西藏高寒草地釘柱委陵菜葉片形態(tài)性狀的海拔變化分析

夏茂林 曲廣鵬 吉使阿微 趙景學(xué),

1.西藏自治區(qū)畜牧總站，拉薩 850000；2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院草業(yè)科學(xué)研究所，拉薩 850000；3.蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院，蘭州 730000

葉片性狀與植物的生長(zhǎng)密切相關(guān)，可以表征植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)和生存策略[1,2]。葉片大小是植物的關(guān)鍵形態(tài)特征，其變化可以改變植物的熱力學(xué)穩(wěn)定特性、水分平衡和光合速率，進(jìn)而在植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化（如溫度、降水和土壤養(yǎng)分的變化）中發(fā)揮重要作用[3,4]。自工業(yè)革命以來，全球氣候已發(fā)生巨大變化，這將會(huì)顯著影響植物的葉片形態(tài)性狀，進(jìn)而影響高寒生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[5]。在氣候變暖背景下，目前仍不清楚高山植物的葉片大小是否存在一致的海拔變化趨勢(shì)。理解未來氣候變化將如何影響植物葉片的大小，將有助于更好的預(yù)測(cè)植物在高山生態(tài)系統(tǒng)中的分布。

探索植物葉片大小隨海拔變化的趨勢(shì)及其調(diào)控因素，可以幫助我們更好地理解高山植物如何適應(yīng)環(huán)境和氣候變化。通常而言，在溫度或養(yǎng)分受限的生境，植物葉面積往往較小[5,6]。越來越多的證據(jù)也表明，在氣候變暖或土壤養(yǎng)分增加的背景下，植物葉片面積呈增加趨勢(shì)[7]。然而，也有研究表明，植物葉片大小隨降水和太陽輻射的變化并未呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律[8]。海拔梯度已被很好地用于預(yù)測(cè)高山生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境變化（如溫度、降水、太陽輻照度和土壤養(yǎng)分）的研究中[9,10]。一些研究表明，與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的植物葉片面積較小[6]。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片大小沒有顯著的海拔變化趨勢(shì)[11]。甚至有研究發(fā)現(xiàn)，與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的植物葉片面積更大[12]。因此，植物葉片形態(tài)性狀是否存在一致的海拔變化格局仍存在爭(zhēng)論。

青藏高原擁有全球面積最大、分布最廣的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)[13]。水熱條件和土壤養(yǎng)分是限制高寒草地生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[14,15]。研究表明，在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，植物葉片性狀與生長(zhǎng)季溫度和降雨量呈正相關(guān)，說明環(huán)境因素可能在影響葉片大小方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[16]。近年來，青藏高原的氣候變暖趨勢(shì)較全球其他區(qū)域更為明顯，且增溫幅度將在未來幾十年持續(xù)加劇，這將顯著影響高寒植物的葉片功能特征，進(jìn)而影響高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[17]。在西藏的典型高山草甸生態(tài)系統(tǒng)，隨著海拔的升高，短波輻射相對(duì)較高，空氣溫度較低。與低海拔地區(qū)相比，低溫是影響高海拔植物葉片性狀的重要因素，隨著海拔升高，植物葉面積呈整體降低趨勢(shì)[16,18]。已有研究也證實(shí)了模擬增溫對(duì)沿海拔梯度高寒草地高山植物多樣性和生產(chǎn)力的潛在影響[19]，但只有少數(shù)研究考慮了氣候和環(huán)境因素對(duì)高山植物葉片形態(tài)性狀的影響[7,20]。

為了探究青藏高原典型高寒草地草本植物葉片特性的海拔變化趨勢(shì)，我們?cè)谖鞑啬钋嗵乒爬降哪掀卵睾０翁荻龋?400～5200 m）設(shè)置了7 個(gè)觀測(cè)樣點(diǎn)，選擇各樣點(diǎn)共有的釘柱委陵菜（Potentilla saundersiana）為研究對(duì)象，測(cè)量了葉片長(zhǎng)度、寬度、周長(zhǎng)、面積、長(zhǎng)寬比、周長(zhǎng)/面積比等，探討葉片這些形態(tài)性狀隨海拔的變化趨勢(shì)，可以有效地提高預(yù)測(cè)高寒植物葉片大小對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)的能力。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究樣地位于西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣念青唐古拉山脈的南坡（圖1），東經(jīng)91°03'，北緯30°30'～30°32'，海拔4400～5200 m，海拔跨度達(dá)800 m。該地區(qū)屬于高原亞寒帶季風(fēng)半干旱氣候，年均氣溫為1.92℃，年降水量為479 mm，90 %的降水集中在生長(zhǎng)季期間。在過去的50 年里，該研究區(qū)域的總體氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，且最近十幾年來升溫速率有明顯上升趨勢(shì)[14,15]。在海拔4400～5200 m 范圍內(nèi)，分布有高寒草甸和高寒草原群落。高寒草甸群落以高山嵩草為優(yōu)勢(shì)種，高寒草原群落以紫花針茅和絲穎針茅為優(yōu)勢(shì)種，其他共存種主要有釘柱委陵菜（Potentilla saundersiana），青藏薹草（Carex moorcroftii），川藏風(fēng)毛菊（Saussurea stoliczkae），高山唐松草（Thalictrum alpinum），西藏報(bào)春（Primula tibetica），冰川棘豆（Oxytropis proboscidea）。

1.2 葉片采集和葉片性狀的測(cè)定

2021 年8 月，選擇在西藏念青唐古拉山各海拔樣點(diǎn)的共有物種釘柱委陵菜（Potentilla saundersianaR.）為研究對(duì)象，沿著海拔梯度，其蓋度為5～20%。我們分別在4400 m、4500 m、4650m、4800m、4800m、5100 m和5200 m 樣點(diǎn)采集釘柱委陵菜的葉片，共采集到1444 個(gè)葉片。在每個(gè)海拔樣點(diǎn)，選擇同等大小的植株，且在相同的部位進(jìn)行葉片采集，每個(gè)植株采集2個(gè)葉片。各海拔樣點(diǎn)的葉片采集數(shù)如表1。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，用掃描儀（Epson STD 4800Q）進(jìn)行葉片圖像掃描，然后使用WINFOLIA 葉面積分析軟件（Version:Pro 2020;Regent Instruments Canada Inc.,2020）得出葉片寬度、長(zhǎng)度、葉周長(zhǎng)、葉面積，長(zhǎng)寬比和面積周長(zhǎng)比。

表1 各海拔樣點(diǎn)植被類型和葉片采集數(shù)量Table 1 Information for vegetation type and leaf samples at each altitude

1.3 環(huán)境因子和土壤理化的測(cè)定

為了描述與植物葉性狀有關(guān)的環(huán)境因子，在沿著海拔梯度的7 個(gè)樣地內(nèi)，安裝了HOBO 自動(dòng)氣象站（Onset Inc.,Bourne,MA,USA），每隔1 小時(shí)記錄一次氣溫、降水量、光合有效輻射、土壤溫度和土壤濕度。我們?cè)诿總€(gè)對(duì)應(yīng)的樣方內(nèi)用土鉆（直徑3.8 cm）鉆取土壤樣品。取樣方法為：在每個(gè)樣方的四角和中心點(diǎn)鉆取5 鉆，收集土壤樣品（0～10 cm），并立即轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室，通過2 mm 網(wǎng)篩進(jìn)行篩土，同時(shí)去除所有枯枝落葉，細(xì)根和石頭等雜物。土壤樣品分為：新鮮土樣和風(fēng)干土樣，新鮮土樣用于分析土壤速效氮（AN），風(fēng)干土用于測(cè)量土壤有機(jī)碳（SOC）和土壤總氮（TN）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用單因素方差分析（ANOVA）各指標(biāo)間的海拔差異，采用皮爾遜相關(guān)分析用于評(píng)估葉片性狀與生物和非生物因素之間的差異，所有統(tǒng)計(jì)分析和圖表繪制均是通過使用Excel、SPSS 26.0（SPSS Inc.,Chicago,Illinois,USA）、Origin Pro 2021（OriginLab Corporation,Northampton,MA,USA）等軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境因子的海拔梯度變化

對(duì)7個(gè)海拔樣點(diǎn)小型氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)季空氣溫度（GSAT）和土壤溫度（GSST）均隨著海拔的升高而呈逐漸降低趨勢(shì)，而生長(zhǎng)季降水量（GSP）整體呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)（表2），表明高海拔樣點(diǎn)較低海拔具有好的水分條件，而低海拔區(qū)域擁有適宜的溫度條件。土壤有機(jī)碳（SOC）、總氮（TN）、和速效氮（AN）總體上沿梯度呈先增加后降低的單峰分布趨勢(shì)，且在4950 m 樣點(diǎn)達(dá)到峰值（表2），這說明在該海拔樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分條件最佳。

表2 各海拔樣點(diǎn)環(huán)境因子和土壤理化特征的差異Table 2 Environmental factor and soil characteristics along the altitudinal gradient

2.2 葉片性狀的海拔變化趨勢(shì)

隨著海拔梯度增加，釘柱委陵菜的葉片大小呈降低的趨勢(shì)。其中，葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)和葉面積均隨海拔升高而呈顯著下降趨勢(shì)（圖2）。相關(guān)分析也表明，葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)和葉面積與海拔呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3）。葉周長(zhǎng)、葉面積和葉片周長(zhǎng)面積比均隨著海拔升高呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)（圖3），表明釘柱委陵菜的葉片隨海拔升高整體表現(xiàn)出“短且窄”的趨勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，葉片周長(zhǎng)/面積比隨海拔升高呈增加趨勢(shì)，而葉片長(zhǎng)寬比隨海拔升高無顯著的變化趨勢(shì)，表明葉周長(zhǎng)的降低趨勢(shì)小于葉面積降低的幅度，這可能是隨著海拔升高釘柱委陵菜的葉齒數(shù)將趨于增加。

圖2 葉片長(zhǎng)、寬、周長(zhǎng)和面積的海拔差異及變化趨勢(shì)Figure 2 Altitudinal variations of leaf length,width,perimeter,and area

圖3 葉長(zhǎng)寬比和周長(zhǎng)面積比的海拔差異及變化趨勢(shì)Figure 3 Altitudinal variations of leaf length/width ratio(L/W)and leaf perimeter and area ratio(P/A)

2.3 葉片性狀與環(huán)境因子的關(guān)系

釘柱委陵菜葉面積隨著平均生長(zhǎng)季節(jié)氣溫的升高而呈顯著增加趨勢(shì)（圖4）。葉面積、葉長(zhǎng)和葉寬與生長(zhǎng)季平均溫度呈正相關(guān)，這表明釘柱委陵菜的葉片在溫暖地區(qū)會(huì)變得更大、更長(zhǎng)，而在寒冷地區(qū)則會(huì)變得更小、更短（圖4），這可能反應(yīng)了高山植物對(duì)氣候變暖的適應(yīng)和生長(zhǎng)優(yōu)化策略。然而，生長(zhǎng)季降雨量?jī)H與葉寬呈顯著相關(guān)關(guān)系，而與其他葉面積性狀的關(guān)系并沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平，這說明降雨量可能不是限制釘柱委陵菜葉片面積性狀海拔變化的主要因素。同時(shí)，葉片面積屬性與土壤養(yǎng)分含量均無顯著關(guān)系（圖4），表明土壤養(yǎng)分差異也不是調(diào)控釘柱委陵菜葉屬性海拔變化的主要因素。

圖4 葉片性狀與環(huán)境因子的相關(guān)分析Figure 4 Relationships among leaf traits and environmental factors

3 討論

高寒植物葉片性狀的海拔變化可以反映其對(duì)不同氣候和環(huán)境壓力的適應(yīng)策略。本研究的結(jié)果表明，釘柱委陵菜的葉片大小隨著海拔的升高而呈減小趨勢(shì)，且葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)和葉面積均與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。同我們的研究結(jié)論一致，一些在青藏高原高寒草地的研究也表明，植物葉面積隨海拔升高而呈顯著降低趨勢(shì)［16,18］。植物葉面積的變化往往與其他葉片形態(tài)特征的變化有關(guān)。植物葉面積與其他葉片形態(tài)性狀的協(xié)同變化可以為我們理解高山植物如何適應(yīng)環(huán)境變化提供重要的思路。然而，目前很少有研究關(guān)注海拔梯度上高寒植物葉面積與其他葉片形態(tài)性狀關(guān)聯(lián)。本研究結(jié)果表明，沿著海拔梯度，釘柱委陵菜葉面積與葉長(zhǎng)和葉寬均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明葉長(zhǎng)和葉寬的減少是葉面積降低的主要原因，也進(jìn)一步表明，釘柱委陵菜的葉片在低海拔區(qū)域往往呈較長(zhǎng)且較寬趨勢(shì)，而在高海拔地區(qū)則逐漸趨于較短且較窄。

高海拔地區(qū)通常擁有較低的年均溫、強(qiáng)烈的紫外線照射和大風(fēng)天氣，這些環(huán)境因素將導(dǎo)致植物葉面積降低。另外，還有研究證據(jù)表明，在高海拔和寒冷地區(qū)，大的植物葉片通常更容易受到低溫造成的損害［21］。通常情況下，在高海拔地區(qū)，小葉植物較大葉植物可能更能抵抗寒冷和霜凍環(huán)境，這主要是因?yàn)樾∪~片的邊界層相對(duì)較薄，可以保持較高的夜間溫度。同時(shí)，較小的植物葉面積可以防止其受到高強(qiáng)度紫外線照射和強(qiáng)風(fēng)的傷害。因此，在高山草甸生態(tài)系統(tǒng)中，大葉片物種并不常見，而小葉片植物被證明能較好地適應(yīng)寒冷和高海拔地區(qū)的氣候環(huán)境。

隨著生長(zhǎng)季平均氣溫的升高，釘柱委陵菜的葉片面積呈顯著增加趨勢(shì)，這也反映了高山植物對(duì)氣候變暖的適應(yīng)和生長(zhǎng)優(yōu)化策略。葉長(zhǎng)、葉寬、葉周長(zhǎng)和葉面積與生長(zhǎng)季平均溫度的顯著正相關(guān)也表明，在溫暖地區(qū)植物的葉片將傾向于，變得更長(zhǎng)、更寬和更大，而在寒冷地區(qū)則變得更短、更窄和更小。釘柱委陵菜為掌狀分裂葉,而葉裂性狀的海拔變化可表征其在對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性特征［22］。葉片周長(zhǎng)/面積比隨著海拔的升高而顯著增加，這表明釘柱委陵菜還有較高的葉裂屬性，使植物趨于保溫和保水的方向發(fā)展，這將有利于其將資源最大化的投入到自身生長(zhǎng)發(fā)育中［23］。此外，以往的研究表明，降水和土壤水分也是調(diào)節(jié)植物葉片大小的重要因素，因?yàn)檫@些因素會(huì)影響與植物葉片大小相關(guān)的其它葉片形態(tài)特征。然而，我們發(fā)現(xiàn)僅僅葉長(zhǎng)與生長(zhǎng)季降水具有顯著相關(guān)關(guān)系，這表明本研究中降水條件可能主要通過改變釘柱委陵菜的葉長(zhǎng)進(jìn)而影響其葉面積的海拔變化。土壤養(yǎng)分限制是高寒草地植被生長(zhǎng)的主要限制因子。已有研究也發(fā)現(xiàn)，土壤肥力對(duì)植物葉片性狀的影響更大［21］。然而，我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物葉片面積屬性與土壤養(yǎng)分含量均無顯著關(guān)系。因此，土壤養(yǎng)分不是影響高寒草甸植物葉面積海拔變化的主要限制因素。

4 結(jié)論

通過對(duì)西藏念青唐古拉山南坡4400～5200 m之間7個(gè)不同海拔梯度樣地的釘柱委陵菜葉片形態(tài)性狀進(jìn)行測(cè)量分析。隨著海拔升高，釘柱委陵菜的葉片面積降低，整體表現(xiàn)出“短且窄”的趨勢(shì)，且葉片性狀之間存在相互聯(lián)系和協(xié)同變化。說明釘柱委陵菜主要采取了減小葉面積的對(duì)策，幫助自身抵御寒冷、提高水分利用效率，并將捕獲的資源最大化地投入到植物生長(zhǎng)發(fā)育中，從而延長(zhǎng)壽命，有利于在寒冷的高山生境中存活。