秦王川濕地濱藜葉脈性狀與蒸騰速率關系對種群密度的響應

任 悅,趙成章,李雪萍,張 晶,雷 蕾

西北師范大學地理與環境科學學院,甘肅省濕地資源保護與產業發展工程研究中心,蘭州 730070

蒸騰速率直接決定了植物體內的水分平衡[1],影響植物體與外界環境間的物質循環效率[2]。葉片形態能夠反映植物適應特定生境的光合生理生態特性,在植物與環境協同進化過程中,逐步形成了特定的葉脈性狀[3],并培育了物質傳輸、葉片保護、光能截獲、水分供給平衡等方面的支持功能,為植物應對各種脅迫和干擾,正常開展生長和繁殖活動提供了保障[4]。面對資源異質性分布的生境和植物生活史中光合產物的供需矛盾,葉片各功能性狀的自我調整與適應顯得至關重要[5],葉脈網絡功能性狀具有物質運輸、葉片支撐與保護的生理學和力學雙重功能[6]。葉脈密度反映了葉脈與葉肉的接觸程度和葉片的碳投資,與葉面積大小、葉片厚度共同影響著植物的蒸騰速率、凈光合速率和水分利用效率,且能表征葉片抵御物理損傷的能力[7]；中脈直徑主要承擔葉片支撐和水分傳輸功能,是葉片展開和增大植物光截獲能力的重要基礎條件,直徑越大,表示葉脈系統的運輸能力也越強[8]。植物葉片的蒸騰速率受制于葉脈形態及其功能的發揮[9],較高的葉脈密度能夠供給蒸騰作用所需大量水分和能量消耗,有助于調控植物葉片溫度和維持植物體與土壤、大氣之間的物質循環[10- 11]；中脈直徑憑借較高的導水率和機械性能使得水分運輸到葉片末端比葉邊緣更容易,伴隨著較強的支撐力,能夠防止葉緣彎曲[12],進而有效調節植物的蒸騰速率,由此可知,葉脈密度和中脈直徑構建的資源配置機制,是協調統一葉片光合作用中水分運輸的有效性與安全性的重要基礎[13],反映了葉片在環境脅迫下為滿足植物的光合生理需求所形成的葉脈結構組合和水分運輸策略[7,14- 15]。密度通過影響植物群落的光照、溫度和土壤水分等環境條件,能夠引起不同程度的鄰體隱蔽和生存空間競爭[16],改變種群內部每個植株可獲得性資源的數量,進而造成生境尺度的環境脅迫和干擾；為了創造合理的光截獲面積,獲取滿足植物光合作用的基本光照條件,避免不必要的資源浪費,植株會調整葉脈密度與中脈直徑的資源投入模式,從而維持植物蒸騰失水與土壤-植物-大氣連續體有效供水之間的動態平衡。因此,研究濕地植物葉蒸騰速率和葉脈性狀關系對密度制約的響應機制,對認識葉脈網絡建成中碳投入機制與植物光合效率之間的協同變異關系具有重要的理論意義。

濱藜為莧科濱藜屬的植物,是全世界干旱、半干旱地區的典型植物,具有適應性強、耐干旱、耐鹽堿的特點,多生長于海濱、輕度鹽堿濕地、草地和沙土地,也是西北荒漠區鹽沼濕地的優勢植物種群之一[17]。學術界圍繞葉脈網絡功能性狀與光合作用的關系[18]、葉片蒸騰速率和葉片導水能力[19- 20]、葉脈密度與葉大小[9,21]、葉脈功能性狀與葉厚度的權衡關系[4,22]、植物葉片光合參數與環境因子的關系[23]開展了廣泛研究,有關濱藜的生物學特征、對鹽分的適應性[17]也得到了重視,但密度制約下濕地植物葉脈性狀生長關系與蒸騰速率的調節分配機理尚不清晰。鑒于此,本研究以蘭州新區秦王川國家濕地公園鹽沼濕地的濱藜為研究對象,通過分析不同種群密度下濱藜蒸騰速率與葉脈性狀的關系,試圖明晰：(1)不同種群密度濱藜蒸騰速率與葉脈性狀存在何種關系？(2)形成這種生長關系的主要原因有哪些？旨在豐富對濕地植物葉脈性狀建成的種群適應性策略的認識和理解。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

研究區位于甘肅省蘭州市的秦王川國家濕地公園,地理坐標為36°27′59.6″N,103°39′5.6″E,海拔1895—1897 m,屬大陸性季風氣候,年平均氣溫6.9℃,年均降水量285 mm,主要集中在6—9月,年日照時間2700 h,平均無霜期126 d。由于地處烏鞘嶺褶皺山嶺南側的邊緣低山區,四周山地環繞,中心地帶地勢平坦開闊,形成盆地,盆地南部廣泛分布第四系松散層孔隙潛水,含水層為砂碎石及中細砂層,受常年或季節性水淹的影響,形成以淡灰鈣土為主的自然土壤,發育了水生和濕生植物群落,以濕生和挺水植物為主。主要植物有：濱藜、蘆葦(Phragmitesaustralis)、枸杞(Lyciumchincnse)、檉柳(Tamarixchinensis)、香蒲(Typhaangustifolia)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、紫菀(Astertataricus)、假葦拂子茅(Calamagrotispseudophragmites)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、苦苣菜(Sonchusoleraceus)、鹽角草(Salicorniaeuropaea)、早熟禾(Poaannua)等。

1.2 實驗設置

1.2.1 植物采樣及測量

2016年9月,在實地考察的基礎上,在濕地公園保育區選擇一塊長度約120 m、寬度約97 m、高度約2—3.1 m的臺階地,濱藜為單一優勢種的鹽沼濕地；隨著地勢的微弱抬升,濱藜的密度逐步增加、株叢直徑明顯增大,以“株”為取樣單位進行濱藜密度調查,發現濱藜密度介于9—21株/m2之間。在臺階地的東西向坡面從坡底向坡頂間隔10 m依次布置3條寬20 m、長60 m的樣帶,根據濱藜種群密度的變化規律,在3條平行樣帶上從臺地下緣向臺地頂部依次設置3個10 m × 10 m的樣地(I、II、III),分別為：1)高密度(I),位于臺地的中心,濱藜植株密度為16—21株/m2,株叢直徑和株高較大,土壤水分充足,光資源不足；2)中密度(II)位于臺地中心至邊緣地帶,濱藜植株密度為9—15株/m2,株叢直徑和株高居中,土壤水分及光資源適中；3)低密度(III)位于臺地的下邊緣,濱藜植株密度<9株/m2,株叢直徑和株高較小,土壤水分不足,光資源充足。在每個樣地隨機設置3個2 m × 2 m樣方,總計27個樣方。然后在每一個樣方隨機選擇6株濱藜(株高為大中小各2株),先用卷尺測量從基部到最高分枝的高度,定為株高,然后選取每個植株最外層四個方位充分伸展且健康完整的兩個葉片,做好標記后進行以下步驟：

(1)植物光合參數測定。于9月2—9日,選擇晴朗天氣的9:00—12:00,利用GFS-3000便攜式光合測量系統(Heinz Walz GmbH, Bavaria, Germany)進行每個標記葉片光合參數的測定。測量過程中使用人工紅藍光源,光合有效輻射(PAR)定為1200 μmol m-2s-1,CO2濃度約為340 μmol/mol,相對濕度(RH)保持在40%—50%,流速設定為750 μmol/s,每個葉片記錄6組數據用于統計分析,分別測定葉片的Pn、Tr及VPD等參數[24],葉室面積為8 cm2,將不能充滿葉室的葉片,保存于濕潤的封口袋中,帶回實驗室,用便攜式激光葉面積儀(CI-202, Walz, Camas, USA)測定葉面積,進而計算Pn和Tr。

(2)光合有效輻射(PAR)的測定。選擇與光合參數測定同一天,即晴朗無云的天氣,用手持光量子計(3415F, 3415F, Walz, Plainfield, USA)于9:00—11:00對3個樣地內濱藜種群的上方、中層和地表處進行PAR測定。

(3)葉性狀的測定?；诿總€濱藜被標記的兩個葉片,采集后保存于濕潤的封口袋中,帶回實驗室用福爾馬林-乙酸溶液(37%甲醛溶液,50%乙醇和13%冰醋酸溶液)固定。①每片葉子先測量葉片形態特征,將采集的葉片用干紗布擦干凈,用便攜式激光葉面積儀(CI-202, Walz, Camas, USA)對葉片進行掃描,測定葉面積；②葉脈密度的測量,用含5% NaOH的乙醇進行化學清理,再用番紅-固綠染色[25],用水包埋呈透明薄膜狀在體視顯微鏡(SMZ168-BL, Motic, Hong Kong, China)下放大10倍后拍照,每個葉片拍攝10個視野用于葉脈性狀的觀測,用Motic Images Plus 2.0軟件獲得各個照片中的中脈直徑和葉脈的總長度,所有照片中得出的平均值即為該葉片的中脈直徑和葉脈密度,葉脈密度用單位葉面積(單位: mm2)的葉脈總長度(單位: mm)表示[9]。最后將葉片裝入信封,于80℃烘箱中烘干48 h,稱量(精度0.0001 g)。比葉面積(SLA)用葉面積和葉干重的比值表示。

1.2.2 土壤取樣與理化性質測量

(1)土壤含水量采樣。土壤取樣于2016年9月下旬完成,取樣時間內基本無明顯降水,土壤水鹽狀況相對穩定。在小樣方內隨機選取3個樣點挖掘1 m × 1 m × 0.5 m土壤剖面,用環刀分5層間隔10 cm采取土樣,現場編號、各土層均勻混合稱鮮量,然后帶回實驗室在105℃的烘箱內烘12 h,取出稱質量,最后計算出各樣地的0—50 cm土層土壤質量含水量。

(2)土壤鹽分采樣。用電導法測定土壤含鹽量,在室溫下稱取過2 mm篩的風干土樣10 g,加50 mL去CO2蒸餾水(水土比為5∶1),取浸出液,置振蕩機上振蕩5 min。將布氏漏斗與抽氣系統相連后把懸濁的土漿緩緩倒入漏斗,直至抽濾完畢,濾液倒入三角瓶備用。用上海雷磁儀器廠生產的DDS-11C便攜式電導儀測浸出液的電導率,3次重復,取平均值。

1.3 數據處理

對不同蓋度樣地濕地群落生物學特征和濱藜種群的各功能性狀的實驗數據進行分析,對濱藜的蒸騰速率(Tr)、葉脈密度(VD)、中脈直徑(MD)先進行以10為底的對數轉換,使之符合正態分布后再進行分析。對蒸騰速率和葉脈密度以及蒸騰速率和中脈直徑兩組關系的研究,均采用y=ɑxb,線性轉換成lgy=lgɑ+blgx,x和y表示兩個特征參數,ɑ為性狀關系的截距,b為斜率,即異速生長參數或相對生長的指數,當b=1時,表示兩者是等速關系；當b>1時,表示y的增加程度大于x的增加程度；當b<1時,表示y的增加程度小于x的增加程度。主要采用標準化主軸估計(SMA)方法[26],由軟件SMATR Version 2.0[27]計算完成,每一個回歸斜率的置信區間根據[28]方法計算。對不同密度樣地植物功能性狀平均值的差異比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA),顯著性水平設為0.05。實驗數據分析采用SPSS 16.0軟件進行,用SigmaPlot 10.0和Excel軟件繪圖。

2 結果分析

2.1 不同濕地生境下濱藜群落的生物學特征和土壤特性

濕地生境中不同密度下濱藜群落的生物學特征、土壤理化性質和光合有效輻射存在顯著差異(P<0.05, 表1),隨著種群密度的逐漸降低,濱藜平均株高、蓋度、植株密度及土壤含水量呈現減小的趨勢,從高密度(I)到低密度(III)分別減小了83.87%、57.42%、85.7%、11%；PAR(為上中下三層均值)呈現增大的趨勢,由高密度(I)的769.25 μmol m-2s-1增加到低密度(III)的1195.00 μmol m-2s-1,增加了0.55倍。

表1 不同濕地生境下濱藜群落的生物學特征和土壤特性(平均值±標準誤差)

同列不同小寫字母表示樣地間差異顯著(P<0.05),n=108。

2.2 不同密度下濱藜葉性狀特征和光合特性

如表2所示,不同密度下濱藜葉性狀和光合生理參數的變化趨勢存在顯著差異(P<0.05, 表2)。隨著種群密度的逐漸降低,濱藜葉脈密度、葉干重、VPD、蒸騰速率(Tr)、Pn均呈顯著增加趨勢,從高密度(I)到低密度(III)分別增加了44.17%、23.72%、22.78%、52.46%、73.46%；中脈直徑、葉面積、比葉面積、空氣相對濕度(RH)均呈顯著的減小趨勢,從高密度(I)到低密度(III)分別減少了73.17%、34.91%、50.35%、12.8%；葉干重、VPD、蒸騰速率(Tr)在中密度(II)、低密度(III)均出現較大值且無顯著差異(P>0.05),但低密度(III)大于中密度(II)；葉面積、空氣相對濕度(RH)在中密度(II)、低密度(III)均出現較小值且無顯著差異(P>0.05),但低密度(III)小于中密度(II)。濱藜葉性狀和光合特性在3個樣地變化較顯著,且葉性狀具有較高的表型可塑性,可以較好的適應特殊生境條件。

表2 不同密度下濱藜葉性狀特征(平均值±標準誤差)

Pn：凈光合速率,net photosynthetic rate；VPD：飽和水汽壓差,vapor pressure deficit；Tr：蒸騰速率,transpiration rate；RH：相對濕度,relative humidity;同行不同小寫字母表示樣地間差異顯著(P<0.05),n=108

2.3 不同密度下濱藜蒸騰速率(Tr)和葉脈密度的關系

不同生境中濱藜蒸騰速率和葉脈密度的權衡關系如圖1所示。不同密度梯度下濱藜蒸騰速率(Tr)與葉脈密度的關系存在顯著差異(P<0.05)。通過SMA分析得到,濱藜蒸騰速率與葉脈密度在高密度(I)和低密度(III)均呈極顯著正相關關系(P<0.01),在中密度(II)呈顯著正相關關系(P<0.05)。濱藜在不同生境間的標準主軸化斜率存在差異,高密度(I)為0.97(95%的置信區間：CI=0.82, 0.99)、中密度(II)為1.00(95%的置信區間：CI=0.96, 1.05)、低密度(III)為1.25(95%的置信區間：CI=1.17, 1.26),從高密度(I)到低密度(III)呈現逐漸增大趨勢,高密度(I)的斜率顯著小于1.0(P<0.05),中密度(II)的斜率與1.0無顯著差異(P>0.05),低密度(III)的斜率顯著大于1.0(P<0.05)。從高密度(I)到低密度(III),濱藜葉脈密度與蒸騰速率呈顯著的協同關系,蒸騰速率越大,葉脈密度越大,且在高密度(I)濱藜葉脈密度增加的速度小于蒸騰速率增加的速度；在中密度(II)葉脈密度與蒸騰速率呈等速的增長關系；在低密度(III)葉脈密度增加的速度大于蒸騰速率增加的速度。

2.4 不同密度下濱藜蒸騰速率(Tr)和中脈直徑的關系

不同生境中濱藜蒸騰速率和中脈直徑的權衡關系如圖2所示。不同密度梯度下濱藜蒸騰速率(Tr)與中脈直徑的關系存在顯著差異(P<0.05)。通過SMA分析得到,濱藜蒸騰速率與中脈直徑在高密度(I)和低密度(III)均呈顯著負相關關系(P<0.05),在中密度(II)不存在相關關系(P>0.05)。濱藜在不同生境間的標準主軸化斜率存在差異,高密度(I)為-0.85(95%的置信區間：CI=-0.86, -0.81)、中密度(II)為-1.04(95%的置信區間：CI=-1.08, -0.99)、低密度(III)為-1.30(95%的置信區間：CI=-1.36, -1.27),從高密度(I)和低密度(III)呈現逐漸減小趨勢,高密度(I)的斜率顯著大于-1(P<0.05),中密度(II)的斜率與-1無顯著差異(P>0.05),低密度(III)的斜率顯著小于-1(P<0.05)。從高密度(I)到低密度(III),濱藜中脈直徑與蒸騰速率呈顯著的權衡關系,蒸騰速率越大,中脈直徑越小,且在高密度(I)濱藜中脈直徑減小的速度大于蒸騰速率增加的速度；在中密度(II)中脈直徑與蒸騰速率呈等速變化關系；在低密度(III)中脈直徑減小的速度小于蒸騰速率增加的速度。

圖1 不同密度下濱藜蒸騰速率(Tr)和葉脈密度的關系

圖2 不同密度下濱藜蒸騰速率(Tr)和中脈直徑的關系

3 討論

植物葉片的蒸騰速率能夠影響或指示植物對環境的適應特征或能力[29],植物往往通過葉脈功能性狀的調整,形成與蒸騰速率相適應的光能攔截、光合碳獲取、水分供給和展葉支撐系統[30]。研究發現,在高密度(I)和低密度(III)樣地,濱藜葉片蒸騰速率與葉脈密度呈極顯著正相關關系(P<0.01),與中脈直徑呈顯著負相關關系(P<0.05)；在中密度樣地(II),濱藜葉片蒸騰速率與葉脈密度呈正相關關系(P<0.05),與中脈直徑關系不顯著(P>0.05)(圖1, 圖2)。不同密度濕地群落濱藜葉脈性狀與蒸騰速率關系的空間異質性,既是植物應對鄰體間遮陰、可獲得性光合有效輻射和空間資源競爭的表型可塑性,也是密度制約下植物權衡碳投入-收益的必然結果。

在密度制約和鄰體干擾條件下,植物需要在光合產物有限性約束下合理配置葉肉、葉脈等葉性狀[31],以滿足植物葉片光合和蒸騰的生理需求,進而達到生存和生長之間的協同適應[32],實現光合碳獲取效率的最大化。低光照條件下植物葉脈構型的改變是以較低的光合生理需求以及較高的水分運輸能力和利用效率為基礎保障,最大限度的減少物種生態位重疊,提高植物在異質生境中的資源利用效率[12]。在高密度樣地,濕地群落的蓋度和高度最大(表1),濱藜生長繁茂、植株之間產生了嚴重的鄰體干擾,光競爭成為影響植物生長的首要脅迫因子,濱藜葉片的蒸騰速率(Tr)較低,與葉脈密度呈極顯著正相關關系(P<0.01),與中脈直徑呈顯著負相關關系(P<0.05)(圖1, 圖2)。主要原因有：(1)強烈的遮陰影響了到達群落內部的光資源的同時也降低了土壤水分的潛在蒸散,緩解土壤鹽堿化,促進有機質積累[11],使得土壤水分含量較高(表1),緩解了葉片光合作用的水鹽脅迫,同時濱藜獲得的光和有效輻射水平較低(表1),溫度變幅較小,使得葉片與空氣間形成較小的水汽壓差(VPD),葉片失水相對較少、蒸騰速率較低,濱藜不需要構建高的葉脈密度亦能滿足葉片的供水需求,因此,生長在高密度樣地的濱藜選擇了較低的葉脈密度,使蒸騰速率與葉脈密度呈極顯著正相關關系(P<0.01)。(2)中脈直徑是表征葉脈系統機械支撐能力的主要指標[9],在鄰體遮蔽嚴重和群落內部光合有效輻射較低的狀態下,為了提高葉片的光攔截和光合碳獲取能力,使有限的光合產物創造最大的光截獲面積,濱藜葉片中的葉肉細胞趨于平鋪狀排列,即形成增大葉面積和減小葉干重的“大葉”構建模式,相應的需要增大中脈直徑以滿足展葉的功能需求,使中脈直徑與蒸騰速率呈顯著負相關關系(P<0.05)。

為了順利完成自身的生命過程且實現光合產物投資-收益的最大化,植物會主動調整、轉換和補償葉脈性狀的功能及狀態[33],將生物量優先分配給具有最易獲取能力的性狀,是植物提高資源利用效率的生活史對策[22]。在低密度樣地,濱藜葉片蒸騰速率增加,與葉脈密度呈極顯著正相關關系(P<0.01),與中脈直徑呈顯著負相關關系(P<0.05)(圖1, 圖2),主要原因有：(1)該生境種間遮蔽較小,光環境明顯改善,群落內部的光合有效輻射增大,在空氣相對濕度(RH)降低(表2),伴隨著葉片的飽和水汽壓差增大,導致水分擴散阻力減小,使得蒸騰和光合作用旺盛(表2),同時土壤含水量降低(表1),葉脈系統必須增加水分運輸的量與速率,才能有效地吸收土壤水分和養分以適應較高的光合需求[34],因此,濱藜選擇了大的葉脈密度,從而增大了水分離開葉脈到葉肉細胞的交換面積,提高了水分運輸通道的選擇性,縮短了水分運輸到蒸騰部位的距離,使得葉片在水分脅迫造成葉脈木質部栓化的情況下,能夠通過栓塞周圍的葉脈運輸水份保證葉片的高蒸騰速率；(2)在干旱和光照充足條件下,大而薄的葉片相對更易蒸騰失水,葉片壽命短、耗損速率高,不利于光合碳的獲取[35]。低密度濕地群落,土壤含水量低(表1),濱藜葉片長期暴露在強烈光照環境下,為了避免灼傷、減少葉片空穴和栓塞現象引起的水分運輸阻力[36- 37]以及提高葉片的光合碳同化效率,濱藜選擇了小而厚的葉片,小葉模式不僅有助于植物實現熱量和物質交換的目的,同時葉肉組織更接近中脈,有利于控制葉片內自由水的含量,維持植物葉片內水分的動態平衡[11],有效避免了植物組織面臨水分虧缺的風險,因此,濱藜不需投入過多的生物量用于構建葉片的支撐系統,從而選擇了較小的中脈直徑,以便更好地滿足植株在高蒸騰速率下的水分供需平衡。

葉片是植物重要的物質生產器官,其生長規律直接決定了植物的光合作用效率、蒸騰速率及資源分配策略[38],葉片大小和葉脈密度的資源權衡機制,體現了密度制約、鄰體干擾等因素影響下植物葉片功能性狀的表型可塑性[32]。在中密度樣地,植株葉片接收的光資源充足,濱藜進行了葉內生物量分配和葉片構型的調整,適度增加了葉面積,減小了葉厚度,形成了大而薄的葉片和較高的比葉面積,拉近了氣孔與葉表面的距離,提高了葉片的氣孔導度,將蒸騰速率和凈光合速率維持在適中水平(表2)。中密度濕地群落土壤水分相對充足,濱藜植株不需要構建強大的供水系統亦可保證自身正常的生理活動,沒有投入過多生物量用于葉片的支撐,中脈直徑變化不大。因此,生長在該樣地的濱藜在兼顧植株水分輸送、利用與保持等功能的前提下,形成了均衡的葉片生長模式,使植株蒸騰速率與葉脈密度呈現出顯著的相關性(P<0.05),與中脈直徑間不存在相關關系(P>0.05)(圖1, 圖2)。

4 結論

植物蒸騰速率與葉脈性狀的關系是植物葉片生理功能對環境適應過程的表現,體現了密度制約下葉脈密度和中脈直徑之間的資源權衡機制。本研究發現：隨著密度的改變,濱藜群落環境和土壤水分發生了明顯變化,濱藜通過調整葉脈性狀的特征來適應環境的變化。蒸騰速率與葉脈密度間存在一種協調性,生長在高密度樣地的濱藜蒸騰速率較低,為了獲得足夠的光合產物,葉片選擇了較小的葉脈密度和較大的中脈直徑,以競爭更多的光資源；而生長在低密度樣地的濱藜選擇了增大葉脈密度,減小中脈直徑的構建模式,實現了高蒸騰速率及水分利用效率,較好地驗證了植物對生境異質性的適應機制。本文僅從密度制約視角分析了濱藜葉脈性狀與蒸騰速率的關系,土壤養分、地形、植物激素等也是影響植物葉脈性狀與功能的重要因素,探索不同因素的交互作用對濕地植物葉片光合作用適應性的調控機制,是今后關注的重點。