半附生与非附生榕树叶片光合作用相关功能性状比较

张 谦,张翼飞

(1.中国科学院西双版纳热带植物园/热带森林生态学重点实验室,云南勐腊 666303；2.中国科学院大学，北京 100049)

植物功能性状(functional traits)是指对植物的定植、存活、生长和死亡存在潜在显著影响的关键植物性状(core plant traits)；这些性状主要反映植物如何适应所处环境，并同时强烈影响所在生态系统的功能[1-2]。越来越多研究表明，在当前全球气候变化的背景下，植物功能性状已经被学者用作衡量生物多样性保护及生态系统管理的重要指标[3]。其中，叶功能性状(leaf functional traits)与植物对资源的获取、利用及利用效率关系最为密切，可以较为清晰、准确地反映植物的适应策略[4-5]。

榕属(Ficus)植物是热带雨林生态系统的关键类群之一，能为超过1 200种动物提供食物和栖息地[6]。全球超过800种榕树中，半附生榕树(hemiepiphyticFicus)约500种，非附生榕树(nonepiphyticFicus)约300种[7]。榕树生活型的分化为其多样的生态功能提供了支撑。然而，非附生榕树与半附生榕树通常生长在不同的微环境，前者生长在土壤中，而后者有部分时间需要附生在其他植物上，后者受到养分、水分的胁迫通常比前者更加剧烈。这2类植物如何通过调节与光合作用相关的功能性状，适应不同的微环境尚缺乏系统研究。笔者以西双版纳热带植物园榕树专类园的11种榕树为材料，通过测定其含水量、比叶面积、叶片厚度等指标，探讨2种生活型的榕树在叶功能性状上是否存在差异，该研究结果有助于根据叶功能性状了解榕树对环境的适应对策，尤其是半附生榕树在叶功能性状上对高温干旱环境的响应，同时也可为保护榕属植物的多样性提供参考。

1 研究地区和研究方法

1.1 研究区概况研究地点位于中国科学院西双版纳热带植物园的榕树专类园，地理坐标为101°15′E，21°56′N，海拔约560 m。该区域位于东南亚热带北部，属热带季风气候，一年可分为干季、雨季及雾凉季，干季(3—5月)高温少雨，日间温度可达38 ℃；雨季(6—10月)气候湿热，降水占全年的80%左右；雾凉季(11月至翌年2月)降水量减少，温度较低(平均气温17.5 ℃)，全天大部分时间被浓雾笼罩。园区内榕树专类园收集保存了榕属植物约150种，是国内开展榕属植物研究的重要平台[8]。

1.2 研究对象研究分别调查了半附生榕树6种和非附生榕树5种。其中，半附生榕树包括枕果榕(Ficusdrupacea)、心叶榕(Ficusrumphii)、劲直榕(Ficusstricta)、笔管榕(Ficussubpisocarpa)、假斜叶榕(Ficussubulata)、黄葛树(Ficusvirens)；非附生榕树包括北碚榕(Ficusbeipeiensis)、瘦柄榕(Ficusischnopoda)、苹果榕(Ficusoligodon)、肉托榕(Ficussquamosa)、棒果榕(Ficussubincisa)(表1)。

表1 11种榕树的自然生境Table 1 Native habitat of 11 Ficus tree species

1.3 研究方法该研究共涉及7种与水分、光能利用相关的叶功能性状，分别为含水量(leaf water content,LWC)、比叶面积(specific leaf area,SLA)、叶片厚度(leaf thickness,LT)、叶脉密度(vein density,VD)、气孔密度(stomatal density,SD)、气孔大小(stomatal size,SS)、净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)。每物种挑选3株植株，选取相同部位的3片叶进行功能性状的测定。

采样当天用0.001 g电子秤测定叶片鲜重，将叶片在70 ℃下烘至恒重测定干重，计算得含水量；使用叶面积仪测定叶片面积，计算得到比叶面积；使用DTG03数字测厚仪测定叶片厚度，测量10次取平均值，测量时注意避开中脉及两侧次级叶脉；使用光学显微镜拍摄图像，对含有叶脉、气孔的照片用ImageJ 1.4.8编辑处理，分别统计叶脉密度与气孔密度；以保卫细胞长度为长轴、气孔宽度为短轴的椭圆计算气孔大小；在天气晴朗无风的10：00—11：00，使用LI-6800便携式光合仪，测定植株的净光合速率。

1.4 数据分析首先在Excel中对原始数据进行整合与初步计算，得到各树种的含水量、比叶面积、叶片厚度、叶脉密度、气孔密度、气孔大小、净光合速率的平均数与标准差；在R-4.0.2[9]中使用aov函数进行单因素方差分析，对半附生榕树和非附生榕树的叶功能性状差异进行比较，显著水平P=0.05；在R-4.0.2中使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_nbclust函数进行轮廓系数(average silhouette width， ASW)的计算，结合实际情况确定聚类簇个数后，使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_cluster函数进行PAM聚类。

2 结果与分析

2.1 半附生榕树与非附生榕树的叶功能性状比较方差分析结果表明，半附生榕树与非附生榕树的含水量(LWC)与净光合速率(Pn)无显著差异，半附生榕树的比叶面积(SLA)、叶片厚度(LT)与气孔密度(SD)显著低于非附生榕树，半附生榕树的叶脉密度(VD)与气孔大小(SS)显著高于非附生榕树(表2和图1)。

从图1可见，大部分叶功能性状在2类榕树之间存在差异。叶片含水量和比叶面积最大的分别是半附生榕树中的心叶榕[(76.32±3.18)%]与半附生榕树中的黄葛树[(245.10±42.65) cm2/g]，半附生榕树中的劲直榕叶片含水量(65.55±6.29%)和比叶面积[(114.23±28.44)cm2/g]最小。就叶片厚度而言，数值最大的是非附生榕树中的肉托榕[(0.46±0.03)mm]，最小的是半附生榕树中的黄葛树[(0.13±0.01) mm]。对于叶脉密度，半附生榕树中的劲直榕最大[6.58±0.59)mm/mm2]最大，非附生榕树中的苹果榕最小[(1.91±0.17) mm/mm2]。气孔密度方面，密度最高的是非附生榕树中的肉托榕[(741.22±99.00) mm-2)，最低的是半附生榕树中的枕果榕((157.68±27.82) mm-2)。气孔大小以半附生榕树中的枕果榕最大[(1 088.5±270.66)μm2]，非附生榕树中的北碚榕最小[(154.86±19.23)μm2]。净光合速率则以半附生榕树中的心叶榕最高[(10.21±2.01)μmol/(m2·s)]，以半附生榕树中的假斜叶榕最低[(3.63±1.10) μmol/(m2·s)]。

表2 半附生榕树与非附生榕树叶功能性状的方差分析Table 2 Analysis of variance for leaf functional traits of hemiepiphytic Ficus and nonepiphytic Ficus

2.2 半附生榕树与非附生榕树的叶功能性状聚类聚类簇个数为3时，轮廓系数最大为0.27；聚类簇个数为2时，轮廓系数次之，为0.22。考虑到生活型，最终选择聚类簇个数为2。11种榕树根据叶功能性状数据，经PAM聚类后被分为2组：第1组为枕果榕、劲直榕、笔管榕、假斜叶榕、黄葛树，均为半附生榕树；第2组为心叶榕、北碚榕、瘦柄榕、苹果榕、肉托榕、棒果榕，除心叶榕为半附生榕树外，其余均为非附生榕树(图2)。

图1 11种榕树叶功能性状比较(均值±标准差)Fig.1 Leaf functional traits within eleven Ficus species(Mean±SD)

注：相同颜色的物种位于同一聚类簇中 Note:Species of the same color are in the same cluster图2 PAM聚类结果Fig.2 Results of PAM

3 讨论

总体而言，半附生植物受到相对更加严酷的水分、养分胁迫，使得半附生榕树和非附生榕树的叶功能性状产生分化，这种现象可以从2类生活型榕树的生境进行解释。枕果榕、心叶榕等半附生榕树，生境多位于山脊地带，光照充足且相对高温干旱；北碚榕、瘦柄榕非附生榕树，生境则多位于沟谷潮湿地带，水分充足而光照欠缺。2类生活型榕树可依据7种叶功能性状进行PAM聚类，一定程度上反映了其对不同生境的适应策略差异。

该研究发现，半附生榕树、非附生榕树分别通过叶脉密度和增大比叶面积截获光能，提升光合速率，进而适应其土壤干旱的山脊环境与阴蔽的沟谷环境。半附生榕树通过增加叶脉密度，一方面从叶脉基部向叶肉细胞传输水分，可以更好地适应土壤干旱[10]；另一方面，更高的叶脉密度可以提高叶片蒸腾作用，保证叶片处于适宜的温度并提高光合速率，进而更好地应对高温环境[11]。比叶面积反映了叶片对光的截获能力和强光下的自我保护能力[12-13]，非附生榕树较大的比叶面积，是为适应沟谷阴蔽环境、截获更多光能而产生的适应性特征；半附生榕树的比叶面积较小，则有助于其在强光下进行自我保护。此外，非附生榕树拥有更厚的叶片，由于叶片厚度与叶片寿命长短、投入多少、抗干扰能力相关[12]，因此非附生榕树的叶片寿命更长，抗干扰能力更强。

Hao等[14]研究表明，半附生榕树为适应旱生环境，具有较小的相对电导率、较小的叶膨大损失点以及更早的气孔关闭时间。通常情况下，植物的叶片含水量、气孔密度、气孔大小在旱生环境下也会发生适应性改变，但就该研究的结果而言，2种生活型榕树对环境的适应，与以上叶功能性状的关联较小。叶片含水量反映了植物对水分利用情况与植物生存状况，非附生榕树与半附生榕树叶片含水量的差异不显著，说明两者对水分利用情况类似，可能与西双版纳地区雨水充沛有关。小而密的气孔具有较高的灵活性，因此有利于植物保持体内水分及保证有效的呼吸作用，是植物适应旱生环境的表现[10]，然而该研究中半附生榕树适应干旱环境的主要对策是增大比叶面积，其气孔大小和气孔密度与非附生榕树相比更小。