不同測(cè)定方法下葉片穿透力與葉片功能性狀之間的關(guān)系

歐美景 李紅燕 趙秋菊 李佳蔚*

（1.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004； 2.廣西大學(xué)林學(xué)院，亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004）

葉片是植物光合作用的主要器官，負(fù)責(zé)重要的碳同化過(guò)程［1］，而暴露在自然環(huán)境中的葉片會(huì)經(jīng)歷生物因素（蟲食）和非生物因素（風(fēng)雨、干旱）等導(dǎo)致的機(jī)械物理?yè)p傷，這在一定程度上會(huì)影響葉片的光合作用。葉片力學(xué)性狀為葉片抵抗外界機(jī)械損害的能力，葉片穿透力和葉片撕裂力是人們通常測(cè)定的葉片力學(xué)性狀，可以表征葉片的機(jī)械抗性［2］。理論上，葉片機(jī)械抗性較高的植物往往有較高的葉片穿透力和撕裂力［3］，葉片穿透力模擬的是昆蟲在取食葉片時(shí)咬破葉片的力，而葉片的撕裂力模擬的是植食動(dòng)物和風(fēng)損害葉片時(shí)撕裂的力［4-5］。葉片機(jī)械力測(cè)定可有效反映葉片抗物理?yè)p傷的情況，是衡量葉片碳投資的關(guān)鍵指標(biāo)［6］。

目前，葉片功能性狀與葉片機(jī)械抗性之間的關(guān)系一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)其的探討有助于了解植物在全球化天氣變化背景下的生存適應(yīng)策略，很多的研究表明葉片密度［7-9］、角質(zhì)層［10］、干物質(zhì)含量［11］和比葉面積［12］、葉片厚度［13］等葉片結(jié)構(gòu)性狀是影響葉片機(jī)械抗性的內(nèi)在因素，而生長(zhǎng)環(huán)境的變化是影響葉片機(jī)械抗性的外在因素［14］。同時(shí)，葉片機(jī)械抗性的強(qiáng)弱和葉片構(gòu)建成本具有緊密的聯(lián)系。葉片的構(gòu)建成本是葉片形成以及發(fā)揮其功能所需的能量投資成本，不同生活型的植物因葉片性狀結(jié)構(gòu)的差異而采取不同的葉片構(gòu)建策略，同時(shí)影響著資源獲取的競(jìng)爭(zhēng)能力；因此，不同生活型植物在平衡葉片構(gòu)建成本和收益間表現(xiàn)出不同的能量策略［15-17］，使得其機(jī)械抗性的強(qiáng)弱和葉片壽命也不相同［7，12，14，18-21］。

葉片機(jī)械力的測(cè)量方法主要分為3大類，如穿透力測(cè)試、撕裂力測(cè)試、剪切測(cè)試，研究表明，3 種測(cè)量方法均可以用作測(cè)量區(qū)域或全球范圍內(nèi)葉片機(jī)械阻力的一般指標(biāo)，而后兩者在機(jī)械抗性的測(cè)量中較為常用［7，13］。穿透力和撕裂力是測(cè)試葉片斷裂所需的最大力，一般情況下，有兩種最常用的葉片斷裂標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)的方法。一種是以單位斷裂周長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的穿透力（Fp）和撕裂力（Ft），其反映了葉片單位斷裂長(zhǎng)度抵抗外力的程度，通常被稱為“結(jié)構(gòu)阻力”；另外一種是以單位截面面積標(biāo)準(zhǔn)化的特定穿透力（Fps）和特定撕裂力（Fts），其被稱為“材料阻力”；“結(jié)構(gòu)阻力”和“材料阻力”在專業(yè)術(shù)語(yǔ)上被稱為“機(jī)械阻力”［7］。

葉片機(jī)械阻力在測(cè)量的過(guò)程中往往會(huì)受到一些因素的影響。穿透力測(cè)試是用推拉力計(jì)的針頭將平放在模具中的葉片（避開葉脈）穿破的過(guò)程，此過(guò)程的影響因素有機(jī)器速度、針頭和沖模之間的間隙、針頭的邊緣定義和針頭的面積［22］；穿透力測(cè)試過(guò)程快速且易于執(zhí)行，只要合理的設(shè)計(jì)影響因素就能在測(cè)試時(shí)更準(zhǔn)確地反映出葉片的機(jī)械阻力。然而，在穿透力測(cè)試過(guò)程中葉片斷裂時(shí)的物理性質(zhì)存在不確定性，針頭面積與測(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系尚未有詳細(xì)研究，但有研究發(fā)現(xiàn)針頭面積是影響測(cè)試結(jié)果的重要因素；另外，也有研究者發(fā)現(xiàn)穿透力測(cè)試可以提供與葉片生物學(xué)物理方面的相關(guān)性，可檢測(cè)葉片斷裂特性的生態(tài)顯著變化［22-23］。

在葉片穿透力測(cè)試的過(guò)程中，研究者所用的穿刺針直徑有所差異。Maenpuen等［24］用直徑0.6 mm和1.0 mm 的穿刺針測(cè)定葉片穿透力與LMA 之間的關(guān)系；Read & Sanson［20］采用0.5 mm 直徑穿刺針測(cè)量不同物種和不同葉型的各種穿透力學(xué)性質(zhì)；He等［25］用1.2 mm直徑穿刺針對(duì)107種植物的葉片穿透力進(jìn)行測(cè)定；Arellano-Rivas 等［26］采用1 mm 直徑穿刺針測(cè)量了23 種優(yōu)勢(shì)植物的葉片穿透力；Lusk 等［27］測(cè)量了13 種不同耐陰性的熱帶雨林常綠植物的陽(yáng)葉和陰葉的LMA（單位面積葉片重量）和細(xì)胞壁含量，并采用2 mm 圓柱形直徑穿刺針進(jìn)行穿透力測(cè)試，以了解葉片結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)對(duì)遮陰的適應(yīng)性和可塑性反應(yīng)。雖然以往的研究探討了葉片機(jī)械阻力的力學(xué)測(cè)試方法，但不同穿刺針直徑尺寸、校準(zhǔn)方法等因素影響穿透力結(jié)果以及該影響結(jié)果與葉片性狀的關(guān)系數(shù)據(jù)尚未有明確的報(bào)道。本研究以30 種雙子葉植物為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)定其葉片穿透力、葉片撕裂力、葉片功能性狀等指標(biāo)，比較30 種植物在不同直徑穿刺針下的穿透力差異，分析穿刺針直徑和校準(zhǔn)方法對(duì)葉片穿透力測(cè)定的影響，探討3種生活型植物在不同直徑穿刺針作用下葉片機(jī)械力測(cè)定差異是否影響其與葉片功能性狀的關(guān)系，以期為葉片機(jī)械抗性測(cè)定篩選合適的穿刺針直徑尺寸以及校準(zhǔn)方法提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗(yàn)材料采自廣西大學(xué)，其位于南寧市（22°13′—23°32′N，107°45′—108°51′E），屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫21.7 ℃，雨熱同季，年均降雨量1 304.2 mm，春秋兩季不分明，冬季低溫干燥［28］。園占地面積307 hm2，海拔約80 m，園內(nèi)植物定期養(yǎng)護(hù)，生長(zhǎng)狀況良好，種類豐富，園內(nèi)有蕨類植物7 科10 種，裸子植物7 科13 種，被子植物105科479種。

1.2 試驗(yàn)材料

基于前期對(duì)廣西大學(xué)校園內(nèi)物種的調(diào)查，從雙子葉3 個(gè)不同生活型植物中分別隨機(jī)采取10 個(gè)物種，從《中國(guó)植物志》確定廣西大學(xué)30 種代表性植物的科、生活型等信息（表1）。

表1 30種植物的分類和生活型信息Table 1 Taxonomy and life-form information of the 30 studied species

每個(gè)物種選取3～6 株長(zhǎng)勢(shì)良好的植株，木本植物則選取向陽(yáng)的一端分別采集5～10 片健康成熟的葉片，草本植物則剪取帶葉枝條，分別放入帶有濕紙巾的自封袋中，避光保存帶回實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)物種從不同的植株個(gè)體共選取6張葉片，用于葉片機(jī)械力學(xué)以及葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)的測(cè)定。葉片性狀縮寫及單位見表2。

表2 葉片性狀縮寫及單位Table 2 Leaf trait abbreviations and units

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 葉片機(jī)械抗性

葉片穿透力為穿透單位周長(zhǎng)的葉片所需的最大力，特定葉片穿透力為穿透橫截面積的葉片所需的最大力。用小型拉力測(cè)驗(yàn)機(jī)（ZQ 990，中國(guó)）分別記錄2.0、1.0、0.5 mm 的平端直徑針（dpr）穿透葉片（避開主脈和次級(jí)脈）所需的最大力［29］，即：葉片穿透力=最大穿透力/針的周長(zhǎng)；特定葉片穿透力=葉片穿透力/葉片厚度。

葉片撕裂力為撕裂單位寬度的葉片所需的最大力［30］。切取中脈兩側(cè)5 mm×25 mm的長(zhǎng)條［31］，用小型拉力測(cè)驗(yàn)機(jī)測(cè)定撕裂單位寬度（d=5 mm）的葉片長(zhǎng)條所需的最大力［29，32］，即：葉片撕裂力=最大撕裂力/切取的葉片寬度。

1.3.2 葉片比葉面積

比葉面積為每單位干質(zhì)量的葉片面積［33］。擦干葉片水分和雜質(zhì)后剪掉葉子的葉柄，用Li-Cor葉面積儀（Li-3000A，美國(guó)）測(cè)定葉片面積［34］，對(duì)于較大葉片則沿主脈將其切成兩半后依次測(cè)量；后將葉片樣品放入信封，置于烘箱70 ℃烘干，48 h后取出，用分析天平稱量葉片干質(zhì)量；葉片干質(zhì)量與葉面積的比值為葉片比葉面積，即：比葉面積=葉面積/葉干質(zhì)量。

1.3.3 葉片厚度和角質(zhì)層厚度

根據(jù)Onoda等［10］對(duì)葉片結(jié)構(gòu)的測(cè)定方法，研究首先于葉片主脈兩側(cè)中部切取一塊5 mm×15 mm的長(zhǎng)條，將其平行放入5 mm×30 mm長(zhǎng)方形小塊的胡蘿卜切口中，固定葉片；用雙面不銹鋼刀片做葉片橫切的徒手切片，制成臨時(shí)裝片，在光學(xué)顯微鏡（Leica DM3000，德國(guó)）下觀察，在5 倍物鏡視野下拍取圖片用于測(cè)量葉片厚度，40 倍物鏡下拍取圖片用于測(cè)量上下角質(zhì)層厚度，拍照后用Image J 軟件測(cè)量。

1.3.4 葉脈密度

在葉片主脈兩側(cè)中部剪取面積約1 cm×1 cm的葉片組織（不同葉片視大小情況而定），先浸泡在福爾馬林溶液試管中脫色備用，后放入盛有體積比為1∶1 的冰乙酸和30%過(guò)氧化氫混合溶液的試管中［35］，于水浴鍋中70 ℃加熱，待葉片褪色至透明后撕開葉片表皮，用0.5%番紅染液染色，后用50%乙醇洗去浮色，在光學(xué)顯微鏡5倍物鏡下觀測(cè)葉脈，拍照后用Image J 軟件計(jì)算葉脈長(zhǎng)度；葉脈密度為單位葉片面積上的葉脈總長(zhǎng)度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

所有數(shù)據(jù)在Excel 2010記錄統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用SPSS 23.0 軟件的單因素方差分析（ANOVA）和雙因素方差分析（two-way ANOVA）比較3種生活型植物在3種不同直徑作用下穿透力的差異，用皮爾遜相關(guān)性分析比較葉片穿透力學(xué)與撕裂力及葉片性狀之間的關(guān)系，并用R 統(tǒng)計(jì)軟件中的dplyr和smatr軟件包對(duì)2種校準(zhǔn)方式下的穿透力與葉片結(jié)構(gòu)性狀在不同穿刺針直徑間進(jìn)一步做斜率異質(zhì)性相關(guān)性分析；采用Image J軟件中的macros函數(shù)計(jì)算每個(gè)物種的葉脈總長(zhǎng)度；采用Sigmaplot和R統(tǒng)計(jì)軟件中的ggplot2軟件包作圖。顯著性水平均為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同測(cè)定方法對(duì)葉片穿透力測(cè)定的影響

2.1.1 不同校準(zhǔn)方法及穿刺針直徑對(duì)葉片穿透力測(cè)定的影響

由圖1可見，在以周長(zhǎng)和橫截面積兩種不同的校準(zhǔn)方法下，30 個(gè)研究物種的葉片穿透力（圖1A）和特定葉片穿透力（圖1B）在3 種不同直徑穿刺針之間具有不同程度的差異（P＜0.05）。在以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力中，約有76% 的物種在0.5 mm 和1.0 mm，及0.5 mm 和2.0 mm 直徑穿刺針之間的Fp均具有顯著差異（P＜0.05），有33%的物種在1.0 mm和2.0 mm 直徑穿刺針之間的Fp 差異顯著（P＜0.05）。其中狗肝菜（Dicliptera chinensis）在穿刺針直徑為1～2 mm 的Fp 差異最小，為0.000 7 kN·m-1；人心果（Manilkara zapota）在2.0 mm 和0.5 mm 的Fp 差異最大，為0.270 0 kN·m-1。在以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力中約有66%的物種在0.5 和1 mm 直徑穿刺針之間的Fps差異顯著（P＜0.05），有56%的物種在0.5 mm 和2.0 mm 直徑穿刺針之間的Fps差異顯著（P＜0.05），有30%的物種在1 和2 mm 直徑穿刺針之間的Fps 差異顯著（P＜0.05）。其中狗肝菜在穿刺針直徑為 1 和2 mm 之間的Fps 差異最小，為0.002 4 MN·m-2；人心果在2.0 mm 和0.5 mm 之間的Fps差異最大，為1.299 0 MN·m-2。總體而言，90%的物種在0.5 mm 直徑穿刺針作用下的Fp、Fps均顯著大于1和2 mm。

圖1 3種穿刺針直徑處理下以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力（A）和以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力（B）的差異不同小寫字母代表同種植物在3種直徑針間的穿透力在P＜0.05水平上的差異顯著性；數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；下同F(xiàn)ig.1 Differences in force-to-punch calibrated by circumference（A） and force-to-punch calibrated by cross-sectional area（B） under three puncture needle diameter treatments Different lowercase letters represent the significance of differences in force-to-punch of the same plant among the three diameters of needles at the P＜0.05 level；Date presented as mean±standard deviation；The same as below

2.1.2 不同測(cè)定方法的葉片穿透力在3種生活型植物之間的差異性

通過(guò)雙因素方差分析（表3）發(fā)現(xiàn)，3 種生活型之間的Fp、Fps 存在極顯著差異（P＜0.01），而3 種直徑針之間的Fps 存在顯著差異（P＜0.05）。同一生活型的植物在2 種不同的校準(zhǔn)方式下，3 種不同直徑針之間的Fp（圖2A）和Fps（圖2B）的差異均不顯著，且Fp 和Fps 大小都為直徑針0.5 mm 大于1 mm 和2 mm。而在灌木和喬木生活型中，比較兩者在3 種不同直徑針之間的Fp 和Fps 均無(wú)顯著差異，但兩者與草本在3 種不同直徑針之間的Fp 和Fps 均有顯著差異（P＜0.05），且Fp 的由大到小依次為灌木、喬木、草本，而Fps 由大到小則是喬木、灌木、草本。

圖2 3種生活型植物在不同穿刺針直徑處理下以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力（A）和以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力（B）的差異不同小寫字母表示在同一穿刺針直徑處理下3種生活型植物的葉片穿透力和特定葉片穿透力在P＜0.05水平上的差異顯著性Fig.2 Differences in force-to-punch calibrated by perimeter（A） and force-to-punch calibrated by cross-sectional area（B） among the three life form plant species under different treatments of puncture needle diameter Different lowercase letters indicated the significance of differences in force-to-punch and specific force-to-punch at the P＜0.05 level for the three lifeform of plants treated with the same puncture needle diameter

表3 不同校準(zhǔn)方法下3種生活型植物在不同穿刺針直徑間葉片穿透力測(cè)定的差異Table 3 The difference of leaf force-to-punch among three Life form plants with different puncture needle diameters under different calibration methods

2.2 不同校準(zhǔn)方法下3種穿刺針直徑的穿透力與葉片功能性狀之間的關(guān)系

由圖3 可見，在不同的校準(zhǔn)方法及3 種穿刺針直徑的測(cè)定下，3種生活型植物的Fp和Fps分別與葉片功能性狀的相關(guān)性具有一定的差異；總體來(lái)看，草本與葉片性狀之間的顯著相關(guān)性數(shù)量較少，喬木與葉片性狀間的顯著相關(guān)性數(shù)量較多，且Fp與葉片性狀的相關(guān)性比Fps 與葉片性狀的相關(guān)性更強(qiáng)。

圖3 3種生活型植物在3種穿刺針直徑下以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力（A）和以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力（B）與葉片功能性狀的相關(guān)性Fig.3 Correlation of force-to-punch（A） calibrated by perimeter and force-to-punch（B） calibrated by cross-sectional area with leaf functional traits in three life form at three puncture needle diameters

由圖4 可見，30 種雙子葉植物在以周長(zhǎng)校準(zhǔn)方法下，3 種直徑穿刺針的Fp 與上角質(zhì)層厚度、下角質(zhì)層厚度、葉片撕裂力、葉片厚度有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），同時(shí)與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）、與葉脈密度無(wú)顯著相關(guān)性，其中穿刺針直徑2 mm 的Fp（R=0.923，P＜0.001）、穿刺針直徑0.5 mm 的Fp（R=0.915，P＜0.001）與葉片撕裂力的相關(guān)性大小近似相等（圖4：A1～6）。在以橫截面積的校準(zhǔn)方法下，3 種直徑針的Fps 與葉片撕裂力有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與葉脈密度和葉片厚度無(wú)顯著相關(guān)性；穿刺針直徑2 mm 的Fps 與上角質(zhì)層厚度呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與比葉面積呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；穿刺針直徑1 mm 的Fps 和穿刺針直徑0.5 mm的Fps則分別與上、下角質(zhì)層厚度有顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），與比葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4：B1～6）。此外，葉片功能性狀中的上、下角質(zhì)層厚度、葉片厚度等指標(biāo)與葉片撕裂力呈顯著的正相關(guān)（P＜0.05），同時(shí)比葉面積也與葉片撕裂力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5）?？傮w來(lái)看，F(xiàn)p與葉片性狀的相關(guān)性比Fps 與葉片性狀的相關(guān)性更強(qiáng)；同時(shí)，通過(guò)斜率異質(zhì)性檢驗(yàn)的分析發(fā)現(xiàn)，3 種穿刺針直徑之間的Fp、Fps 分別與葉片性狀間的關(guān)系無(wú)顯著差異（見表4），說(shuō)明3 種穿刺針直徑測(cè)定的穿透力差異不會(huì)影響穿透機(jī)械力與葉片功能性狀的相關(guān)關(guān)系。

圖4 30種植物在3種穿刺針直徑下以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力（A）和以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力（B）與葉片功能性狀的相關(guān)性R為相關(guān)系數(shù)；*P＜0.05；**P＜0.01；***P＜0.001；下同F(xiàn)ig.4 Correlation of force-to-punch calibrated by perimeter（A） and force-to-punch calibrated by cross-sectional area（B） with leaf functional traits in 30 plants at three puncture needle diameters R was the correlation coefficient；*P＜0.05；**P＜0.01；***P＜0.001；The same as below

圖5 葉片撕裂力與葉片功能性狀的相關(guān)性A.葉片厚度；B.比葉面積；C.角質(zhì)層厚度（黑色填充點(diǎn)和實(shí)線為上角質(zhì)層厚度，白色填充點(diǎn)和虛線為下角質(zhì)層厚度）；*P＜0.05；**P＜0.01；***P＜0.001Fig.5 Correlation between leaf force-to-tear and leaf functional traits A.Leaf thickness；B.Specific leaf area；C.Cuticle thickness（black filling points and solid lines are upper cuticle thickness，white filling points and dotted lines are lower cuticle thickness）；*P＜0.05；**P＜0.01；***P＜0.001

表4 兩種校準(zhǔn)方式下的穿透力與葉片功能性狀在不同針直徑間相關(guān)性斜率異質(zhì)性分析Table 4 Comparison of the correlation slope between two measures of force-to-punch and leaf functional traits using different needle diameter

3 討論

3.1 穿刺針直徑及校準(zhǔn)方法對(duì)葉片機(jī)械力學(xué)的影響

穿刺針直徑會(huì)影響葉片穿透力的測(cè)定結(jié)果。Aranwela 等［22］在評(píng)估葉片斷裂特性的方法研究中得出葉片的穿透力會(huì)隨著穿刺針直徑的增大而增大，而本研究發(fā)現(xiàn)30 個(gè)物種的葉片穿透力測(cè)定結(jié)果會(huì)隨著穿刺針直徑的大小而變化，但有90%物種在0.5 mm直徑穿刺針作用下的葉片穿透力顯著大于1 mm和2 mm。這兩者結(jié)果的差異，一方面可能來(lái)自于葉片組織的差異，另一方面可能是大小范圍不同的穿刺針直徑在測(cè)定同一個(gè)物種的葉片穿透力時(shí)也具有差異。通常而言，葉片組織具有不均勻性，且穿刺針頭作為圓剪，在測(cè)試的過(guò)程中葉片會(huì)受到針頭的剪切和壓縮破壞的混合力［36］，使得針端的周邊發(fā)生不受控制的斷裂，且此斷裂并不都是圓形的［22］。在小范圍內(nèi)，直徑小的針頭會(huì)接觸到相當(dāng)均勻的葉片組織，而隨著針直徑的增大，接觸到的不均勻組織增多而更容易斷裂，這可能就會(huì)使得直徑大的針頭其機(jī)械抗性的力比直徑小的針頭小。因此在測(cè)量葉片穿透力學(xué)的試驗(yàn)中選用固定直徑的穿刺針，對(duì)減少實(shí)驗(yàn)誤差以及數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化具有重要的作用。

穿刺針直徑會(huì)影響葉片穿透力的結(jié)果，而校準(zhǔn)方法也會(huì)對(duì)葉片穿透力的測(cè)定結(jié)果有影響。本研究中同一物種在以周長(zhǎng)校準(zhǔn)方法下3 種穿刺針直徑之間的穿透力差異顯著性數(shù)量多于以橫截面積校準(zhǔn)的方法；在不同生活型中，以周長(zhǎng)校準(zhǔn)下，灌木的葉片穿透力大于喬木和草本，這與以橫截面積校準(zhǔn)下葉片穿透力隨著草本、灌木、喬木生活型的變化而逐漸增大不同。同一物種在兩種校準(zhǔn)方法下3 種穿刺針直徑之間的穿透力差異顯著性存在較大差異，這可能與葉片本身的性狀有關(guān)。葉面積較小且葉片厚度較厚的植物在測(cè)試的過(guò)程中很難避開次生脈，會(huì)導(dǎo)致葉片穿透力結(jié)果比正常值偏大；且與以周長(zhǎng)校準(zhǔn)不同的是，橫截面積的校準(zhǔn)會(huì)將葉片厚度標(biāo)準(zhǔn)化［7，22］，這可能就使得葉面積小且葉片厚度不均勻的植物在以周長(zhǎng)校準(zhǔn)方法下的差異性要大于以橫截面積校準(zhǔn)方法下的差異性。而同一生活型植物在不同校準(zhǔn)方法下3 種穿刺針直徑的穿透力均無(wú)顯著差異；說(shuō)明在這兩種校準(zhǔn)方式下3 種穿刺針的直徑大小對(duì)葉片穿透力無(wú)顯著影響。

3.2 不同測(cè)定方法下葉片穿透力的差異與葉片功能性狀之間的關(guān)系

比葉面積反映植物獲取和利用資源的能力，是衡量葉片機(jī)械抗性強(qiáng)弱的關(guān)鍵性狀。一般情況下，快速生長(zhǎng)的物種往往具有較高的比葉面積值、較高的光合速率和營(yíng)養(yǎng)水平，但植物壽命短，機(jī)械抗性弱；而生長(zhǎng)緩慢的物種則與此相反［4，37］。本研究中兩種校準(zhǔn)方法下3 種穿刺針直徑間的葉片穿透力與比葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明植物在低比葉面積值下有較高機(jī)械抗性，這可能是比葉面積值越低，葉肉細(xì)胞壁和葉片角質(zhì)層所占的葉片體積比例越大，植物對(duì)于構(gòu)建葉片保衛(wèi)結(jié)構(gòu)或葉肉組織投入越多，從而能夠更好地抵御病蟲害［15，38-39］。

葉片厚度和角質(zhì)層是反映葉片機(jī)械強(qiáng)度的重要性狀指標(biāo)，尤其能夠反映葉片抗蟲食能力的強(qiáng)弱，葉片和角質(zhì)層越厚則機(jī)械抗性越強(qiáng)［40］。張貽禮等［41］研究表明，茶樹葉片越厚，葉質(zhì)越硬，蟲口密度越小，其抗病蟲害能力越強(qiáng)；也有研究表明，角質(zhì)層越厚，植物抵御病蟲害的能力越強(qiáng)，且上表皮角質(zhì)層厚度大于2 μm 時(shí)，是一個(gè)強(qiáng)的抗蟲性指標(biāo)［42-44］。葉片角質(zhì)層富含有高能量的角質(zhì)和蠟質(zhì)，是葉片屏障的主要支撐，葉片和角質(zhì)層的厚度越厚，葉片的構(gòu)建成本往往越高，機(jī)械抗性越強(qiáng)［45］。本研究發(fā)現(xiàn)，以周長(zhǎng)校準(zhǔn)下3種穿刺針直徑間的葉片穿透力與角質(zhì)層厚度和葉片厚度均有顯著的正相關(guān)關(guān)系，而在橫截面積校準(zhǔn)下3種穿刺針直徑間的葉片穿透力與角質(zhì)層厚度呈顯著正相關(guān)，但與葉片厚度無(wú)顯著相關(guān)性，這可能是在橫截面積校準(zhǔn)下將葉片厚度標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果。本研究中以周長(zhǎng)校準(zhǔn)的穿透力與葉片性狀相關(guān)性顯著高于以橫截面積校準(zhǔn)的穿透力與葉片性狀的相關(guān)性，這也進(jìn)一步證實(shí)了以穿刺針直徑周長(zhǎng)與斷裂特性的相關(guān)性比以橫截面積與斷裂特性的相關(guān)性要好［22］，此外，本研究中兩種校準(zhǔn)方法下3種穿刺針直徑間的葉片穿透力與葉片撕裂力呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明其都是葉片機(jī)械阻力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性的良好指標(biāo)。

葉脈含有厚壁組織和纖維細(xì)胞，具有較高的機(jī)械阻力和彈性，對(duì)葉片的機(jī)械支撐和防御等具有重要作用。Hua 等［46］發(fā)現(xiàn)葉脈密度與葉片撕裂力和葉片穿透力呈正相關(guān)關(guān)系，且認(rèn)為葉脈的機(jī)械特性是影響葉片機(jī)械阻力、結(jié)構(gòu)和葉片經(jīng)濟(jì)譜的潛在因素。本研究中發(fā)現(xiàn)葉片機(jī)械抗性與葉脈密度呈無(wú)顯著正相關(guān)，這與Kawai等［21］在葉脈性狀如何協(xié)調(diào)葉片力學(xué)特性和水分利用性狀的研究中發(fā)現(xiàn)，小葉脈密度與機(jī)械特性和葉片結(jié)構(gòu)性狀無(wú)顯著正相關(guān)的結(jié)果一致，其表示葉片脈絡(luò)層次各司其職，主脈和次級(jí)脈影響著葉片的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，而小脈則影響著葉片水分的運(yùn)輸和氣體交換。

總的來(lái)說(shuō)，物種在兩種校準(zhǔn)方法下3種穿刺針直徑間的葉片穿透力分別與葉片性狀的相關(guān)性存在差異，該差異與葉脈密度、角質(zhì)層厚度、比葉面積、葉片厚度等葉片的結(jié)構(gòu)性狀有關(guān)。而本研究中發(fā)現(xiàn)在3 種穿刺針直徑下的穿透力對(duì)其葉片性狀的相關(guān)性具有差異，但經(jīng)過(guò)比較，此差異無(wú)顯著影響，且2 mm、0.5 mm 穿刺針直徑的穿透力與葉片性狀的相關(guān)性R值相對(duì)較高；此外，不同校準(zhǔn)方法下的葉片穿透力與葉片性狀的相關(guān)性強(qiáng)弱具有差異，且此差異可能會(huì)影響研究者在分析數(shù)據(jù)時(shí)的準(zhǔn)確性。因此在研究中統(tǒng)一穿刺針直徑和校準(zhǔn)方法將有利于減小數(shù)據(jù)誤差，同時(shí)提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

物種在不同校準(zhǔn)方法下3 種穿刺針直徑間葉片穿透力測(cè)定結(jié)果存在差異，不同校準(zhǔn)方法下3種穿刺針直徑之間的葉片穿透力在同一生活型中差異不顯著，而在草本分別與灌木和喬木兩種不同生活型中差異顯著，同時(shí)0.5 mm 直徑針的穿透力均大于1 mm和2 mm。

葉片角質(zhì)層厚度、葉片厚度、比葉面積等葉片性狀指標(biāo)以及葉片撕裂力可以很好地預(yù)測(cè)葉片的機(jī)械抗性；不同校準(zhǔn)方法測(cè)定的穿透力差異會(huì)影響穿透機(jī)械力與葉片功能性狀相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱；而3 種穿刺針直徑測(cè)定的穿透力差異不會(huì)影響穿透機(jī)械力與葉片功能性狀的相關(guān)關(guān)系。

本研究從葉片穿透力測(cè)量的影響因素出發(fā)，揭示了不同穿刺針直徑和校準(zhǔn)方法下葉片穿透力之間的差異，以及該差異對(duì)其與葉片功能性狀相關(guān)性的影響。葉片穿透力測(cè)試過(guò)程中校準(zhǔn)方法和穿刺針直徑的選擇對(duì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，在此建議在兩種校準(zhǔn)方法下首先選用以針周長(zhǎng)校準(zhǔn)的方法，在3種穿刺針直徑中選用0.5 mm測(cè)量葉面積小、葉脈密度大且較薄的葉片，選用2 mm 測(cè)量葉面積大、葉脈密度大且較硬的葉片。如今，隨著氣候變化的加劇，植物在不同的環(huán)境中會(huì)有不同的機(jī)械抗性以及葉片的結(jié)構(gòu)性狀，在此研究基礎(chǔ)上，未來(lái)可選用合適的針直徑和校準(zhǔn)方法測(cè)量地域植物的機(jī)械抗性強(qiáng)度，探討其與葉片性狀的關(guān)系，研究植物在不同環(huán)境中的群落動(dòng)態(tài)變化及生態(tài)演替。