台湾含笑新叶与老叶叶片面积构建成本之比较*

郭旭晨，李依蓉，何嘉燕，时培建

(1.南京林业大学 生物与环境学院 竹类研究所，江苏 南京，210037;2.上海市医药学校，上海 200135)

叶片是维管植物主要的采光器官，它能够通过光合作用将太阳能转化为生物能，是维持陆地生态系统功能的基础[1-3]。植物叶片具有许多重要的功能性状，如叶片生物量(M)、叶片面积(A)、比叶重(单位面积叶片干重LMA)和叶片的宽长比等，其中叶片生物量可以用干重(DM)或鲜重(FM)来代表。叶片功能性状之间存在着紧密的联系，它们之间的相互关系会影响到植物在群落中的竞争力。因为大多数植物所处生境的资源有限，植物会根据生境的资源条件，调整自身功能，以平衡生存、生长和繁殖三大目的，并最终将其适应环境的策略表现在植物器官的组织结构和功能性状上，所以研究叶片功能性状之间的关系有利于人们加深对植物适应环境的策略和植物对环境变化的响应的理解[4-9]。Niklas等[10]发现叶片生物量和叶片面积遵从“收益递减规律”，其公式为M=βAα，其中β是常数，α是异速生长指数。α的经验估计值通常大于1，这意味着单位叶片面积的增加需要越来越多的干物质投入,光的获取截获成本也随之增加。Niklas等[10]对收益递减规律的解释是，越大的叶片需要更加复杂高效的运输系统来输送营养以及更加坚固的叶脉结构来支撑起整个叶片，这导致单位生物量的投入所获得面积增加的回报越来越少[10-14]。

在先前的研究中，收益递减规律无论在物种的数目方面还是在物种的类群方面都已经得到了广泛的证实。Niklas等[10]报告了5个植物类群(蕨类、禾本科Gramineae、杂草类、灌木和藤本植物)的叶片异速生长指数α>1。Milla和Reich[15]报告了120个物种的M与A的异速生长指数α>1。Zhu等[16]调查了3个海拔梯度的常绿阔叶林、针阔叶混交林和落叶林群落类型中64种木本植物的叶片质量和面积之间的关系，确认了每个群落类型中都存在收益递减现象。Thakur等[17]在喜马拉雅西部的高海拔地区测量了136种生长在不同地点、坡向、海拔和栖息地类型的优势物种，共统计了9 278片叶片特征，发现光植物的光截获成本随着面积的增加而增加(即α>1)。Huang等[18]报告101个竹种中83个竹类分类群的叶片干重与面积之间的异速生长关系都遵循收益递减规律。由此可知，无论是双子叶植物还是单子叶植物、草本还是灌木、针叶树种还是阔叶树种、常绿树种还是落叶树种，叶片的收益递减现象在植物中广泛存在。

然而，随着对植物叶片异速生长研究的深入，一些研究人员发现叶片的异速生长指数会受到外界环境的影响[19-21]。比如，季节和海拔会影响叶片的异速生长。Liu等[19]分别在春季和夏季采集2种落叶树种的叶片，比较了叶片干重与面积的异速生长指数，发现两个季节α的估计值存在显著性差异，生长期后期的α在数值上大于生长季早期；Li等[20]研究了93种温带木本植物，发现叶片干重与面积的异速生长指数α随着海拔梯度的变化表现出显著差异；Pan等[21]调查了分布在6个海拔梯度上的121种亚热带维管植物，发现α的估计值落在0.859～1.299之间，其值随着海拔的升高而显著增加。

由于外界环境会对α产生影响，导致了同一物种α数值未能统一。然而，目前大多数有关收益递减的研究主要集中在对不同植物α数值的比较，但是却忽略对同一植物不同年龄叶片的异速生长指数α的研究[22]。在比较不同植物的叶片α数值时，由于老叶和新叶之间的异速生长是否存在差异还未可知，不同比例的老叶和新叶组成的叶片样本可能会使研究的结果完全不同，所以探究老叶和新叶之间的异速生长的差异是对收益递减规律研究的重要发展与补充。

为研究老叶和新叶的叶片异速生长之间的差异，选择台湾含笑作为研究植物。台湾含笑[Micheliacompressa(Maxim.)Sarg.]为木兰科(Magnoliaceae)含笑属(Michelia)常绿乔木，选择该种作为研究对象是因为它具有重要的经济价值和观赏价值，是重要的用材树种[23]。研究台湾含笑叶片的异速生长有利于评估其光合潜力大小，提高对它适应环境策略的理解，促进台湾含笑的推广种植和栽培繁育。台湾含笑在20世纪80年代就已经引种到南京中山植物园，拥有长期的嫁接繁殖的研究历史，并且已经适应了南京地区的气候与环境[24]。然而，有关台湾含笑叶片植物生理以及叶片功能性状的研究甚少。本研究比较了新老叶的异速生长和叶片功能性状的差异，其中叶片的异速生长反映了植物叶片对生物量的投资策略，而叶片功能性状反映了其对环境的适生性和可塑性，对于后继研究其适生能力在原产地和引种地之间的异同具有重要意义[25]。

1 材料与方法

1.1 研究地概况与试验材料

叶片采集地位于江苏省南京市中山植物园(32°03′28″N,118°49′55″E)，在3棵树龄50 a的台湾含笑的植株上总共采集老叶125片、新叶277片。采集时间是2019年5月11日，采集位置为植株的林冠中层。为了避免水分损失，叶片采摘下来后立即用湿报纸包裹，放入塑料自封袋(28 cm×20 cm)中，并迅速送往南京林业大学实验室进行叶片功能性状的测定。

1.2 叶片功能性状的测量

用电子天平(ME204/02,Mettler-Toledo Company,Greifensee,瑞士;测量精度0.0001 g)测量叶片新鲜质量。随后用Aficio mp7502扫描仪(Ricoh,日本东京)扫描每片叶子。使用Adobe Photoshop(版本：9.0)获得黑白叶边图像，并使用600 dpi分辨率保存图像。使用Shi等[26]和Su等[27]开发的Matlab程序和R脚本对叶子的黑白图片进行处理，获得叶片的面积和宽长比。在80 ℃的通风烘箱(XMTD-8222，上海精宏实验设备有限公司)中干燥至少72 h，使用相同的电子天平测量叶片干重。

1.3 数据处理与分析

使用幂函数来拟合叶片鲜重FM、干重DM和面积A中任何两个变量之间的异速生长关系：

Y1=βY2α

式中，Y1是因变量，Y2是自变量，β是归一化常数，α是标度指数。当对数转换时，此函数的形式为:

y=γ+αx

式中，y= ln(Y1)，x=ln(Y2)，γ=ln(β)。参数α和γ将使用减少主轴的方法拟合得出，使用自举分位点法分别对老叶和新叶的异速生长方程中的参数α和γ进行比较。使用均方根误差(root-mean-square error，RMSE)来衡量线性拟合的优度，均方根误差等于平均残差平方的平方根。在0.05显著水平下，使用方差分析和Tukey的真实显著性差异检验(HSD)对老叶和新叶的叶片功能性状(叶鲜重、叶干重、叶片面积、叶干重/鲜重、比叶重和叶片宽长比)差异的显著性进行检测[28]。所有统计分析和图形制作均使用R(4.0.3版)进行[29]。

2 结果与分析

2.1 老叶与新叶的叶片干重与鲜重的异速生长关系

台湾含笑的老叶和新叶的叶片干重和鲜重、鲜重和面积以及干重和面积的异速生长指数α估计值的置信区间下限都大于1，这表明无论对于老叶还是新叶，其干重和鲜重、鲜重和面积以及干重和面积异速生长关系都符合收益递减规律(表1和图1)。在3类异速生长关系中，老叶和新叶的异速生长指数α自举重复差值的95%的置信区间都包括0，说明老叶和新叶之间的异速生长指数没有显著性差异。γ自举重复差值的95%置信区间都不包含0，且置信区间的下限均大于0，这说明老叶和新叶的异速生长的截距项存在显著性差异，且老叶的截距项要大于新叶，意味着当ln(Y2)= 0时，老叶的ln(Y1)要大于新叶的ln(Y1)，即当鲜重为1 g时，老叶的干重大于新叶的干重；面积为1 cm2时，老叶的鲜重和干重都要大于新叶的鲜重和干重。尽管老叶和新叶的样本量不同，但是由拟合的均方根误差(即RMSE)可知，对于3种异速生长关系中的任意一种，老叶的均方根误差要小于新叶的均方根误差，这表明老叶的拟合效果优于新叶。

表1 老叶和新叶之间不同叶片测量之间的异速生长关系

图1 老叶和新叶的3种异速生长关系的拟合结果

2.2 老叶与新叶的一些叶片物理功能性状的比较

由图2可知，在叶片的功能性状中，老叶和新叶的宽长比差异性不显著。在叶片干重、叶片面积和比叶重等其余叶片功能性状中，两者存在显著差异，并且老叶的数值都要大于新叶。其中老叶的叶片干重、叶片鲜重、比叶重都要显著大于新叶，这与图1和表1中线性拟合得到的结果一致。

图2 老叶和新叶的叶片功能性状的比较Fig.2 Comparison of leaf functional traits betweenold and new leaves

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 老叶与新叶异速生长指数是否一致？

叶片干重与叶片鲜重的异速生长指数α可以反映叶片的绝对含水量的变化趋势，若干重与鲜重的异速生长指数α数值等于1，那么叶片鲜重随着干重的增加而等比例地增加。由于叶片鲜重等于叶片干重+叶片绝对含水量，所以叶片含水量也将随着干重的增加等比例地增加[18]。然而，台湾含笑的叶片干重与鲜重的异速生长指数α大于1，这意味着在干物质的积累过程中，叶片的绝对含水量是越来越大。Huang等[30]研究的12种竹子中有6种竹子估计的干重-鲜重异速生长指数95%的置信区间包括1，研究发现台湾含笑的干重-鲜重异速生长指数大于1，这可能是植物在不同时期所采取不同的生长策略或者由于植物类型差异所致[4,7]。Huang等[30]的取样时间是从5月末至6月末(最早也在5月末)，研究的材料是常绿的竹类植物，叶片相对较小，发育较快，植物已经基本完成其叶片内干物质的积累，而本研究的取样是在5月上旬完成，研究的对象是木兰科植物，叶片较大，发育较为迟缓。台湾含笑的老叶和新叶的叶片干鲜重与面积的异速生长指数没有显著性差异，且α的数值都大于1，符合收益递减规律[10-11]。由于植物叶片功能性状之间的异速生长关系与植物适应环境的策略和对环境变化的响应具有紧密联系，台湾含笑的新叶与老叶在生长期早期所采用的生长策略一致。但是异速生长指数会受到海拔和气候等环境因素的影响, 这些环境因素对新老叶的影响是否一致、以及新老叶在不同生境之间的异速生长关系是否一致，尚不明确，这需要进一步的深入研究[19-21]。此外，在过去的研究中往往采用干重来代表叶片质量，但是Huang等[31]发现叶片鲜重与面积的异速生长关系的拟合优度要大于干重与面积的异速生长关系的拟合优度，当考察叶片质量和面积异速生长关系时，采用鲜重来描述叶片质量要更加可靠。在本研究中发现：无论是老叶和新叶，叶片鲜重与面积拟合的均方根误差都要小于叶片干重与面积拟合的均方根误差，这与Huang等的研究结果基本一致。

3.1.2 老叶和新叶功能性状的差异是否受采样时间的影响？

台湾含笑的新老叶的异速生长关系在截距项存在显著差异，这主要与新老叶的叶片功能性状之间的差异有关。台湾含笑在春季开始长出新叶，而本研究的采样时间是5月上旬，而台湾含笑的萌芽和展叶期一般是在4月中下旬，此时的新叶尚处于干物质快速积累阶段，新叶的生长发育尚未完成，新叶与老叶的叶片功能性状存在显著的差异[24]。在叶片异速生长的研究中，往往采用不区分老叶和新叶的方式，所以采样时间不宜在生长季早期，因为此时新叶、老叶的叶片功能性状的差异较大，在拟合线性方程时不区分新老叶会导致对叶片异速生长指数和截距项的错误估计，故最佳采样时间应该在生长季后期，此时新叶的生长基本完成，新叶与老叶的差异也更小。比如，Shi等[32]在生长期后期采用不区分老叶和新叶的取样方法研究了4种箬竹属(Indocalamus)植物叶片鲜重与叶面积的异速生长关系，发现叶片鲜重与叶面积之间存在很强的对数线性关系，其r2>0.9。Lin等[33]也在生长期后期采用混合取样的方法研究了11种竹子叶片鲜重与面积的异速生长关系，其对数转化后的叶鲜重和叶面积呈良好的线性关系(r2= 0.99)。

3.2 结论

台湾含笑的老叶和新叶叶片质量与叶片面积的异速生长指数α > 1，符合收益递减规律。叶片鲜重与叶片干重存在异速生长关系，且在生长季早期叶片的绝对含水量呈上升的趋势。老叶和新叶的叶片功能性状在生长季早期存在明显的差异，在研究叶片异速生长关系时会使参数拟合结果的可靠性降低。因此，如果要研究植物叶片综合的(不区分新老叶)异速生长关系，建议在植物生长期末期新叶的干物质含量基本稳定时取样。