两种藤本植物叶片性状及相关性对季节的响应

张娜娜，刘阳，李荧，刘斗南，许丽颖，赵玥琪

(牡丹江师范学院生命科学与技术学院，黑龙江牡丹江157011)

0 引言

根据系统发育的长期适应性原则，植物的叶片性状在物种，区域或生物群落之间会有差别。在过去的几十年中，通过改变光照强度，湿度和温度条件，探索了植物对环境变化的响应和适应，研究了叶片的形态特征，解剖特征和生理过程[1-3]。在生长发育各阶段，植物叶片的资源获取不同，导致叶片形态有很大差异。如春季(叶生长期)叶片迅速伸展增加叶片面积来提高光资源的获取；在夏季(叶稳定期)植物受到其他植株及自身叶片遮挡，光资源减少，更多的光合产物用来构建叶片以应对更复杂的生境；而在秋季(叶衰落期)叶片光合作用能力减弱，营养物质转移，这些可能都是造成叶片性状在不同环境中具有不同变化的原因[4]。叶片的形态性状主要包括叶大小、形状、颜色、叶脉性状、气孔性状等。叶片形态及叶脉网络功能性状能够反映植物适应特定生境的基本行为和光合生理功能，体现了植物提高叶片光截取、碳获取以及水分输导效率的生态策略[5]。植物叶片气孔大小、密度分布及运动的规律，与绿化植物的生活适应性有关；叶片厚度对植物体利用水分有关；叶脉密度为植物体各部分运输水分和能量，气候、水分和养分都影响着叶片的构型与状态[6]。气孔是叶水分散失的场所，叶脉是叶中水分运输的通道。气孔密度直接影响叶的最大气孔导度[7]，叶脉密度的高低也对叶的水分运输效率和最大光合速率有重要影响[8]。

五叶地锦(Parthenocissusquinquefolia(L.)Planch.)，又名五叶爬山虎，葡萄科爬山虎属落叶木质藤本植物[9]。爬山虎(ParthenocissustricuspidataPlanch.)又称爬墙虎，葡萄科爬山虎属多年生大型落叶木质藤本植物[10]。这两种木质藤本植物在园林应用中作为垂直绿化的基础材料，在增加景观多样性、改善生态环境等方面起重要作用，是城市绿化的重要组成部分。二者生态适应性强，地被覆盖速度快，耐旱、耐寒、耐瘠薄[11-12]。近年来关于藤本植物的研究主要集中在园林应用方面，但是为了更好的将植物叶片的性状展现出来，对两种植物在不同生长季节的叶片特性进行了研究，分析各季节下叶片的大小、叶厚度、气孔和叶脉特性的变化关系，进一步比较二者的叶片各性状及其随季节变化的关系，为植物叶片性状的研究提供理论基础，也为藤本植物在园林应用和城市绿化等方面提供科学依据。

1 研究地概况和研究方法

1.1 研究地区概况

牡丹江市(129.58°E，44.58°N)，位于中国黑龙江省东南部，地形以山地和丘陵为主，呈中山、低山、丘陵、河谷盆地4种形态，中部为河谷盆地，山势连绵起伏，海拔多在300～800 m之间，平均海拔230 m，土壤以暗棕壤为主。夏季温热多雨；秋季短，降温快；冬季漫长寒冷。年平均气温5.9°，年均降雨547 mm，主要集中在夏季，具有雨热同期的特点，年日照平均2305 h。

1.2 取材与制片

试材取自牡丹江师范学院院内。分别于2019年5月份，春季(SP)叶片萌发期、8月份，夏季(SU)叶片生长期和10月份，秋季(AU)叶片变色期进行取样，取样选择在10:00～14:00晴天进行，选择长势良好，没有病虫害且没有受到污染的完整的五叶地锦和爬山虎的叶子各45片，不采集过于幼嫩窄小的叶子。将采集的所有叶片都装入透明封口袋内，带回实验室。用蒸馏水反复冲洗叶子表面，洗净后用滤纸吸干水分，备用。

1.3 测定指标

1.3.1 叶面积的测定。取30片叶片，参照姜真杰[13]的方法进行测算植物的叶面积。

1.3.2 比叶面积的测定。采用打孔法进行比叶面积的测定，使用1 cm直径的打孔器将打好的30片叶片圆片放入65 ℃烘箱中烘干至恒重(精确度=0.0001 g)，并计算30片叶片圆片的总面积。

比叶面积=总叶面积/叶干重

1.3.3 叶厚度的测定。叶片厚度使用精度为0.02 mm的游标卡尺进行测量。6片叶片为一组，测量时尽量避开叶片的主脉以及两侧的次级叶脉，测量3次取平均值，重复5组，再算出每个叶片的平均厚度。

1.3.4 气孔参数的测定。叶片气孔参数采用指甲油印迹法[14]。每片叶子制作一个装片，共计15个装片，每个装片选择3个不同视野下的图片(用来计算平均值同时作为对照，以便于减小误差)。查出每个图片上气孔的数量，计算气孔密度。

气孔密度=气孔数量/面积

用MIPlus软件随机选择3个气孔，测定气孔的长度，计算其平均值。

1.3.5 叶脉密度的测定。将处理干净的叶片切成1 cm×1 cm的小块，放入装有FAA固定液的小瓶中，并做好标记，用5%NAOH浸泡4～5天(每天更换浸泡液)，当发现叶片由绿色变得透明，取出叶片放在载玻片上，盖好盖玻片，压实排净气泡。采用OLYMPUS BX-51(日本东京)生物显微镜观察；用Motic 3000 CCD数码成像系统进行拍照，每个叶片拍3张图片，并用MIPlus软件测量叶脉总长度，计算叶脉密度。

叶脉密度= 叶脉总长度/面积

1.4 数据分析

叶面积为不同季节下30个随机取样叶片的平均值，比叶面积、叶厚度、气孔长度、气孔密度和叶脉密度为不同季节下重复数据的平均数±标准误，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同处理之间的差异(LSD，α=0.05)，使用Pearson相关分析检验两个品种各季节中植物叶片重复数据各性状的联系。采用Microsoft Excel 2003和SPSS软件处理数据。

2 结果与分析

2.1 季节变化对五叶地锦和爬山虎形态性状的影响

相对于春季，五叶地锦的叶面积在夏季和秋季分别升高了24.72%和12.35%，爬山虎升高了25.21%和7.18%(图1a)，夏季两种植物叶片的叶面积最大。五叶地锦的比叶面积在夏季和秋季分别降低了23.08%和11.57%，爬山虎在夏季降低了10%，均与春季差异显著，而爬山虎在秋季时却略微升高，变化幅度为3.97%，与春季差异不显著(图1b)。

(a)为叶面积；(b)为比叶面积；(c)为叶厚度；(d)为气孔长度；(e)为气孔密度；(d)为叶脉密度。注：不同小写字母的表示各处理间差异显著(P<0.05)

两个品种的叶厚度均是夏季最高，相对于春季，五叶地锦在夏季和秋季分别升高了61.54%和30.47%，3个季节均差异显著(P<0.05)，爬山虎夏季升高了30.36%，而秋季却降低2.88%，且春季和秋季都与夏季差异显著(P<0.05)(图1c)。

五叶地锦和爬山虎的叶片气孔长度和气孔密度随季节变化的规律不一致。五叶地锦的气孔长度整体小于爬山虎，气孔密度大于爬山虎，二者呈现反比现象。五叶地锦的气孔长度随季节变化先减小后变大，夏季和秋季与春季的变化幅度为-16.06%和1.82%，而气孔密度先降低后增加，变化幅度为-30.54%和-4.51%。爬山虎的叶片气孔长度随季节变化逐渐增大，夏季和秋季与春季相比，变化幅度为18.50%和23.80%，气孔密度的变化趋势同五叶地锦，变化幅度为-27.63%和-4.42%(图1d, 1e)。

与春季相比，五叶地锦的叶脉密度在夏季和秋季分别降低53.81%和57.86%，且差异显著(P<0.05)。爬山虎的叶脉密度在夏季和秋季分别降低8.02%和36.79%。但均不与春季差异显著(图1f)。

总体来说，季节变化对五叶地锦叶片各性状的影响大于爬山虎。

2.2 季节变化对五叶地锦和爬山虎形态性状间相关性的影响

两个品种叶的形态性状之间存在一定的联系(表1)。春季时，五叶地锦和爬山虎的叶厚度和气孔长度，气孔长度和气孔密度均显著正相关，而叶厚度与气孔密度和叶脉密度，气孔长度与叶脉密度的显著正相关只在五叶地锦中出现；气孔密度和叶脉密度正相关但是不显著。夏季时，两个品种的气孔密度与叶脉密度均显显著正相关，但五叶地锦叶厚度与气孔密度，爬山虎的气孔长度与叶脉密度显著正相关。其他指标之间虽然正相关，但是不显著。秋季时，除五叶地锦的气孔长度和叶脉密度不显著相关，其他指标间均显著或极显著正相关，而爬山虎仅与五叶地锦相反。

表1 季节变化下五叶地锦和爬山虎叶形态性状间的相关性

3 讨论

3.1 五叶地锦和爬山虎叶片性状间差异

研究中，五叶地锦和爬山虎同属葡萄科爬山虎属植物，五叶地锦的叶面积、叶厚度、叶脉密度和气孔长度均小于爬山虎，比叶面积和气孔密度大于爬山虎，体现了植物的种间差异。张纪英等[15]认为同属不同种的植物间气孔长度与气孔密度的变化不明显，而不同属植物则有较大变化。本研究中采用的五叶地锦与爬山虎属同科同属不同种植物，二者的气孔长度相差不大，在11.55～15.06 um之间，但是两个品种的气孔密度在春季和秋季相差40个/mm2左右，夏季相差30个/mm2左右。可见同属植物气孔大小差别不大，但是气孔密度差别较大，若证实不同属植物二者之间的相关性，还需进一步实验。

3.2 季节变化对五叶地锦和爬山虎叶片性状的影响

季节变化显著影响了五叶地锦和爬山虎的叶片各性状(P<0.05)(图1)。在春季，除比叶面积、气孔长度和气孔密度外，五叶地锦的叶面积、叶厚度和叶脉密度均小于爬山虎。两个品种的叶面积和叶厚度随季节变化升高，而比叶面积、叶脉密度和气孔特性随着季节变化而降低。可见，在不同植物中，植物叶片的性状随着季节的变化趋势是一致的，而且季节变化对五叶地锦各性状的影响大于爬山虎。可见，不同季节由于光照、温度、湿度等环境因子的变化，植物的形态和生理特征发生着改变，不同季节植物对环境的适应状态，反映了植物的生长能力和遗传特性。

比叶面积与植物的生长状况和生存策略有着密切的联系，可以反映植物对不同环境的适应性特征以及植物获取环境资源的能力，叶片厚度与植物资源获取、水分存储及物质同化有关[5]。季节变化主要是改变光照、温度、降水量等条件对植物体产生影响。夏季温度高，而高温会加快植物的蒸腾作用，植物需要增强自身的储水能力来应对这种高温，所以植物通过增强叶片的厚度，降低比叶面积来存储更多的水分，这有利于植物能更好地适应相对贫瘠与干旱的环境[16-18]。气孔是叶水分散失的场所，叶脉是叶中水分运输的通道。气孔密度直接影响叶的最大气孔导度[7,19]，叶脉密度的高低也对叶的水分运输效率和最大光合速率有重要影响[20]。在干旱条件下，年平均降雨量与叶脉密度呈显著负相关[5]。研究随季节变化夏季温度最高、雨热同期、降雨量多，两种植物的叶脉密度一直递减，与前人结论一致，同时气孔密度也最低，但是秋季气孔密度有所提高，而叶脉密度继续下降，说明这两个指标在季节变化过程中趋势是不稳定的。但是夏季两个品种气孔密度和叶脉密度与春季相比显著下降，表明夏季植物水分的正态和运输能力相对较低，这也是植物适应夏季高温，更好的在体内存储水分的一种应对策略。

另外，研究中季节对两种木质藤本植物的叶片性状的影响，除气孔大小变化不一致外，其他指标变化基本一致。这一现象的根本原因在于气孔和叶脉受CO2浓度、温度、水分条件及光照强度等影响；而叶厚度主要受光照强度、土壤、降雨量及辐射光等制约，体现了不同生境因素使植物做出不同的反馈来适应或抵抗逆境的现象[21]。

3.3 五叶地锦和爬山虎叶片性状之间的联系

尚旭岚等[22]认为强光条件下，叶片小而厚，气孔小而密；光强变弱时叶片大而薄，气孔密度降低，气孔变大，气孔密度与叶片厚度呈负相关性，Wang et al.[23]的研究也发现叶片厚度与气孔密度呈负相关。本研究中，叶厚度与气孔和叶脉之间正相关，但是显著性因品种和季节变化有差异(表1)，但是从季节变化趋势来看，叶厚度与气孔和叶脉是负相关的。Beerling et al.[24]提出，较厚的叶子不一定意味着更多的气孔，Hodgson[25]的研究表明，较厚叶片的物种具有中等大的气孔。可见，气孔密度和叶厚度之间的关联性根据不同的研究材料和研究环境还是有一些差别的，关于二者的相关性研究还需要在更多的物种中进行。

Madeline et al.[26]研究表明，叶片的气孔密度与气孔长度、宽度和叶面积有关，气孔密度和气孔导度成正比。马之胜[27]对桃亚属不同种植物的叶片性状研究认为，气孔密度与气孔长度、宽度均呈显著负相关。本研究中，两个品种的气孔参数与叶脉密度之间存在一定的联系，但是由于品种和季节显著性不一致，但是在同一个季节条件下，它们之间的关系均为正相关。Wang et al.[28]的研究发现气孔密度和气孔长度之间的相关性在物种和群落水平上都变化。经分析，气孔密度与气孔大小等属于数量性状，受多种因素影响，例如：取样部位、环境、在叶片的位置等。另外，研究仅探讨了同科同属的两个品种的叶片性状关系，关于植物叶片性状的研究还需要再更多品种中加以证实。