不同土壤水分条件对鸢尾叶片形态影响的研究

张桂菊，韩 毅

（黄河园林集团有限公司, 河南 郑州 450003）

0 引言

植物的抗性与环境适应性一直是重点研究方向，除了其内部的遗传因素，外部环境也是影响植物生长的重要因素，随着环境与气候的变化，植物会对环境产生应激反应，通过调整自身形态结构，来增强自身的环境适应性和生存能力［1-2］。叶片是光合作用的主要器官，容易受到空气、温度等环境因素的影响，并且植物叶片的可塑性较强，在环境条件的长期影响下往往会出现一定程度的结构性改变，以增强其环境适应能力，叶片的形态结构是对环境变化响应最强烈的特征之一［3-4］。众多学者针对植物对环境的适应性和响应能力进行研究，薛新平等［5］采用主成分分析法综合评价了8种鸢尾属植物的抗旱能力，并分析了其内在生理机制，发现德国鸢尾、扁竹花、蝴蝶花的综合抗旱能力较强，过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及细胞膜透性等生理指标能够较好地反映出鸢尾属植物抗旱能力的强弱。张永娥等［6］以侧柏幼树为研究对象，通过气候模拟的方式探究了不同气候环境下植物对水分利用的效率变化，研究表明：植物具有较强的生理可塑性，能够利用较少水分来固碳。阎尚博等［7］研究了4种委陵菜属植物对土壤水分条件的响应情况，对比分析了3个水分梯度条件下委陵菜属植物的生长情况与生理指标的差异，结果显示，绢毛匍匐委陵菜的持水能力最强。

巴 西 鸢 尾[Neomarica gracilis(Herb.) Sprague]属于鸢尾科巴西鸢尾属，又称为经鸢尾兰、玉蝴蝶等，原产于墨西哥、巴西等地，后被我国引进栽种，是南方地区常见的园林景观性植物［8-9］。巴西鸢尾植株高度30～40 cm，叶片呈剑形带状、两列分布。巴西鸢尾的花期在春夏时节，单花的寿命较短，新苗在着花处生长，通过压弯花萼接触地面产生新植株［10-11］。巴西鸢尾喜光喜高温湿润气候，不耐寒，耐半阴，适宜生长温度为15～28 ℃。巴西鸢尾在园林景观中的应用推广要求对其环境响应能力等特征进行深入了解，因此研究分析不同土壤水分条件对巴西鸢尾叶片形态的影响，探究旱生与湿生环境下巴西鸢尾的叶片形态特征差异，为巴西鸢尾的进一步应用推广提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 采样土壤概况

试验土壤为赤红壤，对土壤含水量进行测定，以含水量＞20%的沿水绿地为湿生环境，以含水量≤20%的土壤区域为旱生环境。采用环刀法分别对湿生和旱生环境土壤进行取样，并分别对土壤样本的0～20 cm和20～40 cm土壤层进行理化性质的测定（表1）。湿生环境的土壤含水率和养分含量更高，土壤含水率与土层深度呈正相关关系，而土壤养分含量与土层深度呈负相关关系。

表1 湿生与旱生环境土壤理化性状

分别在2种环境下采集植物样本，湿生环境植株半径2 m内存在地表水源，而旱生环境植株半径100 m内无明显地表水源。在2种环境条件下分别选择3株长势中等的巴西鸢尾植株，以植株基部为中心，半径25 cm左右，挖取整个植株，尽量避免破坏根系。将植株样本经清水冲洗根部后保存于甲醛—乙酸—乙醇固定液中，并取植株中间两侧与顶芽距离最近的成熟叶，将叶片中部2 cm左右的位置作为叶片样本。

1.2 试验方法

采用石蜡制片法制作叶片切片，首先，使用真空泵抽取存有叶片材料的固定液样品瓶中的气体，使样品沉至底部，放置7 d使样品完全脱色。随机剪取部分样品，使用系列透明剂进行脱水处理，使样品透明，然后，置于纯二甲苯溶液中浸泡12 h，并更换新的二甲苯溶液再浸泡3～4 h。将样品置于50 mL广口容器，铺垫硫酸纸，使用低熔点碎石蜡在55 ℃下透蜡9～10 d，直至样品完全透蜡。将样品转入已预先熔化的高熔点石蜡中浸泡12 h，石蜡熔点为59～61 ℃，72 ℃下持续加热12 h后更换蜡液，保持加热温度继续透蜡12 h。取出样品并使用新的高熔点石蜡进行包埋，完全凝固后置于4 ℃的冷藏环境中进行保存。

将样品切成100个5 µm规格的薄片，放入45℃的展片机中，切片展开后盛放在有鸡蛋清的干净载玻片上，并使用烘片机烘干。置于晾片架中静置风干后，在梯度溶液中对切片进行脱蜡，脱蜡完全后使用番红—固绿双重染色法进行染色处理，最后，使用中性树胶封片，在35 ℃环境中保存。

采用离析法对叶片表面的微观形态进行分析，取出固定液中的叶片，并经蒸馏水冲洗后浸泡于H2O2-冰醋酸（体积比1∶1）溶液中，60 ℃水浴加热，直至叶片变白且表皮下出现气泡。漂洗干净后，在有蒸馏水的培养皿中撕取叶片表皮，并使用1%番红溶液分别对上、下表皮进行染色，制作临时装片。

1.3 数据处理与分析

采用Nikon E100显微镜进行切片观察，并结合ImageJ Fiji软件进行数据测量，对叶片特征进行观察。采用SPSS 22.0统计学软件进行显著性差异分析，对2种土壤环境下巴西鸢尾的特征指标进行t检验和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 叶表皮形态特征的比较

如图1所示，巴西鸢尾叶片的上表皮与下表皮形态特征类似，细胞主要呈长条形，与叶长轴的方向一致，细胞之间排列紧密。在细胞短边位置气孔分布不规律，且气孔形状较为规整，开口方向与气孔长轴和叶长轴平行。

图1 2种环境下巴西鸢尾的叶表皮形态特征显微结构

如表2所示，随着土壤含水量的增加，巴西鸢尾的气孔密度和气孔指数减小，旱生环境与湿生环境具有极显著差异（P＜0.01）；气孔宽度以及上、下表皮细胞面积随着土壤含水量的增加而增大，旱生环境和湿生环境的差异达到极显著（P＜0.01）；气孔长度也随着含水量的提高而增加，其差异达到显著水平（P＜0.05）。

表2 2种环境下巴西鸢尾的叶表皮形态特征的比较

2.2 叶片横切结构特征的比较

由图2可知，在光学显微镜下观察巴西鸢尾的叶片横切面，可见巴西鸢尾的叶片是等面叶，横切面由内向外分别为薄壁组织、叶肉组织和叶表皮。旱生环境下巴西鸢尾的叶片横切面形状为无规则近圆形，厚度较均匀，外切向细胞壁上有较薄角质层，表皮无附属物，气孔下陷。叶肉组织细胞与表皮细胞之间间隙较小，内部含有丰富叶绿体，大小与形状变化无规律。薄壁细胞与叶肉组织紧贴，细胞稍大于叶肉组织细胞。湿生环境下，巴西鸢尾的叶片整体厚度较旱生环境的更薄，上表皮细胞更厚，而下表皮细胞更薄，上角质层和下角质层厚度均有所减小，薄壁细胞增大，且极为不规则，细胞壁出现进一步解体现象。

图2 2种环境下的叶叶横切面显微结构

如表3所示，随着土壤含水量的增加，巴西鸢尾的叶片变薄，维管束长度增加，差异达到显著水平（P＜0.05）；上角质层变薄，差异极显著（P＜0.01）；主脉厚度、上下表皮厚度、下角质层厚度和维管束宽度的差异性不具有统计学意义（P＞0.05）。

表3 2种环境下巴西鸢尾的叶横切结构特征的比较

2.3 叶肉组织平均厚度的比较

如表4所示，巴西鸢尾的叶肉组织未分化，旱生环境下叶肉组织更厚，随着土壤含水量的增加，叶肉组织变薄，差异具有统计学意义，达到显著水平（P＜0.05）。

表4 2种环境下巴西鸢尾的叶肉组织平均厚度 μm

2.4 主成分分析结果

对不同土壤水分条件下巴西鸢尾叶片的14个形态特征指标进行主成分分析（表5），巴西鸢尾的气孔密度、气孔指数、上下表皮细胞面积、维管束长度和宽度以及下表皮厚度为第一主成分，叶肉组织厚度、上下角质层厚度、气孔长度和宽度为第二主成分，上表皮厚度为第三主成分，主脉厚度为第四主成分。第四主成分的累计贡献率为69.484%，第一主成分中气孔指数的载荷量最大，为0.947。由此可见，气孔对植物内外部的气体交换活动和水分均衡状态保持具有重要价值，气孔的数量和密度越大，植物的内外气体交换能力越强，植物在干旱环境下的降温散热效果就越好。

表5 主成分因子荷载与特征值

3 讨论与结论

当植物在生长过程中受到环境胁迫时，植物会对自身的资源利用与分配方式进行调整以适应环境变化，植物内部的营养物质积累和器官结构也可能会发生相应的改变，体现出植物对环境的适应能力［12］。本研究对不同土壤水分条件下巴西鸢尾叶片的形态结构变化进行了综合比较分析，探究了巴西鸢尾对环境水分变化的适应性和抗性。

一般情况下植物的叶片大小、厚度等形态特征能够反映出植物的抗旱能力，当生长环境较为干旱时，为了减少叶片的蒸腾作用，植物叶片会向小而薄的方向发展，或者生成特殊的保水结构，而本身叶片结构小而薄的植物的抗旱能力也更强［13-14］。本文对巴西鸢尾的叶表皮结构进行分析，研究发现巴西鸢尾的叶片具有长而窄的特征，肉质较厚，其表皮细胞排列较为紧密，细胞之间空隙较小，上下表皮均存在气孔，具有一定的保水抗旱能力，这与南吉斌等［15-16］的研究结果一致。叶片气孔具有植物内外气体交换的作用，有助于保持植物内外的水分均衡，叶片气孔密度越大，其降温散热作用就越明显，能在高温干旱环境下保护植物叶片；随着土壤水分含量的减少，巴西鸢尾的气孔密度会增加，与胡冬等［17-18］的研究结果一致。气孔的大小会影响植物对外气体交换能力和光合速率，巴西鸢尾的气孔在湿生环境中更大，说明在土壤水分条件变化下巴西鸢尾的气孔分化反应强烈，与樊宝丽等［19］的研究结果相同。

为了适应环境条件的变化，植物的叶片解剖结构也会随之改变，以调整内部水分的运输模式。观测巴西鸢尾的叶横切面结构，巴西鸢尾的叶片属于等面叶，肉质较厚实，叶肉组织没有向海绵组织和栅栏组织分化，叶肉组织细胞内含丰富的贮水能力较强的薄壁组织，且含有起支撑作用的木纤维细胞群厚壁组织，有一定的抗倒伏和抗旱能力，与前人的研究结果一致［20-21］。通常情况下，叶肉组织对环境条件变化敏感，栅栏组织对植物抗旱能力影响较大，巴西鸢尾的叶肉组织没有分化，而叶肉厚度在湿生环境中有所增加，但是总体而言，巴西鸢尾的叶片结构对水分条件变化敏感度不高。

综上所述，巴西鸢尾的环境适应能力主要体现在叶表皮特征上，主要影响因子是气孔因子，其叶片形态会随着土壤水分条件的变化而改变，对生长环境水分变化的适应性较强，旱生环境中上表皮角质层等植物抗逆性指标的数值更高，从而满足植物的环境应对策略。