祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環(huán)境的適應性分析

田培林，劉 師，李登武

(西北農林科技大學 林學院，陜西楊陵 712100)

祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)為柏科圓柏屬植物，是中國特有種，常生長于海拔2 600～4 000 m的陽坡半陽坡地帶，是青海省三江源地區(qū)的建群種和優(yōu)勢種[1]，同時也是重要的水源涵養(yǎng)樹種[2]。祁連圓柏枝、葉、果富含萜類化合物[3]，其豐富的精油成分對真菌和細菌均有較好的抑制性[4]，此外，祁連圓柏提取物對癌細胞也有良好的抑制效果[5]。研究表明，祁連圓柏適生區(qū)在氣候變暖的情景下將向高海拔遷移[6]，高海拔地區(qū)寒冷而干旱，祁連圓柏如何適應高原地區(qū)寒旱環(huán)境受到了廣泛的關注。目前，關于祁連圓柏對環(huán)境適應策略的研究主要集中于生理活性[7-8]、徑向生長[9-10]等方面，關于其針葉解剖結構的生態(tài)適應性研究尚鮮見系統(tǒng)報道。

葉作為植物的最大器官，與環(huán)境充分接觸，其性狀表現(xiàn)能較好地反映植物與環(huán)境的關系。研究表明，高原植物通過增加葉片厚度、葉角質層厚度、葉表皮厚度等方式來適應寒旱環(huán)境[11-12]。然而，不同物種葉結構對環(huán)境的響應特征并不相同。例如，在水分脅迫條件下，普通小麥(Triticumaestivum)葉厚出現(xiàn)不可逆的減少[13]，而大頭茶(Gordoniaacuminata)、栲樹(Castanopsisfargesii)幼苗葉厚則出現(xiàn)增長[14]；Rengifo等[15]比較研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度CO2下處理19周時，棉葉麻瘋樹(Jatrophagossypifolia)葉厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度表現(xiàn)為對照組顯著高于實驗組，而蓮子草(Alternantheracrucis)表現(xiàn)則與之相反。這種差異同樣存在于物種葉結構與海拔的相關關系中。Jiménez-Noriega等[16]研究發(fā)現(xiàn)5種高山植物的葉表皮細胞、氣孔、維管束等結構在海拔梯度上呈現(xiàn)出不同的變化趨勢；Zhong等[17]研究了3種植物葉解剖結構在高海拔地區(qū)的變化規(guī)律，結果同樣證明了不同物種葉結構對海拔響應不一；牛至(Origanumvulgare)葉氣孔密度隨海拔上升而增大，而柔枝松(Pinusflexilis)則相反[18-19]。這可能是由于不同植物其葉形態(tài)可塑性不同，以及其不同結構對環(huán)境因子的敏感性不同[20]。那么祁連圓柏針葉解剖結構對寒旱環(huán)境的響應又是如何？

本研究以青海省祁連圓柏針葉解剖結構與地理因子關系為出發(fā)點，分析祁連圓柏針葉解剖結構對經(jīng)緯度、海拔及坡向的響應特征，探討祁連圓柏對高原寒旱環(huán)境的適應策略，以期為高原植物寒旱環(huán)境適應機制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

青海省位于青藏高原的東北部，全省地勢總體呈西高東低，南北高中部低的態(tài)勢，西部海拔高峻，向東傾斜，呈梯型下降。全省平均海拔3 000 m以上，屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫5.1～9.0 ℃，降水量15～750 mm，絕大部分地區(qū)年降水量在400 mm以下，太陽輻射強度大，光照時間長。

1.2 試驗材料

在青海省祁連圓柏的主要分布區(qū)，選擇典型的祁連圓柏純林樣地并采樣，其中澤庫縣麥秀林場、興?？h中鐵林場與北山森林公園設置海拔梯度采樣，梯度間隔為100～200 m，各樣點信息詳見表1。每個樣點選取5株長勢良好、樹高及胸徑相近、無病蟲害的成年樹木，幼樹及老樹均被排除，個體間隔20 m以上；采集樹冠中部向陽面當年生嫩枝若干，放入到FAA固定液(70%酒精∶甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5)中，真空泵抽氣30 min，48 h后，將FAA固定液更換為70%酒精。

表1 取樣地基本信息Table 1 Basic information about sampling site

1.3 試驗方法

使用石蠟切片法制片，統(tǒng)一切取針葉與莖相連的位置，切片厚度9 μm，用熒光顯微鏡(熒光顯微鏡NE910，科學相機H-694CICE)拍攝祁連圓柏針葉橫切面，用圖像分析軟件Image Pro Plus 6.0測量祁連圓柏葉寬、葉厚、下表皮細胞厚度、下角質層厚度、葉維管束木質部及韌皮部厚度。選擇下表皮細胞與角質層，是因為這兩者位于遠軸面，與環(huán)境接觸更充分。因該切片位置葉肉細胞分化不明顯，故未測量柵欄組織與海綿組織。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用Excel進行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 23進行祁連圓柏針葉解剖結構與經(jīng)緯度、海拔的回歸分析。以海拔為控制變量，作針葉結構與經(jīng)緯度的偏相關分析；以地區(qū)為控制變量，作針葉結構與海拔的偏相關分析。

2 結果與分析

2.1 祁連圓柏針葉解剖結構對經(jīng)緯度的響應特征

在7個地區(qū)選取了8個海拔盡可能接近的樣點Z2、X1、D2、D6、DE1、W1、Q1、H4進行有關分析。方差分析結果(表2)表明，H4樣點的祁連圓柏在葉寬、葉厚、下角質層厚度、木質部厚度與韌皮部厚度5個指標上大多顯著小于其他7個樣點，僅下表皮細胞厚度與其他地區(qū)無顯著差異；其他7個樣點間的祁連圓柏針葉解剖結構除下角質層厚度外均無顯著差異，而且下角質層厚度也僅D6樣點顯著高于D2樣點，其余均無顯著差異。

表2 不同地區(qū)祁連圓柏針葉解剖結構指標值Table 2 The needle anatomical structure of J. przewalskii from different regions/μm

利用以上8個樣地數(shù)值進行祁連圓柏針葉解剖結構與經(jīng)緯度關系分析。圖1顯示，隨著立地經(jīng)度的增大，祁連圓柏葉寬、葉厚、葉維管束木質部與韌皮部厚度稍有下降，但其線性回歸分析中的擬合優(yōu)度均不高，其針葉下表皮細胞厚度與下角質層厚度則無明顯變化；同時，隨著立地緯度的增加，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚度隨之下降，其線性回歸分析擬合優(yōu)度達0.497 9，但其他針葉結構則無明顯變化(圖2)。

另外，在SPSS 23軟件中以海拔為控制變量，將祁連圓柏針葉解剖結構與其立地經(jīng)緯度進行偏相關分析，結果(表3)顯示，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚與經(jīng)度、葉維管束木質部厚與緯度呈正相關，其他針葉結構則與經(jīng)緯度呈負相關，這與圖1、2的結果一致，但相關性均未達到顯著水平。

表3 祁連圓柏針葉解剖結構與經(jīng)緯度、海拔(>3 200 m)的偏相關分析Table 3 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and latitude, longitude and altitude (>3 200 m) of J. przewalskii

2.2 祁連圓柏針葉解剖結構對海拔的響應特征

選擇互助縣北山森林公園、澤庫縣麥秀林場、興海縣中鐵林場(除X2)的數(shù)據(jù)用于祁連圓柏針葉解剖結構與海拔關系分析。方差分析結果(表4)表明，祁連圓柏針葉葉寬、木質部厚在海拔間均無顯著差異性，而其他4個針葉解剖結構在海拔間則存在顯著性差異。

表4 3個地區(qū)不同海拔祁連圓柏針葉解剖結構指標值Table 4 The needle anatomical structure of J. przewalskii at different altitude from 3 regions/μm

3個研究區(qū)域海拔段依次增高，祁連圓柏針葉解剖結構與海拔關系存在階段性和結構間的差異性。其中，在互助縣北山森林公園中(圖3)，僅祁連圓柏的葉寬隨海拔上升表現(xiàn)出明顯增加趨勢(r=0. 859 4)；在麥秀林場中(圖4)，祁連圓柏針葉下角質層厚與海拔梯度呈現(xiàn)強相關性(r=0.950 3)，值得注意的是，在麥秀林場3 212 m以上的海拔段，葉寬、葉厚、下表皮細胞厚、下角質層厚均隨海拔明顯增厚(圖6)，均與海拔呈現(xiàn)出更強的正相關性，相關系數(shù)分別為0.946 0、0.887 7、0.946 4和0.979 3；在中鐵林場中(圖5)，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚和下角質層厚度隨海拔上升而增加，相關系數(shù)分別為0.8962和0.8228。中鐵林場海拔跨度較大，其3 200、3 400 m海拔段，葉寬、葉厚、下表皮細胞厚和下角質層厚有明顯增加，這與麥秀林場3 212～3 519 m海拔段表現(xiàn)較為相似；在3 680和3 815 m海拔處，這4種葉片結構增長有所放緩，其中葉寬、葉厚增速減少幅度高于下表皮細胞厚和下角質層厚。

另外，基于祁連圓柏針葉解剖結構與經(jīng)緯度無顯著相關性，將麥秀林場3 212 m以上的區(qū)域與中鐵林場相結合，以地區(qū)為控制變量，作針葉解剖結構與海拔的偏相關分析。結果(表3)表明，祁連圓柏針葉下角質層厚、下表皮細胞厚與海拔極顯著相關，葉厚與海拔顯著相關，葉寬、葉維管束木質部及韌皮部厚與海拔無顯著相關性。以上結果表明，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚、下角質層厚對海拔變化更為敏感，其次為葉厚、葉寬，但葉維管束木質部及韌皮部厚對海拔變化無顯著響應。

2.3 祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征

選取6對海拔相近、位于同一地區(qū)的陰陽坡樣點(DE2與DE1；D5與D6；Q2與Q3；X2與X1；D1與D2；D3與D4)，分析祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征。結果(圖7、表5)表明，坡向顯著影響了祁連圓柏針葉下角質層厚，但對其他5種針葉結構無顯著影響；在6對樣點中，陰坡祁連圓柏針葉下角質層厚度均高于陽坡，且陰坡平均值比陽坡顯著增厚9.9%，這表明較厚的角質層對于祁連圓柏生長在陰坡具有十分關鍵的作用。

表5 祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征Table 5 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and aspect of J. przewalskii/μm

3 討 論

3.1 海拔對祁連圓柏針葉解剖結構的影響

在海拔梯度上，光照、溫度、水分等環(huán)境因子呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，植物葉解剖結構隨海拔表現(xiàn)出遞增或遞減的趨勢[18-19,21-22]，同時也存在著先増后減或先減后増的趨勢[18,22]，以及葉解剖結構與海拔無相關性的情況[23]。而在本研究中，祁連圓柏葉寬、葉厚、下角質層厚度和下表皮細胞厚度在低海拔無顯著變化，在中海拔(3 200～3 519 m)顯著增加，在高海拔增加趨勢變緩，整體呈現(xiàn)出“S”形變化曲線。青海省平均海拔3 000 m以上，低海拔地區(qū)可能并未形成典型的垂直氣候帶譜，且低海拔地區(qū)牧民多，人為干擾嚴重[1]，研究表明放牧能影響草原植物葉解剖結構[24]，而牧民活動可能對祁連圓柏針葉結構也有一定的影響。此外，低海拔地區(qū)生境較為溫和，其環(huán)境壓力可能并不足以使祁連圓柏產生抗逆反應，這可能是低海拔地區(qū)祁連圓柏針葉解剖結構與海拔無顯著相關的原因。而在高海拔地區(qū)，面對更為嚴峻的環(huán)境壓力，祁連圓柏因其有限的抗逆能力，其針葉解剖結構不再隨海拔快速增長。在郭文文等[11]的研究中，硬葉柳(Salixsclerophylla)葉上表皮在海拔4 000～4 400 m之間無明顯變化，而在4 400～4 700 m呈顯著增厚趨勢，這與本研究結果有一定的相似性。

同時，本研究中祁連圓柏針葉維管束厚度與經(jīng)緯度、海拔、坡向始終無顯著相關關系，表明這些結構對祁連圓柏適應性無貢獻；葉寬隨海拔升高有明顯增長，在低海拔地區(qū)其增長趨勢也比其他葉解剖結構明顯，但偏相關分析并未表明其與中高海拔(>3 200 m)存在顯著相關性。車桑子(Dodonaeaviscosasubsp.angustissima)葉寬與最高溫度負相關，葉面積與最低溫度有關且隨海拔下降[25]；白千層(Melaleucalanceolata)葉寬隨海拔(3～564 m)升高而減小，但卻與最高溫度呈負相關[26]；栓皮櫟(Quercusvariabilis)葉寬與年均溫度呈顯著的負相關[27]；Leigh等[28]則證實了葉寬增加對于維持葉片溫度的顯著作用。因此，葉寬增加也應是祁連圓柏對高海拔低氣溫的一種響應，且在麥秀林場3 212～3 519 m海拔段、3個林場綜合海拔段，葉寬與海拔都具有顯著的相關關系(r=0.582，P=0.007；r=0.282，P=0.016)，而葉寬在中高海拔段未表現(xiàn)出顯著相關性則與其在中鐵林場段增長趨勢明顯下降有關，由麥秀林場3 212～3 519 m的擬合增長率0.785 0下降至中鐵林場的0.0154，而葉厚也僅是從0.374 5下降至0.084 9。葉厚同樣在維持葉片溫度中發(fā)揮著重要作用。低溫促使葉厚增加[29-30]，而葉厚輕微增加就能影響葉片最低溫度，從而減少凍害發(fā)生[31]。葉角質層增厚，不僅可提高耐寒性[32-33]，也可減少水分流失[33-34]，抵抗紫外輻射[35]，因此其與海拔的相關性更強。與角質層相似，葉表皮細胞也在維持葉片溫度[36]、抵抗紫外輻射[37]等方面發(fā)揮著重要作用。綜合來看，葉寬、葉厚、下角質層與下表皮細胞的增厚共同影響著祁連圓柏對高海拔寒旱環(huán)境的適應性。

3.2 坡向、經(jīng)緯度對祁連圓柏針葉解剖結構的影響

祁連圓柏常生長于陽坡地帶，且陽坡祁連圓柏喬木層碳密度顯著高于陰坡[38]，這表明祁連圓柏在陰坡的生長受到抑制。本研究中祁連圓柏針葉解剖結構在陰坡出現(xiàn)下角質層顯著增厚的現(xiàn)象，增厚的葉角質層具有抗旱、抗寒、抗紫外輻射等多種作用[32-35]，而陰坡較陽坡太陽輻射弱，土溫、氣溫低，土壤濕度高[39]，這表明溫度可能是限制祁連圓柏在陰坡生長的主要因素，增厚的葉片下角質層是祁連圓柏對陰坡低溫的一種適應。而在陰坡僅有葉片下角質層顯著增厚的原因，則可能是由于葉片下角質層對溫度的敏感性更高，在祁連圓柏針葉結構與海拔的相關關系中，下角質層厚度也比其他結構表現(xiàn)出更強的相關性。

青海省年降水量總體上自西北向東南逐漸增加[10]，但在本研究中未發(fā)現(xiàn)祁連圓柏葉解剖結構與經(jīng)緯度的顯著相關性，這可能是由于不同地區(qū)祁連圓柏的種源間差異削弱了其葉結構與經(jīng)緯度的相關關系；也可能是由于降水量的減少不足以對祁連圓柏的生長造成壓力，如相對干旱的陽坡祁連圓柏不僅生長得更好，其針葉結構也并未產生與抗旱有關的變化。楊淑麗等[8]指出，柴達木盆地林線附近的祁連圓柏并未受到明顯的水分脅迫，而Zhang等[9]指出在高海拔低溫限制祁連圓柏徑向生長且其影響程度高于降水。

3.3 祁連圓柏林人工更新策略

祁連圓柏天然林更新差[40-41]，通過了解祁連圓柏生態(tài)適應性，有助于制定合理的人工更新策略。在本研究中，下角質層與下表皮細胞厚度是祁連圓柏適應高海拔地區(qū)的重要貢獻者，其次是葉厚、葉寬，葉維管束無貢獻。薛智德等[42]提出葉結構指標在反映植物抗性上敏感度不同，因此，在評價祁連圓柏對于高海拔惡劣環(huán)境的適應性時，應給葉下角質層厚度、下表皮細胞厚度、葉寬、葉厚賦予不同的權重，權重可參照表3相關系數(shù)，之后再結合隸屬函數(shù)法[43-44]進行綜合評價。若造林地點位于陰坡，則應更多地關注針葉下角質層厚度。在陰坡種植祁連圓柏幼苗時，應選擇針葉下角質層厚的苗木；在高海拔地區(qū)種植時，則應選擇針葉下角質層厚度、下表皮細胞厚度、葉厚、葉寬綜合值較大的苗木，綜合值較小的苗木可考慮種植在低海拔地區(qū)，以此提高整體苗木成活率，降低生產成本。此外，在苗木培育過程中，可以通過祁連圓柏針葉結構估算苗木的適應性，與擬造林地所在海拔的祁連圓柏針葉解剖結構數(shù)據(jù)相比較，判斷適應性是否達到培育目標，從而在后續(xù)的培育中制定合理的抗性鍛煉方案。

4 結 論

本研究表明，青海省祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環(huán)境有良好的適應性，其通過增厚針葉下角質層提高其在陰坡的耐寒性，通過增厚針葉下角質層、下表皮細胞層、葉厚及葉寬綜合提高祁連圓柏在極寒極旱的高海拔地區(qū)的生存能力。本研究初步揭示了祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環(huán)境的適應機制，對于祁連圓柏天然林的更新與保護具有重要的指導意義，為高原植物生態(tài)適應性研究提供了理論依據(jù)。