翟曉巧 任媛媛 劉艷萍 王 念 王文君

(河南省林業(yè)科學(xué)研究院，鄭州，45008)

水份是植物生長不可缺少的關(guān)鍵因素之一，在自然環(huán)境條件下，干旱缺水往往限制著植物進(jìn)行正常生長發(fā)育以及生物量產(chǎn)出的能力。在屋頂綠化中，由于屋頂通透性差、熱容量小、土壤層薄、涵養(yǎng)水分的能力有限，所以選育抗旱能力強(qiáng)的植物品種成為屋頂綠化的首要任務(wù)［1］。葉片是植物進(jìn)行蒸騰作用，控制氣體交換的重要器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)受自然環(huán)境影響，經(jīng)過長期的適應(yīng)性分化出特有的組織細(xì)胞，有利于水分的高效利用。研究表明，葉片解剖結(jié)構(gòu)中的多項(xiàng)指標(biāo)都與植物抗旱性有著密切的關(guān)系，包括葉角質(zhì)膜厚度、氣孔數(shù)量和導(dǎo)管大小等［2］。因此，研究葉片解剖結(jié)構(gòu)，對其各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠?qū)χ参锏目购敌赃M(jìn)行輔助評價。與此同時，對葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與抗旱性的關(guān)聯(lián)分析，也有助于了解葉片中對抗旱起到關(guān)鍵作用的組織細(xì)胞及其結(jié)構(gòu)特征，為以后的研究提供方向。目前對植物葉片解剖結(jié)構(gòu)與抗旱性的研究已經(jīng)展開，主要包括同種植物之間和不同種植物之間的相互比較［3－6］，且研究多集中于草本和灌木，對不同種落葉喬木特別是屋頂綠化樹木的研究較少。本研究通過對8種屋頂綠化庭院觀賞落葉喬木的葉片解剖結(jié)構(gòu)觀測和分析，利用模糊數(shù)學(xué)評判方法對其抗旱性能力進(jìn)行排序，并研究討論葉片各項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征與抗旱性的關(guān)系，以期為屋頂綠化中樹種的選育提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)地設(shè)于河南省鄭州市河南省林業(yè)科學(xué)研究院五層辦公樓樓頂(垂直地面距離17 m)，位于東經(jīng)112°42'～114°14'，北緯 34°16'～34°58'。鄭州市屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，平均氣溫27.3℃，最高氣溫曾達(dá)到43℃。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料及時間

2011年9月在屋頂綠化試驗(yàn)區(qū)中，選取生長狀況良好，生境一致的白蠟、白榆、臭椿、刺槐、構(gòu)樹、黃連木、火炬樹、棗樹等2年生盆栽苗，分別采集中部受光均勻處葉片3～4片。試驗(yàn)區(qū)以自然降水為主，必要時輔助以人工澆水。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)葉片電鏡掃描。切取靠近葉脈處1 cm2新鮮葉片樣品，放入4%戊二醛溶液(pH為7.2，0.2 mol/dm3磷酸緩沖液溶液配制)中固定12 h，在pH為7.2、0.1 mol/dm3磷酸緩沖液中清洗 3 次;再使用體積分?jǐn)?shù)為30%、50%、70%、90%的乙醇進(jìn)行逐級脫水，100%乙醇脫水2次，每級每次15 min;再用醋酸異戊酯置換 2次，每次 15 min;經(jīng)過EMITECHK850臨界點(diǎn)干燥儀臨界點(diǎn)干燥后，使用HITACHE－1010噴鍍儀進(jìn)行粘臺操作;最后將經(jīng)過15 mA電流進(jìn)行導(dǎo)電處理90 s的切片樣本，使用FEI QUANTA 200掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

(2)葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀察。依據(jù)葉片橫切面掃描電鏡圖片，分別測量不同類型的葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度和下部緊密組織厚度，并按下面的公式計(jì)算:

葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)=(柵欄組織厚度/葉片厚度)×100%。

葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度(SR)=(海綿組織厚度/葉片厚度)×100%。

依據(jù)葉片下表皮顯微電鏡掃描圖片，分別測量氣孔長度、寬度，并計(jì)算每平方毫米氣孔數(shù)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法:由于單一指標(biāo)很難反映植物抗旱性的強(qiáng)弱，本研究采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對8種落葉喬木葉片的各項(xiàng)指標(biāo)測定值進(jìn)行綜合評定［7］，并將8種落葉喬木的抗旱隸屬函數(shù)平均值及10項(xiàng)葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)視為一個灰色系統(tǒng)，采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析，得到各項(xiàng)指標(biāo)對抗旱性的關(guān)聯(lián)度并排序，從而評價其對干旱的敏感程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 8種落葉喬木葉片解剖結(jié)構(gòu)特征比較

8種落葉喬木葉片除刺槐為復(fù)葉外，其他皆為單葉，葉片形狀、大小各有不同，但其均為異面葉，葉片組織結(jié)構(gòu)皆分為上表皮細(xì)胞、柵欄組織、海綿組織、下表皮細(xì)胞4部分。

對試驗(yàn)材料的10項(xiàng)葉片解剖結(jié)構(gòu)電鏡下觀察。葉片橫截面指標(biāo)顯示(表1，圖1，圖2)，10項(xiàng)測定指標(biāo)在各樹種間皆有極顯著差異，具體結(jié)果如下:各樹種葉片厚度變化較大，最厚的黃連木葉片為134.81 μm，最薄的火炬樹為78.11 μm。各植物具有角質(zhì)膜，但角質(zhì)膜分化不明顯，臭椿、刺槐與構(gòu)樹的表皮都具有明顯的表皮毛。柵欄組織細(xì)胞為長柱形，厚度為41～64 μm，除棗樹和火炬樹的柵欄細(xì)胞排列較為疏松，由2層細(xì)胞組成之外，其余樹種柵欄組織皆由一層細(xì)胞緊密排列而成。葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)最小的為棗樹，僅有42 μm;最大的為構(gòu)樹，達(dá)到72.14 μm。海綿組織細(xì)胞形狀不規(guī)則，排列極為疏松，并形成發(fā)達(dá)的通氣組織，厚度變化較大，最厚的為黃連木海綿組織58.01 μm，而構(gòu)樹的海綿組織厚度僅有10.64 μm;除個別樹種外，海綿組織的厚度普遍低于柵欄組織。葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度(SR)統(tǒng)計(jì)顯示，構(gòu)樹的SR最小，僅為13.09 μm;與 CTR正好相反，棗樹的 SR最大，為44.93 μm。各樹種上表細(xì)胞排列緊密，厚度為4.88～11.25 μm，下表皮厚度則為4.26 ～8.50 μm;8 種樹種葉片上表皮氣孔分布極少，而下表皮氣孔較多，氣孔密度為405～758個/mm2。各樹種氣孔形狀各異，基本呈橢圓形、圓形、方形和長方形，其中氣孔表面積相對較小的有刺槐，較大的為白榆、構(gòu)樹和白蠟。

表1 8種落葉喬木的葉片抗旱性指標(biāo)測定

3.2 抗旱能力綜合評價

將每個樹種各指標(biāo)的抗旱隸屬函數(shù)值累加起來，求其平均值，用每個樹種樣本的各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度的平均值，作為樹種抗旱能力綜合鑒定標(biāo)準(zhǔn)，即抗旱隸屬函數(shù)平均值。平均值越大，抗旱性則越強(qiáng)。在10項(xiàng)葉片解剖指標(biāo)中，葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度和氣孔密度與抗旱性正相關(guān);海綿組織厚度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度、氣孔長度和氣孔寬度與抗旱性負(fù)相關(guān)。

由表2可知，8種落葉喬木的抗旱性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?構(gòu)樹、黃連木、白榆、刺槐、棗樹、臭椿、火炬樹、白蠟。

圖1 8種落葉喬木橫截面電鏡顯微圖

圖2 8種落葉喬木下表皮氣孔電鏡顯微圖

表2 8種落葉喬木抗旱性綜合評價

3.3 抗旱指標(biāo)選取

根據(jù)表3可知，8種落葉喬木10項(xiàng)抗旱指標(biāo)與關(guān)聯(lián)度由大到小的順序依次為:柵欄組織厚度、氣孔密度、海綿組織厚度、葉片氣孔寬度、葉片厚度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度、上表皮厚度、下表皮厚度、葉片氣孔長度。

表3 10項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)及參考數(shù)據(jù)

4 結(jié)論與討論

通過利用隸屬函數(shù)法和灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性分析，對8個落葉喬木的上表皮厚度、下表皮厚度、葉片厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度、氣孔長度、氣孔寬度和氣孔密度10項(xiàng)葉片解剖結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，對其抗旱性進(jìn)行評價。結(jié)果顯示，抗旱性順序由強(qiáng)到弱依次為構(gòu)樹、黃連木、白榆、刺槐、棗樹、臭椿、火炬樹、白蠟，葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)與抗旱的關(guān)聯(lián)度由大到小順序依次為柵欄組織厚度、氣孔密度、海綿組織厚度、葉片氣孔寬度、葉片厚度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)疏松度、葉片組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)緊密度、上表皮厚度、下表皮厚度、葉片氣孔長度。

植物葉片是反映植物在不同生態(tài)環(huán)境條件下特點(diǎn)的首要器官，其形態(tài)結(jié)構(gòu)是對自身生理代謝的需要和外界環(huán)境的逐漸適應(yīng)。葉片的表皮細(xì)胞及其附屬物、葉片厚度、柵欄組織、海綿組織、氣孔密度等指標(biāo)都與植物的抗旱性具有密切的關(guān)系。本研究選取的白蠟、白榆、臭椿、刺槐、構(gòu)樹、黃連木、火炬樹、棗樹葉片均為異面葉，葉片由緊密排列的上表皮、柵欄組織、疏松的海綿組織和下表皮構(gòu)成，下表皮皆密被氣孔。氣孔是調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和對外界進(jìn)行氣體交換的重要通道，在缺水條件下，氣孔主要在葉片下表皮密被，且其密度隨著干旱程度的增強(qiáng)而增加，氣孔面積則隨之減小，有利于保持水分，是植物應(yīng)對環(huán)境脅迫的重要機(jī)制［8］。8種落葉喬木的下表皮氣孔形狀大小各異，且氣孔密度變化較大，其中抗旱性強(qiáng)的構(gòu)樹和黃連木氣孔密度分別達(dá)到了735、758個/mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出平均水平。具有表皮毛是旱生植物葉片表皮的主要特點(diǎn)［9］。臭椿、刺槐和構(gòu)樹的表皮具有表皮毛，起到了反射強(qiáng)光、減少葉表面空氣流動、防止植物體內(nèi)水分過多喪失的作用。多層而緊密的柵欄組織和海綿組織相對不發(fā)達(dá)，是旱生植物的主要特點(diǎn)之一。棗樹和火炬樹的柵欄組織有2～3層的柵欄組織細(xì)胞，柵欄組織不但能夠高效運(yùn)輸水分，而且能夠增加葉肉細(xì)胞面積，增強(qiáng)光合作用，對抗旱性具有重要意義。

目前，我國在屋頂綠化項(xiàng)目中多選用景天科植物和地被類草坪，使得品種單一、顏色單一，但隨著屋頂綠化逐漸向經(jīng)濟(jì)型、生態(tài)型發(fā)展，有必要將所使用的植物種類多樣化，使其發(fā)揮應(yīng)有的生態(tài)效益和景觀效益。本研究對8種在屋頂綠化條件下生長的落葉喬木的抗旱性進(jìn)行了初步評價，對屋頂綠化植物種類的篩選起到了積極的作用。

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