各采樣點(diǎn)信息（表1），采集葉片放入標(biāo)準(zhǔn)固定液FAA（甲醛5 mL +冰醋酸5 mL +50%乙醇90 mL）中保存，以備后用。

1.3 石蠟切片及指標(biāo)測定

將已固定好的川滇高山櫟葉片連同固定液抽真空后放入冰箱中冷藏。試驗(yàn)時用刀片切取1 cm2的小葉片，按照不同濃度乙醇脫水、二甲苯透明、石蠟包埋、切片、番紅-固綠染色、制作中性樹膠封片[19]。用ECLIPSE 80i顯微鏡（尼康，日本）及成像系統(tǒng)觀察并拍照，每個切片隨機(jī)觀察2～3個視野，用NIS-Elements D 4.30.00軟件測定川滇高山櫟葉片主脈厚度、上表皮厚度等解剖結(jié)構(gòu)，每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)測定10次，取其平均值，并按公式（1）～（2）計(jì)算主脈突起度[20]和可塑性指數(shù)[10]。

表 1 采樣地環(huán)境數(shù)據(jù)Table 1 Environmental data in the collecting areas

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 19.0軟件分析不同海拔梯度上川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)特性參數(shù)差異性；多重比較采用新復(fù)極差法；采用回歸分析來檢驗(yàn)葉片各解剖學(xué)特征在海拔梯度上的變化趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 川滇高山櫟葉片基本解剖結(jié)構(gòu)特征

由圖1可知，川滇高山櫟葉片全緣，為常見的異面葉。川滇高山櫟葉片主葉脈在下部凸起，呈現(xiàn)不規(guī)則半圓形，葉片背面有明顯的表皮毛，上表皮有明顯的角質(zhì)層，葉片厚度為419.38 ～777.14 μm；由近似長方形的2層細(xì)胞構(gòu)成川滇高山櫟葉片上表皮，平均厚度為56.62 ～78.99 μm；葉肉細(xì)胞中的柵欄組織（呈柱狀）和海綿組織（呈現(xiàn)帶狀或螺旋狀）清晰的分為兩部分，其比值最大可達(dá)到1.31。其中柵欄組織由2～3層細(xì)胞構(gòu)成，海綿組織呈不規(guī)則排列，但其細(xì)胞間隙大。由近似長方形的1層細(xì)胞構(gòu)成葉片下表皮，但其厚度明顯薄于葉片上表皮。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密 度 在 海 拔3 352 m 和2 540 m 處 達(dá) 到 最 大 值0.46，組織結(jié)構(gòu)疏松度在3 549 m 處達(dá)到最大值0.49。

圖 1 川滇高山櫟葉橫切面Fig. 1 Leaf cross sections of Q. aquifolioides

2.2 川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)在不同海拔梯度上的差異

由圖2可知，川滇高山櫟葉片厚度隨海拔梯度的升高呈顯著增厚趨勢（P<0.05），葉片厚度為419.38～777.14 μm；葉片上表皮厚度變化不顯著是在海拔2 540 ～3 056 m之間，而在海拔3 185～3 450 m之間呈現(xiàn)顯著增厚趨勢（P<0.05），葉片下表皮在3 185 m處達(dá)到最厚值25.47 μm，總體上葉片上表皮和下表皮均呈增厚趨勢，但厚度增加趨勢小于葉片厚度增加趨勢。葉肉細(xì)胞中海綿組織（151.37～351.70 μm）和柵欄組織（151.57～325.01 μm），隨海拔梯度的升高均出現(xiàn)增厚趨勢。同時，隨著海拔梯度的升高，葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度出現(xiàn)下降趨勢，而組織結(jié)構(gòu)疏松度呈現(xiàn)上升趨勢，兩者變化趨勢均不明顯；其柵海比呈現(xiàn)下降趨勢，變化不明顯。另外，主脈突起度隨著海拔的升高出現(xiàn)下降趨勢（P<0.05）。

圖 2 川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)在海拔梯度上的變化趨勢Fig. 2 The trend of leaf anatomical structure of Q. aquifolioides with altitude gradient

2.3 川滇高山櫟葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)可塑性和解剖特征相關(guān)性

由表2可知，川滇高山櫟在解剖結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出較小的可塑性。其中柵海比的可塑性最大為0.46，下表皮厚度的可塑性次之為0.43，主脈突起度的可塑性最小為0.20。但是，需要注意的是其中的主脈突起度相關(guān)系數(shù)絕對值僅為0.20，即它們與海拔的相關(guān)性很微弱，受到海拔變化的影響較小。

由表3可知，川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)彼此之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，除川滇高山櫟的海綿組織厚度與柵欄組織厚度、組織結(jié)構(gòu)疏松度與緊密度之間差異不顯著外，其余各項(xiàng)解剖結(jié)構(gòu)之間均呈顯著相關(guān)性（P<0.05）。

表 2 川滇高山櫟解剖結(jié)構(gòu)特征可塑性指數(shù)Table 2 Anatomical plasticity indexes of Q. aquifolioides

表 3 葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficient of anatomical index of leaves

3 結(jié)論與討論

在不同海拔梯度條件下，植物的形態(tài)及生理特征會隨著外界環(huán)境的變化而變化，形成適合自身的生理機(jī)制，為研究不同海拔梯度條件下的植物形態(tài)變化創(chuàng)造了良好的條件[21]。植物的呼吸光合作用與植物葉片關(guān)系極為密切，最易感受到外部環(huán)境的變化，對藏東南色季拉山不同海拔梯度上的植物葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析在不同海拔梯度下的差異，最能體現(xiàn)植物長期對環(huán)境變化的適應(yīng)性。海拔的變化往往會影響溫度、水分等多種生態(tài)因子的變化，因此植物葉片的可塑性也會隨之發(fā)生改變，因此降水和溫度是成為影響植物解剖結(jié)構(gòu)的主要生態(tài)因子[19,22-23]。在本研究中，川滇高山櫟葉片的總厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、上下表皮厚度均隨著研究區(qū)海拔梯度的升高而出現(xiàn)增厚趨勢，這與姜永雷等[24]的研究結(jié)果一致，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于隨著海拔的升高，外界溫度逐漸下降，加之色季拉山水分充足，為葉片隨著海拔梯度升高出現(xiàn)增厚趨勢創(chuàng)造了有利條件，不僅增加了植物的抗寒能力，而且增厚的葉片具有良好的保溫作用。因此，高海拔地區(qū)葉片厚度的增加不僅可以防止風(fēng)力對其造成損傷，而且可以減少植物自身的水分蒸騰，增加葉片的保水功能，這樣更有利于高海拔植物適應(yīng)嚴(yán)酷的外界生態(tài)環(huán)境[22]。植物生長所需要的能量需要通過光合作用來儲存，而主要場所恰恰是植物葉肉細(xì)胞。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著研究區(qū)海拔梯度的升高，川滇高山櫟葉片的葉肉細(xì)胞中柵欄組織厚度和海綿組織厚度呈現(xiàn)增厚趨勢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的可能原因是隨著海拔梯度的不斷升高，溫度下降，高原紫外線增強(qiáng)，葉肉厚度的增加可以減少水分的蒸騰散失和強(qiáng)光造成的燒傷，是藏東南色季拉山植物在長期高海拔環(huán)境中形成的適應(yīng)性機(jī)制。

可塑性指數(shù)的大小可以反映植物自身對外界環(huán)境適應(yīng)能力的強(qiáng)弱。由于植物葉片是外界環(huán)境各種不利因素的最先感知者，所以植物葉片的可塑性指數(shù)能夠真實(shí)的反映植物對環(huán)境的適應(yīng)狀況[25]，且反映了植物對外界環(huán)境的適應(yīng)能力大小。本研究中川滇高山櫟葉片的柵海比的比值的可塑性指數(shù)最大，說明植物可以通過改變柵欄組織厚度與海綿組織厚度的比值來適應(yīng)色季拉山高海拔地區(qū)的強(qiáng)紫外線和寒冷環(huán)境。本試驗(yàn)對川滇高山櫟葉片多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)川滇高山櫟葉片解剖結(jié)構(gòu)彼此之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，說明隨著海拔的升高，葉片組成部分之間存在一定的聯(lián)系。并且相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，除川滇高山櫟的海綿組織厚度與柵欄組織厚度、組織結(jié)構(gòu)疏松度與緊密度之間差異不顯著外，其余各項(xiàng)解剖結(jié)構(gòu)之間均呈顯著相關(guān)性，如葉片上下表皮之間、海綿組織厚度與上表皮厚度之間等等呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，這可能與研究區(qū)的水熱和高原特殊的紫外線（光照）有關(guān)。

綜合分析表明，藏東南色季拉山川滇高山櫟通過增加葉片表皮厚度和葉肉厚度等解剖結(jié)構(gòu)變化的方式增強(qiáng)對外界極端環(huán)境的適應(yīng)能力，從而有利于其在惡劣的高山生境下生存繁衍，使該物種可以適應(yīng)不同海拔梯度上的環(huán)境條件。