秦岭中段山脊油松叶功能性状差异及其对海拔梯度的响应

田岳梨，杨 航，王芳玲，康海斌，薛 悦，王得祥*

(1 西北农林科技大学 林学院，陕西杨陵 712100；2 宝鸡市林业调查规划院，陕西宝鸡 721001)

植物功能性状是植物发育生长过程中适应不同环境变化形成的生理、形态和物候等特征[1]，能直接或间接反映植物生存、生长和繁殖策略[2]，对生态系统功能产生强烈影响[3]。叶片是植物-大气系统水分、能量交换的基本单元，大面积暴露在空气中，与植物碳同化和环境资源利用联系紧密[4]，能客观地反映植物对环境的响应与适应，同时其性状具有对环境变化敏感、易测量等特点，因此植物叶功能性状成为研究植物与环境关系的重要桥梁受到研究者的广泛关注[5]。

叶功能性状可以体现植物在不同环境梯度下的变异规律，其主要包括比叶面积、叶厚、叶干物质含量、气孔密度、叶片氮、磷、钾含量、叶绿素含量、叶组织密度、叶光合速率、叶饱和含水率等[6]。比叶面积是单位面积叶干重光捕获能力的体现，能反映植物对环境资源的整体利用效率[7]。叶厚与叶片保水能力有关，是衡量叶片机械防御能力的重要指标[8]。有研究表明，环境越干旱，温度越低，比叶面积越小，叶片厚度越厚，叶组织密度越小[9-11]。叶长能有效增加叶面积，和叶绿素含量一样，二者都与植物光合能力密切相关[12]。研究发现常绿树种叶绿素含量和比叶面积从干季到湿季均降低[13]。氮、磷、钾是植物生长发育的必需元素，其中氮、磷也是植物生长的主要限制元素影响养分循环，钾调节植物体内能量和水分代谢，能增强机体对逆境的抗性[14]。随着年平均温度和生长季长度的增加，叶片氮、磷含量下降[15]。气孔密度控制植物与环境水分、气体交换，与植物光合作用、蒸腾作用及呼吸作用密切相关，主要受到温度和水分的影响，温度主要通过水分来影响气孔密度，植物水分利用率越高，气孔密度越大[16]。叶干物质含量反映叶片在自然状态下的含水状况，可指示植物对某一资源的获取和利用程度，在东灵山地区坡度是叶干物质含量的首要影响因子[17]。植物叶功能性状能反映植物叶片物质投资和资源分配方式，是理解植物叶片外在表型差异和内在生理动态随环境变化的相互适应关系的关键。

海拔差异导致水热重新分配形成的环境梯度，对植物叶功能性状产生一定影响，是研究植物对环境适应的理想场所。随着海拔的增加，叶片厚度和叶片面积减少，叶干物质含量增加[18]；植物将较多的氮素用于非光合组织的构建[19]。急粗枝云杉[20]、青海云杉[21]等在其适宜的生长海拔范围内，气孔、叶氮含量、叶含水率等沿海拔变化显著。此外，大量研究表明叶功能性状间关系对海拔存在一定的响应，如沿着海拔梯度，随着巴郎山异型柳气孔导度的增加，其净光合速率也随之增加[19]。天山云杉叶绿素含量和叶氮、磷、钾含量在海拔梯度上显著正相关，比叶重和叶氮含量在海拔梯度上极显著负相关[22]。长白山地区，植物在适宜的环境压力和分布范围内，气孔密度与气孔长度沿海拔梯度存在稳定的负相关关系[23]。神农架海拔梯度上常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、亚高山针叶林这4 种典型森林类型乔木叶绿素含量与叶厚呈显著正相关[24]。

油松(Pinustabuliformis)，为中国特有种，具有喜光、耐旱、耐寒、耐贫瘠等生态学特性，广泛分布于全国。在秦岭中段由于立地条件限制，山脊不适合其他树种生长，油松却依靠其耐瘠薄的特性在山脊上生存，形成稳定的山脊油松林，在该地区生物多样性维持及生态服务功能发挥等方面具有重要意义。目前，关于秦岭中段山脊油松的研究主要集中于群落天然更新和种群结构动态[25]，但其对环境的适应与响应等方面尚未见相关报道。本研究以秦岭中段山脊油松为对象，采取典型取样法，分析其叶功能性状差异及其沿海拔梯度的适应性变化规律，探讨山脊油松随海拔变化环境的适应策略，为秦岭山地山脊油松林可持续发展与利用提供理论指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省宁陕县火地塘林区(33°18′～33°28′N,108°21′～108°39′E)，地处秦岭中段南坡，属于北亚热带和暖温带过渡地带。年均气温8～10 ℃，年降水量900～1 200 mm，年蒸发量800～950 mm，年日照时数1 100～1 300 h，无霜期170 d[26]。区内地势陡峭，地形复杂，土壤以山地棕壤为主。油松是该区的典型树种之一，在非山脊地区常与栎类混交形成典型的松栎混交林，在立地条件较差的山脊形成稳定的油松纯林。山脊油松林主要分布在海拔1 300～2 100 m高山山脊和支脊上。

1.2 样地设置与样品采集

于2019年8月在海拔1 300～1 600 m、1 600～1 900 m、1 900～2 100 m的山脊和非山脊天然油松成熟林内分别选择3个20 m×20 m样方，共计12个。每个样方内选择3棵长势良好且健康无病虫害的油松(年龄和胸径大小相似的成年个体)，在树冠中层东南西北四个方向分别采集一枝无遮光长势较好的枝条，每根枝条上采集1年生、2年生、3年生叶片各50束。将其中的8～10束剪去头尾留中间3～5 cm部分放入标准固定液(FAA固定液)中用于气孔密度测定，其他叶片装入塑封袋标记好放入4 ℃的保温箱内保存带入室内用于其他性状的测定。

1.3 测定指标及方法

将采集的叶片带回室内擦干叶片表面水分，用千分之一天平称量其饱和鲜重，用精度为0.02 mm的游标卡尺测量叶长(leaf length,LL)，在叶片二分之一处测量叶宽(leaf width，LD)和叶厚(leaf thickness,LT)，之后将其装入牛皮纸袋中放入105 ℃烘箱中杀青15 min，再调至75 ℃烘至恒重测量干重。计算公式如下：油松松针单面弧面面积S=π×LD×LL/2，油松单束松针面积= 2S+2LD×LL[9]。叶干物质含量(leaf dry matter content,LDMC)=叶干重(g)/叶鲜重(g)×100%，比叶面积(specific leaf area,SLA)=叶面积(cm2)/叶干重(g)。将FAA固定液中的松叶晾24 h后置于扫描电子显微镜(SEM)下拍摄照片统计气孔个数，气孔密度(stomata density,SD)=气孔个数(个)/照片面积(mm2)。叶绿素含量[chlorophyll concentration,Chl(a+b)]测定采用二甲基亚砜浸提法[27]；油松叶片碳含量(leaf carbon concentration,LCC)测定采用重铬酸钾外加热法；叶氮含量(leaf nitrogen content,LNC)测定采用H2SO4-H2O2消解，AA3连续流动分析仪测定法；叶磷含量(leaf phosphorus content,LPC)测定采用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法；叶钾含量(leaf potassium content,LKC)测定采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法[28]。

1.4 数据分析

对山脊和非山脊油松叶片功能性状进行One-way ANOVA 和LSD差异显著性检验，得到山脊和非山脊油松各叶性状的统计特征及差异性分析；然后对油松各叶功能性状进行Pearson 相关关系分析，以揭示山脊和非山脊油松叶功能性状之间的相关性及其差异。

2 结果与分析

2.1 山脊油松叶功能性状特征

2.1.1 山脊和非山脊油松叶功能性状差异图1、表1显示，1年生叶LDMC、SD表现出山脊油松>非山脊油松趋势，其中LDMC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊间差异显著(P<0.05)；LL、LNC、LPC和Chl(a+b)含量表现出山脊油松<非山脊油松趋势，其中LL在海拔1 900～2 100 m山脊与非山脊间差异极显著(P<0.01)，LPC在海拔1 300～1 600 m山脊与非山脊间差异显著(P<0.05)，而在海拔1 600～1 900 m时差异极显著(P<0.01)。其他叶功能性状在山脊和非山脊间未表现出明显规律。

图1、表1显示，2年生叶LL、LNC、LPC表现出山脊油松<非山脊油松趋势，其中LL在海拔1 900～2 100 m山脊和非山脊间差异显著(P<0.05)，LNC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊间差异极显著(P<0.01)，而在海拔1 900～2 100 m时差异显著(P<0.05)。LPC在海拔1 300～1 600 m时山脊和非山脊间差异显著(P<0.05)，而在海拔1 600～1 900 m时差异极显著(P<0.01)，其他2年生各叶功能性状在山脊和非山脊间未表现出明显的分布规律。

图1、表1显示，3年生叶LL、LNC、LPC表现出山脊油松<非山脊油松趋势，其中LL、LNC在海拔1 900～2 100 m山脊和非山脊间差异显著(P<0.05)，LPC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊间差异极显著(P<0.01)，而在海拔1 900～2 100 m时差异显著(P<0.05)。其他3年生各叶功能性状在山脊和非山脊间未表现出明显分布规律。

表1 山脊和非山脊油松不同叶龄叶性状方差分析

2.1.2 山脊和非山脊油松叶功能性状随海拔变化趋势山脊和非山脊油松1年生各叶功能性状随海拔变化及其在不同海拔段差异性如图1所示。随着海拔升高，山脊油松1年生叶LNC、LKC与SLA、LPC、LT类似，均呈上升趋势，但是随海变化趋势不显著；LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量、SD均呈下降趋势；非山脊油松1年生叶LNC、LPC与SLA、LKC类似，均呈上升趋势，但随海拔变化趋势不显著，LT与LCC、Chl(a+b)含量、SD、 LL、LDMC相似，均呈下降趋势，但随海拔变化趋势也不显著。

A. 山脊；B. 非山脊；不同小写字母表示山脊或非山脊相同叶龄叶性状不同海拔段的差异显著(P<0.05)

在海拔1 300～2 100 m范围内，山脊油松1年生叶LL差异极显著(P<0.01)，除LT、LDMC、LNC外，其他各性状差异均显著(P<0.05)；非山脊油松1年生叶LL、LPC差异均极显著(P<0.01)，除LCC、LKC和SD不显著外，其它各性状均显著(P<0.05)。

山脊和非山脊油松2年生叶功能性状随海拔变化及其在不同海拔段差异性如图1所示。随着海拔的升高，山脊油松2年生叶LT、SD与SLA类似，均呈上升趋势，但随海拔变化趋势不显著；LNC、LKC与LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量同样呈下降趋势，但随海拔变化趋势不显著，LPC则无显著变化趋势；非山脊油松2年生叶Chl(a+b)含量和LDMC与SLA一样，随海拔升高呈升高趋势，但是随海拔变化趋势不显著；LT、LNC、LPC、SD与LL、LCC、LKC类似，虽随海拔升高呈下降趋势，但随海拔变化趋势不显著。

在海拔1 300～2 100 m范围内，山脊油松2年生叶LL、LNC、LKC、Chl(a+b)含量差异均极显著 (P<0.01)，SLA和LPC差异均显著(P<0.05)，其他各性状差异均不显著。非山脊油松2年生叶LPC、LKC差异极显著(P<0.01)，LT、LNC和SD差异显著(P<0.05)，其他各性状差异均不显著。

山脊和非山脊油松3年生叶功能性状随海拔变化及其在不同海拔段差异性如图1所示。随着海拔的升高，山脊油松3年生叶SLA、SD与LT类似呈上升趋势，但随海拔变化趋势不显著，LNC、LPC、LKC与LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量同样呈下降趋势，但随海拔变化趋势不显著；非山脊油松3年生叶LDMC与Chl(a+b)含量类似呈上升趋势，但随海拔变化趋势不显著，LT、SLA、LCC、LNC、LPC与LL、LKC、SD同样呈下降趋势，但随海拔变化趋势不显著。

在海拔1 300～2 100 m范围内，山脊油松3年生叶LL、LNC、LKC差异极显著(P<0.01)，LPC、Chl(a+b)含量差异显著(P<0.05)，其他各性状差异均不显著。非山脊油松3年生叶SD差异极显著(P<0.01)，LT、LPC、LKC和LCC差异均显著(P<0.05)，其他各性状差异均不显著。

2.2 山脊和非山脊油松叶不同功能性状之间的相关性

山脊和非山脊油松1年生叶SLA与LL、LCC、Chl(a+b)含量极显著负相关(P<0.01)，表现为比叶面积越大，叶长越短，叶碳含量和叶绿素含量越低；LNC与LPC极显著正相关(P<0.01)，表现为叶磷含量越高，叶氮含量也越高，同时叶干物质含量越低，气孔密度越小(表2)。

表2 油松1年生叶性状间Pearson相关系数

山脊和非山脊油松2年生叶LDMC与SD呈显著的正相关关系(P<0.05)，表现为叶干物质含量越高，气孔密度越大，同时叶厚越厚，叶长越短，叶氮、磷、钾含量越低，叶绿素含量越低(表3)。

表3 油松2年生叶性状间Pearson相关系数

山脊和非山脊油松3年生叶LL与LPC呈极显著正相关(P<0.01)，表现为叶长越长，叶磷含量越高，同时叶氮含量、叶钾含量也越高；LDMC与Chl(a+b)含量呈显著正相关(P<0.05)，表现为叶干物质含量越高，叶绿素含量越高(表4)。

表4 油松3年生叶性状间Pearson相关系数

3 讨 论

3.1 山脊和非山脊油松叶功能性状特征

坡位是影响植物生长和叶功能性状的重要因素之一[29]。本研究中1年生叶SD和LDMC表现出山脊油松>非山脊油松的规律，Chl(a+b)含量表现出山脊油松<非山脊油松的规律，与其他研究结果一致[30-31]。不同叶龄叶LL、LNC、LPC都表现出山脊油松<非山脊油松的规律。SD是衡量植物蒸腾作用和与外界气体交换的重要指标之一[32]，受温度和光照强度、海拔的影响[33]。LDMC可反映植物在自然状态下的含水率和对环境资源的利用状况[17]，主要受到土壤含水率和有效钾限制[34]。N、P、K是植物生长发育的必需元素，叶氮位于叶绿体类囊体薄膜内通过对RuBP酶活性和数量等的影响进一步对CO2的同化效率产生影响，与光合作用有密切联系[35]；P与植物的能量代谢中的氧化磷酸化和光合磷酸化过程有直接关系，同时还能调节N在植物体内迁移，将光合产物用于生长构建[36]；K与植物的抗性显著相关，K含量越高，抗性越强[14]。Chl(a+b)含量主要用于光合作用，主要受到光照条件的影响。山脊光照强度大，温度较高，辐射较强，山脊油松使气孔变得小而密来降低蒸腾作用，达到水分平衡[37]，同时山脊土壤养分贫瘠含水率低，山脊油松通过增大叶LDMC来增强对环境的利用程度，并将过多的氮素用于细胞壁等非光合组织的构建，使叶片变得更加坚硬[38]。所以山脊油松1年生叶SD、LDMC较大。而非山脊光照强度小，非山脊油松通过增加叶长扩展叶面积来接收光能以维持最大的光合面积，同时增加叶绿素含量和提高氮的利用率用以增大净光合速率来快速生长，同时也需要更多的磷提供能量来满足需要。所以不同叶龄叶LL、LPC、LNC均呈现出非山脊油松>山脊油松的规律。

植物叶功能性状不仅与坡位有关，与海拔也有显著的相关关系[22]。山脊油松各叶龄叶LT与海拔呈正相关关系，这与其他研究结果一致[39-40]，这可能与温度降低植物叶片栅栏组织与海绵组织细胞的层数和厚度增加有关[8]。但非山脊油松叶LT与海拔负相关，这可能是海拔对非山脊的水热状况再次分配，非山脊油松的叶厚不只受温度单一因素的影响。有研究表明，叶长与海拔呈负相关关系[9]，这是因为温度随海拔升高而降低导致植物生长季缩短，叶长随之缩短，这与本研究结果一致。山脊和非山脊油松不同叶龄叶SLA基本上都随海拔降低而减小，这与朱军涛等研究结果相同[41]，原因是秦岭火地塘实验林场降雨量随海拔升高而增大[42]，低海拔干旱环境中，较小SLA有利于提高水分利用率[41]。山脊油松不同叶龄叶LDMC随海拔均呈增大趋势，这是由于随海拔降低土壤含水率减少，山脊油松为了充分利用环境资源而形成较低叶LDMC，这与其他研究结果类似[17]。非山脊油松1年生叶LDMC随海拔升高而显著下降，但2～3年生叶LDMC则随海拔升高，可能是非山脊油松1年生叶充分利用资源不断合成干物质，2～3年生叶主要是进行光合作用以快速生长[43]。山脊和非山脊油松叶LCC与海拔负相关，随着海拔升高，油松的生长季节缩短，LCC随积累的有机物随之减少，这与Hoch 等研究结果一致[44]。山脊和非山脊油松1年生叶LNC、LPC、LKC随海拔均呈上升趋势，2～3年生叶LNC、LPC、LKC均呈下降趋势，因为1年生叶LNC、LPC主要受到土壤磷的影响，多年生叶LNC、LPC主要受到降雨量的影响，环境越干旱，叶LNC、LPC越高[9]，秦岭火地塘土壤磷含量和降雨量均随海拔升高[26]，这与Han等[39]研究结果相似。山脊油松不同叶龄叶Chl(a+b)含量均随海拔呈下降趋势，减少叶绿素含量有利于减少叶片对可见光的吸收,使植物免受强辐射损伤[45]，非山脊油松1年生叶Chl(a+b)含量随海拔升高而降低，2～3年生叶Chl(a+b)含量随海拔升高而升高，可能是因为非山脊油松1年生叶为了快速积累干物质用于叶绿素合成的氮相对较少，随着海拔的升高，生长季节缩短，叶绿素含量相应地减少，2～3年生叶有了较多的干物质，为保持正常的光合作用而增大叶绿素含量。SD与温度负相关，与降雨量正相关[9]。山脊油松1年生叶SD随海拔呈下降趋势，2～3年生叶SD呈上升趋势，可能原因是山脊1年生叶SD受温度影响较大，2、3年叶SD受降雨量影响较大，这点需要更多的相关研究进一步证实。非山脊油松不同叶龄叶SD随海拔均呈下降趋势，温度越高，植物蒸腾作用越强，植物通过减小气孔密度来防止水分过度散失[37]。

3.2 山脊和非山脊油松各叶性状之间的相关关系

研究植物叶功能性状间相互关系对理解植物在不同生境中采取的生态策略有重要意义[24]。本研究中，山脊和非山脊油松各叶龄叶LNC、LPC、LKC之间均显著正相关，这与其他研究结果一致[22,45]，因为氮磷钾是协同元素，通常在植物体内相互配合协调一致地完成某一生理活动[46]。植物体内氮的利用率与光合密切相关[22]，而叶长能有效地扩展叶面积以提高植株本身光合能力[12]，因此本研究中山脊和非山脊油松2～3年生叶LL与LNC、LPC显著正相关，表现为叶长越长，叶氮磷含量越高。此外，本研究还发现山脊和非山脊油松1～2年生叶LDMC与LPC显著负相关，这与王玉平等[47]研究类似，表现为随着叶干物质含量减少，分配到单位质量光合器官的磷随之增多，以满足较高光合的能量供应。

山脊油松叶片注重干物质的积累，生长较非山脊缓慢。随着海拔升高，山脊油松1年生叶片光合面积、组织的构建成本、蒸腾作用和与环境气体交换能力、对单一环境资源获取和利用程度均降低，但对环境资源的整体利用效率增加，机械防御能力、抗性增强，养分循环加快；2～3年生叶片蒸腾作用和机械防御能力均增强，养分循环减慢，对单一环境资源获取和利用程度及抗性降低。综上，山脊独特的生境条件造就了山脊油松独特的生长策略，随着海拔升高，山脊油松表现出多元化的适应策略以应对土壤养分、温度等环境因素的变化，使得山脊油松成为秦岭林区广泛分布的独特群落格局。