祁连圆柏针叶解剖结构对高原寒旱环境的适应性分析

田培林，刘 师，李登武

(西北农林科技大学 林学院，陕西杨陵 712100)

祁连圆柏(Juniperusprzewalskii)为柏科圆柏属植物，是中国特有种，常生长于海拔2 600～4 000 m的阳坡半阳坡地带，是青海省三江源地区的建群种和优势种[1]，同时也是重要的水源涵养树种[2]。祁连圆柏枝、叶、果富含萜类化合物[3]，其丰富的精油成分对真菌和细菌均有较好的抑制性[4]，此外，祁连圆柏提取物对癌细胞也有良好的抑制效果[5]。研究表明，祁连圆柏适生区在气候变暖的情景下将向高海拔迁移[6]，高海拔地区寒冷而干旱，祁连圆柏如何适应高原地区寒旱环境受到了广泛的关注。目前，关于祁连圆柏对环境适应策略的研究主要集中于生理活性[7-8]、径向生长[9-10]等方面，关于其针叶解剖结构的生态适应性研究尚鲜见系统报道。

叶作为植物的最大器官，与环境充分接触，其性状表现能较好地反映植物与环境的关系。研究表明，高原植物通过增加叶片厚度、叶角质层厚度、叶表皮厚度等方式来适应寒旱环境[11-12]。然而，不同物种叶结构对环境的响应特征并不相同。例如，在水分胁迫条件下，普通小麦(Triticumaestivum)叶厚出现不可逆的减少[13]，而大头茶(Gordoniaacuminata)、栲树(Castanopsisfargesii)幼苗叶厚则出现增长[14]；Rengifo等[15]比较研究发现，在高浓度CO2下处理19周时，棉叶麻疯树(Jatrophagossypifolia)叶厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度表现为对照组显著高于实验组，而莲子草(Alternantheracrucis)表现则与之相反。这种差异同样存在于物种叶结构与海拔的相关关系中。Jiménez-Noriega等[16]研究发现5种高山植物的叶表皮细胞、气孔、维管束等结构在海拔梯度上呈现出不同的变化趋势；Zhong等[17]研究了3种植物叶解剖结构在高海拔地区的变化规律，结果同样证明了不同物种叶结构对海拔响应不一；牛至(Origanumvulgare)叶气孔密度随海拔上升而增大，而柔枝松(Pinusflexilis)则相反[18-19]。这可能是由于不同植物其叶形态可塑性不同，以及其不同结构对环境因子的敏感性不同[20]。那么祁连圆柏针叶解剖结构对寒旱环境的响应又是如何？

本研究以青海省祁连圆柏针叶解剖结构与地理因子关系为出发点，分析祁连圆柏针叶解剖结构对经纬度、海拔及坡向的响应特征，探讨祁连圆柏对高原寒旱环境的适应策略，以期为高原植物寒旱环境适应机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域自然概况

青海省位于青藏高原的东北部，全省地势总体呈西高东低，南北高中部低的态势，西部海拔高峻，向东倾斜，呈梯型下降。全省平均海拔3 000 m以上，属于高原大陆性气候，年平均气温5.1～9.0 ℃，降水量15～750 mm，绝大部分地区年降水量在400 mm以下，太阳辐射强度大，光照时间长。

1.2 试验材料

在青海省祁连圆柏的主要分布区，选择典型的祁连圆柏纯林样地并采样，其中泽库县麦秀林场、兴海县中铁林场与北山森林公园设置海拔梯度采样，梯度间隔为100～200 m，各样点信息详见表1。每个样点选取5株长势良好、树高及胸径相近、无病虫害的成年树木，幼树及老树均被排除，个体间隔20 m以上；采集树冠中部向阳面当年生嫩枝若干，放入到FAA固定液(70%酒精∶甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5)中，真空泵抽气30 min，48 h后，将FAA固定液更换为70%酒精。

表1 取样地基本信息Table 1 Basic information about sampling site

1.3 试验方法

使用石蜡切片法制片，统一切取针叶与茎相连的位置，切片厚度9 μm，用荧光显微镜(荧光显微镜NE910，科学相机H-694CICE)拍摄祁连圆柏针叶横切面，用图像分析软件Image Pro Plus 6.0测量祁连圆柏叶宽、叶厚、下表皮细胞厚度、下角质层厚度、叶维管束木质部及韧皮部厚度。选择下表皮细胞与角质层，是因为这两者位于远轴面，与环境接触更充分。因该切片位置叶肉细胞分化不明显，故未测量栅栏组织与海绵组织。

1.4 数据分析方法

利用Excel进行数据整理，利用SPSS 23进行祁连圆柏针叶解剖结构与经纬度、海拔的回归分析。以海拔为控制变量，作针叶结构与经纬度的偏相关分析；以地区为控制变量，作针叶结构与海拔的偏相关分析。

2 结果与分析

2.1 祁连圆柏针叶解剖结构对经纬度的响应特征

在7个地区选取了8个海拔尽可能接近的样点Z2、X1、D2、D6、DE1、W1、Q1、H4进行有关分析。方差分析结果(表2)表明，H4样点的祁连圆柏在叶宽、叶厚、下角质层厚度、木质部厚度与韧皮部厚度5个指标上大多显著小于其他7个样点，仅下表皮细胞厚度与其他地区无显著差异；其他7个样点间的祁连圆柏针叶解剖结构除下角质层厚度外均无显著差异，而且下角质层厚度也仅D6样点显著高于D2样点，其余均无显著差异。

表2 不同地区祁连圆柏针叶解剖结构指标值Table 2 The needle anatomical structure of J. przewalskii from different regions/μm

利用以上8个样地数值进行祁连圆柏针叶解剖结构与经纬度关系分析。图1显示，随着立地经度的增大，祁连圆柏叶宽、叶厚、叶维管束木质部与韧皮部厚度稍有下降，但其线性回归分析中的拟合优度均不高，其针叶下表皮细胞厚度与下角质层厚度则无明显变化；同时，随着立地纬度的增加，祁连圆柏针叶下表皮细胞厚度随之下降，其线性回归分析拟合优度达0.497 9，但其他针叶结构则无明显变化(图2)。

另外，在SPSS 23软件中以海拔为控制变量，将祁连圆柏针叶解剖结构与其立地经纬度进行偏相关分析，结果(表3)显示，祁连圆柏针叶下表皮细胞厚与经度、叶维管束木质部厚与纬度呈正相关，其他针叶结构则与经纬度呈负相关，这与图1、2的结果一致，但相关性均未达到显著水平。

表3 祁连圆柏针叶解剖结构与经纬度、海拔(>3 200 m)的偏相关分析Table 3 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and latitude, longitude and altitude (>3 200 m) of J. przewalskii

2.2 祁连圆柏针叶解剖结构对海拔的响应特征

选择互助县北山森林公园、泽库县麦秀林场、兴海县中铁林场(除X2)的数据用于祁连圆柏针叶解剖结构与海拔关系分析。方差分析结果(表4)表明，祁连圆柏针叶叶宽、木质部厚在海拔间均无显著差异性，而其他4个针叶解剖结构在海拔间则存在显著性差异。

表4 3个地区不同海拔祁连圆柏针叶解剖结构指标值Table 4 The needle anatomical structure of J. przewalskii at different altitude from 3 regions/μm

3个研究区域海拔段依次增高，祁连圆柏针叶解剖结构与海拔关系存在阶段性和结构间的差异性。其中，在互助县北山森林公园中(图3)，仅祁连圆柏的叶宽随海拔上升表现出明显增加趋势(r=0. 859 4)；在麦秀林场中(图4)，祁连圆柏针叶下角质层厚与海拔梯度呈现强相关性(r=0.950 3)，值得注意的是，在麦秀林场3 212 m以上的海拔段，叶宽、叶厚、下表皮细胞厚、下角质层厚均随海拔明显增厚(图6)，均与海拔呈现出更强的正相关性，相关系数分别为0.946 0、0.887 7、0.946 4和0.979 3；在中铁林场中(图5)，祁连圆柏针叶下表皮细胞厚和下角质层厚度随海拔上升而增加，相关系数分别为0.8962和0.8228。中铁林场海拔跨度较大，其3 200、3 400 m海拔段，叶宽、叶厚、下表皮细胞厚和下角质层厚有明显增加，这与麦秀林场3 212～3 519 m海拔段表现较为相似；在3 680和3 815 m海拔处，这4种叶片结构增长有所放缓，其中叶宽、叶厚增速减少幅度高于下表皮细胞厚和下角质层厚。

另外，基于祁连圆柏针叶解剖结构与经纬度无显著相关性，将麦秀林场3 212 m以上的区域与中铁林场相结合，以地区为控制变量，作针叶解剖结构与海拔的偏相关分析。结果(表3)表明，祁连圆柏针叶下角质层厚、下表皮细胞厚与海拔极显著相关，叶厚与海拔显著相关，叶宽、叶维管束木质部及韧皮部厚与海拔无显著相关性。以上结果表明，祁连圆柏针叶下表皮细胞厚、下角质层厚对海拔变化更为敏感，其次为叶厚、叶宽，但叶维管束木质部及韧皮部厚对海拔变化无显著响应。

2.3 祁连圆柏针叶解剖结构对坡向的响应特征

选取6对海拔相近、位于同一地区的阴阳坡样点(DE2与DE1；D5与D6；Q2与Q3；X2与X1；D1与D2；D3与D4)，分析祁连圆柏针叶解剖结构对坡向的响应特征。结果(图7、表5)表明，坡向显著影响了祁连圆柏针叶下角质层厚，但对其他5种针叶结构无显著影响；在6对样点中，阴坡祁连圆柏针叶下角质层厚度均高于阳坡，且阴坡平均值比阳坡显著增厚9.9%，这表明较厚的角质层对于祁连圆柏生长在阴坡具有十分关键的作用。

表5 祁连圆柏针叶解剖结构对坡向的响应特征Table 5 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and aspect of J. przewalskii/μm

3 讨 论

3.1 海拔对祁连圆柏针叶解剖结构的影响

在海拔梯度上，光照、温度、水分等环境因子呈现出规律性的变化，植物叶解剖结构随海拔表现出递增或递减的趋势[18-19,21-22]，同时也存在着先増后减或先减后増的趋势[18,22]，以及叶解剖结构与海拔无相关性的情况[23]。而在本研究中，祁连圆柏叶宽、叶厚、下角质层厚度和下表皮细胞厚度在低海拔无显著变化，在中海拔(3 200～3 519 m)显著增加，在高海拔增加趋势变缓，整体呈现出“S”形变化曲线。青海省平均海拔3 000 m以上，低海拔地区可能并未形成典型的垂直气候带谱，且低海拔地区牧民多，人为干扰严重[1]，研究表明放牧能影响草原植物叶解剖结构[24]，而牧民活动可能对祁连圆柏针叶结构也有一定的影响。此外，低海拔地区生境较为温和，其环境压力可能并不足以使祁连圆柏产生抗逆反应，这可能是低海拔地区祁连圆柏针叶解剖结构与海拔无显著相关的原因。而在高海拔地区，面对更为严峻的环境压力，祁连圆柏因其有限的抗逆能力，其针叶解剖结构不再随海拔快速增长。在郭文文等[11]的研究中，硬叶柳(Salixsclerophylla)叶上表皮在海拔4 000～4 400 m之间无明显变化，而在4 400～4 700 m呈显著增厚趋势，这与本研究结果有一定的相似性。

同时，本研究中祁连圆柏针叶维管束厚度与经纬度、海拔、坡向始终无显著相关关系，表明这些结构对祁连圆柏适应性无贡献；叶宽随海拔升高有明显增长，在低海拔地区其增长趋势也比其他叶解剖结构明显，但偏相关分析并未表明其与中高海拔(>3 200 m)存在显著相关性。车桑子(Dodonaeaviscosasubsp.angustissima)叶宽与最高温度负相关，叶面积与最低温度有关且随海拔下降[25]；白千层(Melaleucalanceolata)叶宽随海拔(3～564 m)升高而减小，但却与最高温度呈负相关[26]；栓皮栎(Quercusvariabilis)叶宽与年均温度呈显著的负相关[27]；Leigh等[28]则证实了叶宽增加对于维持叶片温度的显著作用。因此，叶宽增加也应是祁连圆柏对高海拔低气温的一种响应，且在麦秀林场3 212～3 519 m海拔段、3个林场综合海拔段，叶宽与海拔都具有显著的相关关系(r=0.582，P=0.007；r=0.282，P=0.016)，而叶宽在中高海拔段未表现出显著相关性则与其在中铁林场段增长趋势明显下降有关，由麦秀林场3 212～3 519 m的拟合增长率0.785 0下降至中铁林场的0.0154，而叶厚也仅是从0.374 5下降至0.084 9。叶厚同样在维持叶片温度中发挥着重要作用。低温促使叶厚增加[29-30]，而叶厚轻微增加就能影响叶片最低温度，从而减少冻害发生[31]。叶角质层增厚，不仅可提高耐寒性[32-33]，也可减少水分流失[33-34]，抵抗紫外辐射[35]，因此其与海拔的相关性更强。与角质层相似，叶表皮细胞也在维持叶片温度[36]、抵抗紫外辐射[37]等方面发挥着重要作用。综合来看，叶宽、叶厚、下角质层与下表皮细胞的增厚共同影响着祁连圆柏对高海拔寒旱环境的适应性。

3.2 坡向、经纬度对祁连圆柏针叶解剖结构的影响

祁连圆柏常生长于阳坡地带，且阳坡祁连圆柏乔木层碳密度显著高于阴坡[38]，这表明祁连圆柏在阴坡的生长受到抑制。本研究中祁连圆柏针叶解剖结构在阴坡出现下角质层显著增厚的现象，增厚的叶角质层具有抗旱、抗寒、抗紫外辐射等多种作用[32-35]，而阴坡较阳坡太阳辐射弱，土温、气温低，土壤湿度高[39]，这表明温度可能是限制祁连圆柏在阴坡生长的主要因素，增厚的叶片下角质层是祁连圆柏对阴坡低温的一种适应。而在阴坡仅有叶片下角质层显著增厚的原因，则可能是由于叶片下角质层对温度的敏感性更高，在祁连圆柏针叶结构与海拔的相关关系中，下角质层厚度也比其他结构表现出更强的相关性。

青海省年降水量总体上自西北向东南逐渐增加[10]，但在本研究中未发现祁连圆柏叶解剖结构与经纬度的显著相关性，这可能是由于不同地区祁连圆柏的种源间差异削弱了其叶结构与经纬度的相关关系；也可能是由于降水量的减少不足以对祁连圆柏的生长造成压力，如相对干旱的阳坡祁连圆柏不仅生长得更好，其针叶结构也并未产生与抗旱有关的变化。杨淑丽等[8]指出，柴达木盆地林线附近的祁连圆柏并未受到明显的水分胁迫，而Zhang等[9]指出在高海拔低温限制祁连圆柏径向生长且其影响程度高于降水。

3.3 祁连圆柏林人工更新策略

祁连圆柏天然林更新差[40-41]，通过了解祁连圆柏生态适应性，有助于制定合理的人工更新策略。在本研究中，下角质层与下表皮细胞厚度是祁连圆柏适应高海拔地区的重要贡献者，其次是叶厚、叶宽，叶维管束无贡献。薛智德等[42]提出叶结构指标在反映植物抗性上敏感度不同，因此，在评价祁连圆柏对于高海拔恶劣环境的适应性时，应给叶下角质层厚度、下表皮细胞厚度、叶宽、叶厚赋予不同的权重，权重可参照表3相关系数，之后再结合隶属函数法[43-44]进行综合评价。若造林地点位于阴坡，则应更多地关注针叶下角质层厚度。在阴坡种植祁连圆柏幼苗时，应选择针叶下角质层厚的苗木；在高海拔地区种植时，则应选择针叶下角质层厚度、下表皮细胞厚度、叶厚、叶宽综合值较大的苗木，综合值较小的苗木可考虑种植在低海拔地区，以此提高整体苗木成活率，降低生产成本。此外，在苗木培育过程中，可以通过祁连圆柏针叶结构估算苗木的适应性，与拟造林地所在海拔的祁连圆柏针叶解剖结构数据相比较，判断适应性是否达到培育目标，从而在后续的培育中制定合理的抗性锻炼方案。

4 结 论

本研究表明，青海省祁连圆柏针叶解剖结构对高原寒旱环境有良好的适应性，其通过增厚针叶下角质层提高其在阴坡的耐寒性，通过增厚针叶下角质层、下表皮细胞层、叶厚及叶宽综合提高祁连圆柏在极寒极旱的高海拔地区的生存能力。本研究初步揭示了祁连圆柏针叶解剖结构对高原寒旱环境的适应机制，对于祁连圆柏天然林的更新与保护具有重要的指导意义，为高原植物生态适应性研究提供了理论依据。