无芒隐子草叶片解剖结构对荒漠草原不同退化梯度的响应

张文霞 ，王春光，殷晓飞， 王海超

1. 内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 鄂尔多斯应用技术学院电子信息工程系，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3. 呼和浩特职业学院机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018

草地退化是荒漠化的一种主要形式，因自然因素、人为因素或两者共同作用使草地质量衰退，是草地生态系统逆行演替的一种过程（刘洪来等，2011）。植物的生长发育、产量以及基因表达主要受干旱的影响（Shinozaki et al.，1998；Cellier et al.，1998；Shinozaki et al.，1997；罗冬等，2015；郭改改等，2013），近年来的气候干旱严重影响了植物的生长发育，进而加重了内蒙古荒漠草原的退化速度和进程（王海超等，2016），尤其是鄂尔多斯境内的荒漠草原退化、沙化严重（赛胜宝，2001；林璐等，2013）。无芒隐子草（Cleistogenes songorica）在该地区分布广泛，是中国西北区荒漠草原的重要牧草资源，在维护生态系统、治理当地草原荒漠化、发展畜牧业等方面具有重要作用，是荒漠草原的优势草种之一，是分析荒漠草原退化程度的指示性植物（张代玉等，2016；吕世杰等，2014）。

植物叶片是反映植物对环境适应的最敏感器官，受生境变化影响显著（吴丽君等，2015；吴涛等，2014），随着干旱程度的增加，不同生境的植物叶片解剖结构表现出不同的变化规律，如有研究（王勇等，2014；张海娜等，2013；牛素贞等，2013）指出，植物叶片厚度、维管束直径、泡状细胞厚度和气孔密度均随干旱程度的增大而增大，因此可以利用植物叶片解剖结构中的某些指标来评价环境质量（王海清等，2009；刘球等，2015；陈洁等，2015）。目前众多研究者对无芒隐子草解剖结构的研究主要集中在单因子或少数因子影响方面（殷国梅等，2014；白春利，2013），而对于自然条件下，某一生态主导因子作用下其解剖结构变化的研究较少，且作为草原退化程度的指示性植物，其解剖结构与草原退化之间的相关性，目前还未见报道。

本研究以无芒隐子草为研究对象，利用多年观测数据对其叶片解剖结构与草原退化的相关性进行分析，试图从多个方面、多个层次剖析荒漠草原无芒隐子草形态结构随地带性干旱胁迫退化梯度变化而产生的分异现象，研究无芒隐子草叶片解剖结构与草原退化梯度之间的相关性，探究自然条件下无芒隐子草叶片解剖结构对荒漠草原不同退化梯度的响应机制，以期为无芒隐子草的保护利用，以及荒漠草原退化程度的监测提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验地选在内蒙古鄂尔多斯市鄂托克旗境内，鄂托克旗地处东经 106°41′～108°54′，北纬 38°18′～40°11′之间，其草原类型为沙地荒漠草原亚类。1964—2014年试验区年均降水量为265 mm，4—9月生长季降水量为241.8 mm，占全年降水量的91.24%；年均蒸发量为2470 mm，年均蒸发量高于年均降水量的9倍，全年较干旱。全旗境内多年平均相对湿度为48%。根据李博（1997）提出的草原退化分级理论和相关专家多年经验，结合当地气象资料，从实验样地中选取4个退化梯度（对照区CK、轻度退化区LD、中度退化区MD和重度退化区HD）样地，其放牧强度基本一致，土壤类型均为棕钙土。试验区内主要植被包括短花针茅（Stipabreviflora）、狭叶锦鸡儿（Caragana stenophylla）、无芒隐子草（Cleistogenes songorica）、猪毛菜（Salsola collina）、砂蓝刺头（Echinops gmelini）、冷篙（Artemisia frigida）等。随着退化梯度增大，短花针茅和狭叶锦鸡儿等优势植物逐渐减少，样地群落盖度、高度、密度、干重和凋落物干重也逐渐减少。样地群落特征如表1所示。

于2014—2016年每年的7月、8月在4个退化等级样地上随机设置样方40个，样方大小为0.5 m×0.5 m，在每个样方内随机选取无芒隐子草 30株，在每株植株上选取同龄级、健康叶片30片，将其切成小段，装入FAA固定液中以备制作切片，将样本编号为“年份（2014、2015、2016）-样地（CK、LD、MD、HD）”，共12类，如2014-CK，代表2014年在对照试验区采集的样本。样地特征信息见表2。

1.2 研究方法

1.2.1 制片与特征参数测量

分别从上述12类样本中随机选取无芒隐子草叶片 8片，采用常规石蜡切片法（李和平，2009；李正理，1987）制作切片，切片厚约 12 μm。利用YYS-80E型（上海亿圆公司生产）生物显微镜获取全部制片的图像，利用该显微镜自带的 ToupTek Toupview 3.0软件测量以下指标：上表皮细胞厚度（TUE，Thickness of upper epidermis cell）、下表皮细胞厚度（TLE，Thickness of lower epidermis cell）、上角质层厚度（CTUE，Cuticle thickness of upper epidermis）、下角质层厚度（CTLE，Cuticle thickness of lower epidermis）、叶片厚度（TL，Thickness of leaf）、中脉厚度（TMV，Thickness of main vein）、泡状细胞厚度（TBC，Thickness of bulliform cell）、维管束鞘细胞厚度（TVBSC，Thickness of vascularbundle sheath cell）、花环细胞厚度（TKMC，Thickness of Kranz mesophyll cell）、机械组织厚度（TMT，Thickness of mechanical tissue）、维管束直径（TVB，Thickness of vascular bundle），叶片宽度（LW，Leaf width）。其中，维管束直径用维管束的水平和垂直直径的均值表示（李亚男等，2010）。每个测定指标观察10个视野，指标参数求平均值。

表1 试验样地群落特征Table 1 The community characteristics of experimental plots

表2 试验样地特征Table 2 The characteristics of experimental plots

1.2.2 数据分析

试验数据应用软件SAS 9.2和Microsoft Excel 2003进行处理，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）法进行平均数差异显著性检验；采用对应分析（Correspondence analysis）法分析显著性指标与由干旱胁迫引起的荒漠草原不同退化程度间的对应关系。对应分析也称为R-Q型因子分析，是一种旨在揭示定性资料中变量及其类别间相互关系的多元统计方法。假设有样本数为 n，观测指标为p的一组试验数据，以X矩阵形式表示为：

对应分析运算过程为：首先对X求行和xi.、列和x.j和总和T：

其次求中心-对称矩阵Z：

i=1, 2, …, n; p=1, 2, …, p

第三步进行R型因子分析：

求 p阶方阵 Z′Z特征根（惯性值）为λ1≥λ2≥…≥λp＞0，取前 m 个特征值（公因子）使得，并计算出单位特征向量μm得出R型载荷阵F为：

第四步进行Q型因子分析：

计算以上m个特征值对应的n阶方阵ZZ′单位特征向量vm=ZTμm，得出Q型载荷阵G为：

最后，将样本和变量分别用选取的m个特征值表示，将公因子投影到对应的m（一般情况下m取2）维坐标系中进行作图，结合专业知识对图进行分析。

2 结果与分析

2.1 叶片解剖结构特征

图1所示为无芒隐子草叶片解剖结构图，由该图像可以看出，无芒隐子草叶片解剖结构由表皮、叶肉和叶脉3部分组成。表皮为一层细胞，形状不规则，无细胞间隙，外向壁角质化加厚被染为橘红色，叶肉无栅栏组织、海绵组织之分，叶肉细胞为短柱状，与表皮细胞垂直排列。叶脉之间的表皮细胞分化为泡状细胞，嵌于叶肉组织中，下陷深度达50%左右，泡状细胞可控制叶的卷曲。叶脉为平行脉，由维管束和机械组织构成，主脉较粗，具有较强的水分控制能力，维管束上下与表皮之间分布有厚壁组织（机械组织），机械组织较为发达，以增加输导和支撑能力，维管束鞘细胞外侧的叶肉细胞，形成“花环型”结构。

2.2 不同退化梯度下无芒隐子草叶片解剖结构特征比较

由表3可知，上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度、上角质层厚度、下角质层厚度、叶片厚度、中脉厚度、泡状细胞厚度、机械组织厚度、维管束直径均随着荒漠草原退化程度增加而增加，由对照区条件下的 5.43、6.04、2.17、1.79、87.90、114.52、35.43、21.60、44.61 μm 分别增加为重度退化条件下的 6.69、7.32、2.74、2.42、106.44、165.36、46.03、39.39、58.52 μm。叶片宽度随着荒漠草原退化程度的增加而减少，由对照条件下的1083.54 μm减少到重度退化条件下的1038.37 μm。上述10个指标在各退化梯度上差异显著（P＜0.05），说明该10个指标对干旱胁迫较为敏感。花环细胞厚度在对照区和轻度退化区之间以及中度退化区和重度退化区之间差异不显著。维管束鞘细胞厚度在重度退化区最大，与对照区和轻度退化区差异显著，但在对照区和轻度退化区之间差异不显著。

表3 不同退化程度草地无芒隐子草叶片解剖结构特征Table 3 The anatomical structural characteristics of Cleistogenes Songorica leaf for different degradation degree of grassland

图1 无芒隐子草叶片解剖结构Fig. 1 The anatomical structure of Cleistogenes Songorica leaf

2.3 对应分析

2.3.1 荒漠草原退化梯度特征向量分析

公因子贡献率和表示2个公因子所能反映变量信息的百分率，由表4可知，不同草原退化梯度公因子贡献率和均达到99%以上，表明4个退化梯度所包含的信息可以用2个公因子Dim1、Dim2进行很好地描述，所能反映的信息量大小为：CK＞HD＞LD＞MD。第一坐标、第二坐标为退化梯度在Dim1、Dim2上的载荷，4个退化梯度可分别表示为：CK=0.0918Dim1+0.0027Dim2；LD=0.0202Dim1-0.004Dim2；MD=-0.0373Dim1-0.0021Dim2；HD=-0.0703Dim1+0.0034Dim2。各退化程度在Dim1上所承载的信息均较大，第一坐标可视为是退化梯度的变化情况。用0、1和2表示各变量的坐标对特征值的贡献程度，分别表示贡献少、中和多。由表5可知，CK和HD在2个公因子上载荷对特征值的贡献处于中等水平，LD和MD贡献最多。

表4 退化梯度公因子信息分析Table 4 The information analysis of common factor of deterioration

2.3.2 荒漠草原退化梯度信息量分析

由表4可知，CK和HD在Dim1上的贡献率较大，CK最大，LD和MD贡献率相对较小，其中LD最小；LD和HD在Dim2上的贡献率较大，其中LD最大，CK和MD贡献率相对较小，MD最小。边缘频率（和占百分比）表示原始数据中各行数据之和占总合计的百分率（%），变量占特征值比表示各退化梯度对总特征值贡献的百分比。由表 4可知，不同退化梯度边缘频率表现为HD＞MD＞LD＞CK，这说明所测得解剖结构尺寸总体上变化规律为HD＞MD＞LD＞CK。由变量占特征值比数据可知，CK和HD的贡献率较大，LD和MD相对较小。

2.3.3 不同退化梯度的欧氏距离分析

退化梯度在 Dim1、Dim2上的载荷信息为不同退化梯度在二维直角坐标系上的坐标值，两点之间的欧氏距离的大小代表不同退化程度上无芒隐子草叶片解剖结构尺寸的相似程度。如表 6所示，CK与LD、MD、HD之间的欧氏距离分别为0.0719、0.1292、0.1621，距离依次增大，说明在不同的退化梯度条件下，无芒隐子草解剖结构尺寸依次发生了变化，且在CK条件下远不同于HD条件下；CK与LD、LD与MD、MD与HD之间的欧氏距离依次为0.0719、0.0575和0.0335，CK与LD之间的距离最大，MD与HD之间的距离最小，说明无芒隐子草叶片解剖结构尺寸由对照（CK）过渡到轻度退化（LD）发生了较明显的变化，而由中度退化（MD）过渡到重度退化（HD）变化最小。

表6 退化梯度间欧氏距离Table 6 The Euclidean distance among deterioration

2.3.4 叶片解剖结构指标特征向量分析

不同退化梯度无芒隐子草解剖结构公因子贡献率和均达到98%以上，表明可采用Dim1、Dim2及其上载荷表示原解剖结构指标信息。因此，各解剖结构指标可以表示为：TUE=-0.0590Dim1-0.0019Dim2，其他解剖结构指标的表示见表7。由2个公因子对某一解剖结构指标贡献率可知，所有解剖结构指标在Dim1上承载的信息量大，均超过了90%，说明第一坐标轴可以反映解剖结构指标信息的变化情况。由载荷对特征值的总贡献数据可知，CTUE、CTLE、TLE、TL、TVB、TPC在2个公因子上载荷对特征值的贡献最多，TUE、TMV、TMT、LW贡献处于中等。

2.3.5 解剖结构指标信息量分析

由表8可知，TMV、TMT、LW对第一公因子Dim1的贡献率较大，其中TMV最大，TMV、TVB、TMT、CTLE对第二公因子Dim2的贡献率较大，其中TMV最大；CTUE、CTLE、TUE、TLE对第一公因子Dim1贡献率较小，其中CTUE最小，TUE、CTUE、LW对第二公因子Dim2的贡献率较小，其中LW最小。边缘频率数据显示，解剖结构指标TL、TMV、TVB、TMT、TBC和 LW 列变量数据之和占总合计的百分比较大，其中LW最大，其余较小，CTLE最小；变量占特征值比数据显示，对特征值贡献较大的变量是TL、TMV、TMT和LW，其中TMV最大，而CTUE贡献最小。

2.3.6 解剖结构指标欧氏距离分析

由表9可知，泡状细胞厚度（TBC）与维管束直径（TVB）之间的距离最近，相关程度最大，叶片宽度（LW）和机械组织厚度（TMT）之间的距离最远，相关程度最低。总体而言，叶片宽度（LW）、机械组织厚度（TMT）与其他指标距离较远，相关程度较低，而其他指标之间距离较近，相关程度较高。

表5 不同退化梯度变量信息分析Table 5 The information analysis of deterioration variable

表7 各解剖结构指标公因子信息分析Table 7 The information analysis of the anatomical structure’s common factor of indicators

表8 解剖结构特征指标信息分析Table 8 The information analysis of the anatomical structure’s characteristic indexes

表9 解剖结构特征指标间欧氏距离Table 9 The Euclidean distance among the anatomical structure’s characteristic indexes

2.3.7 荒漠草原退化梯度与解剖结构指标对应分析

将荒漠草原退化梯度和无芒隐子草叶片解剖结构指标的对应分析结果绘制成图，如图2所示，退化梯度和解剖结构指标均与横轴（Dim1）距离较近，二者的信息变化可以由Dim1反映，从右向左，退化程度逐渐增大，各退化梯度与解剖结构指标之间的距离远近表示在该退化梯度上解剖结构指标的大小关系，距离越近，表示此退化梯度上的结构尺寸越大，因此，除LW之外，其余解剖结构指标均随着退化梯度的增加而减小。依据距离远近关系，可将对应分析结果划分为区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅲ。

图2 对应分析结果Fig. 2 The results of correspondence analysis

区域Ⅰ包括CK、LW和LD，说明在对照（CK）和轻度退化（LD）条件下，叶片宽度（LW）的值相对较大，表明在较为湿润的生境下，叶片较为宽展，有利于吸收CO2，提高光合速率和蒸腾速率，促进植物营养累积，加快植物生长发育。

区域Ⅱ包括MD、HD、TUE、TLE、CTUE、TL、TBC、TVB，说明在中度（MD）和重度退化（HD）条件下，上、下表皮细胞厚度，上、下角质层厚度，叶片厚度，泡状细胞厚度，维管束直径的值均较大，以增强储水能力，减少水分散失，防止植物体内水分的过分蒸腾，同时保证水分及营养物质的运输，这是无芒隐子草耐旱性和耐磨性的体现。

区域Ⅲ包括TMT和TMV，这两个值相对退化梯度距离较远，说明不同退化梯度对这两个值的影响相对较小，但从总体上看，随着退化梯度的增加，无芒隐子草会通过逐渐增大机械组织厚度和中脉厚度等行为对干旱胁迫加以防御。

3 讨论

植物生长在自然环境中，受到环境因子的影响，植物对所生存的特定环境具有适应力和抵抗力（季子敬等，2013；任磊等，2015）。植物叶片是对环境最为敏感、可塑性较大的器官，可塑性常与潜在环境适应能力有关，草原退化是环境因子长期作用的结果，植物叶片解剖结构在不同退化梯度上的变化，正是对环境因子长期作用下的反应与适应。本研究中，无芒隐子草叶片解剖结构指标在不同的退化梯度下产生差异，表现出明显的可塑性。

叶片形态的变化能较好地反映植物对干旱等环境的适应性。荒漠草原旱生植物为适应干旱环境，叶片对折、卷曲或被覆大量表皮毛，叶片比叶面积较小，叶片宽度较小、厚度较大（王海超等，2016），本研究表明，随着草原退化程度的加剧，无芒隐子草叶片宽度减少，叶片厚度增大，高温、干旱缺水是荒漠草原最突出的特点（刘明虎等，2013）。无芒隐子草在中度和重度退化条件下，受干旱胁迫程度加剧，叶片卷曲程度加大，以缩小水分的蒸腾面积，减少水分的蒸发量，增大叶片厚度，提高储水能力，通过改变叶片形态以增强抗旱性。

叶片表皮主要具有保护功能和储水作用。张香凝等（2011）研究指出，植物在干旱胁迫下，会增大表皮细胞，以贮藏更多水分。本研究表明，随着退化程度加剧，无芒隐子草叶片上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度呈现增大趋势。其原因是随着荒漠草原退化程度的加剧，地表裸露程度逐步增大，蒸发愈加强烈，土壤近地表层涵养水源能力降低，无芒隐子草通过增大角质层厚度减弱水分蒸腾作用，增大表皮细胞厚度，提高保水能力，为光合作用提供足够的水分，又保持叶片细胞内的膨压，以使其正常生长。同时，在无芒隐子草叶片的表皮细胞中存在泡状细胞，泡状细胞又称为运动细胞，泡状细胞与叶片的卷缩和折叠相关（张盼盼等，2013；Zheng et al.，2002），泡状细胞越厚，叶片的收缩程度就越大（陈洁等，2015），在干旱缺水时，无芒隐子草为防止植物体内水分的散失，通过增大泡状细胞厚度来增加叶片的收缩程度，以便叶片在缺水情况下迅速卷起，减少水分的蒸腾面积，这也是叶片宽度随着草原退化程度加剧而减少的内部机制，也是叶片应对干旱胁迫的策略之一。这与秦茜（2017）对甘蔗（Saccharum officinarum）和张盼盼等（2013）对糜子（Panicum miliaceum L．）的研究结果一致。

叶脉主要起运输水分和养分的作用，发达的叶脉更有利于水分、养分的运输。刘球等（2015）研究指出，植物叶脉通过较厚的机械组织、发达的维管束组织，增大主脉厚度、导管直径来响应和适应干旱胁迫。本研究表明，随着退化程度的加剧，无芒隐子草叶片中脉厚度、机械组织厚度、维管束直径呈现增大趋势，其原因是随着草原退化程度的加剧，无芒隐子草为适应干旱、高温环境，通过增大中脉厚度和维管束组织来提高对水分的控制和运输效率，加快蒸腾，降低叶表温度，同时增强叶片的支撑能力。这与吴丽君等（2015）对赤皮青冈（Cyclobalanopsis gilva）幼苗叶片的研究结果一致。

维管束鞘细胞厚度（TVBSC）、花环细胞厚度（TKMC）与草原退化梯度相关性不显著，在轻度退化条件下时，其值相对较低，具体原因尚不明确，也未见相关报道。后续可进一步将叶片解剖结构特征和表皮特征相结合，探究组织间和组织内的协调机制，研究其对荒漠草原不同退化梯度的响应和适应机理。

高温、干旱缺水是荒漠草原生态系统最为突出的特点，降温和减少水分散失直接决定着荒漠植物的生存和发展（刘明虎等，2013）。综上所述，无芒隐子草叶片部分解剖结构指标随着草原退化程度的加剧呈现规律性的变化，主要通过三方面变化应对荒漠草原不同退化梯度的恶劣环境，一是减少水分散失；二是增大叶片储水能力；三是提高内部运输效率。通过这三个方面的调节以适应荒漠区高温、光照强、降水量少的干旱环境。

4 结论

无芒隐子草是荒漠草原的指示性植物，其叶片解剖结构随着荒漠草原退化梯度表现出较强的表型可塑性。长期干旱胁迫使得荒漠草原形成不同退化梯度，无芒隐子草通过改变叶片内部结构以适应恶劣生境，可塑性较大的解剖结构与草原退化梯度存在显著相关性。无芒隐子草较高的可塑性结构是其能在荒漠草原不同退化程度草地上广泛分布的内在保证和生存基础。