滇西北挺水植物黑三棱葉形態(tài)性狀對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

牛孟瑩 郭輝軍, 孫 梅 肖德榮 劉振亞 艾 靜 王 娜 趙 飄

（1. 西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，云南 昆明 650233）

葉形態(tài)性狀是最為直接地反映植物響應(yīng)環(huán)境變化的功能性狀[1]。對(duì)不同地理分布下葉形態(tài)性狀的研究，能夠揭示葉形態(tài)性狀在不同空間分布上的差異以及對(duì)不同空間分布點(diǎn)間環(huán)境變化的響應(yīng)策略[2?3]。但是，過(guò)去針對(duì)葉形態(tài)性狀響應(yīng)環(huán)境變化的研究大多關(guān)注陸地植物，而對(duì)濕地植物的研究較少，尤其是在對(duì)環(huán)境變化更加敏感的高海拔地區(qū)[4?5]。葉形態(tài)性狀的變化主要由環(huán)境因素的波動(dòng)所引起[6?11]，因此，本研究通過(guò)對(duì)高原濕地植物葉形態(tài)性狀進(jìn)行研究，探討其對(duì)氣候因子的響應(yīng)策略。大多數(shù)針對(duì)木本植物的研究顯示，葉大小、葉形指數(shù)、氣孔密度和葉脈密度等隨著溫度降低而顯著變小，葉厚度和比葉質(zhì)量隨著溫度的降低顯著增加[3,12]；植物在水分脅迫下往往具有較厚、較小的葉片、較高的比葉質(zhì)量，氣孔密度和葉脈密度在適度干旱的情況下將增加，而隨著干旱的進(jìn)一步加強(qiáng)則顯著下降[13?14]。與木本植物類似，濕地植物葉形態(tài)性狀的變化也與氣候參數(shù)間存在密切關(guān)系。如北極苔原植物葉大小和比葉質(zhì)量隨著溫度的升高而增大[15]；地中海水犀科植物氣孔在低溫下較大，而在高溫下較小，且氣孔密度減小[16]；石福孫等對(duì)川西北高寒草甸植物的研究說(shuō)明溫度升高會(huì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和生物量的積累[17]；董瑜等對(duì)濕地植物水蔥和茭草的研究發(fā)現(xiàn)，兩者生物量均隨溫度上升而增加[18]。胡永春等的研究發(fā)現(xiàn)，海拔是影響苔蘚植物功能性狀最關(guān)鍵的地形因子，葉面積指數(shù)與海拔高度呈極顯著度負(fù)相關(guān)[19]；隨著海拔的升高，葉大小顯著降低[20]；葉厚度和單位葉面積生物量顯著增加[7,21]。隨著海拔的升高，氣孔密度顯著升高[21?22]。這些研究充分體現(xiàn)了葉形態(tài)性狀在植物適應(yīng)氣候環(huán)境變化過(guò)程中的重要作用。在植物適應(yīng)環(huán)境變化的過(guò)程中，葉形態(tài)性狀間并不是相互孤立的，而是存在各種各樣的聯(lián)系，反映了性狀在功能上的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系[23]。濕地植物功能性狀間的權(quán)衡關(guān)系及功能聯(lián)系與這些全球植物的普遍性規(guī)律間有怎樣的異同目前還不清楚，亟需大范圍開(kāi)展對(duì)比硏究，以充分了解濕地植物的功能適應(yīng)策略。

滇西北位于我國(guó)青藏高原東南緣[20]。該區(qū)域濕地在形態(tài)上具有“湖盆?湖濱?面山”特征，屬封閉與半封閉的獨(dú)特濕地類型，其生態(tài)系統(tǒng)脆弱、對(duì)氣候變化高度敏感且微環(huán)境十分豐富[24?25]。近年來(lái)，針對(duì)這一地區(qū)濕地植物的研究逐漸成為濕地生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)。如馮春慧等對(duì)高原濕地納帕海水生植物水蔥功能適應(yīng)性研究發(fā)現(xiàn)，較高海拔地區(qū)的水蔥植株個(gè)體較小，比葉質(zhì)量較小[26]；李娟等對(duì)黑三棱和茭草的研究發(fā)現(xiàn)，葉片寬度隨海拔的降低有所增加[27]；張依南等對(duì)高原湖泊騰沖北海濕地莼菜的研究發(fā)現(xiàn)，莼菜氣孔長(zhǎng)、寬、面積和氣孔孔隙長(zhǎng)的最高值均出現(xiàn)在低水位梯度，最低值出現(xiàn)在深水位梯度，而氣孔密度和葉脈密度則與之相反[28]。

本研究以滇西北地區(qū)碧塔海、納帕海、瀘沽湖和拉市海4個(gè)不同地理區(qū)域內(nèi)的共有挺水植物黑三棱（Sparganium stoloniferum）為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定其葉形態(tài)性狀，探討黑三棱對(duì)不同采樣點(diǎn)氣候環(huán)境差異的形態(tài)響應(yīng)，為其他高原濕地植物的生態(tài)適應(yīng)性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為加強(qiáng)高原地區(qū)濕地保護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究基于滇西北海拔高度的差異導(dǎo)致氣候環(huán)境條件的變化而選擇該區(qū)域具有不同海拔高度的碧塔海、納帕海、瀘沽湖和拉市海作為研究地點(diǎn)。

碧塔海地處橫斷山脈三江并流區(qū)東部，屬于金沙江水系[29]。湖面平均海拔3539.0 m，域內(nèi)區(qū)系成分自然，植物種類豐富，其中湖濱帶優(yōu)勢(shì)植物主要有黑三棱（Sparganium stoloniferum）、劉氏荸薺（Eleocharis liouana）、華扁穗草（Blysmus sinocompressus）、水蓼（Polygonum hydropiper）等[30?31]。

納帕海濕地位于橫斷山脈中段的香格里拉市境內(nèi)，平均海拔3260 m，干濕季分明[32]。區(qū)域內(nèi)植物物種豐富，主要的湖濱帶優(yōu)勢(shì)植物有水蔥（Schoenoplectus tabernaemontani）、水蓼、兩棲蓼（Polygonum amphibium）、黑三棱、杉葉藻（Hippuris vulgaris）、劉氏荸薺等[18,33]。

瀘沽湖是外流高原淡水湖，湖面平均海拔2692.2 m，位于云南省西北部寧蒗縣和四川省西南部鹽源縣的交界處，為兩省共轄[34]。瀘沽湖共有水生植物42種，主要的挺水植物有杉葉藻、黑三棱、劉氏荸薺等，浮葉植物野菱（Trapa incisa）、荇菜（Nymphoides peltatum）、青萍（Lemnaminor）等[34?35]。

拉市海位于麗江市玉龍縣城西，平均海拔2445.0 m[36]。拉市海有水生植物30多種，主要的沉水植物有波葉海菜花、水毛茛（Batrachium bungei）等，浮葉植物有野菱、荇菜等，挺水植物有黑三棱、水蓼、兩棲蓼等[37]。

1.2 植物材料選擇及野外采集

4個(gè)研究區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)植物均為草本植物，且以挺水植物為主。優(yōu)勢(shì)植物主要有杉葉藻、劉氏荸薺和黑三棱等。本研究所選取的黑三棱在4個(gè)采樣點(diǎn)均為典型挺水植物，種群密度占到所在區(qū)域湖濱帶物種組成的15%以上，對(duì)該區(qū)域湖濱帶生態(tài)功能的發(fā)揮具有重要作用。開(kāi)展黑三棱形態(tài)性狀的研究對(duì)滇西北地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義和價(jià)值。

于2020年8月，在4個(gè)高原湖泊湖濱帶較自然的區(qū)域采集無(wú)病蟲(chóng)害的成熟葉片，每個(gè)采樣點(diǎn)9個(gè)重復(fù)。將采集到的完整葉片置于FAA（V（福爾馬林）∶V（冰醋酸）∶V（乙醇）∶V（蒸餾水）為10∶5∶50∶35）固定液中浸泡至少24 h，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)其葉片形態(tài)特征。

1.3 環(huán)境參數(shù)獲取

用GPS記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔。氣象參數(shù)獲取：從全球網(wǎng)格氣候數(shù)據(jù)（精度：0.166×0.166；http://www.paleo.bris.ac.uk/）提取年均溫（MAT，℃）、最暖月均溫（WAT，℃）、最冷月均溫（CAT，℃）、年均降水量（MAP, cm）、生長(zhǎng)季降水量（SP, cm）、年均相對(duì)濕度（RH, %）和年均大氣壓差（VPD, hPa）等主要?dú)庀髤?shù)（表1）。

表1 不同研究地環(huán)境因子Table 1 Environmental factors of different study sites

1.4 植物形態(tài)性狀的測(cè)定

在野外，現(xiàn)場(chǎng)使用游標(biāo)卡尺（精度為0.01 mm）測(cè)定黑三棱葉厚度（LT, mm）。在實(shí)驗(yàn)室中，使用11000XL掃描儀（EPSON, 日本）掃描植物葉片，通過(guò)image J圖片處理軟件直接測(cè)量得到葉片的葉面積（LA, cm2）、葉長(zhǎng)度（LL, cm）、葉寬度（LW, cm）以及葉長(zhǎng)寬比（LL/LW）。

經(jīng)掃描之后的葉片，放入牛皮信封內(nèi)，在70 ℃的烘箱內(nèi)烘干至少48 h至葉片達(dá)到恒質(zhì)量。使用電子天平（精度為0.0001 g）測(cè)定為葉干質(zhì)量（LDM, g），葉片比葉質(zhì)量（LMA, g/m2）計(jì)算為單位葉面積的葉干質(zhì)量[26]。

用干凈紗布擦去葉片表面灰塵，用透明指甲油涂抹于葉片上，3 min后，用鑷子取下指甲油薄片，置于載玻片上，在生物顯微鏡下（德國(guó) 徠卡LEICA MI65C）進(jìn)行顯微觀察（放大倍數(shù)40×），隨機(jī)取10個(gè)視野拍照。通過(guò)image J圖片處理軟件測(cè)量并計(jì)算視野內(nèi)的氣孔個(gè)數(shù)、氣孔長(zhǎng)度（SL，μm）、氣孔寬度（SW，μm）以及氣孔口長(zhǎng)度（PL，μm），氣孔密度（SD，個(gè)/mm2）計(jì)為單位面積內(nèi)的氣孔數(shù)目，氣孔指數(shù)（SI，個(gè)）計(jì)算為：SI=SD×PL2[38]。

取成熟、完整的葉片上、中、下部小塊，浸沒(méi)于體積濃度為7% NaOH水溶液5～8 d，每天更換溶液直至溶液顏色不再變化，然后置于5%NaClO水溶液中漂白后，流水沖洗30 min，再經(jīng)梯度乙醇（25%，50%，70%，95%）脫水各10 min后裝片，置于光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照。對(duì)含有葉脈的照片用image J圖片處理軟件測(cè)量視野中所有葉脈總長(zhǎng)度，葉脈密度（VD，mm/mm2）計(jì)算為單位面積的葉脈總長(zhǎng)度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）對(duì)4個(gè)湖泊黑三棱的葉形態(tài)性狀進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，顯著水平P<0.05。采用R 3.01統(tǒng)計(jì)分析軟件內(nèi)置的“vegan”程序包對(duì)性狀進(jìn)行主成分分析（PCA），初步檢測(cè)影響植物適應(yīng)環(huán)境變化的主要形態(tài)性狀；對(duì)每個(gè)性狀和所有環(huán)境因子進(jìn)行逐步回歸分析，檢測(cè)出影響葉片形態(tài)性狀變化的主要環(huán)境因子；進(jìn)一步進(jìn)行二變量相關(guān)分析，檢測(cè)“性狀與環(huán)境”、“性狀與性狀”間的相關(guān)關(guān)系。所有圖片均由Origin 2018繪圖軟件進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉形態(tài)性狀在不同研究點(diǎn)間的差異

黑三棱葉形態(tài)性狀在不同采樣點(diǎn)間具有較大的變化。其中，葉干質(zhì)量（LDM）變化幅度最大，變化范圍0.33～2.43 g；氣孔寬度（SW）變化幅度最小，為12.18～15.79 μm。

黑三棱葉形態(tài)性狀在不同采樣點(diǎn)間的差異均達(dá)到顯著水平，并且低海拔地區(qū)（拉市海和瀘沽湖）相比，高海拔地區(qū)（碧塔海和納帕海）的黑三棱具有更小的葉大小、更低的氣孔密度、更大的氣孔大小以及更低的葉干質(zhì)量（圖1）。葉面積（LA）、葉長(zhǎng)度（LL）和葉長(zhǎng)寬比（LL/LW）3個(gè)性狀值均在瀘沽湖最大而在納帕海最??；葉寬度（LW）在拉市海表現(xiàn)為較大值，并且與前3個(gè)點(diǎn)之間存在顯著差異（圖1 a?d）。氣孔密度（SD）在拉市海最高，而在納帕海最低（圖1 e）。與納帕海和碧塔海的氣孔大小相比，瀘沽湖和拉市海的氣孔大小略小；氣孔指數(shù)（SI）在拉市海最大，而在瀘沽湖最小，在納帕海和碧塔海居中（圖1 f?h）。葉脈密度（VD）在瀘沽湖最高，而在另外3個(gè)地點(diǎn)間不存在顯著差異（圖1 i）。葉厚度（LT）在碧塔海和拉市海較厚；葉生物量（LDM和LMA）在碧塔海和瀘沽湖較高，而在納帕海和拉市海相對(duì)較低（圖1 j?l）。黑三棱葉大?。↙A、LW和LL）、氣孔寬度（SW）、VD和葉干質(zhì)量（LDM）隨著海拔的增加表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)；而SW、氣孔長(zhǎng)度（SL）和比葉質(zhì)量（LMA）隨著海拔的增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)（圖2）。黑三棱LA、LW、SD、SI以及LT隨著緯度的增加，隨之減??；但是，LL/LW、氣孔大小（SW和SL）和LMA則隨著海拔的增加而增大（圖3）。

圖1 不同生境下葉形態(tài)性狀差異比較Fig. 1 Comparison of leaf morphological traits in different habitats

圖3 葉形態(tài)性狀與緯度的關(guān)系Fig. 3 Relationship between leaf morphological traits and latitude

2.2 環(huán)境因子對(duì)葉形態(tài)性狀的影響

黑三棱葉形態(tài)性狀主要受溫度的影響。LA、LL、LL/LW、SW、SL、LT、LDM以及LMA均受年均溫（MAT）、最暖月均溫（WAT）和最冷月均溫（CAT）3個(gè)溫度因素的共同影響，LW、SI和VD主要受MAT和CAT的影響，SD主要受MAT和WAT的共同影響（表2）。其中，LA、LW、LL、LT、LDM以及SD均與3個(gè)溫度因素呈顯著正相關(guān)；而SW和SL則正好相反，二者均與3個(gè)溫度因素呈顯著負(fù)相關(guān)，VD與WAT顯著正相關(guān)（表3）。

表2 逐步回歸模型的葉片形態(tài)性狀與環(huán)境因素的相關(guān)性Table 2 Correlation between leaf morphological traits of stepwise regression model and environmental factors

表3 葉形態(tài)性狀與環(huán)境因子的二變量相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of of 2 variables between leaf morphological traits and environmental factors

2.3 葉片形態(tài)性狀間的相關(guān)性

性狀主成分分析前2個(gè)主軸分別解釋總方差的53.58%和21.89%（圖4）。第1主軸與LA、LW、LL、SD、LT以及LDM顯著正相關(guān)，而與SW和SL顯著負(fù)相關(guān)。第2主軸與LA、LL、LL/LW、VD、LDM以及LMA顯著正相關(guān)，而與LW、SD、SI顯著負(fù)相關(guān)（圖2）。因此，本研究所測(cè)的所有形態(tài)性狀對(duì)黑三棱適應(yīng)氣候環(huán)境差異均發(fā)揮重要作用。

圖2 葉形態(tài)性狀與海拔的關(guān)系Fig. 2 Relationship between leaf morphological traits and altitude

圖4 不同采樣點(diǎn)間的12個(gè)葉功能性狀主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of functional traits of 12 leaves at different sampling points

從表4可以看出：大多數(shù)測(cè)定的葉形態(tài)性狀之間存在顯著相關(guān)；葉大小參數(shù)（LA、LW、LL及LL/LW）與氣孔密度參數(shù)（SD和SI）、VD以及葉生物量指標(biāo)（LT、LDM、LMA）間呈正相關(guān)，而與氣孔大?。⊿W和SL）間呈負(fù)相關(guān)；LT與SD、SI間呈顯著正相關(guān)，而與SL、SW間存在顯著負(fù)相關(guān)。

表4 葉片形態(tài)性狀之間的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients among leaf morphological traits

3 結(jié)論與討論

本研究探討了滇西北地區(qū)湖濱帶優(yōu)勢(shì)挺水植物黑三棱葉形態(tài)性狀在不同采樣點(diǎn)間的差異以及環(huán)境因子的變化對(duì)葉形態(tài)性狀的影響，發(fā)現(xiàn)黑三棱的葉形態(tài)性狀在不同采樣點(diǎn)間具有顯著差異，所有測(cè)定的性狀對(duì)黑三棱適應(yīng)環(huán)境變化都起顯著作用；溫度是影響黑三棱葉形態(tài)性狀的主要環(huán)境因子；葉形態(tài)性狀通過(guò)協(xié)同關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)。

較強(qiáng)的植物性狀變化表明該性狀具有較強(qiáng)的可塑性，對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境變化的作用較大。本研究所有性狀在4個(gè)研究點(diǎn)間均存在顯著差異（圖1），并且都與主成分前2個(gè)主軸顯著相關(guān)，表明葉大小、氣孔大小和密度、葉脈密度、生物量等的變化對(duì)黑三棱適應(yīng)環(huán)境變化具有重要意義。本研究選用的葉形態(tài)性狀都是已經(jīng)在木本植物的研究中被證實(shí)與植物的功能發(fā)揮密切相關(guān)的性狀，得到的結(jié)果也與過(guò)去大多數(shù)針對(duì)木本植物的研究結(jié)果類似。如Dunbar-Co等對(duì)夏威夷車前（Plantagospp.）的研究發(fā)現(xiàn)，葉長(zhǎng)、葉寬以及葉長(zhǎng)寬比隨著年均降水的增加而增加[21]；Bresson等對(duì)歐洲橡樹(shù)（Quercus petraea）和山毛櫸（Fagus sylvatica）的研究發(fā)現(xiàn)，海拔越高，葉面積越小，葉長(zhǎng)度也越小[7]；Sun等對(duì)帽斗櫟的研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔高度的升高，植物葉片大小顯著降低，葉片厚度和單位葉面積生物量顯著增加[20]，表明更高海拔地區(qū)由于更加嚴(yán)酷的生長(zhǎng)條件，使得木本植物和濕地植物都更加傾向于選擇更小的葉片，更大的氣孔和更高的比葉質(zhì)量（圖3）[39?40]。

溫度是影響黑三棱葉形態(tài)性狀的主要環(huán)境因子（表2），溫度對(duì)植物的影響首先表現(xiàn)在生長(zhǎng)發(fā)育上。在高海拔地區(qū)，低溫將會(huì)阻礙植物細(xì)胞的分裂和擴(kuò)大，導(dǎo)致較小和較少的細(xì)胞大小，進(jìn)而直接限制葉片的擴(kuò)展，導(dǎo)致較小的葉片和較高的比葉質(zhì)量[3]。同時(shí)，低溫也會(huì)轉(zhuǎn)化成植物的生理缺水脅迫問(wèn)題[3]。一般來(lái)說(shuō)，低溫導(dǎo)致的生理缺水主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：較低的空氣溫度致使植物地上部分酶活性和水黏度降低，阻礙植物的光合作用等生理活動(dòng)；較低的土壤溫度降低植物根部酶活性和吸水、吸養(yǎng)運(yùn)動(dòng)，抑制根系活性，地下部分的功能抑制進(jìn)一步作用于地上部分，導(dǎo)致植物整體缺水和缺養(yǎng)分[41]。生理缺水會(huì)顯著降低植物對(duì)水分的傳輸和散失效率，使得植物光合速率較低，生長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致較小的植株結(jié)構(gòu)（較小的葉片大?。⑤^低的氣孔密度和葉脈密度、較高的比葉質(zhì)量等（圖1～3）[40]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)黑三棱葉形態(tài)性狀對(duì)降水、空氣濕度、大氣壓差等環(huán)境因子的響應(yīng)不明顯，這與過(guò)去對(duì)木本植物的研究不同，可能是因?yàn)闈竦刂参飵缀醪皇芸色@得水分的限制。黑三棱是濕地植物，生長(zhǎng)環(huán)境的水分充足，因此陸生植物經(jīng)常面臨的外界水分供應(yīng)短缺問(wèn)題在濕地植物中發(fā)生較少。同時(shí)，黑三棱生長(zhǎng)在高海拔地區(qū)，光照充足，年均溫差和晝夜溫差較大，黑三棱的整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程均會(huì)受到影響，所以溫度成為影響黑三棱葉形態(tài)的關(guān)鍵因素。

植物在應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫時(shí)往往表現(xiàn)出性狀間的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)，有助于優(yōu)化資源配置和提高資源利用效率。黑三棱葉片大小與氣孔密度、葉脈密度以及生物量指標(biāo)呈正相關(guān)，與氣孔大小呈負(fù)相關(guān)（表4），此研究結(jié)果與劉賢嫻等的研究結(jié)果一致[41]；此外，袁泉對(duì)植物葉片功能性狀的研究也得到相似結(jié)果[39]。較大的葉片可以為氣孔和葉脈提供更多的發(fā)育空間，同時(shí)，較高的溫度，可以促進(jìn)葉片的延伸，同時(shí)也包括氣孔密度和葉脈密度的生長(zhǎng)發(fā)育，使三者之間協(xié)同發(fā)展。較高的葉脈密度會(huì)增加接觸葉肉細(xì)胞，減少液壓在細(xì)胞和氣孔之間的傳輸路徑從而增加葉片的水力輸送和光合速率[42]。隨著溫度的升高，葉片大小以及氣孔密度、葉脈密度增大，水分在植物葉片上的蒸發(fā)速率加快，因此，植物需要通過(guò)增大葉厚度以及比葉質(zhì)量來(lái)減小水分的蒸發(fā)速率，以保證植物有充足的水分來(lái)支撐自身的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果中，氣孔密度和葉脈密度之間并沒(méi)有顯著的關(guān)聯(lián)性，而以往大多數(shù)對(duì)木本植物的研究中，氣孔密度和葉脈密度有顯著相關(guān)性。造成此結(jié)果的原因可能在于木本植物更容易導(dǎo)致生理缺水，而葉脈和氣孔因著它的特性會(huì)形成一個(gè)權(quán)衡。而濕地植物黑三棱由于生境的特殊性，水分充足，不存在外界環(huán)境水分的脅迫。另外，由于濕地植物大多為草本植物，植株較矮，其水分運(yùn)輸方式與木本植物可能有所不同，因此造成和木本植物不同的研究結(jié)果。