瀕危植物永瓣藤葉片功能性狀對環(huán)境因子的響應(yīng)

宋帥帥,王 建,蔡朝暉,吳 浩,王世彤,肖之強(qiáng),江明喜,魏新增,*

1 西藏大學(xué)青藏高原生態(tài)與環(huán)境研究中心,拉薩 850000 2 西藏大學(xué)理學(xué)院,拉薩 850000 3 中國科學(xué)院武漢植物園,中國科學(xué)院水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074 4 中國科學(xué)院核心植物園保護(hù)生物學(xué)中心,武漢 430074 5 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 6 湖北九宮山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局,通山 437100 7 湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院,咸寧 437100

植物與其生存環(huán)境之間的相互關(guān)系一直是植物生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)。植物功能性狀是植物在長期進(jìn)化過程中,為了適應(yīng)環(huán)境變化,減少環(huán)境的不良影響,所形成的形態(tài)、生理和物候特征[1],能反映植物對不同環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制[2]。葉片是植物進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要器官,是植物與外界進(jìn)行水、氣、熱交換的關(guān)鍵門戶,對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量循環(huán)具有重要的影響[3—4]。葉片性狀與植物對資源的獲取和利用關(guān)系密切[5],并且有數(shù)量多、易于獲取、易于觀測等優(yōu)勢[6]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列葉功能性狀與環(huán)境因子之間相關(guān)性的研究[7—8]。例如,環(huán)境光照增加或者水分減少時(shí),葉片變小變厚、比葉面積降低,以增加主脈密度,提高水分利用效率[9—10]。目前,在區(qū)域尺度上葉片性狀變異方面的研究,多數(shù)使用了物種平均值來研究葉片性狀與環(huán)境之間的關(guān)系[11—12],忽略了種內(nèi)性狀變異性,而越來越多的研究表明種內(nèi)性狀變異與種間性狀變異同樣十分重要[13—15]。多物種分析表明,某些植物性狀的種內(nèi)變異高達(dá)40%[13],而全球薈萃分析將25%的群落內(nèi)變異和32%的群落間變異歸因于種內(nèi)性狀差異[14]。因此,研究不同環(huán)境條件下的種內(nèi)性狀變異,對于促進(jìn)理解環(huán)境對性狀變異的影響和預(yù)測物種對氣候變化的響應(yīng)至關(guān)重要[16]。

珍稀瀕危植物由于分布范圍有限、生境特殊或者數(shù)量稀少,其對環(huán)境變化更加敏感[17—18]。因此,對珍稀瀕危植物葉功能性狀的研究將有助于更好地開展瀕危植物保護(hù)和管理工作。相比于珍稀瀕危喬木和灌木物種,珍稀藤本植物的葉片功能性狀研究相對較少[7,19—20]。永瓣藤(Monimopetalumchinense)是衛(wèi)矛科(Celastraceae)永瓣藤屬(Monimopetalum)的單種屬藤本植物[21],為中國特有種,國家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物[22],被列為中國生物多樣性紅色名錄瀕危(EN)種[23]?，F(xiàn)有研究主要集中于永瓣藤種群分布、結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)、多樣性與繁育等方面[24—28],而對葉片功能性狀的研究尚未見報(bào)道。本研究將以瀕危植物永瓣藤(Monimopetalumchinense)為研究對象,對15項(xiàng)葉片形態(tài)與生理的功能性狀進(jìn)行測定,揭示永瓣藤葉功能性狀的種內(nèi)變異,并結(jié)合地理與環(huán)境因子,對永瓣藤葉功能性狀指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析,揭示其對于異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)策略,以期為永瓣藤保護(hù)、管理與合理利用等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

永瓣藤分布于湖北、江西、浙江和安徽4個(gè)省份的11個(gè)縣市[26,29],主要分布區(qū)為江西省(7縣市)和安徽省(2縣市),湖北省唯一分布點(diǎn)為通山縣洪港鎮(zhèn)沙店村,浙江省唯一分布點(diǎn)為金華市婺城區(qū)[29]。分布范圍介于28.837°N—29.973°N,114.841°E—119.476°E之間,南北跨度約為126km,東西跨度約為514km,海拔范圍137—651m。分布區(qū)在我國長江中下游南部中亞熱帶向北亞熱帶過渡的區(qū)域,主要植被類型為常綠闊葉林和常綠落葉闊葉混交林[21],年均溫15.3℃,年降水量1687.64mm[21,25],主要為酸性或中性土壤,土壤pH值介于4.53—7.82。氣候數(shù)據(jù)從WorldClim 網(wǎng)站 (http://www.worldc lim.org/) 獲取(表1)。

表1 永瓣藤種群地理位置、氣候和土壤因子概況Table 1 Location, climate and soil factors of the 11 wild populations of Monimopetalum chinense

1.2 樣品采集

2021 年7—8月,對4個(gè)省份的11個(gè)永瓣藤種群進(jìn)行樣品采集(圖1和表1)。記錄各種群的經(jīng)緯度和海拔。種群間至少相隔 10km,種群內(nèi)個(gè)體間至少相隔 10m,每株采集約30片成熟、無病蟲害、完全展開、邊緣完整(不帶葉柄)的葉片。共采集到了209株、6292份葉片(表1),葉片樣本現(xiàn)場稱重并掃描后置于信封中帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí),隨機(jī)在每個(gè)樣方內(nèi)采集土壤樣品,采用五點(diǎn)交叉取樣法,鉆取5份25cm深的土樣,將其混合后裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理(去除雜質(zhì)并于陰涼處自然風(fēng)干),以測定土壤化學(xué)指標(biāo)。使用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量、使用酸度計(jì)測量土壤pH值、土壤硝態(tài)氮使用紫外分光光度法測定、土壤銨態(tài)氮使用納氏試劑比色法測定、土壤有效磷使用鉬銻抗比色法測定。

1.3 葉片性狀測定

使用電子天平稱取每株個(gè)體30片葉片鮮重。每個(gè)種群取隨機(jī)選取3片葉片,用葉綠素儀 (Koni-ca Minolta SPAD-502Plus)測量其葉綠素含量。然后將所有葉片平鋪于掃描儀(Epson PerfectionV19,分辨率設(shè)為300dpi)進(jìn)行掃描,掃描的葉片圖片用萬深 LA-S葉分析軟件進(jìn)行批量處理,計(jì)算葉面積、葉周長、葉長、葉寬、葉長寬比、葉形狀因子(公式1)[7]。將掃描后的葉片放入80 ℃烘箱,48h后取出,稱其干重,然后結(jié)合葉干重和葉面積計(jì)算比葉面積(公式2),結(jié)合葉片干重和鮮重計(jì)算葉干物質(zhì)含量(公式3)。葉碳含量和葉氮含量采用碳氮元素分析儀測定,葉磷含量采用鉬銻抗比色法測定,最后計(jì)算得到碳氮比、碳磷比、氮磷比(表2)。

表2 永瓣藤野生種群葉片功能性狀Table 2 Leaf functional traits of the 11 wild populations of Monimopetalum chinense

(1)

(2)

(3)

1.4 數(shù)據(jù)分析

將樣點(diǎn)(單一種群)內(nèi)定義為局域尺度,將整個(gè)采樣區(qū)域(11個(gè)樣點(diǎn))定義為區(qū)域尺度,計(jì)算葉片性狀的最大值、最小值、平均值、倍數(shù)范圍(最大值除以最小值)和變異系數(shù)。對環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn),不滿足正態(tài)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以滿足正態(tài)分布和方差齊性。使用Pearson相關(guān)系數(shù)分析各功能性狀之間、葉功能性狀與環(huán)境因子之間的相關(guān)性。采用多元逐步回歸分析環(huán)境因子對葉片性狀的影響,使用向后逐步法選擇具有最小赤池信息標(biāo)準(zhǔn)(AIC)值的最優(yōu)模型[30]。數(shù)據(jù)處理在 R 4.0.5[31]中完成。

2 結(jié)果

2.1 葉片性狀變異

葉片功能性狀中,變異倍數(shù)范圍從1.03—1.80倍。在局域尺度上,葉片功能性狀變異系數(shù)從3.0%—22.5%不等,而在區(qū)域尺度上,變異系數(shù)從1.1%—15.5%不等。在局域尺度上,變異系數(shù)最大的5個(gè)性狀分別是:葉面積、比葉面積、葉全磷含量、葉碳氮比、葉碳磷比,其中,葉面積是變異最大的葉片性狀。在區(qū)域尺度上, 葉面積仍然是變異程度最大的,其次是葉氮磷比和葉形狀因子,葉碳含量是變異程度最小的性狀。大多數(shù)性狀的局域變異系數(shù)都大于區(qū)域變異系數(shù),除了葉形狀因子以外(表3)。

表3 永瓣藤葉片功能性狀的變異系數(shù)Table 3 Leaf traits variation of Monimopetalum chinense

2.2 葉片性狀之間的相關(guān)性

葉功能性狀之間的相關(guān)分析顯示(圖2),在葉片形態(tài)特征方面,葉面積、葉周長、葉長、葉寬之間相互呈顯著正相關(guān),葉片干物質(zhì)含量與比葉面積顯著負(fù)相關(guān),葉形狀因子與葉周長、葉長、葉長寬比顯著負(fù)相關(guān)。葉生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征方面,葉長寬比與葉磷含量、葉碳氮比顯著負(fù)相關(guān)而與葉碳磷比、葉氮磷比顯著正相關(guān),葉磷含量與葉碳磷比、葉氮磷比顯著負(fù)相關(guān),葉氮含量與葉碳氮比顯著負(fù)相關(guān),葉碳磷比與葉氮磷比顯著正相關(guān)。

2.3 葉片性狀地理格局

葉功能性狀與經(jīng)緯度以及海拔的相關(guān)性分析表明,葉長寬比與緯度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān),葉形狀因子與緯度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(圖3)。其它功能性狀與經(jīng)緯度以及海拔的關(guān)系均不顯著。

圖3 永瓣藤葉片長寬比和葉形態(tài)因子的緯度梯度格局Fig.3 Latitudinal patterns of leaf length-width ratio and leaf shape factor of Monimopetalum chinense

2.4 氣候、土壤因子對葉片性狀變異的影響

多元逐步回歸分析結(jié)果表明(表4), 年均溫、年降水量、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、土壤硝態(tài)氮、土壤銨態(tài)氮、土壤有效磷對葉片性狀都有明顯的影響。葉長寬比隨著年均溫、年降水量以及土壤硝態(tài)氮增加和土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、土壤有效磷的減小而增加(R2= 0.97,P< 0.01)。葉形狀因子隨著土壤pH和土壤有效磷的增加而變大(R2= 0.85,P<0.001)在單個(gè)環(huán)境因子中,土壤pH、土壤硝態(tài)氮、土壤有效磷、年均溫、年降水量、土壤銨態(tài)氮和土壤有機(jī)質(zhì)含量分別能解釋8個(gè)、4個(gè)、4個(gè)、3個(gè)、3個(gè)、1個(gè)、1個(gè)葉片功能性狀。葉周長隨著土壤pH和土壤硝態(tài)氮的增加而減小(R2= 0.60,P<0.05)。葉長隨著土壤pH和土壤硝態(tài)氮的增加而減小(R2= 0.60,P<0.05)。葉氮含量隨著年降水量和土壤硝態(tài)氮的增加和年均溫、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤pH的減小而增加(R2=0.86,P<0.01)。葉氮磷比隨著年均溫、年降水量的增加與土壤pH、土壤硝態(tài)氮、土壤有效磷的降低而變大(R2= 0.84,P<0.05)。

表4 永瓣藤葉片功能性狀與氣候和土壤因子的多元線性回歸模型Table 4 Multiple regression model of leaf functional traits of Monimopetalum chinense varying with climatic and soil factors

3 討論

3.1 葉片性狀的種內(nèi)變異

永瓣藤葉片功能性狀種內(nèi)變異不均勻,多數(shù)性狀在區(qū)域尺度上的變化值小于局域尺度,區(qū)域尺度上這與廣泛的環(huán)境梯度適應(yīng)有關(guān)[32]。在局域尺度上,永瓣藤15項(xiàng)葉片功能性狀的變異系數(shù)范圍在3.0%—22.5%之間,變異倍數(shù)范圍在1.03—1.80之間,葉性狀變異的不同幅度反映了植物適應(yīng)不同環(huán)境波動(dòng)的權(quán)衡。葉面積、比葉面積、磷含量、碳氮比和碳磷比的變異程度最高,這些性狀與植物對光、養(yǎng)分、和水資源的競爭密切相關(guān)[33—35]。葉面積的變異程度最大,葉片大小直接影響著植物對光的截取和對碳的獲取能力,并且可以通過影響葉片邊界層厚度進(jìn)而影響葉片溫度調(diào)節(jié)和蒸騰速率,進(jìn)而影響葉片熱量和水平衡[10]。在藤本植物中,磷與其它性狀之間連接較多,磷可能在調(diào)節(jié)多種植物功能方面顯得更為重要,這些性狀上的環(huán)境選擇通常會(huì)影響整個(gè)表型[36]。永瓣藤葉片碳、氮含量的變異程度相對較小,磷含量變異系數(shù)相對較大,葉片氮(N)、磷(P)和N∶P比值分別為21.15mg/g、1.08mg/g和20.09。與全球陸生植物葉片N、P含量和N∶P(18.74mg/g 、1.21mg/g 和15.55)[37—39]相比,永瓣藤葉片磷含量相對較低。同時(shí),永瓣藤分布區(qū)土壤有效磷含量也偏低(2.76mg/kg),這與謝國文等[40]對永瓣藤的研究結(jié)果一致,說明,永瓣藤的生長受到了磷限制。

3.2 葉片性狀之間的相關(guān)性

永瓣藤葉干物質(zhì)含量與比葉面積顯著負(fù)相關(guān),即越厚的葉片其干物質(zhì)含量也越高,這是永瓣藤為了適應(yīng)炎熱的生長環(huán)境[41—42]。永瓣藤葉長寬比與葉磷含量、葉碳氮比顯著負(fù)相關(guān)。一般認(rèn)為,葉的寬窄能影響葉的光和面積,同時(shí)通過改變?nèi)~的周長-面積比,影響葉邊界層的水汽交換[39],葉磷含量調(diào)控植物生理過程(特別是生長速率),葉片碳氮比葉片碳含量與生產(chǎn)力之間的關(guān)系[43—44]。永瓣藤較長的葉片其葉磷含量較低,葉碳氮比也較低,說明較長葉片的永瓣藤生長速率較低,受到了更嚴(yán)重的磷限制。

3.3 葉片性狀對環(huán)境因子的響應(yīng)

植物通過調(diào)整葉片邊界層厚度來優(yōu)化葉肉細(xì)胞的溫度,以提高光合作用酶的活性[38],較寬的葉片其邊界層較厚,能減少水汽交換[45],因此,生活在涼爽地區(qū)的植物往往具有較小的葉片長寬比(即較寬的葉片),以保持較厚的邊界層和較高的葉片溫度以進(jìn)行光合作用,而溫暖潮濕的地區(qū),葉片往往具有較大的葉片長寬比(即較長的葉片),以提高植物葉脈的水分輸送能力[10,46]。本研究中,葉長寬比隨著緯度增加顯著減小,葉形態(tài)指數(shù)隨著緯度增加顯著增加,即葉片隨著緯度增加逐漸變得更寬,更趨近于圓形,這種模式可能反映了植物的熱力學(xué)調(diào)節(jié)與水力限制之間的權(quán)衡,以響應(yīng)跨空間的氣候變化[47]。這一結(jié)果印證了全球變暖會(huì)增加植物葉長寬比的結(jié)論[48]。

多元逐步回歸分析表明(表4),沒有任何單個(gè)環(huán)境因子可以解釋所有的葉片性狀變異,環(huán)境和葉片功能性狀變異之間的關(guān)聯(lián)比較復(fù)雜。25%—97%的葉片性狀變異能由氣候和土壤因子組合解釋,但不包括葉干物質(zhì)含量,這可能是由于其分布的遺傳適應(yīng)。在所有的環(huán)境因子中,土壤pH、土壤硝態(tài)氮、土壤有效磷是解釋度最高的三個(gè),年均溫和年降水量的解釋度次之。這說明永瓣藤葉片性狀變異主要由土壤因子驅(qū)動(dòng),同時(shí)受到氣候因子的影響。先前研究指出,土壤肥力和土壤pH與葉片功能性狀顯著相關(guān)[14,48—49]。永瓣藤葉周長、葉長都受到土壤pH與土壤硝態(tài)氮的顯著負(fù)效應(yīng)影響,即土壤pH值越低、土壤硝態(tài)氮含量越低,葉周長和葉長越大。在物種或群落水平上, 植物葉片氮和磷含量的分布格局一般呈現(xiàn)隨年平均氣溫和降水量的增加而降低的趨勢[50],本研究的結(jié)果與此趨勢是一致的,永瓣藤葉片氮含量與磷含量分別受到土壤硝態(tài)氮與土壤有效磷的正效應(yīng)影響,而受到年均溫與年降水量負(fù)效應(yīng)的影響。在溫度和水分充足的情況下,永瓣藤葉片趨向于慢速生長的保守策略。

葉功能性狀是植物策略的良好預(yù)測指標(biāo)。雖然永瓣藤受到了環(huán)境的限制,但葉片功能性狀通過與環(huán)境因子間的相互作用,利用種內(nèi)變異和性狀組合,能夠良好適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境因子的變異。

4 結(jié)論

本文探討了瀕危植物永瓣藤的葉片功能性狀變異以及對環(huán)境因子的響應(yīng)與適應(yīng)策略,有助于了解我國亞熱帶低山藤本植物葉片功能性狀的地理格局及其種內(nèi)變異的環(huán)境驅(qū)動(dòng)力。葉片性狀之間的變異程度不同,局域尺度性狀變異值甚至高于區(qū)域尺度。葉片面積的變異程度最高。葉片的形態(tài)受到緯度梯度的影響,隨著緯度的上升,永瓣藤葉片通過變得寬且圓來增加葉片邊界層厚度,降低葉片水熱散失, 這種模式可能反映了植物的熱力學(xué)調(diào)節(jié)與水力限制之間的權(quán)衡,以響應(yīng)跨空間的氣候變化。永瓣藤葉片磷含量較小,表明永瓣藤的生長受到了磷限制。土壤pH、土壤硝態(tài)氮與土壤有效磷是永瓣藤葉片性狀變異的主導(dǎo)因子,年均溫與年降水量也能影響部分葉片性狀變異。本研究在分布區(qū)尺度上揭示了永瓣藤葉片性狀的變異情況,并分析了葉片性狀與環(huán)境的關(guān)系,為保護(hù)瀕危植物和藤本植物提供新的見解。