蒙古沙冬青叶片解剖特征与生态因子的关系

2020-08-20马红英李小伟杨君珑黄文广王旭康锦芸

生态环境学报 2020年5期

马红英，李小伟*，杨君珑，黄文广，王旭，康锦芸

1. 宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2. 宁夏草原工作站，宁夏银川 750021

叶片是植物进行光合作用和蒸腾作用以及呼吸作用等生理代谢活动的重要器官（张咏梅等，2019），与周围环境关系最为密切，是植物体暴露在环境中面积最大的器官，对外界环境反应最为敏感且具有较大的可塑性，也是植物进行生命活动的主要部位，受生境变化影响显著（康萨如拉等，2013；吴丽君等，2015）。叶片可以在不同的环境中形成各种适应类型，主要体现在叶片形态学和解剖学上（Zhang et al.，2016；Bosabalidis et al.，2002）。叶片结构对环境敏感、适应性强，且叶片结构的变化是植物适应环境变化的重要机制（He et al.，2018）。国内外学者从叶片解剖结构与生态因子之间的关系进行探讨分析（田苗，2016；郭婧宇等，2017；Hoque et al.，2018），研究各种植物与环境的关系，进而得出环境因子对它的影响，以此探寻植物适宜生长发育的环境。因此，通过分析植物叶片的解剖结构与生态因子的关系能够反映环境对其的影响以及植物对环境的适应性。

沙冬青属（Ammopiptauthus Cheng f.）是豆科蝶形花亚科中的一属。沙冬青属有2种，一种是蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus），是豆科常绿阔叶灌木树种（苏志豪等，2018），分布于蒙古国南部以及中国甘肃中东部、内蒙古西部和宁夏中北部地区，另一种是新疆沙冬青（Ammopiptanthus nanus）国家二级保护植物，地方一级保护植物，仅见于新疆喀什地区南部昆仑山与帕米尔交界处（马松梅等，2012；Gao et al.，2015）。蒙古沙冬青是一种超旱生的珍稀濒危植物，在中国将其列为国家三级保护植物（段义忠等，2018），也是中国西北荒漠地区唯一的常绿阔叶灌木。蒙古沙冬青抗逆性强，对荒漠区及盐碱地植被恢复、维持西北荒漠生态系统稳定具有重要的生态价值；另外，蒙古沙冬青也是抗冻蛋白提取的主要材料，在牲畜饲料、化学和药用等方面具有巨大的经济价值（Chao et al.，2015；Chen et al.，2016）。蒙古沙冬青生长于西北干旱的荒漠地区，在生长发育过程中会受到风沙、寒冷、干旱、高温、盐碱各种不利生态因子的影响（Kosová et al.，2018），且随着极端气候出现，环境恶化，生境破碎化加重，栖息地遭到破坏，种群数量不断缩小，面临濒危的现状（马松梅等，2012），因此，备受学者关注。目前，众多研究人员对蒙古沙冬青的研究主要集中在遗传多样性与育种（Liu et al.，2013；沈奇等，2019）、无性繁殖（Wei et al.，2011）、基因分析（唐宽刚等，2018；Chen et al.，2011）方面，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还未见报道。

本研究选取 26个样地的蒙古沙冬青植物叶片作为主要研究对象，借助石蜡切片技术观察叶片解剖结构，再结合气候因子与土壤指标，利用冗余分析（RDA）进一步探讨其叶片解剖特征与生态因子之间的关系，试图从多个方面、多个指标评价蒙古沙冬青叶片解剖特征在大尺度上的变化，确定一个或多个与蒙古沙冬青叶片解剖结构有关的生态因子，并确定影响蒙古沙冬青叶片解剖结构的主导因子，主要回答以下几个问题：（1）研究蒙古沙冬青叶片解剖结构特征；（2）阐明导致蒙古沙冬青叶片结构差异的主导环境因素，探究蒙古沙冬青适应环境的策略，以其为濒危植物蒙古沙冬青的保护提供理论依据。

1 材料方法

1.1 研究区域概况

本研究区域位于东经 104.79°—107.15°、北纬36.28°—41.77°之间，分别是宁夏与内蒙古西部地区（图 1），属典型的大陆性半湿润半干旱气候，降雨从南向北依次递减，且多集中于 7—9月，年降雨量100—400 mm，蒸发量2000 mm以上，地势南高北低，海拔1014—1883 m，年均温9.5 ℃，年均辐射 198712 kJ·m−2·d−1，热量充足；土壤类型从南向北依次为黑垆土、黄绵土、灰钙土和砂质土。

1.2 样本的采集及测定

1.2.1 叶片样本的采集

于2018年7—8月，在研究区内设置26个样地，每个样地设置3个10 m×10 m样方，每个样方内选取3个生长良好、发育成熟、有代表性的植株，选取其同一部位的叶片（3—5片），装入带有FAA固定液的离心管，带回实验室。采回的蒙古沙冬青叶片经过取材﹑固定、脱水、透明、透蜡、包埋、切片、展片、贴片、烤片、染色、封藏、烤片等步骤制成永久制片，将制片置于Olympus显微镜下观察。采用Motic Image Advanced 2.0软件测量并进行显微照相。

图1 蒙古沙冬青采样点详细分布图Fig. 1 Detailed map of the sampling points of Ammopiptanthus mongolicus

选择叶片厚度（Thickness of leaf，TL）、上表皮细胞厚度（Thickness of upper epidermis cell，TUE）、下表皮细胞厚度（Thickness of lower epidermis cell，TLE）、上栅栏组织厚度（Thickness of upper palisade tissue，TUP）、下栅栏组织厚度（Thickness of lower palisade tissue，TLP）、主脉厚度（Thickness of main vein，TMV）共6项叶片结构指标进行测定。

1.2.2 土壤样本的采集

在设置的每个蒙古沙冬青样方内同时采集土样，按五点取样法取样，用土钻在每个样地内取 0—40 cm土层土壤，剔除其中的植物根系及石块等非土样组成部分，带回实验室自然风干。将土壤样品混合均匀并按照四分法取土样研磨，过2 mm土壤筛后用于土壤养分指标的测定。

土壤有机质（SOC）含量采用重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮（TN）含量采用全自动凯氏定氮仪测定，土壤全磷（TP）含量采用 HClO4-H2SO4消煮钼锑抗比色法测定，土壤含水率（MOIS）采用烘干法测定，土壤pH（pH）采用电位法测定。

1.3 气候数据的获取

选取5个气候因子，即年均降雨量（MAP）、太阳辐射（SRAD）、蒸汽压（VARP）、年均温（MAT）、生长季降雨量（GSP）。每一个样地都使用GPS确定海拔（ALT）、经度（LON）和纬度（LAT）即空间因子。依据世界气候数据网站（http://www.woridclim.org/），基于调查地点的经度、纬度与海拔数据，分别获取26个样地的上述5个气候因子指标。

1.4 统计分析

用SPSS 21.0对蒙古沙冬青植物叶片解剖结构与生态因子的相关性进行分析。用Canoco 5.0软件对蒙古沙冬青叶片解剖结构和生态因子进行冗余分析（RDA排序）和绘图。

2 结果

2.1 叶片解剖结构特征

本研究测量了蒙古沙冬青叶片厚度、上、下表皮细胞厚度、上、下栅栏组织厚度与主脉厚度（图2），结果显示，蒙古沙冬青叶片具有超旱生结构，叶片小而厚，且解剖结构为等面叶。由表1可以看出，蒙古沙冬青叶片厚度平均值为385.01 μm，最大值为 (516.02±25.35) μm，最小值为 (278.44±22.13) μm；表皮由单层细胞组成，形态特征基本一致，近长方形或椭圆形，上表皮细胞较细长，排列较下表皮细胞疏松，下表皮细胞近圆状或不规则状，排列较紧密。叶片上下表皮细胞厚度平均值分别为：(19.39±1.46) μm 和 (22.90±2.00) μm，上表皮细胞厚度最大值为 (28.77±3.25) μm，最小值为(13.33±1.26) μm，下表皮细胞厚度最大值为(39.81±3.98) μm，最小值为 (15.89±1.85) μm，表明下表皮细胞厚于上表皮细胞，并且下表皮细胞厚度变化幅度高于上表皮细胞厚度变化。叶肉组织分化为上栅栏组织与下栅栏组织，上栅栏组织排列较紧密，其厚度平均值为 (128.47±5.02) μm，最大值为(165.21±8.50) μm，最小值为 (95.78±8.60) μm；下栅栏组织排列较疏松，其厚度平均值为(161.03±6.35) μm，最大值为 (199.28±19.62) μm，最小值为 (116.28±12.35)，这表明蒙古沙冬青叶片下栅栏组织厚于上栅栏组织，并且变化幅度也高于上栅栏组织。蒙古沙冬青叶片主脉较突出，主脉厚度平均值为 (277.25±9.23) μm，最大值为 (396.16±29.26) μm，最小值为 (185.94±25.02) μm。

图2 蒙古沙冬青叶片解剖结构Fig. 2 The anatomical structure of Ammopiptanthus mongolicus leaves

表1 蒙古沙冬青叶片解剖结构指标Table 1 Anatomical structure index of Ammopiptanthus mongolicus leaves

2.2 叶片解剖结构与生态因子的相关性

对叶片解剖结构与生态因子之间的相关性分析结果（表 2）表明，上、下表皮细胞厚度分别与纬度呈极显著负相关（r= −0.780，P<0.01）、（r=−0.634，P<0.01）；上表皮细胞厚度与年均降雨量呈极显著正相关（r=0.671，P<0.01），下表皮细胞厚度与年均降雨量呈显著正相关（r=0.492，P<0.05）；上、下表皮细胞厚度也分别与生长季降雨量呈极显著正相关（r=0.681，P<0.01）、（r=0.518，P<0.01）；叶片厚度、上表皮细胞厚度分别与太阳辐射呈显著负相关（r= −0.395，P<0.05）、（r= −0.423，P<0.05）；上、下表皮细胞厚度分别与蒸汽压呈极显著正相关（r=0.774，P<0.01）、（r=0.686，P<0.01）；上表皮细胞厚度与土壤全氮呈极显著正相关（r=0.506，P<0.01），下表皮细胞厚度与土壤全氮呈显著正相关（r=0.485，P<0.05）。上栅栏组织厚度分别与年均降雨量、生长季降雨量呈显著负相关（r= −0.419，P<0.05）、（r= −0.412，P<0.05），而下栅栏组织厚度、主脉厚度与生态因子均无显著相关关系。叶片解剖结构与海拔、经度、年均温、有机质、土壤水分、土壤全磷、pH无显著相关关系。

2.3 蒙古沙冬青叶片解剖与生态因子之间的冗余分析

对 26个蒙古沙冬青样地叶片解剖与生态因子进行冗余分析（图 3、表 3），结果表明：蒸汽压（F=8.0，P=0.002）、纬度（F=7.2，P=0.002）、生长季降雨量（F=5.0，P=0.01）、年均降雨量（F=4.7，P=0.012）、土壤全氮（F=2.9，P=0.04）、太阳辐射（F=2.7，P=0.048）对叶片解剖结构具有显著影响。而年均温（F=1.9，P=0.144）、经度（F=1.7，P=0.168）、有机质（F=0.6，P=0.562）、土壤 pH（F=0.3，P=0.858）、土壤水分（F=0.3，P=0.862）、土壤全磷（F=0.3，P=0.824）、海拔（F<0.1，P=0.972）对叶片解剖结构影响不显著。

方差分解结果显示（图4），气候因子、土壤因子和空间因子共同解释了蒙古沙冬青叶片解剖75.6%的方差，未解释率为24.4%。其中气候因子、土壤因子和空间因子对蒙古沙冬青叶片解剖的单独解释率分别为 21.1%、17.3%和 10%，气候因子的影响最大，土壤因子次之，空间因子最小。对 3组环境进行双因素分析，气候因子和土壤因子、空间因子和气候因子、空间因子和土壤因子的共同解释率分别为65.6%、58.3%和54.5%，三者之间的共同解释率为27.2%。

表2 叶片解剖与生态因子的相关性Table 2 Correlation between leaf anatomy and ecological factors

图3 蒙古沙冬青样地、叶片解剖与生态因子的RDA排序Fig. 3 Sample plot、leaf anatomy and ecological factor ranking of Ammopiptanthus mongolicus by RDA

3 讨论

3.1 蒙古沙冬青叶片解剖特征

图4 气候因子、土壤因子和空间因子对蒙古沙冬青叶片解剖的方差分解图Fig. 4 Variance decomposition diagram of Ammopiptanthus mongolicus leaf anatomy by climatic, soil and spatial factors

干旱是影响植物生长发育的重要因素之一，不同种植物受自身遗传特性与外界环境的共同影响，对干旱形成了不同的生态适应对策。为了适应高温、干旱等逆境环境，植物叶片解剖结构均具有相应的变化特征（孟林等，2011）。有研究表明，长期生长在干旱环境中的植物叶片通常表现出叶片厚度增大、角质层增厚、栅栏组织厚度增加、海绵组织厚度减少或退化等（李蒙蒙等，2016）。也有研究表明，植物适应干旱环境的第一个特点是尽量缩小叶面积以减少蒸腾量，但是不同的植物适应干旱环境所表现出来的特征有所不同（康萨如拉等，2013；吴丽君等，2015）。本研究发现：（1）蒙古沙冬青的叶片横切面为典型的等面叶，属于厚叶植物；（2）叶片的上、下表皮均由一层细胞组成，细胞肥大形状规则，排列整齐紧密无细胞间隙，可以减少叶片的蒸散量；（3）叶肉细胞紧密排列全部栅栏化，贴近上下表皮分布，上栅栏组织厚度较小，细胞垂直排列且较紧密规则，下栅栏组织厚度较大，排列较疏松，海绵组织退化，可以减少水分蒸腾流失；（4）叶脉为平行脉，由维管束与机械组织构成，发达的主脉呈椭圆状且较为突出，增强了对水分的输导能力。以上这些特征表明生长于干旱荒漠地区的蒙古沙冬青叶片具有典型的超旱生结构（李蒙蒙等，2016；刘美等，2017；李苗苗，2008），且这与石丽丽等（2018）对蒙古沙冬青和新疆沙冬青的比较研究结果一致。

3.2 蒙古沙冬青叶片解剖特征与环境因子的关系

植物叶片的结构与功能可较好的反映植物对各种环境的适应性（England et al.，2006；Tian et al.，2016）。尽管叶片基本上由表皮、气孔和叶肉组成，但由于系统发育关系和对特定环境的适应，不同种类叶片在面积、厚度和形状上表现出明显的差异（Royer et al.，2008）。研究表明，决定大尺度植物形态结构差异的因素主要为温度和降雨等生态因子（胡建莹等，2008）；而在小尺度上，植物形态结构差异主要由微环境导致，如地形条件（纬度）、土壤理化性质及其他生态因素（邰建辉等，2011）。植物的形态特征与环境因子的关系，尤其是水热因子的关系逐渐从定性描述转变为定量描述（莫亿伟等，2011）。环境对叶片的影响主要体现在叶片厚度、上表皮细胞厚度、下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、主脉厚度等方面（王维睿等，2015）。本研究对叶片解剖特征与生态因子的相关性分析表明：生态因子对下栅栏组织和主脉无显著影响，以往的研究表明光合作用主要发生在完全发育的栅栏组织中（Mendes et al.，2001），而下栅栏组织是由海绵组织发育而来，并未完全发育成熟，所以环境因素对它的影响不显著（周宜君等，2001）；主脉则主要是进行养分与水分的运输（张文霞等，2018），与环境因子的关系较弱。生态因子主要对蒙古沙冬青上、下表皮影响较大，对叶片上栅栏组织也有一定影响。具体而言，在本研究区域中随着纬度的升高，环境特征趋向于温暖，上、下表皮厚度减小，有利于叶片内部的气体交换，使得外界气体可迅速向内部扩散（Verboven et al.，2015），而且利于叶片内部的栅栏组织进行光合作用（He et al.，2018）。另外，上表皮细胞还与纬度、年均降雨量、生长季降雨量、蒸汽压、土壤全氮呈极显著正相关关系（P<0.01），蒙古沙冬青从北向南分布主要是降雨和温度的变化，降雨量呈增加趋势，但海拔逐渐升高，温度下降，为适应寒冷的环境，上表皮细胞随之增厚，上表皮细胞增厚保水保护能力增强，且足够的水分也保证了光合作用，而且也起到抵御寒冷的逆境环境（郭学民等，2015；郝文芳等，2019）；与上表皮相比，下表皮位于叶片下方，受环境因子影响较小，因此，环境更多的影响上表皮；土壤理化指标中，只有全氮对叶片解剖特征有较大的影响，蒙古沙冬青是豆科植物，根系发达且可结瘤固氮（郝文芳等，2019），而且贾晓红等（2006）有研究表明，在干旱和半干旱的草地中，大量灌木生长的地方会加剧灌丛下的养分聚积，从而形成了“肥岛”，促进这些灌木在群落中的定居，因此，土壤中的氮素对叶片解剖特征有较大的影响。

表3 蒙古沙冬青叶片解剖与生态因子的RDA排序Table 3 RDA sequencing of leaf anatomy and ecological factors in Ammopiptanthus mongolicus

总体而言，年均降雨量与生长季降雨量对蒙古沙冬青叶片解剖特征有较大的影响，这是由于蒙古沙冬青生长于干旱的荒漠地区，水分是其生长发育的限制性因素（石丽丽等，2018）。本研究结果表明，降雨对上、下表皮细胞和上栅栏组织影响较大，叶片表皮细胞具有保护功能与储水作用（张香凝等，2011），降雨主要通过影响表皮细胞厚度使其适应不同的水分环境。总之，利用 RDA分析蒙古沙冬青叶片解剖特征与生态因子相关的数据，以及方差分解累计解释量表明，气候因子是影响蒙古沙冬青叶片解剖特征的主要生态因子，生态因子中的蒸汽压、纬度、生长季降雨量、年均降雨量、土壤全氮、太阳辐射的影响较大，表明各环境因子对叶片解剖特征的影响不是单一的，它们共同作用，影响蒙古沙冬青叶片的解剖特征（段义忠等，2018）；其中热量的影响最大，降雨的影响次之，这与田苗（2016）的研究结果基本一致。