不同種植年限中間錦雞兒葉片功能性狀的差異性研究

李琴　王磊　張雪等

關(guān)鍵詞：中間錦雞兒；葉片功能性狀；不同種植年限；生存策略

中圖分類號：S718.43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）04-0173-10

全球氣候變化引發(fā)降水模式改變和氣溫升高，導(dǎo)致極端事件變得更加頻繁、強烈和持續(xù)時間更長。干旱區(qū)是全球生態(tài)系統(tǒng)最脆弱的區(qū)域之一，也是響應(yīng)氣候變化的敏感區(qū)域，因此植物的生理特征、形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物量等功能性狀極易受到環(huán)境改變的影響，因此，評估干旱區(qū)植物功能性狀的變化有助于了解植物對干旱環(huán)境變化的響應(yīng)以及資源的利用策略。由于長時間暴露在不斷變化的自然環(huán)境之中，固著生長的植物可通過表型、生理和遺傳等方面的有效進化以適應(yīng)環(huán)境因子的改變。大量研究表明，植物功能性狀是全球生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的可度量特征，植物可以通過其自身功能性狀的改變來適應(yīng)外界環(huán)境波動的影響，這對研究生態(tài)系統(tǒng)功能響應(yīng)環(huán)境變化具有重要意義。葉片是植物光合作用的主要器官，是生態(tài)系統(tǒng)中主要物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換器，促進大氣·植物系統(tǒng)的能量交換。葉片性狀通過影響植物生長、繁殖和存活而間接影響植物適應(yīng)性的形態(tài)、生理和物候特征，可作為連接植物與環(huán)境的紐帶，通常被用于解析植物與植物之間、植物與環(huán)境之間的相互作用。已有研究表明株高（H）、葉面積（LA）、比葉面積（SLA）、葉片干物質(zhì)含量（LDMC）、葉片氮含量（N）等功能性狀的改變能夠直觀地反映物種對氣候變化的響應(yīng)，有效減緩或者遏制環(huán)境因素造成的不利影響。

中間錦雞兒（Caragana intermedia Kuang etH.C.Fu）根系發(fā)達、葉片小且多具被毛，有良好的保水作用和較強的適應(yīng)性和抗逆性，是我國北方干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)、防風(fēng)固沙和水土保持的先鋒樹種。同時，該物種也是優(yōu)良的飼料植物，生態(tài)和經(jīng)濟價值突出。目前關(guān)于該物種的研究主要集中在生長特性、形態(tài)解剖、遺傳多樣性、非生物脅迫相關(guān)基因功能驗證和根際間微生物的功能多樣性等方面。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著中間錦雞兒種植年限的增加，生態(tài)系統(tǒng)功能會受到功能性狀的影響，其中基徑、單株枝干質(zhì)量、單株葉干質(zhì)量對地上生物量均具有重要響應(yīng)。但關(guān)于不同種植年限中間錦雞兒葉片形態(tài)與結(jié)構(gòu)功能性狀的研究報道較少，基于此，本研究以4個不同種植年限中間錦雞兒人工林為研究對象，通過解析中間錦雞兒葉片形態(tài)與結(jié)構(gòu)性狀隨著種植年限增加的變化特征及規(guī)律，探究各葉片功能性狀之間的組合與權(quán)衡，為探明中間錦雞兒響應(yīng)環(huán)境變化的生存策略提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

采樣地點為鹽池縣皖紀(jì)溝村（37°57′23″N，106°77′99″E），氣候為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.1℃，無霜期165 d，年平均降水量250～350 mm，且由東南向西北遞減。土壤類型以灰鈣土和風(fēng)沙土為主，自然植被類型以荒漠植被為主，主要優(yōu)勢物種有達烏里胡枝子（Lespedeza davurica （Laxm.）Schindl.）、短花針茅（Stipa breviflora Griseb.）、白草（Pennisetum centrasiaticum Tzvel.）、賴草（Leymus secalinus（Georgi）Tzvel.） 、老瓜頭（Cynanchum komarovii Al.lljinski）、苦豆子（Sophora alopecuroides L.）、綿蓬（Corispermum hyssopifolium L.）等。荒漠化長期困擾著當(dāng)?shù)匾阅翗I(yè)為主體的生產(chǎn)經(jīng)營活動，為此，從上世紀(jì)70年代開始種植中間錦雞兒，面積逐年擴大。

1.2實驗設(shè)計及指標(biāo)測定

1.2.1試驗樣地選取

采樣地點為鹽池縣皖紀(jì)溝村，該地不同種植年限樣地較為齊全，林相保存較為完整，中間錦雞兒樣地帶間距6～7 m，株行距均為1m，按兩行一帶配置。通過走訪和查閱種植方案的方式，分別選擇了1975年、1987年、1996年和2005年（46 a、34a、25a、16a）4個不同種植年限的中間錦雞兒人工林樣地為研究對象，初步勘查結(jié)果顯示，各樣地內(nèi)土壤均為風(fēng)沙土，平地?zé)o坡度，生境與原始生境的一致性較高，同時，相關(guān)部門于2011年開始對該區(qū)域進行了圍封禁牧，確保了樣地不受外界干擾。2021年8月，在每個樣地中選擇10株長勢一致的植株，隨機采集200片完全伸展且無明顯損傷的成熟葉片，將葉片按植株做好標(biāo)記，放人泡沫箱中迅速帶回實驗室進行植物形態(tài)指標(biāo)測定，每個指標(biāo)重復(fù)5次。另選取部分葉片放置于FAA固定液中進行葉片結(jié)構(gòu)性狀指標(biāo)的測定，每個指標(biāo)重復(fù)5次。

1.2.2葉片功能性狀的測定 葉片形態(tài)性狀主要包括葉長（LL，cm）、葉寬（LW，cm）、葉面積（LA，cm²）、葉片鮮質(zhì)量（LFW，g）、葉片干質(zhì)量（LDW，g）、比葉面積（SLA，cm²·g^-1）、葉片干物質(zhì)含量（LDMC，g·g^-1）。采用掃描儀（Epson，Expression 12000XL）對葉片進行掃描，再通過Photoshop（Adobe Photoshop CC2019）計算葉長（LL）、葉寬（LW）、葉面積（LA）。利用電子天平（精度±0.0001）測量葉片鮮質(zhì)量（LFW）后，將葉片置于105℃烘箱殺青30 min，再轉(zhuǎn)為80℃烘干至恒質(zhì)量，測定葉片干質(zhì)量（LDW），計算葉片干物質(zhì)含量（LDMC）、比葉面積（SLA）。計算公式如下：

SLA=LA/LDW （1）

LDMC=（LDW/LFW）×100% （2）

葉片結(jié)構(gòu)性狀主要包括葉片厚度（LT，mm）、欄海比（PT/ST）、主脈維管組織寬度（VB，mm）、葉片上層表皮毛密度（UEH，個·mm^-2）、下層表皮毛密度（LEH，個·mm^-2）、上層表皮氣孔密度（US，個.mm^-2）、下層表皮氣孔密度（LS，個·mm^-2）、上層表皮氣孔面積（USA，μm²）、下層表皮氣孔面積（LSA，μm²）。將采回葉片切成1cm×1cm大小，加入適量H₂O₂：95%乙醇（2：1（v：v））溶液，將試管放置于水浴鍋中沸水浴至葉片完全變成白色，再將其取出放置于載玻片上，用軟毛刷去除多余葉肉組織，保留葉表皮組織后進行制片，后置于Olympus DP74顯微鏡下進行觀察，采用軟件cellsens 3.2進行拍照，并計算葉片上層表皮毛密度（ UEH）、下層表皮毛密度（LEH）、上層表皮氣孔密度（US）、下層表皮氣孔密度（LS）、上層表皮氣孔面積（USA）、下層表皮氣孔面積（LSA），計算公式如下：

表皮毛密度（EH）=視野平均表皮毛數(shù)／視野面積 （3）

氣孔密度（S）=視野平均氣孔數(shù)／視野面積 （4）

石蠟切片觀察時，葉片組織首先用乙醇梯度脫水，然后用二甲苯和石蠟進行組織透明，將透明組織嵌入石蠟（60℃）中進行切片、著色并在Olympus DP74顯微鏡下進行觀察，同時，采用軟件cellsens 3，2對葉片厚度（LT）、欄海比（PT/ST）、主脈維管組織寬度（VB）進行拍照、測量與計算，計算公式如下：

欄海比（PT/ST）=柵欄組織厚度／海綿組織厚度 （5）

1.3氣候數(shù)據(jù)

降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），調(diào)查范圍為鹽池縣2005—2021年4—7月降水量，數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行初步整理，用SPSS 26.0進行數(shù)據(jù)分析。采用變異系數(shù)計算各葉片功能性狀的變異程度；用Pearson相關(guān)系數(shù)檢驗葉片功能性狀之間的相關(guān)性；單因素方差分析和鄧肯法對不同種植年限中間錦雞兒葉片功能性狀的平均值進行顯著性檢驗；用Origin 2021對葉片功能性狀進行主成分分析并可視化分析結(jié)果。

2結(jié)果與分析

2.1不同種植年限中間錦雞兒葉片功能性狀

由表1可知，25 a中間錦雞兒LL顯著高于16、34、46 a（p<0.05），34 a中間錦雞兒LL顯著高于16、46 a，而16 a與46 a中間錦雞兒LL并無顯著差異（P<0.05）。25 a和34 a中間錦雞兒LW顯著高于16 a與46 a（P<0.05）。25 a中間錦雞兒LFW、LDW顯著高于16 a與46 a，與34 a中間錦雞兒LFW、LDW并無顯著差異（P<0.05）。25 a中間錦雞兒LA顯著高于16、34、46 a（P<0.05）。25 a中間錦雞兒的SLA顯著高于16、34 a，與46 a之間并無顯著差異（P<0.05）。46 a中間錦雞兒LDMC顯著高于16、25、34 a，但16、25、34 a之間LDMC并無顯著差異（P<0.05）。隨著種植年限的增加，LL、LW、LFW、LDW、LA均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，整體表現(xiàn)出25 a>34 a>16 a>46 a的生長趨勢。

不同種植年限中間錦雞兒葉片形態(tài)性狀存在一定程度的變異特征。LFW、LDW和LA的變異系數(shù)明顯高于其他葉片性狀。16 a中間錦雞兒葉片形態(tài)的總功能性狀變異系數(shù)明顯大于25、34、46 a，其中16 a中間錦雞兒的LFW、LDW、LA和SLA為強變異（38.09%～39.63%），25 a中間錦雞兒的LFW、LDW為強變異（44.27%～46.98%），LL、LW、LDMC均為弱變異或中等變異。

由表2和圖2可知，LT、PT/ST、UEH、LEH、US、LS、LSA之間均無顯著差異（P<0.05）。34a中間錦雞兒VB顯著高于46 a（P<0.05），而與16、25 a之間無顯著差異（P<0.05）。34 a中間錦雞兒葉片的USA顯著高于16 a與46 a，而與25 a之間并無顯著差異（P<0.05）。

不同種植年限中間錦雞兒葉片結(jié)構(gòu)性狀存在一定程度的變異特征。US和LS的變異系數(shù)顯著高于其他葉片性狀。16 a中間錦雞兒各項葉片結(jié)構(gòu)功能性狀變異系數(shù)明顯大于25、34、46 a，其中16 a和46 a中間錦雞兒葉片的US、LS為強變異，分別為77.42%～79.01%和53.73%～54.55%，25 a中間錦雞兒葉片的US為強變異（36.22%），34 a的LEH、LS為強變異（35.94%、52.13%），其余LT、PT/ST、VB、UEH、USA和LSA均為弱變異或中等變異。

2.2不同種植年限中間錦雞兒葉片功能性狀相關(guān)性

葉片形態(tài)性狀間存在顯著的相關(guān)性，且各形態(tài)性狀之間聯(lián)系緊密。由圖3可知，LL、LW、LFW、LDW、LA兩兩間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）；SLA與LL呈顯著正相關(guān)（P<0.05），SLA與LDW之間呈顯著負相關(guān)（P<0.05），與其他性狀之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系；LDMC與LL、LFW、LA呈極顯著負相關(guān)（P<0.01），與LW、LDW呈顯著負相關(guān)（P<0.05），與SLA之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。

葉片結(jié)構(gòu)性狀間存在顯著的相關(guān)性，但各結(jié)構(gòu)性狀之間聯(lián)系不緊密。由圖3可知，PT/ST與UEH呈顯著負相關(guān)（P<0.05）；UEH與LEH呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與US顯著正相關(guān)（P<0.05）；US與LS呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。LEH與LSA呈極顯著負相關(guān)（P<0.01）。

2.3不同種植年限中間錦雞兒葉片功能性狀的PCA分析

在植物葉片功能性狀的主成分分析中（表3、4），不同種植年限中間錦雞兒葉片形態(tài)性狀指標(biāo)與結(jié)構(gòu)性狀指標(biāo)存在不同的表現(xiàn)，由表3可知，葉片形態(tài)形狀的PCA分析得到3個主成分特征值大于1，累計方差貢獻率達95.752%，說明這3個主成分能夠反映7個指標(biāo)的絕大部分信息。PC1貢獻率為64.55%，貢獻較大的為LL、LW、LFW和LDW，PC2貢獻率為20.341%，貢獻較大的為SLA，PC3貢獻率為10.861%，貢獻較大的為LDMC。

由表4可知，葉片結(jié)構(gòu)形狀的PCA分析得到3個主成分特征值大于1，累計方差貢獻率達72.488%，說明3個主成分能夠反映9個指標(biāo)的絕大部分信息。PC1貢獻率為29.669%，貢獻較大的為LEH，PC2貢獻率為25.712%，貢獻較大的為US和LS，PC3貢獻率為17.107%，貢獻較大的為UEH。

3討論

植物功能性狀是植物適應(yīng)環(huán)境的外在表達，反映了植物在不同環(huán)境中的生存策略。探究干旱區(qū)荒漠植物功能性狀及其與環(huán)境之間的關(guān)系，有助于理解植物適應(yīng)極端環(huán)境的生態(tài)對策，可為保護荒漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。本研究對4個不同種植年限中間錦雞兒人工林調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為適應(yīng)極端干旱氣候，各種植年限間，中間錦雞兒葉片形態(tài)性狀表現(xiàn)出顯著的種內(nèi)差異，變異系數(shù)在7.57%～46.98%之間，其中，LFW、LDW、LA、SLA對極端干旱氣候更為敏感。已有研究表明，LDMC與葉片平均組織密度、植株潛在相對生長率以及葉片壽命顯著相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)LDMC隨著種植年限的增加，表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，46 a中間錦雞兒的LDMC顯著高于其他3個種植年限，為（0.63±0.10）g·g^-1。同時，SLA和LDMC反映了植物性狀中生物量的快速生產(chǎn)（高SLA，低LDMC）和養(yǎng)分的有效保存（低SLA，高LDMC）。因此，本研究認(rèn)為，25 a中間錦雞兒表現(xiàn)出生物量的快速生產(chǎn)，而34 a和46 a表現(xiàn)出養(yǎng)分的有效保存。此外，已有研究認(rèn)為，長期處于干旱環(huán)境的植物的LL出現(xiàn)縮短，這是提高養(yǎng)分利用效率的一種生存策略。而在本研究中，16 a和46 a中間錦雞兒的LL顯著低于25 a和34 a，這可能是16 a中間錦雞兒葉片處于生長初期，自身葉片構(gòu)建尚未完成，而46 a中間錦雞兒LL隨種植年限的增加而降低，以便更加有效地利用和儲存養(yǎng)分。綜合以上研究表明，在極端干旱條件下，46 a中間錦雞兒能夠通過調(diào)整資源存儲與利用的生長策略，表現(xiàn)出對氣候變化的高度適應(yīng)能力。

葉片解剖結(jié)構(gòu)變化在植物應(yīng)對干旱脅迫過程中起著關(guān)鍵作用，能夠反映植物生長特性及其對環(huán)境的適應(yīng)性。本研究發(fā)現(xiàn)，極端干旱條件下不同種植年限間中間錦雞兒葉片結(jié)構(gòu)性狀變異系數(shù)在5.87%～79.01%之間，其中，US、LS的變異程度較大，而LT、UEH、USA、LSA變異程度較低，表明US和LS對極端干旱氣候較為敏感。有研究表明，干旱條件下植物氣孔密度受到葉片面積和氣孔大小的共同影響，而氣孔密度與面積的減少可直接導(dǎo)致植物生物量降低。在本研究中，盡管46 a中間錦雞兒的氣孔密度最高，但是46 a中間錦雞兒的氣孔面積最小，說明在極端干旱發(fā)生時，46 a中間錦雞兒通過降低氣孔面積，增大氣孔密度來阻止水分過度喪失，進而限制了植物獲取資源的能力。16、46 a中間錦雞兒PT/ST和VB變異程度均大于25、34 a，表明16、46 a中間錦雞兒葉片結(jié)構(gòu)對環(huán)境具有較強的潛在適應(yīng)能力。高度發(fā)達的PT可避免強烈光照對葉肉細胞的灼傷，發(fā)達的VB有利于水分迅速運輸，加速光合產(chǎn)物的運輸與形成，以維持光合作用的繼續(xù)進行，是對干旱環(huán)境的一種結(jié)構(gòu)性適應(yīng)，有助于植物在干旱環(huán)境下正常生長。

植物通常通過多個性狀協(xié)同變化的方式來響應(yīng)環(huán)境變化，不同生長類型的植物會根據(jù)環(huán)境的變化特征制定不同的生存策略。本研究發(fā)現(xiàn)，LL、LW、LFW、LDW是中間錦雞兒隨著種植年限的增加，逐步響應(yīng)干旱脅迫的主要形態(tài)性狀指標(biāo)，UEH、LEH、US與LS可作為中間錦雞兒逐步響應(yīng)干旱脅迫的主要結(jié)構(gòu)性狀指標(biāo)，UEH和LS的整體變異顯著高于其他葉片性狀，16 a中間錦雞兒葉片結(jié)構(gòu)的總功能性狀變異系數(shù)明顯大于25、34、46 a。說明，中間錦雞兒在長期生長發(fā)育過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境變化，各個葉片性狀之間相互組合，共同協(xié)調(diào)，已形成了一種適應(yīng)于自身生長的生態(tài)策略。

綜合以上結(jié)果，本研究認(rèn)為，在極端干旱條件下，中間錦雞兒人工林隨著種植年限的增加，形成了從生物量快速生產(chǎn)到養(yǎng)分有效保存策略，這也是其各個葉片功能性狀間相互調(diào)節(jié)與權(quán)衡的結(jié)果，以便其能夠更好地適應(yīng)干旱區(qū)資源、環(huán)境貧瘠的狀況。

4結(jié)論

（1）隨種植年限的增加，46 a中間錦雞兒LDMC逐漸增加，表明其用于葉片結(jié)構(gòu)建設(shè)的碳投資較高，當(dāng)極端干旱發(fā)生時，46 a中間錦雞兒只能通過降低葉片氣孔面積，增大氣孔密度來阻止水分過度喪失，從而度過極度干旱時期；16 a可能是在未受干旱脅迫時優(yōu)先關(guān)顧生長，葉片干物質(zhì)含量儲存較少，一旦嚴(yán)重干旱導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，缺少足夠的資源用于葉片的發(fā)育和生長；相對而言，25 a和34 a較好的平衡了生長和儲備，在極度干旱時仍然有較充足的物質(zhì)以供葉片生長。

（2）在極端干旱發(fā)生時，氣孔作為主要調(diào)節(jié)葉片性狀的指標(biāo)，通過調(diào)節(jié)葉片氣孔密度以及大小之間的關(guān)系來應(yīng)對環(huán)境變化，其中16 a和46 a的葉片受干旱脅迫最為嚴(yán)重，導(dǎo)致其變異系數(shù)最大。