長白山6種闊葉樹測定樹木葉面積的最適葉片數(shù)量1)

劉穎 劉琪璟 宋超杰 錢尼澎 秦立厚

(北京林業(yè)大學(xué),北京,100083) (國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院)

葉片是與大氣環(huán)境接觸面積最大的植物器官,葉片形態(tài)性狀的差異能反映植物對環(huán)境的適應(yīng)性[1],葉片大小(葉面積,葉片表面的單側(cè)投影面積)在葉片形態(tài)性狀中與生態(tài)功能緊密相關(guān)。葉面積大小反映植物對光的攔截能力,直接影響了植物光合作用和呼吸作用;葉面積大小也會影響葉片溫度,從而影響植物的蒸騰作用[2-3]。葉面積能揭示植物面對環(huán)境脅迫、干擾時的生態(tài)策略(除系統(tǒng)發(fā)育外),是分析植物生長和預(yù)測產(chǎn)量的重要指標[4-6]。由葉面積可間接獲得葉面積指數(shù),被定義為每單位水平地面表面積總?cè)~面積的一半,是林木冠層結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵參數(shù)。因此,準確、快速地獲取植物葉面積平均大小,對植物的形態(tài)特征及生態(tài)系統(tǒng)特征與功能的研究都有重要意義。

葉面積的測量方法分為方格法、葉形紙稱質(zhì)量法、打孔稱質(zhì)量法、數(shù)字圖像處理法,其中數(shù)字圖像處理法由于其精度高、人力成本低的優(yōu)點被普遍推廣。在所有葉面積測量方法中,對取樣數(shù)量通常是選擇10株生長狀況正常的樹木,在每株樹選取 4片健康無病害的葉片,在野外樣地某一樹種數(shù)量稀少的情況下至少也應(yīng)該選擇5株生長狀況正常的樹木,保證25片的最低取樣數(shù)量[7]。但是,由于受植物的系統(tǒng)發(fā)育和環(huán)境影響,植物葉片大小存在種間差異和種內(nèi)變異,所以簡單取樣25～40片葉片并不能代表植物自身葉面積的平均水平;而關(guān)于葉片最適取樣數(shù)量的相關(guān)研究較少[8]。

為此,本研究于2019年7—8月份,在長白山闊葉紅松林中選取假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、色木槭(Acermono)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、糠椴(Tiliamandshurica)、擰筋槭(Acertriflorum)6個闊葉樹種為研究對象,在采集葉片前將樹木大小劃分為3個徑級,每個等級選擇3～4棵樣樹,每個樹種選取10株;針對選取的樣樹、新鮮倒木,將樹冠劃分為上、中、下3部分,應(yīng)用高枝剪等工具在樹冠中部的東、西、南、北4個方位以及樹冠底部、樹冠上部2個方位,共6個方位,分別選取生長狀況良好的葉片,作為抽樣總體。應(yīng)用Excel進行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分析,獲取6個樹種、3個胸徑等級、6個取樣方位的葉面積平均值和標準誤差;應(yīng)用R 4.2.3中的單因素方差分析法(ANOVA)對6個樹種的葉面積進行方差分析,并通過多重比較法(Tukey HSD法)分析不同樹種之間葉面積的差異性;應(yīng)用t.test函數(shù)計算不同胸徑等級、不同取樣方位的差異性,分析不同樹種在區(qū)分胸徑等級和取樣方位時葉面積均值與總體葉面積均值的差異;應(yīng)用t檢驗法和隨機抽樣法,分析不同樹種確定樹木葉面積的最適葉片取樣數(shù)量、6個樹種在區(qū)分胸徑和取樣方位時確定樹木葉面積的最適取樣數(shù)量。旨在為野外工作采取葉片時提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為長白山國家級自然保護區(qū),位于吉林省東南部(127°42′55″～128°16′48″E、4l°41′49″～42°25′18″N),是我國最重要的天然森林生態(tài)系統(tǒng)之一。年均氣溫5 ℃,年降水量700～1 400 mm,夏季為主要雨季,降水占全年降水量的一半以上,無霜期占全年的三分之一左右,年日照時間不足2 300 h。該地區(qū)受季風(fēng)影響,是溫帶大陸性山地氣候,具有明顯的垂直氣候帶,可劃分中溫帶、寒溫帶、高山亞寒帶3個氣候帶。植被類型也隨著氣候有著明顯的垂直分布,在海拔700～1 100 m,主要植被類型為闊葉紅松林;海拔1 100～1 700 m,主要植被類型為云冷杉林;海拔1 700～2 000 m,主要植被類型為岳樺(Betulaermanii)林;海拔2 000 m以上,主要植被類型為高山苔原。紅松闊葉林是長白山地區(qū)典型的地帶性植被類型,垂直結(jié)構(gòu)明顯,主林層主要樹種有紅松(Pinuskoraiensis)、春榆(Ulmusjaponica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、色木槭(Acermono)、紫椴(Tiliaamurensis)、擰筋槭(Acertriflorum)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、糠椴(Tiliamandshurica)等樹種,此外還分布有山楊(Populusdavidiana)、大青楊(Populusussuriensis)、白樺(Betulaplatyphylla)等少量先鋒樹種。亞林層中主要有假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、水榆花楸(Sorbusalnifolia)、青楷槭(Acertegmentosum)、黑櫻桃(Cerasusmaximowiczii)等樹種。

2 研究方法

在長白山闊葉紅松林內(nèi)采集樣品。選取6個闊葉樹種作為研究對象,分別為假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、色木槭(Acermono)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、糠椴(Tiliamandshurica)、擰筋槭(Acertriflorum)。在采集葉片前將樹木大小劃分為3個徑級(D),小徑樹木(D1)、中徑樹木(D2)、大徑樹木(D3)。由于6種闊葉樹的性狀差異,樹木大小3個等級對應(yīng)的胸徑大小不一致,其中:假色槭,D≤10 cm為D1、10 cm15 cm為D3;擰筋槭,D≤10 cm為D1、10 cm20 cm為D3;其余4個樹種,D≤15 cm為D1、15 cm30 cm為D3。取樣時間為2019年7—8月份,各樹種的葉片展葉期基本結(jié)束,葉片大小處于比較穩(wěn)定的時期。每個等級選擇3～4棵樣樹,每個樹種選取10株。針對選取的樣樹、新鮮倒木,將樹冠劃分為上、中、下3部分,應(yīng)用高枝剪等工具在樹冠中部的東、西、南、北4個方位以及樹冠底部、樹冠上部2個方位,共6個方位,分別選取生長狀況良好的葉片20片,每株樹共計選取120片葉片;編號后裝入密封袋,并放入冷藏箱。6個樹種共采集葉片7 165片(假色槭1 193片、糠椴1 162片、蒙古櫟1 139片、擰筋槭1 216片、色木槭1 311片、紫椴1 144片),作為抽樣總體。通過掃描儀獲取葉片圖像,葉面積計算通過MATLAB程序計算。

應(yīng)用Excel進行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)分析,獲取6個樹種、3個胸徑等級、6個取樣方位的葉面積平均值和標準誤差。應(yīng)用R 4.2.3中的單因素方差分析法(ANOVA)對6個樹種的葉面積進行方差分析,并通過多重比較法(Tukey HSD法)分析不同樹種之間葉面積的差異性;應(yīng)用t.test函數(shù)計算不同胸徑等級、不同取樣方位的差異性,分析不同樹種在區(qū)分胸徑等級和取樣方位時葉面積均值與總體葉面積均值的差異;應(yīng)用Sample程序包對每個樹種所有葉面積樣本以及在區(qū)分胸徑等級和取樣方位時的葉面積樣本,進行有放回的隨機抽樣,將每次隨機抽樣得到的目標樣本與抽樣總體進行獨立樣本t檢驗,直至目標樣本與抽樣總體之間的差異不顯著時,此時的取樣數(shù)量為能代表整體的最小取樣數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉面積特征

由正態(tài)性檢驗可知,6個樹種的抽樣總體葉面積都符合正態(tài)分布。由表1可見:紫椴與色木槭的葉面積之間沒有顯著性差異,其余各樹種的葉面積大小之間均存在顯著差異。其中葉面積最小的樹種是擰筋槭(11.77 cm2),同時也是葉面積變幅最小的樹種,介于1.02～29.77 cm2之間;葉面積最大的樹種是糠椴(79.56 cm2),同時是葉面積變幅最大的樹種,介于25.13～198.88 cm2之間。

表1 6個樹種的抽樣總體葉面積

由圖1可見:在葉面積與樹木胸徑的相關(guān)性分析中,糠椴、紫椴、色木槭的葉面積,與胸徑之間呈現(xiàn)較顯著的負相關(guān);蒙古櫟的葉面積,與胸徑之間呈現(xiàn)極不顯著的負相關(guān);而假色槭、擰筋槭的葉面積,與胸徑之間呈現(xiàn)為極不顯著的正相關(guān)。

圖1 6個樹種胸徑與葉面積的相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2可見:在葉面積與樹木冠層位置的相關(guān)性分析中,糠椴、假色槭的葉面積,與樹木冠層位置呈現(xiàn)極不顯著的正相關(guān);而蒙古櫟、色木槭、擰筋槭的葉面積,與樹木冠層位置表現(xiàn)為極不顯著的負相關(guān);紫椴的葉面積,與樹木冠層位置表現(xiàn)為顯著負相關(guān)。

圖2 6個樹種冠層位置與葉面積的相關(guān)性分析結(jié)果

3.2 葉面積在不同胸徑等級時與不同取樣方位時的差異

由獨立樣本t檢驗的結(jié)果可見,6個樹種在不同胸徑等級時,與抽樣總體葉面積均值的差異不同(見表2)。蒙古櫟,在3個不同胸徑等級時的葉面積均值,與總體葉面積均值均沒有顯著性差異,表明在確定蒙古櫟單葉葉面積大小時,胸徑大小對其沒有顯著的影響。色木槭、糠椴、紫椴,在3個胸徑等級時的葉面積,均表現(xiàn)為與總體葉面積均值存在顯著差異。假色槭,在D1、D3胸徑等級時的葉面積,與總體葉面積有顯著的差異;在D2胸徑等級時的葉面積均值,與總體不存在顯著的差異,表明D2胸徑等級時的假色槭葉面積均值能夠代表該樹種的平均葉面積大小。擰筋槭的葉面積均值,僅在D1胸徑等級時與總體葉面積均值存在顯著性差異;在D2、D3胸徑等級時的葉面積均值,與總體葉面積均值均無顯著性差異。由圖3可見,6個樹種均表現(xiàn)為在D2胸徑等級時的葉面積均值與總體葉面積均值的差異更小、更穩(wěn)定。

表2 6個樹種不同胸徑等級時的葉面積(t檢驗)

橫坐標數(shù)據(jù)的負數(shù),表示不同胸徑等級時葉面積均值小于總體葉面積均值;橫坐標數(shù)據(jù)的正數(shù),表示不同胸徑等級時葉面積均值大于總體葉面積均值。

擰筋槭、色木槭、蒙古櫟在6個方位時的葉面積均值,與總體葉面積均值之間的相關(guān)性,經(jīng)t檢驗結(jié)果表明(見表3):3個樹種不同方位時的葉面積與抽樣總體葉面積之間沒有顯著差異;假色槭在南方位的葉面積均值,與抽樣總體葉面積之間存在顯著差異,其余5個方位均未表現(xiàn)出顯著差異;糠椴在北方位、東方位的葉面積均值,與抽樣總體葉面積之間存在顯著差異,其余4個方位均未表現(xiàn)出顯著差異;紫椴在東方位、上方位、下方位的葉面積均值,與抽樣總體葉面積之間有顯著差異,而其余3個方位均未表現(xiàn)出顯著差異。

表3 6個樹種不同取樣方位時的葉面積(t檢驗)

6個樹種在不同方位時的葉面積與總體葉面積均值的差異不同(見圖4);假色槭北方位、擰筋槭上方位、色木槭東方位、蒙古櫟北方位、糠椴上方位、紫椴西方位的葉面積,與各自總體葉面積均值的差異更小、更穩(wěn)定;6個樹種中,僅有紫椴在下方位取樣與總體有顯著性差異,說明在野外取樣時其余5個樹種可以選擇下方位的葉片,降低野外取樣難度。

橫坐標數(shù)據(jù)的負數(shù),表示不同取樣方位時葉面積均值小于總體葉面積均值;橫坐標數(shù)據(jù)的正數(shù),表示不同取樣方位時葉面積均值大于總體葉面積均值。

3.3 葉片取樣數(shù)量的界定

以6個樹種的抽樣總體為基礎(chǔ)進行隨機抽樣與檢驗表明,隨著隨機抽樣數(shù)量的增加,平均值趨于穩(wěn)定,置信區(qū)間的變幅也變小(見圖5);葉片隨機抽樣數(shù)量,假色槭大于644片、色木槭大于750片、蒙古櫟大于677片、糠椴大于648片、紫椴大于697片、擰筋槭大于701片時,所獲得的目標樣本與抽樣總體無顯著差異。因此,在不考慮胸徑等級和方位時,以上葉片數(shù)為6個樹種的葉片最小取樣數(shù)量;在考慮胸徑等級和方位時,選取紫椴D2等級西方位的葉片進行隨機抽樣,其余5個樹種均選取D2等級下方位的葉片進行隨機抽樣。

由圖6可見:紫椴39片、色木槭46片、擰筋槭66片、蒙古櫟17片、糠椴65片、假色槭30片,為最小取樣葉片數(shù)量。

圖6 6個樹種在區(qū)分胸徑和取樣方位后葉面積的隨機抽樣均值和95%置信區(qū)間及其差異性檢驗結(jié)果

由圖7可見:在不考慮胸徑等級和方位時,6個樹種的葉片最小取樣數(shù)量與變異系數(shù)之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。表明不同樹種的最適葉片取樣數(shù)量不同,與種內(nèi)的葉片變異系數(shù)密切相關(guān)。

圖7 6個樹種最小取樣數(shù)量與變異系數(shù)的相關(guān)性

4 討論

4.1 葉片的種間變異和種內(nèi)變異

關(guān)于植物性狀的研究中,依據(jù)種間變異和種內(nèi)變異,最少或最適采樣數(shù)量的確定,對葉片物候的估計[9]、葉片對稱性的判定[10]、細根性狀參數(shù)估計[11]等都能提高結(jié)果精度;而葉面積的變異由種間變異和種內(nèi)變異共同驅(qū)動,因此,對于不同樹種、不同生境時,應(yīng)該存在相應(yīng)的葉片采樣數(shù)量。本研究中,6個樹種葉面積也存在顯著的種間變異;種間變異是自然群落中物種共存的基礎(chǔ),有研究表明不同物種間的性狀變異概率可達75%[12]。在葉片采樣時,對于同一物種的葉片大小,不同個體或同一個體內(nèi)也會發(fā)生變異,這與樹木年齡、經(jīng)緯度、海拔、溫度、光照、水分等因素有關(guān)[12-15]。

4.2 葉片取樣數(shù)量與樹種的關(guān)系

對于不同樹種確定平均葉面積應(yīng)須有相應(yīng)的葉片取樣數(shù)量[16]。本研究中,6種闊葉樹的最適取樣數(shù)量不同;因此在取樣時不應(yīng)使用固定的25～40片的取樣數(shù)量,而需要根據(jù)樹種確定取樣數(shù)量。本研究表明,6個樹種的最小取樣數(shù)量均遠大于40片,說明采樣25～40片葉片遠遠不能滿足精度需要。Alves-Silva et al.[17]研究表明,相比于約定俗成的采樣數(shù)量,選擇有針對性的采樣數(shù)量,能更為準確地描述葉片形態(tài)特征。最適取樣數(shù)量與總體樣本中的變異系數(shù)密切相關(guān),Petruzzellis et al.[18]在分析葉面積、葉片干質(zhì)量等指標時表明,擁有不同變異系數(shù)的個體,應(yīng)該選擇不同的采樣策略和數(shù)量,以達到推斷試驗結(jié)果的精度。本研究表明,色木槭的葉面積變異系數(shù)最大,所需要的采樣數(shù)量也是最多的(750片);假色槭的葉面積變異系數(shù)最小,所需要的采樣數(shù)量是最少的(644片)。在已有研究中,森林的垂直結(jié)構(gòu)對植物的功能性狀和生理過程都存在一定的影響[19-20]。本研究的6個樹種中,只有假色槭是亞喬木樹種,生長于闊葉紅松林的亞林層,獲取光照相對困難,因此葉片大小的種內(nèi)差異較小,普遍選擇相對大的葉片攔截更多的光,這也是假色槭測定樹木葉面積需要葉片取樣數(shù)量最小的原因之一。

4.3 取樣數(shù)量與胸徑、取樣方位的關(guān)系

樹木大小影響葉片大小,樹木在不同生長階段的資源利用策略不總是一致[21],小樹為了截取更多的光照以維持自身的生長發(fā)育,葉片一般大且薄;大樹為了減少蒸騰作用,葉片一般小且厚[22-23]。Desmon et al.[24]研究橡樹葉片形狀和大小表明,選擇適當樹木大小并確定取樣數(shù)量,能夠準確反映氣候和緯度變化對植物的影響。本研究中,6種闊葉樹在D1等級時,葉面積均值比總體葉面積均值基本偏大;在野外采樣時,選擇中等徑級的樹木可以準確地得到樹木平均葉面積大小,由此避免選擇過于高大的樹木,降低采樣難度。光照也會影響葉片大小,主要表現(xiàn)為所處冠層位置。已有研究表明,葉片大小一般隨著冠層高度的增加而降低[25]。本研究中,6種闊葉樹中的紫椴、蒙古櫟、色木槭、擰筋槭,均存在隨著冠層高度增加葉面積減少的趨勢,其中紫椴葉面積與冠層高度存在顯著負相關(guān),這表明,冠層高度影響葉周邊的環(huán)境;而葉片為了適應(yīng)不同的光照環(huán)境會改變其形態(tài)特征和光合特性[26-27]。已有的研究,較多選擇“陽葉”以控制葉片性狀變化[28],但在實際情況中,葉子的形狀和大小會根據(jù)樹上的葉子位置而變化[29]。本研究表明,排除其它冠層測定葉面積,不僅會使結(jié)果偏小,還會低估葉面積變異系數(shù)。因此,本研究建議,在確定取樣數(shù)量時應(yīng)考慮取樣方位條件,在不影響精度的前提下盡量選擇樹冠下層葉片。此外,大量研究表明,在光照條件下,枝條的粗細也與葉面積密切相關(guān);一般情況下,較細枝條的葉片大且疏,較粗枝條的葉片小且密[30-31]。因此,在確定最適取樣葉片數(shù)量時,也可考慮枝條粗細的條件,從而得到更加準確的樹木葉面積,此方面的研究仍然比較欠缺。

5 結(jié)論

本研究獲得了6個闊葉樹種在測定樹木葉面積時的最適葉片取樣數(shù)量,分析了葉面積與胸徑、冠層位置的關(guān)系;認為在確定葉片取樣數(shù)量時,應(yīng)該考慮樹木胸徑、取樣方位;獲得了6個樹種在區(qū)分胸徑、取樣方位時的取樣數(shù)量,在此條件下能夠減少野外工作的盲目性。本研究結(jié)果,可為長白山6個闊葉樹種的葉面積采樣數(shù)量提供參考。

致謝：森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業(yè)大學(xué))為本研究提供實驗條件;吉林省長白山國家級自然保護區(qū)管理局為本研究開展野外工作提供方便。