蒙古櫟葉片功能性狀變化特征及影響因素1)

李一 潘立本 趙雯 穆立薔 韓文靜

(東北林業大學，哈爾濱，150040) (中國林業科學研究院林業研究所)

不同生長發育時期,植物對內部資源分配及其對外界環境適應策略存在差異。葉片作為植物獲取資源的重要器官,與外界環境接觸面積大、對氣候條件變化敏感[1]。因此,學者們多以葉片形態及其生理特征作為研究環境對植物影響的切入點[2]。有研究發現,葉齡增長對葉片結構產生重要影響,具體表現為：葉厚整體呈先變厚再變薄的趨勢[3],葉片含水率及比葉面積在展葉期最大[4],葉綠素質量分數在變色期時最小[5]。然而,這些研究多以經濟作物或灌木草本為研究對象,且聚焦于植物在單一物候期的葉片功能性狀特征[4-6],缺乏全物候期葉片功能性狀變化及在不同物候期葉片功能性狀間差異性的研究。不同葉片功能性狀之間存在顯著相關性[7],葉片可溶性糖質量分數與淀粉呈顯著負相關[8],這表明葉片內部資源存在相互轉化的過程。當外部環境發生變化時,葉片通過差異化的資源分配來實現對環境變化的生態適應[9],且不同氣候因子對植物的影響程度不同[10]。高溫時,葉片抗氧化酶活性、酚類及黃酮類質量分數有所升高[11];光照增加、降水量減少時,植物通過葉片變厚、比葉面積降低的方式,最大程度保存水分,以確保其在該環境條件下維持生存[10]。目前,多數研究側重于探討單一氣候因素(光照、溫度、降水量等)對葉片功能性狀的影響,但在自然環境中,葉片功能性狀往往同時受多種氣候因子的共同影響。因此,綜合考慮不同氣候因子對葉片功能性狀的影響有助于更全面地理解植物對環境的適應性及其響應機制。

蒙古櫟(Quercusmongolica),又稱蒙櫟、柞樹,殼斗科(Fagaceae)櫟屬(QuercusL.)落葉喬木,是國家二級珍貴樹種,主要分布于遼寧、吉林、黑龍江等地[12]。蒙古櫟具有耐干旱、耐貧瘠、耐寒等優良特性,樹形優美,葉色變化豐富,果實獨特,有較高的觀賞價值。蒙古櫟葉片提取物中含有抗炎活性的酚類物質,可用于治療痤瘡[13]。目前,對于該樹種的研究主要集中在幼苗生長發育特征、光合特性和病原菌等方面,其葉片功能性狀變化特征及對外部環境的適應機制尚不清楚。因此,我們以蒙古櫟葉片為材料,測定不同物候期葉片功能性狀指標,明確其變化規律,采用Pearson相關性分析探究不同功能性狀間的相關關系,采用冗余分析研究氣候因子對葉片功能性狀的影響。本研究旨在明確蒙古櫟在不同物候期的葉片資源分配特征及其生態適應性,為合理開發利用蒙古櫟資源提供參考。

1 試驗區概況

試驗地位于黑龍江省寧安市小北湖國家級自然保護區(以下簡稱“小北湖保護區”),地理坐標為128°33′7″～128°45′48″E、44°3′16″～44°18′59″N,占地面積20 834 hm2。土壤類型為暗棕色森林土,土層深厚。小北湖保護區屬溫帶季風性氣候,年平均氣溫2.5 ℃,年平均降水量650 mm,降水分配不均,集中在7—8月,占全年降水的60%～70%,無霜期90～100 d[14]。

2 研究方法

2.1 試驗材料

樣樹選?。?022年4月—2022年10月下旬,在小北湖保護區蒙古櫟天然林中,選擇地勢平坦、地力相對均勻的20 m×20 m地塊,從中選取樹齡為10 a、生長狀況良好且長勢基本一致的10株蒙古櫟作為固定取樣樹,進行標號、物候觀測及葉片采集。

物候期觀測：為準確掌握植物物候現象,每7 d觀測1次,每次觀測于上午10：00進行。經觀測,蒙古櫟物候分為4個時期,分別為展葉期、花期、果期、變色期。展葉期為枝條嫩葉露出,葉面積增大,葉片厚度逐漸加厚,第一、二片葉片完全平展的階段(2022年5月4日—5月25日);花期為樹體中部枝條上花序軸明顯,花藥飽滿并有花朵開始開放的階段(2022年6月2日—6月17日);果期為樹體中部枝條上殼斗和種子逐漸增大的階段(2022年7月15日—8月19日);變色期為樹體中部葉片逐漸由綠變紅再變黃,枝條由灰綠變為紅褐色的階段(2022年9月9日—2022年10月7日)。

葉片采集：分別在展葉期(5月13日)、花期(6月10日)、果期(8月8日)、變色期(9月26日)進行葉片采集(圖1)。從每株植株冠層中部的東、南、西、北4個方位,分別采集完整、無病蟲害的葉片各4片,每株采集16片,共采集10株作為1個混合樣,帶回實驗室。將采集好的葉片放入自封袋中,用蒸餾水沖洗干凈,擦干備用。

圖1 不同物候期的蒙古櫟葉片

2.2 葉片功能性狀指標測定

本研究從形態特征、生理指標質量分數、抗氧化酶活性3個方面,共計選取了13個功能性狀指標。

葉片形態指標測定：在每個物候期采集的樣品中選擇30片蒙古櫟葉片(3組,每組10片),用游標卡尺分別測量每組葉片上、中、下部的厚度,取3個部分的平均值為該組葉片厚度,各物候期的單葉厚度為該時期3組葉片厚度的平均值。使用電子天平測量并計算每組單葉鮮質量后,將樣品放入烘箱105 ℃殺青10 min,之后在60 ℃下烘48 h至恒質量,測量并計算該組單葉干質量,各物候期單葉鮮質量、單葉干質量均為3組數據的平均值。用NIKON Z50相機拍攝每組葉片圖像,采用Image J軟件計算各組的總葉面積,再結合葉片數量計算單葉面積,各物候期的單葉面積為3組單葉面積的平均值。葉片含水率及比葉面積計算公式為：葉片含水率=[(單葉鮮質量-單葉干質量)/單葉鮮質量]×100%;比葉面積=單葉面積/單葉干質量。

葉片生理指標質量分數測定：光合色素質量分數測定采用Arnon法[15],用UV—1750型分光光度計測量665、649、470 nm波長下的吸光度(Aλ)值,再依據公式計算葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素質量分數?？扇苄蕴羌暗矸圪|量分數采用蒽酮比色法測定[16]。葉片總酚及總黃酮質量分數依據周香輝等[17]的方法加以修改后使用紫外分光光度計法測定。

葉片抗氧化酶活性測定：過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法,過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法,超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑(NBT)光還原法[18]。

2.3 氣候因子獲取

研究區氣候資料觀測點位為寧安市氣象觀測站,站點距離研究區直線距離62.9 km。于中國歷史天氣網站(https：//rp5.ru)獲取研究區2022年5月(展葉期)、6月(花期)、8月(果期)、9月(變色期)的日平均氣溫、日降水量后,計算各月份平均氣溫和累計降水量。累計日照時間于中國氣象資料服務中心(https：//data.cma.cn/)獲取。降水量在花期最大,果期最小;氣溫在果期最高,展葉期最低;各物候期日照時間相近,展葉期日照時間略高,果期略低(表1)。

表1 2022年研究區各物候期累計降水量、累計日照時間和平均氣溫

2.4 數據處理

采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和事后多重比較(LSD)檢驗不同時期蒙古櫟葉片指標的差異顯著性;采用Pearson相關性分析檢驗各指標間的相關顯著性;消除趨勢對應分析(DCA)的辨別結果為0.29,故采用冗余分析(RDA)探究氣候因子對蒙古櫟葉片功能性狀的影響。使用Excel 2013、SPSS 25.0和CANOCO 5.0軟件進行數據整理分析。

3 結果與分析

3.1 不同物候期蒙古櫟葉片功能性狀的動態變化

3.1.1 不同物候期蒙古櫟葉片形態特征的動態變化

蒙古櫟葉片形態在不同時期存在顯著差異(P<0.05,表2)。展葉期時植株葉厚顯著低于其他時期,葉片含水率顯著高于其他時期,其他3個時期間葉厚及葉片含水率無明顯差異。葉干質量呈先升高后降低的變化趨勢,在果期時達到最大值,為0.56 g。果期的葉干質量顯著高于花期和展葉期(P<0.05),但與變色期時無顯著差異。比葉面積從展葉期到變色期呈逐漸減小的趨勢,展葉期的比葉面積顯著高于其他時期,花期及果期的顯著高于變色期(P<0.05),展葉期時比葉面積約是變色期的2倍。

表2 不同物候期葉片形態特征

3.1.2 不同物候期蒙古櫟葉片生理指標的動態變化

蒙古櫟葉片中光合色素質量分數在不同時期存在顯著差異(P<0.05),總體呈先升高后降低的趨勢(表3)。葉綠素質量分數在花期達到最大值,為4.65mg·g-1,顯著高于其他時期;在變色期達到最小值,為0.09 mg·g-1,顯著小于其他時期(P<0.05)。類胡蘿卜素質量分數在花期及果期時顯著高于展葉期及變色期(P<0.05),約是展葉期及變色期的3倍。

如表3所示,可溶性糖質量分數變化總體呈先降低后升高的趨勢,其在花期時最低,為98.04 mg·g-1,變色期時顯著升高,達到最高值,展葉期及果期的可溶性糖質量分數與其他物候期時差異不顯著。淀粉質量分數變化呈先升高后降低的趨勢,其在花期時達到最高值,為68.59 mg·g-1,果期時出現顯著降低,變色期的淀粉質量分數也較低。

蒙古櫟葉片總酚質量分數呈先降低后略微升高的趨勢(表3)。展葉期總酚質量分數顯著高于其他物候期(P<0.05),約是其他時期的1.5倍;花期、果期、變色期的總酚質量分數呈逐漸升高的趨勢,但無顯著差異。蒙古櫟葉片總黃酮質量分數在變色期時達到最高值,為32.62 mg·g-1,顯著高于其他物候期;展葉期的總黃酮質量分數雖高于花期及果期的,但三者間差異不顯著。

表3 不同物候期葉片生理指標質量分數

3.1.3不同物候期蒙古櫟葉片抗氧化酶活性的動態變化

蒙古櫟葉片過氧化物酶活性總體呈“上升-下降-上升”的趨勢。過氧化物酶活性在花期時達到峰值,且顯著高于其他物候期(P<0.05);之后下降,在果期出現顯著低于其他時期的最低值,為33.33 U·g-1·min-1;隨后在變色期再次上升。超氧化物歧化酶活性僅在果期時顯著低于其他時期(P<0.05),且其他時期間無顯著差異。過氧化氫酶活性總體呈下降趨勢,僅在展葉期具有較高的活性水平,且顯著高于其他時期(P<0.05),約是其他時期的3倍(表4)。

3.2 蒙古櫟葉片不同功能性狀間的相關性分析

相關性分析結果表明,蒙古櫟葉片不同功能性狀間存在顯著相關性(表5)。比葉面積與可溶性糖質量分數呈顯著負相關,與淀粉質量分數呈顯著正相關(P<0.05)?？偡淤|量分數與葉片含水率呈極顯著正相關(P<0.01)?？扇苄蕴琴|量分數與淀粉質量分數呈極顯著負相關(P<0.01)?？傸S酮質量分數與葉綠素、類胡蘿卜素質量分數呈極顯著性負相關,相關系數分別為-0.946、-0.830;與可溶性糖質量分數呈極顯著正相關,相關系數為0.816(P<0.01)。過氧化氫酶活性與葉片含水率、總酚質量分數呈極顯著正相關(P<0.01)。

表4 不同物候期葉片抗氧化酶活性

表5 葉片各功能性狀間的相關系數

3.3 蒙古櫟葉片功能性狀與氣候因子之間的關系

冗余分析前2軸的累計貢獻率為80.47%,其能夠解釋蒙古櫟葉片功能性狀與氣候因子之間的相關關系(圖2)。月累計降水量對葉片功能性狀的影響最明顯,貢獻率為52.1%,月平均溫度及月累計日照時間的影響程度相近,貢獻率分別為21.8%、21.0%(表6)。月累計降水量及日照時間與葉干質量、葉厚、葉綠素質量分數、類胡蘿卜素質量分數、可溶性糖質量分數呈負相關,且與葉片形態指標的相關程度大;與葉片含水率、比葉面積、淀粉質量分數、總酚質量分數、總黃酮質量分數、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性、過氧化氫酶活性呈正相關,且與抗氧化酶活性的相關程度大。月平均氣溫與葉片功能性狀之間的相關性方向與月累計降水量、月累計日照時間的相反。

LDW為葉干質量;LT為葉厚;LWC為葉片含水率;SLA為比葉面積;CHL為葉綠素質量分數;CAR為類胡蘿卜素質量分數;LSS為可溶性糖質量分數;LS為淀粉質量分數;TPA為總酚質量分數;TF為總黃酮質量分數;POD為過氧化物酶活性;SOD為超氧化物歧化酶活性;CAT為過氧化氫酶活性;TM為月平均溫度;MS為累計降水量;MPr為累計日照時間。

表6 氣候因子對蒙古櫟葉片功能性狀的貢獻率

4 結論與討論

植物在生長發育各階段,葉片的形態和生理指標均有較大差異,這與外界環境條件和葉片結構建成資源投入有關[19]。葉厚度、葉干質量、葉片含水率、比葉面積等形態指標能夠反映葉片生長狀況及植物獲取及利用資源的能力[20]。本研究中,葉片含水率、比葉面積在展葉期達到最大值[21],且展葉期與其他時期時存在顯著差異。展葉期以營養生長為主,葉片代謝速率高,故含水率高[4],同時,該時期葉片迅速展開,葉面積增大,因此比葉面積大。展葉期完成后,葉片面積增速減緩,而骨架支撐結構[22]及營養物質增多[23],所以比葉面積開始減小。在荒漠植物葉片(合頭草(Sympegmaregelii)、荒漠錦雞兒(Caraganaroborovskyi)等)的研究中,為減少水分散失,細胞擴張由縱向轉為橫向,導致葉片厚度增大[24]。本研究中果期氣溫最高,植物蒸騰作用最強,故葉厚值最大。此外,果期時葉干質量最大,該時期葉片需要為果實的形成準備充足的營養物質[25]。

在葉片生理指標方面,光合色素在花、果期時質量分數高,在變色期時質量分數急劇下降到最低。受植物體養分回收策略等因素的影響[26],變色期光合色素的分解速率大于合成速率,因此葉片內光合色素質量分數降低?？扇苄蕴琴|量分數在花期時最低,這是因為花芽的分化和成花過程會消耗大量的可溶性糖[27]?？扇苄蕴琴|量分數在變色期時最大,這與唐生森等[28]的研究不一致,其原因是該時期淀粉會轉化為可溶性糖以調解滲透壓來抵御低溫[8]。淀粉質量分數在果期時最低,原因是該時期淀粉分解,以為果實的生長發育提供能量[29]?？偡淤|量分數在展葉期時最高,之后降低[30]。變色期蒙古櫟葉色逐漸發生轉變,黃酮類代謝途徑增強,總黃酮質量分數出現顯著升高[31],并達到最大值。

葉片抗氧化酶活性總體呈一定的協同趨勢。然而,與紅樹莓葉片研究結果不同[32],本研究中3種抗氧化酶活性在果期時最低,這說明該時期蒙古櫟葉片內部環境穩定。蒙古櫟葉片內部環境穩定是由于葉片生長已達到一定程度,生長速率減緩,且果期時葉片受外界環境脅迫程度相對較小。展葉期蒙古櫟葉片中過氧化氫酶活性最高且與其他時期存在顯著差異,這是因為展葉期葉片生長迅速,細胞內自由基代謝失衡,從而誘導酶活性上升,以維持膜系統在生長發育中的正常功能[33]。

植物葉片生長發育過程中,各功能性狀間相互影響,以形成特定的資源分配和生態適應策略[34]。研究發現,葉片功能性狀在不同類別(形態特征、生理指標、抗氧化酶活性)間存在顯著相關性。比葉面積與可溶性糖、淀粉質量分數均存在顯著相關性,這是因為可溶性糖和淀粉作為主要非結構性碳水化合物參與了葉片骨架的構建[22],從而影響葉片形態。葉片含水率高時,葉片生長迅速,產生大量過氧化氫,此時需要過氧化氫酶、總酚等抗氧化物質及時清除過氧化氫以維持穩態[11],因此,過氧化氫酶活性及總酚質量分數與葉片含水率呈顯著正相關。此外,葉片功能性狀指標間也存在顯著相關性,其中,葉厚、葉干質量與比葉面積呈顯著負相關。在程雯等[35]對喀斯特高原峽谷植物的研究中可以看出,植物將更多干物質投入葉片構建以提高抗逆性?？扇苄蕴桥c淀粉之間相互轉化[8],兩者存在顯著負相關關系?？傸S酮與葉綠素、類胡蘿卜素、可溶性糖質量分數間存在顯著相關性,這驗證了總黃酮質量分數與葉色變化息息相關[36]。本研究不僅探究了葉片功能性狀間的內在關聯,還為深入了解植物在生長發育過程中的內部資源分配提供了重要線索,有助于更全面地理解蒙古櫟等植物的生態適應策略。

葉片作為植物地上部分獲取資源的主要器官,長期暴露在外界環境中,其功能性狀也受環境因子影響。本研究中,月累計降水量對葉片功能性狀的貢獻率最大,為52.1%,這是因為降水量過高會造成水澇脅迫,抑制植物生長,導致葉片厚度、葉干質量有所下降。水澇脅迫導致植物體內活性氧等物質升高,使抗氧化酶活性有所提高[11],因此,葉片含水率與過氧化氫酶活性、總酚質量分數呈顯著正相關。平均氣溫及日照時間對葉片功能性狀的貢獻率相對較小,這是因為研究區內平均氣溫和日照時間在葉片生長發育階段(5—9月)相對穩定,植物生長受溫度脅迫和光脅迫的程度較小。研究認為,降水量是影響蒙古櫟葉片功能性狀的關鍵氣候因子。葉片功能性狀之間的相互關系不僅適用于植物在不同生長發育階段對內部資源分配的調整,還適用于氣候環境對其的影響。本研究中,平均氣溫與葉厚、葉干質量、比葉面積顯著相關,這與槭樹等應對夏季高溫時的生態策略一致[37]。深入研究氣候因子對葉片功能性狀的影響有助于全面理解植物在各種環境條件下的生態適應策略。本研究為預測氣候變化及極端天氣事件對蒙古櫟的影響提供了參考,為及時制定相應的人為干預措施以實現對植物管理和保護奠定了基礎。

本研究從葉片形態特征、生理指標質量分數、抗氧化酶活性3個方面選取了13個指標,通過對各指標進行測定分析,發現蒙古櫟葉片功能性狀在不同物候期間存在顯著差異。展葉期,葉片含水率、比葉面積、總酚質量分數、過氧化氫酶活性達到最大值;花期,葉綠素、類胡蘿卜素、淀粉質量分數、過氧化物酶活性最高;果期,葉干質量、葉厚達到最大值;變色期,可溶性糖、總黃酮質量分數、過氧化物歧化酶活性最高。研究進一步探究了植物自身及外界環境對葉片功能性狀的影響,發現蒙古櫟葉片的不同功能性狀間相互影響且降水量是影響葉片功能性狀的關鍵氣候因子。