遮荫对白花泡桐叶片经济学、水力学和叶片大小性状的影响

侯月爽,陈静,曹静静,王豪杰,孔德良,范国强

(河南农业大学林学院,河南 郑州 450046)

植物的形态和结构在生长和进化过程中往往呈现较大的变异,这种变异往往由植物的一系列性状来表征[1]。叶片是植物重要的器官,利用光能将大气CO2转化为碳水化合物,是植物生长和陆地生态系统运转的基础[2]。前人的研究表明,植物在CO2同化方面普遍存在一个显著的权衡关系,即高光合能力的叶片,如具有高的比叶面积(单位干质量叶片的面积)、低的比叶质量(单位叶片面积的干质量)、高的叶片氮含量,其光合作用持续的时间(即寿命)往往较短[3];而低光合能力的叶片,如低的比叶面积、高的比叶质量、低的叶片氮含量,其光合作用持续的时间(即寿命)往往较长[4]。叶片在光合能力和叶片寿命之间的权衡被称为叶片经济学谱,这是叶片一个重要的性状变异维度,在植物生态适应和进化等方面具有极为重要的价值[5-7]。

除了CO2之外,光合作用的进行还需要对叶片持续供水。叶片中水分通过叶脉输送至光合组织,再通过气孔散失至大气[8-9]。叶脉特征,如叶脉直径和叶脉密度(单位叶片面积内叶脉的总长度),决定叶片对光合组织的供水效率[10];气孔特征,如气孔大小和气孔密度(单位叶面积内气孔的数量),决定叶片蒸腾耗水效率[11-12]。叶脉和气孔的这些大小和数量特征与叶片内水分的供给和消耗有关,这些特征常被称为叶片水力学性状[13]。越来越多的研究表明,不同物种间叶片的经济学谱性状和水力学性状相独立[14-15]。这2个性状谱的独立性被认为来源于叶片的叶肉(执行CO2同化的功能)与叶脉和气孔(执行水分的运输和散失)两类组织在结构上的相独立性,以及叶肉的发生在进化上晚于叶脉。同时,这种独立性也能使植物对异质性的环境具有更好的适应性[16]。

叶片大小是叶片的一个重要性状,它与叶片表面的能量收支有关[17-18]。一般来说,较大的叶片具有较厚的边界层(boundary layer),而厚的叶边界层阻碍叶片感热(sensible heat)损失,从而使叶片温度快速升高,带来较大的高温致死风险[19]。越来越多的证据表明,在种间尺度上,叶片大小独立于叶片经济学谱[20],也独立于叶片水力学性状[21-22]。因此,叶片经济学谱性状、叶片水力学性状和叶片大小构成叶片三维性状空间,综合反映植物对光照、温度、水分等环境因子的适应,对理解植物生态策略的形成以及物种共存有重要意义[23]。尽管如此,对叶片性状关系的认识主要是基于物种间尺度,而对种内尺度的认识仍很不足;尤其是对于同一物种,上述3类叶片性状沿环境因子梯度如何变化知之甚少。

光是植物生长发育中的一个重要环境因子,深刻影响植物的形态、结构和功能[24-26],光环境改变对叶片经济学性状、水力学性状和叶片大小的影响是研究中的一个热点。例如,有研究报道,遮荫时叶片比叶面积增大[27],叶脉密度降低[28],单个叶片面积增大[29]。然而,这些关于光环境变化的研究中,研究者往往只探讨其中1个或2个维度性状的变化,很少同时考虑上述3个叶片性状维度。此外,研究中多探讨的是中等遮荫下叶片性状的变化规律,但鲜有研究探讨高强度遮荫下叶片上述3个性状维度如何响应。

白花泡桐(Paulowniafortunei)是中国重要的速生用材、园林绿化和农田防护林树种[30]。其材质优良,花、叶、果均具有很高的药用价值,在缓解木材短缺、保障粮食安全和改善生态环境等方面发挥重要作用[31]。白花泡桐作为喜光树种,对光照有着较大的需求,但在自然更新的生态系统中,不同立地环境的泡桐接收到的光照度不同,尤其是在林下、林缘等弱光环境中生长的泡桐苗木往往会受到不同程度的遮荫影响[32],而关于遮荫后同时探讨白花泡桐叶片经济学、水力学和叶片大小3个性状维度的变化的研究还未见报道。为了更好地理解白花泡桐叶片如何响应光照变化,有必要同时考虑这3类性状谱。本研究以白花泡桐(P.fortunei)为对象。设置无遮荫、(50%)中度遮荫和(90%)重度遮荫3个光照梯度,每一个光照梯度下测定一系列叶片经济学性状、水力学性状和叶片大小,以探讨叶片的这3类性状如何响应光照的变化,以及这3类性状在种内的关系。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验地位于河南农业大学第三生活区试验田温室大棚(34°79′N,113°65′E)。该地点属于温带大陆性季风气候。2022年5—7月自然状况下白天平均气温为33 ℃,平均降水量约100 mm。本研究中用到的白花泡桐种子苗来自河南农业大学泡桐研究所。

1.2 试验方案

参照FAN等[33]的方法,首先将白花泡桐种子苗播种于培养基中,并置于(25±2)℃,光照度为130 μmol·m-2·s-1,光照时间为16 h/8 h(光/暗)光周期下培养30 d[34],后将生根的组培苗于日光下缓慢开盖炼苗约7 d,小心将生根苗从组培瓶中取出,并冲洗干净根部的培养基,随后移栽至直径为15 cm,高度为20 cm的塑料营养钵中,每盆1株,盆栽基质由体积比为2∶2∶1的大田土、灭菌草炭土和蛭石组成。移栽过的幼苗先在培养室缓苗30 d,后移至大棚缓苗2 d,待幼苗生长状态稳定后,选择苗高((18±1)cm)相对一致的幼苗进行遮荫处理。本试验设置3个光照梯度,分别为无遮荫、(50%)中度遮荫及(90%)重度遮荫,遮荫设置方式是选择对应遮光率的黑色塑料遮荫网将盆栽苗的顶部完全遮蔽,四周适当遮蔽,以保证通风,同时确保各处理光照条件达到试验要求,每个处理设置8个重复。对每个光照条件下放置的泡桐幼苗同时定期进行浇水、除草管理,处理时间为2022-05-01—2022-07-07。

1.3 叶片性状测定

1.3.1 叶经济学性状 收样时,每个处理下选择长势较为接近的8株苗(正常光照株高(42±4)cm;中度遮荫株高(46 ±3)cm; 重度遮荫株高(65±3)cm),每株苗选择从顶端开始的健康完整且高度较为接近的第二轮和第三轮叶片,确保这些叶片是在遮荫处理后长出来的成熟叶片。使用游标卡尺(ASIMETO 307,Germany)测量叶厚度(LT),使用Li-3000C叶面积仪(Li-COR,Lincoln,NE,USA)测量叶面积(LA),随后烘干(60 ℃,48 h)称质量。并计算叶片的比叶面积(SLA)、比叶质量(LMA)和叶组织密度(LTD)。计算公式为:比叶面积=叶面积/叶片干质量;比叶质量=叶片干质量/叶面积;叶组织密度=叶干质量/(叶面积×叶厚度)。

1.3.2 叶水力学性状 使用印迹法[35]测量气孔密度(SD)和气孔大小等参数,(在叶片未离体前)将适量的无色透明指甲油均匀的涂抹在从顶端开始的第二轮和第三轮叶片的下表皮,避开主脉约0.5 cm处。等待4～5 min指甲油晾干后,用透明胶带覆盖在指甲油上将其快速撕下,粘在载玻片上,使用光学显微镜(Olympus BX-63,Japan)在40倍物镜下对气孔进行观察并拍照,每株苗共随机拍摄6个视野。

参照SACK等[36]的叶脉处理方法,将烘干后的第二轮和第三轮叶片泡水膨胀后,避开主脉剪成1 cm×1 cm的大小置于7% NaOH 溶液中,每2～3 d换1次溶液,至叶片比较透明时,每轮选择4个相对较好的叶片,用镊子将其取出放置在载玻片上,用清水从一侧慢速冲洗,并使用番红试剂染色。之后在光学显微镜(Olympus BX-63,Japan)下放大20倍后对叶脉进行拍照,每株苗共随机拍摄至少24个视野。

使用Image J软件(NIH Image,Bethesda,MD,USA)测量气孔的长度(SL)和气孔密度(SD),即单位叶面积内气孔数量,以及叶脉直径(VW)和叶脉密度(VD),即单位叶面积内叶脉的总长度。

1.4 数据分析

采用单因素方差分析(one-way ANOVA)对上述3种叶片性状在不同光照处理间的差异进行显著性检验(p<0.05),通过Post-Hoc进行两两比较检验。本研究将2个遮荫处理中所有的叶性状数据放在一起使用Pearson相关性分析判定不同叶性状间的相关性。使用主成分分析(PCA)对多元性状关系进行分析。数据的所有统计分析均通过SPSS 20.0(SPSS Inc,Chicago,IL,USA)进行。

2 结果与分析

2.1 叶经济学性状对遮荫的响应

图1为不同遮荫处理下白花泡桐幼苗的生长情况。相比于对照的比叶面积(0.016 m2·g-1),中度遮荫增加了50.9%(0.024 m2·g-1,p<0.001),重度遮荫增加了336.3%(0.068 m2·g-1,p<0.001)(图2-A)。相比于对照的叶厚度(0.25 mm),中度遮荫减少了15.2%(0.21 mm,p<0.001),重度遮荫减少了49.6%(0.13 mm,p<0.001)(图2-B)。与对照的叶组织密度相比(0.25 g·cm-3),中度遮荫减少了22.0%(0.20 g·cm-3,p<0.001),重度遮荫减少了54.6%(0.12 g·cm-3,p<0.001)(图2-C)。相比于对照的比叶质量(64.3 g·m-2),中度遮荫减少了33.9%(42.47 g·m-2,p<0.001),重度遮荫减少了77.1%(14.69 g·m-2,p<0.001)(图2-D)。

A:无遮荫;B:(50%)中度遮荫;C:(90%)重度遮荫。

注:图中S-(白色柱子)表示无遮荫,S+(灰色柱子)表示(50%)中度遮荫,S++(黑色柱子)表示(90%)重度遮荫。数据以平均值±标准误差表示,柱上不同字母表示不同遮荫处理之间的差异显著(p<0.001)。下同。

2.2 叶水力学性状对遮荫的响应

图3为不同遮荫处理下白花泡桐幼苗的叶脉性状。相比于对照的叶脉密度(8.99 mm·mm-2),中度遮荫减少了18.5%(7.32 mm·mm-2,p<0.001),重度遮荫减少了26.3% (6.63 mm·mm-2,p<0.001)(图5-A)。与对照的叶脉直径相比(7.27 μm),中度遮荫减少了15.5%(6.14 μm,p<0.001),重度遮荫减少了25.3%(5.43 μm,p<0.001)(图5-B)。

A:无遮荫;B:(50%)中度遮荫;C:(90%)重度遮荫。

图4为不同遮荫处理下白花泡桐幼苗的气孔性状。相比于对照的气孔密度(506.78 个·mm-2),中度遮荫减少了22.8%(391.47 个·mm-2,p<0.001),重度遮荫减少了49.3%(257.14 个·mm-2,p<0.001)(图5-C)。与对照的气孔长度相比(18.74 μm),中度遮荫下减少0.4%(18.66 μm,p=0.590),重度遮荫下减少0.9%(18.58 μm,p=0.281)(图5-D)。

A:无遮荫;B:(50%)中度遮荫;C:(90%)重度遮荫。

图5 不同遮荫处理对白花泡桐叶水力学性状的影响

2.3 叶片大小对遮荫的响应

与对照的单个叶面积相比(79.13 cm2),中度遮荫下增加15.3%(91.20 cm2,p=0.011),重度遮荫下增加57.8%(124.88 cm2,p<0.001)(图6)。

图6 不同遮荫处理对白花泡桐单个叶片大小的影响

2.4 叶片性状间的关系

由表1可知,叶片经济学性状与叶片水力学性状耦合,例如,比叶面积(SLA)与叶脉密度(VD)和叶脉直径(VW)均呈负相关关系(所有p<0.001),比叶质量(LMA)与这2个叶脉性状均呈正相关关系(所有p<0.001)。叶水力学性状中,叶脉密度与叶脉直径显著正相关(p<0.001),且两者均与气孔密度(SD)正相关(所有p<0.001),但均与气孔长度(SL)无关。叶片面积(LA)与比叶面积呈显著正相关(p<0.001),与叶脉密度、叶脉直径和气孔密度均呈负相关(所有p<0.001)。主成分分析表明,第一个主成分占叶片性状总变异的82.7%;叶片的经济学性状(SLA,LT,LTD,LMA),除了气孔长度之外的水力学性状(VD,VW,SD),以及叶片大小在第一主成分上有较大载荷得分(loading score)。第二个主成分占叶片性状总变异的10.5%,只有气孔长度在此主成分上有较大载荷得分(图7)。

表1 叶经济学性状、叶水力学性状和叶片大小之间的关系

图7 白花泡桐叶经济学性状,叶水力学性状和叶片大小之间关系的主成分分析

3 讨论

与其他物种的研究结果类似,在遮荫情况下,泡桐比叶面积增加,叶片厚度、组织密度以及比叶质量减小,重度遮荫时这些变化趋势更加明显。叶片经济学性状的这些变化是对环境中光不足的一种适应,这能够有效增加光能的捕获和利用,从而维持植物在弱光下对大气CO2的同化,即光合作用[37-38]。

在低光时(如遮荫),由于环境中饱和水汽压亏缺较低,从而使叶片面临较小的蒸腾需水[39]。为应对此种水分需求的变化,植物一般会减小其叶脉直径,以降低对叶片的水分供应[40],同时气孔密度也会减小,从而降低蒸腾耗水[41]。本研究中,叶脉直径和气孔密度的变化与上述规律一致。一般情况下,高的叶脉密度意味着叶脉末端至光合细胞的距离更短,有利于水分输送至光合细胞,从而提高光合作用[42]。但本研究发现叶脉密度在中度和重度遮荫下均显著降低,而非增加,这可能是由于高的叶脉密度会带来较高的碳成本[36,43],而遮荫环境下,叶片光合作用降低,植物面临碳限制[44]。对于气孔这一重要的水力学性状来说,有研究表明中度遮荫下气孔大小不变[45],而本研究的结果表明,在重度遮荫下气孔大小仍保持不变,而气孔密度降低。这说明在光环境变化时气孔大小具有较高的保守性,然而其他环境因子(温度、水分等)变化时气孔大小是否也具有这种保守性仍有待研究。

在荫生环境中,植物叶片一般有增大的趋势[46],本研究结果与此一致。尽管大的叶片具有较高的边界层阻力,会阻碍叶片感热损失,从而增加叶片的高温致死风险[47]。但遮荫时光照度不足,环境温度较低,使得叶片温度不会过高;同时,叶脉直径、叶脉密度和气孔密度的降低会带来较低的水分蒸腾,从而在一定程度上降低了边界层的厚度,也可能使叶片温度不会过高。

叶片经济学性状、水力学性状和叶片大小在种间尺度被广泛报道相互独立[23],但本研究表明,在种内尺度上这3类性状强烈的耦合在一个轴上,即主成分分析中的第一个主成分轴。叶经济学性状和水力学性状的独立,一个重要的原因是调控这两类性状的环境因子(光照和水分)往往独立变化[16,48]。例如,光照强的时候,由于蒸腾和蒸发剧烈,导致水分散失较多,因而土壤水分含量较低;但如果靠近水源地,则土壤也可能保持较高的含水量。而本研究中,遮荫时土壤含水率是较高的,也即光照和水分这2个环境因子是协同变化的,这可能是导致叶片经济学性状和水力学性状耦合的重要原因。具体来说,光强变弱时(即遮荫),叶片经济学性状都朝着增强光的捕获和利用的方向来变化;同时,遮荫情况下叶片需水降低,使得叶片水力学性状都朝着降低水分的供应和蒸腾散失的方向来变化;另一方面,遮荫时环境的光照度和温度都较低,使得植物具有较大的单叶面积,以捕获更多的光能。因此,遮荫情况下将导致叶片的上述3类性状耦合。

无论是种内还是种间尺度上来看,叶片的叶脉和气孔特征是认识和理解叶片诸多性状的变异及性状间关系的关键[49-50]。种间的研究普遍发现叶脉的密度和叶脉的直径之间呈显著的负相关关系,这被认为体现叶脉在水分传输过程中所面临的安全性和效率的权衡[51]。例如,干旱时叶脉直径一般要变细,以降低此时水分运输所面临的高空穴化(cavitation)风险[52];同时,叶脉密度会增加,以便将有限的水分更高效地运至光合细胞,满足光合需水[42]。但与这种种间关系的格局不同,本研究发现,叶脉直径与叶脉密度呈强的正相关关系。也就是说,在遮荫的情况下,叶脉直径降低的同时伴随着叶脉密度的降低;这说明此时叶脉性状的变化是由水分的供给效率和成本(构建叶脉的碳投资)所驱动,而非由前述的安全性和效率的权衡所驱动。

与叶脉类似,气孔的大小和数量(即气孔密度)也被广泛报道存在权衡关系[53-54]。例如,在被子植物进化过程中,随着大气CO2摩尔分数的降低(自白垩纪中期以来),气孔有变小的趋势,但气孔密度却增加[55]。一般情况下,大气CO2降低会导致叶片气孔导度增加[56]。气孔密度增加是提升气孔导度的一个重要方式,但大的气孔在调节气孔开度的灵敏性方面要显著弱于小的气孔,不利于植物应对环境中水分状况的频繁波动[57]。因此,植物会构建小而多的气孔,也即气孔大小和气孔密度呈权衡关系。但是,本研究发现在种内尺度上两者之间没有关系,这主要是由于遮荫时气孔密度降低,但气孔大小却保持不变,这也造成气孔大小独立于叶片的其他性状。遮荫过程中气孔大小保持不变的现象也在其他物种中存在[45,58]。这种现象可能是由于遮荫时环境水分状况一般较好,对气孔开度变化的灵敏性需求较低,因而不需要气孔大小作出显著改变。当然,我们也不能排除气孔大小受遗传因素影响较大,因而对遮荫不敏感,这需要进一步研究来确认。

有研究表明,红树植物角果木(Ceriopstagal(Perr.) C.B.Rob.)沿着盐分梯度叶片的上述三类性状耦合[48]。因此,本研究推测叶片性状的这种耦合关系可能也存在于沿着某个环境因子梯度分布的其他物种中,这将极大推动我们对种间尺度上这些叶性状关系格局的认识,这是因为自然界中环境因子及其多样(如光、温、水、气、养分等),且环境因子并非协同变化(如沿着海拔梯度)。

4 结论

本研究表明,在种内的尺度上光照环境的变化会驱动叶片的经济学性状、水力学性状和叶片大小的耦合,这与种间尺度上所普遍揭示的这3类性状相互独立的格局显著不同。同时,本研究发现沿着遮荫梯度,叶脉密度和叶脉直径呈现显著的正相关,而气孔密度和气孔大小无关,这也不同于种间尺度上所报道的叶脉密度和叶脉直径及气孔密度和气孔大小所存在的权衡。本研究仅针对的是白花泡桐这一个物种的幼苗时期,而这些结果在其他物种以及不同的生长时期是否成立仍有待深入研究。