海岸梯度上黑松针叶形态与解剖结构性状的变化规律

张 鹏 孙 阳 虞木奎 吴统贵*

(1.国家林业局华东沿海防护林生态系统定位观测研究站,中国林业科学研究院亚热带林业研究所,杭州 311400； 2.山东荣成大天鹅国家级自然保护区,荣成 264300)

风环境下植物形态、生理与生物力学特征发生的系列变化称为“向触性形态建成”[1]。叶片是植物光合作用的主要器官，也是受风影响最严重的器官，具有较强的可塑性，因此叶片性状对风胁迫的响应与适应研究一直备受关注[2～3]。大量研究发现，树木在风环境中，叶片变短、变窄，叶面积减少[2,4～8]；叶片解剖结构也发生相应变化，如角质层、表皮和叶片厚度均呈现增厚的趋势[2,8～9]。树木叶片形态和解剖结构的变化可以有效减少机械损伤和水分散失，有助于其更好地适应大风(强气流)带来的机械刺激和环境变化[4]。

当前，树木对风胁迫的响应与适应研究已经取得了一定的进展，但多数集中在阔叶树种(如：麻栎Quercusacutissima、杨树Populustremula、美国榆Ulmusamericana等)上，而对针叶树种的研究相对较少。研究方法多采用风洞[10～13]，或鼓风机、风扇等模拟风胁迫[2,6,8～9,14]，或通过施加机械刺激模拟来达到与风胁迫相同的效果[2,5,15]，也有少量研究采取野外短期遮风处理，比较遮风与不遮风环境下植物的响应差异[7,16]。目前这些研究虽然为我们了解树木对风胁迫的响应规律提供了较好的启示，但却难以反映出树木在自然环境下的长期适应机制。

由海岸向内陆延伸，海岸梯度上风速逐渐降低，进而形成不同程度的风胁迫[14,17]，是研究风胁迫下树木长期响应与适应机制的天然实验室。本文以不同海岸距离梯度上60年生日本黑松(Pinusthunbergii)为研究对象，揭示其针叶形态与解剖结构在海岸梯度上的变化规律，为探明黑松对风胁迫的长期响应与适应机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 样地设立与样品采集

试验点位于山东省荣成市成山林场内，地处北纬37°23′，东经122°31′。林场拥有黑松纯林面积833 hm2，海岸线长10 000 m，垂直海岸林带宽1 000 m，年平均气温为11.4℃，年平均降水量为793.2 mm，为暖温带季风型大陆气候，主风向为东北偏北。

垂直于海岸线，每隔700 m设置一条样线；在每条样线上每隔100 m设置一个10 m×10 m的固定样地，样地的四个角用水泥桩做永久标记，并在水泥桩上挂上铝牌做好编号标记，每条样线设置8个样地。共设置样线3条，样地24块，黑松林样地基本情况见下表1。

表1 黑松林固定样地基本情况

2016年9月，在每个样地中选择长势良好、正常的3株标准木，记录标准木编号并标记。分别在每株标准木的迎风面和背风面树冠中部位置用高枝剪剪下样枝，在每个样枝上选择5～8片成熟的功能针叶，用双面刀片切割成10小段放入FAA固定液中固定24 h以上，用来测定针叶解剖结构性状。同时选取样枝上100～200片成熟的功能针叶，立即带回实验室测定针叶形态，所有样品需以个体为单位标记好。

1.2 针叶形态测量

使用i800 plus扫描仪(中晶科技有限公司，上海)扫描针叶样品，采用LA-S植物图像分析系统(万深检测科技有限公司，杭州)分析针叶长度、宽度、表面积等指标，然后放入装有干燥剂的信封袋中在65℃下用烘箱烘干至恒重，并称量所扫描的针叶干重，计算比叶面积：

比叶面积=针叶总面积/针叶总干重

(1)

1.3 针叶解剖结构测定

将采集的针叶样品进行脱水、抽气、浸蜡、包埋、切片、染色等一系列处理，切片厚度为10 μm，番红—固绿双重染色，中性树胶封片。制片后用Motic数码显微镜(Motic B5 Professional Series)及图像分析系统(Moptic Images Advanced 3.0)观察和测定针叶厚度、表皮细胞厚度、角质层厚度、导管孔径等结构参数，5次重复。

1.4 数据处理

采用Excel 2007、SPSS 17.0软件对数据进行统计分析。采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行方差分析(α=0.05)，对迎风与背风面针叶形态解剖特征采用配对样本T检验法。

2 结果与分析

2.1 海岸梯度上黑松针叶形态性状的变化规律

试验区内黑松针叶长度、宽度、周长、面积和比叶面积的变化范围分别为145.45～211.05 mm、5.72～8.77 mm、299.03～475.54 mm、280.60～475.03 mm2、11.44～17.31 cm2·g-1，平均值分别为188.27 mm、7.52 mm、407.62 mm、417.64 mm2、13.79 cm2·g-1。黑松迎风面针叶长度、宽度、周长、面积和比叶面积在海岸梯度间存在显著差异(P<0.05)，随着离海岸距离的减小而逐渐减小，且在300～500 m处逐步趋于平稳(图1)；而背风面各指标在梯度间差异均不显著(P>0.05)。

图1 海岸梯度上黑松针叶形态性状的变化规律 图中不同大写字母表示同一梯度迎风面与背风面的差异性(P<0.05)；不同小写字母表示不同梯度的差异性；相同的字母表示无显著性差异 下同。Fig.1 Variation in needle morphological traits of Pinus thunbergii along the coastal-inland gradient Different capital letters indicate significant differences between windward and leeward of the same gradient(P<0.05)；Different lowercase letters indicate significant differences among different gradients；The same letters indicate no significant differences. The same as below.

同时，在近海岸梯度的200 m以内，迎风面针叶长度、宽度、周长、面积和比叶面积显著小于背风面(P<0.05)；在远海岸梯度500～700 m处，迎风面比叶面积显著大于背风面(P<0.05)。其他梯度处迎风面和背风面间各指标差异均不显著(图1)。

2.2 海岸梯度上黑松针叶解剖结构性状的变化规律

海岸梯度上黑松针叶厚度、表皮厚度、角质层厚度和导管孔径的变化范围分别为903.13～1 352.76、20.49～24.00、3.45～5.16、9.32～13.22 μm，平均值分别为1 215.88、21.54、4.07、10.39 μm。黑松迎风面针叶厚度随着离海岸距离的减小而逐渐减小，在400 m处逐步趋于平稳，针叶表皮厚度、角质层厚度、导管孔径则随着离海岸距离的减小而逐渐增加，在300 m处逐步趋于平稳；而背风面针叶表皮厚度、角质层厚度、导管孔径、针叶厚度在海岸梯度间差异不显著(P>0.05)(图2)。

图2 海岸梯度上黑松针叶解剖结构性状的变化规律Fig.2 Variation in needle anatomical traits of P.thunbergii along the coastal-inland gradient

同时，海岸线(0 m处)上迎风面导管孔径显著大于背风面，海岸梯度100、300、500 m处以内，迎风面与背风面针叶表皮厚度、针叶厚度和针叶角质层厚度均存在显著差异(P<0.05)。其他梯度各指标在迎风面和背风面间差异均不显著(图2)。

3 讨论

异质环境条件下，同一树种经过自然选择和长期适应，会在形态、生长等方面产生变异，其叶片形态和解剖结构特征能反映出树木在变化环境中的适应策略[18～19]。海岸距离梯度，如同海拔、纬度梯度等，形成了连续变化的异质环境，为我们研究风胁迫下树木的长期响应与适应策略提供了天然实验室。在本研究中，形态、解剖特征随海岸距离的变化规律不尽相同，但在海岸距离500 m处以后，多数形态、解剖特征的变化已趋于平稳，且除比叶面积外，迎风面与背风面间差异也不再显著，说明风对500 m内黑松针叶形态产生较大的影响，这与前人研究结果基本相同[18,20～21]。

风胁迫下，树木叶片数量显著减少，叶片长度、面积、比叶面积等也显著降低，以减少受力面积和风的危害[6～8,17]。本实验中针叶面积、周长、长、宽等形态指标随着离海岸距离的减小都呈现减小趋势，即随着风胁迫的增加而逐渐降低；近海岸处的迎风面各指标显著小于背风面，这些变化与前人研究结论相吻合。比叶面积也和其它指标相同，随着离海岸距离的减小也呈现减小的趋势，近海岸点迎风面小于背风面，这与Cordero等[16]、Wu等[8]的研究结果相同；但在500 m以后，迎风面比叶面积却大于背风面，这主要是因为500 m后树木基本不受风胁迫的影响，而在正常环境下，受光越弱，比叶面积越大[22～23]，因此本实验中500 m后迎风面(偏阴面)的比叶面积显著大于背风面(偏阳面)。

叶片水分利用特征对风胁迫的响应变化较为复杂，弱风会增加叶片蒸腾速率[24～25]；但强风容易引起叶片气孔逐渐关闭，其蒸腾速率显著下降[3,10,26]。但无论是弱风还是强风环境中，叶片的气孔性和非气孔性水分散失都会导致叶片干旱[13,27～28]。Whitehead认为，叶片通过调整解剖结构来更好地抵抗风带来的水分生理伤害[29]；风胁迫下叶片厚度、表皮厚度和叶脉厚度显著增加，一方面可以增强气流中叶片的抗性与支撑作用[8～9,28]；另一方面，较厚叶表皮能有效减少水分丧失、阻止植物组织内水分的非气孔性散失[30]，这是逆境下植物采取的相对保守水分利用策略，以提高水分利用效率[31]。本研究中，与远海岸梯度(距海岸500 m以外)处相比，近海岸处黑松针叶角质层厚度增加约1.5倍，针叶表皮厚度增加约115%，针叶厚度减少约30%，小于阔叶树种的变化幅度(角质层增厚2～2.5倍，叶表皮厚度增加117%～213%，叶片厚度增加31.85%～48%)[8～9]，这可能是由于树种间差异造成的。与阔叶树种不同，黑松针叶解剖结构的这种变化会最大程度的减少针叶在风中的体积，降低其暴露面积，增加表皮和角质层厚度，进而减少机械损伤和水分蒸发。导管孔径通常被认为和叶片的水分运输和蒸腾作用有关，在干旱的环境中，导管孔径有增大的趋势[32]，本研究中导管孔径随着离海岸距离的减小而增大，与干旱环境下表现出相同趋势。可以看出，黑松针叶通过增大导管孔径、表皮厚度和角质层厚度保持针叶较高的水分传输，减少水分的非气孔性散失以维持正常的生理功能。

风的作用一方面对植物产生的机械刺激，直接会对植物造成机械损伤；另一方面改变了植物周围的空气环境，如降低了大气湿度、温度等，会间接导致植物叶片生理干旱[12]，为此Telewski提出植物在风胁迫下会形成躲避策略和忍受策略[5]。本研究中针叶厚度和宽度的减小直接导致针叶变得更细，针叶面积、周长、长宽等形态特征的减少能使黑松针叶在风环境中最少程度的承受风害，是一种躲避策略；而黑松针叶的表皮厚度、角质层厚度和导管孔径在风环境中的增大，是为了增加针叶的坚韧性和保证针叶的水分供应，是一种忍受策略。这两种策略能抵御长期大风引起的机械和生理损害，会最大限度的提高黑松针叶在风环境中的适应能力。

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