任 昱，盧 琦,*，吳 波，李永華，辛智鳴，姚 斌

(1. 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所， 北京 100091；2. 中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 磴口 015200)

白刺葉片氣孔特征對人工模擬降雨的響應

任 昱1，盧 琦1,*，吳 波1，李永華1，辛智鳴2，姚 斌1

(1. 中國林業(yè)科學研究院荒漠化研究所， 北京 100091；2. 中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 磴口 015200)

以荒漠生態(tài)系統(tǒng)典型植物白刺(NitrariatangutorumBobr)葉片為研究對象，利用數(shù)碼圖像顯微鏡處理系統(tǒng)，研究了不同人工模擬增雨處理下的白刺葉片氣孔密度及形態(tài)特征的變化情況。結果表明，荒漠植物固有特征決定了白刺葉片下表皮氣孔密度大于上表皮，上表皮、下表皮氣孔密度對增雨響應差異不顯著(P>0.05)。增雨處理上表皮、下表皮氣孔密度與對照差異顯著(P<0.05)。相同增雨季節(jié)，50%處理下葉片氣孔密度高于100%處理；不同增雨季節(jié)，氣孔密度對生長季后期增雨響應更明顯。白刺葉表皮氣孔分布遵循“一細胞間隔(one cell spacing rule)”法則。增雨后葉片上表皮和下表皮氣孔長度、寬度均有不同程度的增加，氣孔形態(tài)特征對100%處理的響應較50%處理更為明顯，且生長季后期增雨對葉片氣孔形態(tài)特征的影響更大。

白刺；氣孔密度；氣孔特征；氣候變化；模擬降雨

干旱地區(qū)為典型的水分驅動型生態(tài)系統(tǒng)，氣候變化背景下水分時空動態(tài)，尤其是脈沖式降水及其它極端天氣過程不確性的增加成為未來驅動干旱、半干旱地區(qū)系統(tǒng)結構和功能變化的關鍵因子[1]。建立在已有觀測數(shù)據(jù)以及相關假設基礎，有研究預測，未來我國干旱地區(qū)降水量均有不同程度的增加[2- 7]，而且降雨變幅震蕩更為劇烈，極端降雨事件發(fā)生概率大大增加[2,7]。全球變化是一個漫長復雜的過程，植物對氣候環(huán)境變化都有一定的響應能力及適應對策，且在漫長的進化過程中已經形成了一種自我調節(jié)機制，能夠通過自身的形態(tài)變化和生理、生化反應來適應不斷變化的環(huán)境[8]。全球變化的背景下，自然環(huán)境變化緩慢(溫度和CO2的變化)，或具有明顯的不連續(xù)性或季節(jié)性特征(降水)，所以跟蹤并解釋植物性狀對于自然環(huán)境變化的響應特征比較困難。如果僅單純圍繞自然發(fā)生事件做長期跟蹤研究，將很難快速、全面、深入地認識了解植物性狀或生態(tài)系統(tǒng)對未來全球變化響應，從而失去對未來準確預測、提前規(guī)劃防范的先機。實驗模擬，特別是近自然開放式模擬為解決這一困難提供了一條便捷之路。圍繞這一思路，已有研究者對干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)對未來降雨增加響應做了探索性研究[9- 13]。

植物氣孔是溝通了植物體內部空間和外部大氣的互動的通道[14- 16]，并對環(huán)境變化具有較強的敏感性[17- 18]。由于植物氣孔易受環(huán)境條件的修飾，其形狀、大小、分布、起源、發(fā)育以及氣孔保衛(wèi)細胞的厚度與外壁紋飾等對外界環(huán)境變化較為敏感，因此用植物氣孔參數(shù)來反映植物對氣候環(huán)境變化的響應已成為近年來國際生態(tài)學研究的熱點之一。

本文以荒漠生態(tài)系統(tǒng)典型植被白刺群落為研究對象，通過田間降雨控制實驗,利用數(shù)碼圖像顯微鏡處理系統(tǒng)，研究不同增雨梯度下白刺氣孔密度的變化，以探討荒漠地區(qū)植被與降雨變化的關系，并進一步揭示荒漠植物對水分變化的適應對策。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

實驗地位于磴口縣的中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心的第二實驗場內。地理坐標為106°09′—107°10′E，40°09′—40°55′N。研究區(qū)屬于溫帶荒漠大陸性氣候，年均溫8.2℃，多年平均降水量約145mm。地帶性土壤發(fā)育不完全，顯域性土壤為灰漠土和棕鈣土，隱域性風沙土為其主要類型。優(yōu)勢物種主要有油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch)、籽蒿(ArtemisiasphaerocephalaKrasch)、白刺(NitrariatangutorumBobr.)等灌木、半灌木。

1.2 方法

1.2.1 實驗設計

根據(jù)該地區(qū)多年平均降水量145mm來確定人工增雨方案，本實驗設計兩個增雨時間段及兩個增雨梯度，共設置4個增雨處理，即不同月份分別對不同樣地進行增雨，增雨量為年降水量的50%、和100%。依據(jù)實驗設計將樣地命名為A(對照，0%)、B(5—7月，50%)、C(5—7月，100%)、D(8—9月，50%)、E(8—9月100%)(表1)。對照和每個處理各4個重復，共20個實驗樣。樣地設置及增雨處理見表1與表2。

表1 不同處理增加的雨量

B(5—7月，50%); C(5—7月，100%); D(8—9月，50%); E(8—9月100%)

表2 人工模擬增雨時間

實驗樣地采用隨機區(qū)組排列(圖1)。每個樣地為一個直徑12m的圓形，面積113.04m2，每個樣地中間有一個天然生長的白刺沙包，其半徑在3—5m之間，高度在1—2m之間，各樣地白刺生長狀況相似。樣地之間的間隔至少5m，以減少樣地之間的相互干擾。增雨時間在6:00—10:00之間，增雨用水取自樣地附近的水井。雨水設備主體采用中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所許傳森設計的全光照噴霧裝置，可以較好的應用于干旱地區(qū)稀疏植被的增雨實驗。系統(tǒng)噴灌原理是利用水流反作用力推動，使設備在增雨過程中實現(xiàn)自動旋轉。

圖1 樣地布設圖Fig.1 Distribution map of sample plots A(對照，0%); B(5—7月，50%); C(5—7月，100%); D(8—9月，50%); E(8—9月100%)

據(jù)沙林中心第二實驗場南氣象站降水數(shù)據(jù)，實驗地5—9月降水量達211.6mm(圖2)，已經超過實驗設計參照的多年平均降水量66.6mm。因實驗地降水多集中于6—9月，故5—9月的降水量與年降水量接近。因此，實驗設計中B和D、C和E處理每次增加的降水量只占全年降水量的34.26%與68.52%，并不是實驗設計的50%與100%。本文研究的是白刺葉片氣孔特征在上述降水背景下的變化情況。

1.2.2 材料選取及臨時裝片制備

為研究白刺不同生長季節(jié)不同增雨處理對其葉片氣孔特征的影響，在白刺生長季末期2012年9月25日10：00進行統(tǒng)一采樣。從不同增雨處理樣地中隨機選取枝條并做標記，帶回室內及時浸水，保證葉片活性。為防止氣孔變形，迅速從每個新鮮枝條上選取3片健康、成熟的葉片(較大，且無蟲叮咬痕跡)，用脫脂棉蘸酒精輕輕擦拭其表皮灰塵，用透明指甲油印跡法制片。制成臨時裝片，于數(shù)碼顯微鏡下進行觀測。

圖2 實驗地5—9月天然降水量Fig.2 Natural precipitation from May to September of study area

1.2.3 氣孔密度和形態(tài)特征的觀測

氣孔密度和形態(tài)特征的觀測利用bresser LCD數(shù)碼顯微鏡TM 100。圖像處理采用可自動顯示測量結果的IPP6.0軟件。

氣孔密度觀測:每個處理各制3個臨時裝片于10X數(shù)碼顯微鏡下拍照觀測。每一裝片上隨機選10—15個視野拍攝圖像并保存。利用圖像處理系統(tǒng)計算每幅圖片上的氣孔數(shù)目，統(tǒng)計每平方毫米葉片上的氣孔數(shù)目得到即氣孔密度(個/mm2)，然后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

氣孔形態(tài)特征觀測：每個處理各制3個臨時裝片于40X數(shù)碼顯微鏡下拍照觀測。每一裝片上隨機捕捉10幅圖像拍照并保存。利用圖像處理系統(tǒng)測量每幅圖片上的氣孔長度、寬度，然后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

利用SPSS17.0軟件，對不同增雨處理葉片上表皮、下表皮氣孔密度進行單因素方差分析(one-Way ANOVA)，如差異顯著則采用LSD法進行多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同增雨處理氣孔密度比較

白刺葉片下表皮氣孔密度大于上表皮，符合荒漠植物氣孔特征下多上少，可以減弱植物的蒸騰作用，避免植物體內水分過多散失，這是植物對環(huán)境的一種適應，因此，圖3中上表皮和下表皮氣孔密度存在差異可能不是由增雨導致的，而是植物的自身特征。上表皮和下表皮氣孔密度對不同增雨處理響應差異不顯著(P>0.05)，表明不同增雨處理不會影響白刺葉片上表皮和下表皮氣孔密度變化。不同增雨處理上、下表皮氣孔密度與對照差異顯著(P<0.05)，氣孔密度對水分響應明顯。相同增雨季節(jié)，兩個處理下的上表皮氣孔密度無明顯差異，不同增雨季節(jié)存在顯著差異；不同增雨處理、不同增雨季節(jié)下表皮

氣孔密度均無明顯差異。就不同增雨季節(jié)而言，生長季后期增雨對葉片上、下表皮氣孔密度的影響略高于前期增雨(D、E處理>B、C處理)，白刺葉片氣孔密度對生長季后期增雨響應更明顯。無論生長季前期增雨還是后期增雨，50%增雨處理氣孔密度均高于100%處理。

圖3 不同增雨處理氣孔密度變化Fig.3 Foliar stomata densities of different treatments不同小寫字母表示不同處理間上、下表皮氣孔密度的差異; A:對照; B、C、D、E不同增雨處理

2.2 白刺葉片氣孔形態(tài)特征

對照樣地(A)及各增雨處理(B、C、D、E)的白刺葉片下表皮氣孔分布與形態(tài)特征如圖4所示。與對照樣地相比，增雨處理明顯增加了葉表皮氣孔的長度和寬度，不增雨狀態(tài)下的氣孔形態(tài)近似為圓形，增雨使得氣孔長度和寬度明顯增加(氣孔長度增長程度大于寬度)，氣孔形態(tài)特征為長橢圓形。單位葉面積氣孔的增大，有利于植物內部空間和外部空間的水汽交換。由圖可知，葉表皮氣孔保衛(wèi)細胞為腎形，表面平滑，外具同心環(huán)繞的細條紋狀紋飾；氣孔器類型為無規(guī)則型，即沒有副衛(wèi)細胞．幾個普通的表皮細胞不規(guī)則地圍繞著氣孔，表面觀橢圓形，外拱蓋單層，明顯，內緣平滑或稍具波狀彎曲；氣孔壁出現(xiàn)角質條紋特征。上表皮氣孔形態(tài)特征同下表皮。

圖4 不同增雨處理白刺葉片下表皮氣孔特征Fig.4 Foliar underside epidermises of different treatmentsA、B、C、D、E不同增雨處理

2.3 不同增雨處理氣孔形態(tài)特征比較

從表3數(shù)據(jù)比較可知， 經過一個生長季，白刺葉片上表皮和下表皮氣孔形態(tài)特征表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律，即不同增雨處理的葉片氣孔長度、寬度均高于對照，且無論是生長季前期增雨，還是生長季后期增雨，100%處理白刺葉片氣孔長度、寬度都大于50%處理(C>B；E>D)。同時，白刺生長季后期增雨(D、E處理)較前期增雨(B、C處理)對葉片氣孔特征影響更為明顯，D處理較B處理而言，上表皮氣孔長度、寬度分別增加45.06%和40.21%；下表皮氣孔長度、寬度分別增加18.67%和28.77%。E處理較C處理而言，上表皮氣孔長度、寬度分別增加23.82%和13.89%；下表皮氣孔長度、寬度分別增加32.24%和33.96%。表明白刺葉片氣孔形態(tài)特征對水分響應明顯，生長季后期增雨對葉片氣孔形態(tài)特征的影響更大。

表3 不同增雨處理氣孔形態(tài)特征比較

3 結論與討論

氣孔密度作為氣孔參數(shù)之一，其對CO2濃度、溫度、降水、光照等環(huán)境因子的變化十分敏感?；哪参镒陨淼臍饪滋卣鳑Q定白刺葉片下表皮氣孔密度大于上表皮。增雨處理后，白刺葉片上、下表皮氣孔密度都低于對照，這是因為水分的供應狀態(tài)通過影響表皮細胞的大小來影響葉片的伸展，從而直接影響氣孔密度。就對照而言，水分供應不足，表皮細胞較小，葉片表面積也較小，整個葉片的氣孔總數(shù)不變，因此氣孔密度增加。在干旱環(huán)境中生長的植物，氣孔密度像預期的一樣，比水分充足的情況下有所增加。水分充足時葉片氣孔密度較水分不足時低，這個結果與Boardman[19]研究一致。不同增雨處理對白刺葉片上、下表皮氣孔密度的影響均不明顯。

氣孔的分布是植物體與外界環(huán)境互動的結果，因此氣孔在葉片表皮的二維分布格局是與其所處環(huán)境相關的。從氣孔發(fā)育的角度而言，白刺葉表皮氣孔分布遵循“一細胞間隔(one cell spacing rule)”法則，即兩個成體氣孔之間至少有一個表皮細胞的間隔。這種分布有其合理性，至少它使得每個氣孔的蒸發(fā)殼都不發(fā)生重疊，保證了氣孔高效的氣體交換。

植物對氣候環(huán)境變化都有一定的響應能力及適應對策，且在漫長的進化過程中已經形成了一種自我調節(jié)機制，能夠通過自身的形態(tài)變化和生理、生化反應來適應不斷變化的環(huán)境。增雨增加了白刺葉片上表皮和下表皮氣孔長度、寬度，且不同生長季增雨，100%處理白刺葉片氣孔長度、寬度都大于50%處理(C>B；E>D)。白刺葉片氣孔特征對水分響應明顯，生長季后期增雨對葉片氣孔特征的影響更大。生長季前期(6、7月份)雖然天然降雨量較大，但是夏季氣溫高、蒸發(fā)強烈導致增加的水分在白刺灌叢土壤中保留的時間短，加之采樣在生長季末，土壤水分對葉片氣孔特征的影響逐漸弱化；生長季后期(8、9月)，天然降雨也都超過10mm，白刺灌叢不會受到干旱的影響，同時在生長季末氣溫降低，蒸發(fā)減弱，增加的水分在白刺灌叢土壤中保留的時間更長，對葉片氣孔特征的影響更明顯。因此，土壤水分的有效性是影響白刺葉片氣孔特征的重要因素。綜上所述，在天然降雨的基礎上，白刺葉片可以通過改變氣孔密度及氣孔特征來適應降雨格局的變化。

致謝：中國林業(yè)科學研究院荒漠化所楊文斌研究員對寫作給予幫助，中國林業(yè)科學研究院荒漠化所博士研究生何季野外采樣給予幫助，特此致謝。

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Response of leaf ofNitrariatangutorumBobr stomata characteristics to artificial simulation of rainfall

REN Yu1, LU Qi1,*, WU Bo1, LI Yonghua1, XIN Zhiming2, YAO Bin1

1InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2TheExperimentalCenterforDesertForestry,ChineseAcademyofForestry,Dengkou015200,China

According to the regional characteristics of the climates and vegetations of desert ecosystem, the typical plantNitrariatangutorumBobr was chosen as research materials, the stomata densities and morphological characteristics ofNitrariatangutorumBobr leaves in different artificial simulation of rainfall treatment were studied. Lengths, widths and ratio of lengths to widths ofNitrariatangutorumBobr leaves were measured with a motic digital Imaging Microscope and the changes in stomata densities were evaluated. The result showed that desert plant stomata characteristics determined stomata density of lower epidermis is greater than the upper epidermis, stomata density of both upper and lower epidermis variation to the rainfall enhancement response was no significant difference (P>0.05). Upper and lower epidermis stomata density in all treatments and control had significant difference (P<0.05). The same precipitation enhancement season, stomata density of 50% treatment was higher than 100% treatment; in different seasons, stomata density response of the later growing season was more obvious.NitrariatangutorumBobr leaves epidermis stomata distribution corresponded one cell spacing rule. Artificial simulation of rainfall made upper epidermis and lower epidermis stomata length and width are increased to varying degrees.Stomata configuration characteristics variation of 100% treatment were more obvious than 50% treatment, and the impact of water addition on Stomata configuration characteristics in the later growing season was greater.

NitrariatangutorumBobr; stomata density; stomata characteristics; climate change; artificial simulation of rainfall

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201104077)

2013- 01- 28; 網(wǎng)絡出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201301280175

*通訊作者Corresponding author.E-mail: luqi@caf.ac.cn

任昱，盧琦，吳波，李永華，辛智鳴，姚斌.白刺葉片氣孔特征對人工模擬降雨的響應.生態(tài)學報,2014,34(21):6101- 6106.

Ren Y, Lu Q, Wu B, Li Y H, Xin Z M, Yao B.Response of leaf ofNitrariatangutorumBobr stomata characteristics to artificial simulation of rainfall.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6101- 6106.