曾瑞琪,趙家國,劉銀占,陳國鵬,鮮駿仁,*

1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 成都　611130 2 旺蒼縣林業(yè)和園林局, 廣元　628200 3 河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,全球變化生態(tài)學(xué)國際聯(lián)合實驗室, 開封　475004 4 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 蘭州　730070

全球氣候變暖已是不爭的事實。IPCC在2013的評估表明：1880—2012年間全球平均氣溫增加了0.85℃,預(yù)計到21世紀(jì)末還將增加0.3—4.8℃,全球溫室效應(yīng)仍在繼續(xù)和擴大,對高寒地段的影響將更大[1]。溫度控制著生態(tài)系統(tǒng)中幾乎所有生化反應(yīng)速率,直接或間接作用于植物生理過程,進而調(diào)控植物功能性狀的變化[2- 5],是生態(tài)系統(tǒng)過程中重要的驅(qū)動力之一。葉片是植物進行光合作用的主要器官,其生長發(fā)育和形態(tài)特征直接影響植物的行為和功能[6]。葉形態(tài)是反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成生存對策的重要指標(biāo)之一,如葉面積與植物光合作用、呼吸作用、蒸騰作用等均有直接或間接地聯(lián)系,是評價植物群落凈初級生產(chǎn)力、衡量群落結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)[7- 8]；葉片厚度則會影響植物對資源的獲取和利用[9- 10]。植物生長過程中,各葉形態(tài)之間有很強的關(guān)聯(lián)性[11]。不同年齡葉片(下文簡稱“異齡葉”)由于其形成年份、發(fā)育階段等的不同,其葉片物質(zhì)分配、環(huán)境敏感性均有差異[12- 14]。持續(xù)上百年的全球變暖已顯著影響到植物的物候和生理過程[15- 16],在變化環(huán)境條件下,由于異齡葉葉形態(tài)響應(yīng)增溫的敏感度不同,其可塑性也勢必存在差異[17- 19]。因此,開展長期模擬增溫對異齡葉片葉形態(tài)的影響研究對準(zhǔn)確預(yù)測植物適應(yīng)全球變暖的模式是十分重要的。

川西亞高山林線交錯帶是長江上游典型的生態(tài)敏感和脆弱區(qū),是針葉林向高山草甸過渡的關(guān)鍵區(qū)域,相對簡單的植物群落結(jié)構(gòu)、較矮的植物高度及林線普遍存在的邊緣效應(yīng)等,為了解高寒生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)提供了理想的天然研究平臺[20]。在全球變暖的背景下,亞高山林線交錯帶極有可能被其下緣針葉林建群種入侵。岷江冷杉(Abiesfaxoniana)是川西北亞高山針葉林的建群種之一,位于林線交錯帶之下。在全球變暖的背景下,岷江冷杉的葉片是否會在形態(tài)上表現(xiàn)出對長期增溫的適應(yīng),這種適應(yīng)是否存在年際差異？以往研究顯示,增溫條件下,岷江冷杉幼苗芽開放提前,葉片呈現(xiàn)變長變薄的趨勢,且葉面積、比葉面積顯著增加,比葉重顯著下降,物候和側(cè)枝生長也對增溫表現(xiàn)為正響應(yīng)[20- 21],但都并未系統(tǒng)涉及岷江冷杉幼苗葉片形態(tài)。因此,本研究假設(shè)岷江冷杉幼苗異齡葉會對長期模擬增溫產(chǎn)生差異性響應(yīng)。利用前期設(shè)置于此的開頂式生長室(Open-top chamber,OTC)模擬全球變暖,研究長期模擬增溫對岷江冷杉幼苗異齡葉片葉長、葉寬、葉面積和葉厚等形態(tài)的影響,并分析其可塑性變化,探討岷江冷杉葉功能性狀對長期模擬增溫的響應(yīng),旨在為全球變暖背景下的亞高山森林群落功能變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料和方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究位于四川省平武縣王朗國家級自然保護區(qū)(32°59′N, 104°01′E,海拔2300—4980 m)。地處青藏高原東緣,屬山地季風(fēng)性氣候[22]。年平均氣溫1.5—2.9℃,7月平均氣溫12.7℃,1月平均氣溫-6.1℃。年降水量在801—825 mm之間,雨季多集中在5月到8月[16]。岷江冷杉林(2600—3500 m)是保護區(qū)主要森林群系,土壤為暗棕壤[23],0—15 cm和15—40 cm深度,土壤有機碳分別為(180.2±5.5)、(180.2±3.7) g/kg,土壤總氮為(4.5±0.8)、(0.8±4.0) g/kg,土壤總磷為(5.5±0.7)、(4.1±0.5) g/kg[24]。

1.2　樣地設(shè)置

2005年9月,在大窩凼外側(cè)坡樹線交錯帶的平緩地段設(shè)置 3個1.5 m×1.5 m×2.6 m、頂端開口面積1.2 m×1.2 m的OTC,OTC由聚碳酸酯制作,每個OTC間距在5 m以上[20]。同時在OTC附近設(shè)置3個對照樣方(CK),其底面積同樣為1.5 m×1.5 m。10月,從樣地附近移植長勢良好且相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)物種到OTC及CK內(nèi),岷江冷杉年齡大約12—15 a,株高約50—60 cm。在OTC及CK內(nèi)均種植5株,即中心1株,4個拐角各1株,拐角幼苗據(jù)OTC邊緣均30 cm。2006年,定期對OTC及CK內(nèi)物種澆水,大約間隔15 d一次,以確保物種存活。每個OTC及CK內(nèi)均放置溫度傳感器(6507A,±0.1℃,Finland)。監(jiān)測表明：在生長季,OTC中空氣溫度(1.2 m)平均較CK高2.9℃,土壤溫度(5 cm)增加0.4℃[20]。增溫全年進行,試驗地周圍用網(wǎng)圍欄封育,避免動物干擾,OTC和CK均不再人工施肥和澆水,OTC外膜保持潔凈,期間不定期對OTC裝置進行維護。

1.3　研究方法

1.3.1植物取樣

本實驗以岷江冷杉幼苗的1 a葉、2 a葉、3 a葉為研究對象。2016年8月下旬,用枝剪從OTC及對照樣地內(nèi)逐株個體的不同方向采集生長良好的枝條,根據(jù)枝條上芽鱗痕形成的環(huán)節(jié)判斷枝段年齡,并在其上采集葉片[25],被采集葉片均保證其完整性且沒有發(fā)黃衰老癥狀。葉片隨機采集,每個OTC、CK內(nèi)各齡級保證10個有效樣本,則不同處理下各齡級樣本分別為30個,分別裝入自封袋,記錄編號帶回實驗室。用數(shù)顯卡尺(±0.01 mm)測量葉長、葉寬、葉厚,使用葉面積儀(CI- 203,CID,USA)測定單葉面積。

1.3.2統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析在Microsoft Excel 2010(Microsoft Corporation, Redmond, WA)和SPSS 20.0(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)上進行,作圖在Origin 8.0(Origin Lab, MA)上進行。有溫度和葉齡二因素,溫度類型為主區(qū)處理因素,葉齡為副區(qū)處理因素,對兩種條件下葉片各形態(tài)用裂區(qū)試驗方差分析方法進行顯著性分析,用鄧肯多重比較(Duncan′s multiple range test)檢驗在方差分析中有差異的變量間的差異顯著性。利用箱圖來展現(xiàn)增溫實驗下異齡葉葉形態(tài)其數(shù)據(jù)整體位置和分散情況,箱圖中5個線段由上到下分別代表該形態(tài)最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、最小值。采用表型可塑性指數(shù)(phenotypic plasticity index,PPI)解釋表型可塑性的大?。?/p>

PPI = (MAX-MIN)/MAX

式中,MAX和MIN分別表示該環(huán)境下的最大和最小形態(tài)值,PPI取值為0—1[11,26],其值的大小與表型可塑性的大小呈正相關(guān)。通過PPI計算葉表型可塑性大小,并與常用的表型可塑性指標(biāo)變異系數(shù)(coefficient of variation,CV；CV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)比較。

2　結(jié)果分析

2.1　增溫和葉齡對葉形態(tài)的影響

2.1.1葉長、葉寬及長寬比的響應(yīng)

OTC增溫極顯著降低岷江冷杉幼苗葉片的長度和寬度(P<0.01),對長寬比的影響很小(表1)；區(qū)組間對葉長的影響不顯著,溫度、葉齡及交互作用均對葉長有顯著影響(表2)；僅葉齡對葉寬產(chǎn)生顯著性作用(P<0.05),其余因素影響均不顯著(表2)。

岷江冷杉幼苗葉片各葉形態(tài)值的范圍和離散程度對增溫、葉齡的響應(yīng)有差異。OTC中1 a葉的長度較對照增加2.01%(表1),葉長值變化范圍(12.24—25.98 mm)較對照(10.63—28.31 mm)減小、分布更匯聚(圖1A)；OTC中2 a、3 a葉的葉長比對照極顯著降低21.87%(P<0.01)、15.11%(P<0.01)(表1)；增溫條件下2 a、3 a葉長值分布更匯聚,特別是2 a葉(OTC：1.331—2.527 mm;CK：1.801—3.112 mm)(圖1B、C)；增溫處理下異齡葉間的葉長差異不顯著,而對照中差異顯著(P<0.05)(表1)。增溫使1 a、2 a葉葉寬比對照極顯著減小13.48%、13.99%,3 a葉葉寬較對照減小8.43%(表1),葉寬分布更分散(圖1D、E、F)；增溫與對照條件下,異齡葉間葉寬值變化均不顯著(表1)。增溫未對葉長寬比產(chǎn)生顯著影響(表1),但葉齡間響應(yīng)并不一致：增溫使1 a葉整體長寬比值比對照顯著增大18.82%,值分布較對照小,表現(xiàn)出明顯的匯聚(圖1G,表1)；增溫使2 a葉、3 a葉整體長寬比值分別比對照減小7.93%、5.70%,值分布范圍更分散(2 a：6.02—20；3 a：5.35—12.44)(圖1H、I,表1)；增溫處理下的2 a葉長寬比分別與1 a、3 a葉有顯著差異(P<0.05),而對照處理下的異齡葉間葉長寬比變化均不顯著(表1)。

表1　模擬增溫對岷江冷杉幼苗葉形態(tài)的影響

同排不同小寫字母表示增溫處理下不同年份間存在顯著差異 (P<0.05)；同排不同大寫字母表示對照處理下不同年份間存在顯著差異 (P<0.05); *表示在0.05水平上有顯著差異；**表示在0.01水平上有顯著差異；OTC：開頂式增溫室 open-top chamber；CK：控制對照 control check

表2　裂區(qū)分析的方差分析結(jié)果

圖1　增溫對岷江冷杉幼苗葉長、葉寬以及葉長寬比的影響Fig.1　Effects of simulated warming on the leaf length, leaf width, and leaf aspect ratio of A. faxoniana seedlings圖中黑點表示各形態(tài)值的大小分布情況

2.1.2葉面積、葉厚及葉體積的響應(yīng)

OTC極顯著降低岷江冷杉幼苗的葉面積(比對照減小17.76%,P<0.01)、極顯著增加葉厚(比對照增加7.27%,P<0.01)、顯著降低葉體積(比對照減小11.49%,P<0.05)(表1)；區(qū)組間對葉面積的影響不顯著,溫度、葉齡及交互作用均對葉面積有顯著影響(表2)；溫度對葉厚有極顯著影響(P<0.01),葉齡對葉厚有顯著影響(P<0.05),溫度和葉齡的交互作用、區(qū)組間對葉厚的影響均不顯著(表2)。

岷江冷杉幼苗葉面積、葉厚、葉體積對增溫、葉齡的響應(yīng)有差異。增溫抑制異齡葉片葉面積擴展,特別是2 a葉,減少達28.41%(表1),OTC內(nèi)葉面積介于14—64 mm2,較CK(28—64 mm2)分布范圍增大(圖2B)；1 a、3 a葉葉面積較對照分別減少12.97%、8.81%,離散程度較對照增大(圖2A、C,表1)；增溫處理的異齡葉間葉面積變化均不顯著,對照處理的2 a葉葉面積分別與1 a、3 a葉有顯著差異(P<0.05)(表1)。增溫促進異齡葉片變厚,1 a、2 a、3 a葉厚分別比對照增大7.84%、3.51%、6.78%,分布范圍也被擴大,值更發(fā)散(對照處理中葉厚值多集中在中位數(shù)附近),其中1 a、3 a葉增溫后值分布范圍為0.31—0.74 mm、0.43—0.86 mm,而對照內(nèi)為0.41—0.63 mm、0.45—0.69 mm(圖2D、E、F,表1)；增溫處理下3 a較1 a葉葉厚變化顯著,對照處理的1 a葉葉厚分別與2 a、3 a葉差異顯著(P<0.05)(表1)。增溫抑制異齡葉葉體積膨大,使其較對照顯著減小11.49%,值更發(fā)散：OTC內(nèi)1—3 a葉葉體積范圍為4.4—32.4、 7.92—37.76、4.3—35.2 mm3,而CK內(nèi)分別為7.74—28.42、11.76—40.6、9.52—29.48 mm3(表2,圖2G、H、I)。增溫處理下異齡葉間體積變化均不顯著,對照處理的2 a葉分別與1 a、3 a葉葉體積差異顯著(P<0.05)(表1)。

圖2　增溫對異齡岷江冷杉幼苗葉面積、厚度以及體積的影響Fig.2　Effects of simulated warming on the leaf area, thickness and volume of A. faxoniana seedlings

2.2　增溫對異齡葉葉形態(tài)可塑性的影響

2.2.1葉長、葉寬可塑性的響應(yīng)

表型可塑性指數(shù)分析結(jié)果表明(圖3)：增溫提高了岷江冷杉幼苗異齡葉葉寬的可塑性和2 a、3 a葉葉長的可塑性,增幅最大達68.22%(3 a葉葉寬)(圖3)；降低當(dāng)年生葉葉長的可塑性、降幅為15.32%(圖3)。除2 a葉葉寬的CV對照大于增溫外(圖3),其余各齡級指標(biāo)CV的比較結(jié)果與PPI一致。說明2種表型可塑性分析方法的結(jié)果相似,均可用于分析長期增溫對岷江冷杉異齡葉葉片長、寬影響的研究。

圖3　岷江冷杉幼苗葉長、葉寬表型可塑性指數(shù)(PPI)和變異系數(shù)(CV)Fig.3　The phenotypic plasticity index (PPI) and coefficient of variation (CV) of leaf length, leaf width of A. faxoniana seedlings

2.2.2葉面積、葉厚可塑性的響應(yīng)

兩種可塑性結(jié)果分析均表明(圖4)：增溫條件下葉面積和葉厚度較對照均有較大的可塑性,但不同方法中,可塑性增長比例不同,如增溫條件下2 a葉葉厚的CV較對照增大69.02%,而PPI僅增大12.78%(圖4)；3 a葉葉面積PPI增大16.66%,而CV僅增大8.03%(圖4)。增溫處理下3 a葉葉厚的CV值是各齡級較對照增幅最大的葉厚可塑性,即比對照增大143.57%(圖4)。

圖4　岷江冷杉幼苗葉面積、葉厚表型可塑性指數(shù)(PPI)和變異系數(shù)(CV)Fig.4　The phenotypic plasticity index (PPI) and coefficient of variation (CV) of leaf area, leaf thickness of A. faxoniana seedlings

3　討論

3.1　葉形態(tài)對增溫的響應(yīng)

葉片的擴展性生長(如葉片長、寬、面積、厚度)極易受到周圍環(huán)境因子,特別是溫度的影響。高寒地區(qū)的環(huán)境溫度普遍低于該區(qū)域植物生長所需的最適溫度,故增溫通常能促進極地和高山地區(qū)植物的營養(yǎng)生長[27- 29]。本研究發(fā)現(xiàn),增溫顯著降低異齡岷江冷杉幼苗葉長、葉寬、葉面積形態(tài)值,這與前人研究結(jié)果不一致：如徐振峰等的研究表明,短期(2 a)模擬增溫促進岷江冷杉幼苗葉片增長變薄[20]；楊兵等的研究也表明,長期(65個月)模擬增溫亦促進岷江冷杉幼苗葉面積的增大[21]。導(dǎo)致這種差異的原因可能有二：一是模擬增溫的時間長短不同；二是研究期間土壤的水分條件不一樣：徐振峰等研究的2007年降雨較當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅看骩20],楊兵等其研究過程中則不定期澆水以保證土壤水分適于植物生長[21]。在利用OTC自然增溫過程中,個別年份會因降雨充足致使土壤水分含量下降不明顯,但長期增溫過程中土壤水分降低的趨勢不會改變(一是因為OTC開口較小影響雨水進入,二是增溫加劇土壤水分丟失)[30- 31],這一負(fù)面效應(yīng)使葉片通過減小葉片平均葉長、葉面積等,使葉形態(tài)傾向旱生,來達到防止過多水分散失、保持最適葉表溫度的目的[32]。同時,減小葉面積也起到降低高蒸騰傷害的作用,是葉片對溫度更高、更干旱環(huán)境的適應(yīng)方式[16,33],這與Yates等提出的植物因有較小葉面積來自我保護的結(jié)論一致[34]。結(jié)果顯示,OTC長期增溫效應(yīng)使冷杉葉片葉厚顯著大于對照(P< 0.05)。葉片增厚,保水能力增強[35],也進一步驗證了之前的分析,即該增溫條件下岷江冷杉幼苗葉片形態(tài)向更適應(yīng)相對干熱生境的方向調(diào)整。同時,較小較厚的葉片也可減緩葉片在增溫條件下的生長速度,利于儲備更多的碳用于防御結(jié)構(gòu)[36]。增溫顯著增大葉片體積,對葉片長寬比無顯著影響,說明岷江冷杉幼苗葉片細(xì)胞分裂和體積擴展方向?qū)υ鰷氐捻憫?yīng)存在差異。

3.2　葉形態(tài)的年際差異

雖然增溫在總體上改變岷江冷杉幼苗的葉片形態(tài),但不同年齡之間葉形態(tài)亦有明顯差異,表明年際間的溫度和降水等環(huán)境因素的波動也會對植物的增溫響應(yīng)產(chǎn)生明顯影響。這與Oguchi等對藜(Chenopodiumalbum)[19]和Frak等對雜交核桃(Juglansnigraxregia)[18]的研究結(jié)果一致。盡管本研究未提供長期的增溫監(jiān)測數(shù)據(jù)(2009年項目結(jié)束而未進行溫度的連續(xù)監(jiān)測),但從本實驗的前期研究可推測：OTC增溫的效應(yīng)存在明顯的年際差異,特別是降雨量差異較大的年份,這必然將影響植物的物候和葉片的生長進程,使葉片的形態(tài)特征表現(xiàn)出明顯的年際差異。前期利用OTC短期增溫的研究也證明了這一推測：2007年較多的陰雨天氣,使王朗國家級自然保護區(qū)大窩凼外側(cè)坡樹線OTC在生長季節(jié)的溫度增加2.2℃,由于大量降雨,增溫并未導(dǎo)致土壤水分減少過多,因而增溫促進了綿穗柳(Salixeriostachya)葉片長、寬的生長,進而增加單葉面積[37- 38]；而2009年降雨不如2007年,生長季節(jié)OTC內(nèi)的溫度平均升高2.9℃、土壤水分平均減少2.4%,由此導(dǎo)致綿穗柳長度減小、寬度顯著減小、葉面積顯著降低,表現(xiàn)出明顯的旱生趨向,盡管增溫導(dǎo)致綿穗柳單個葉片的面積減少,但增溫使單個植株上的葉片總數(shù)大量增加,由此彌補單葉面積的減小,因而總體仍表現(xiàn)為增溫促進生長[16]；OTC增溫效應(yīng)對綿穗柳的物候、葉壽命等也均存在明顯年際差異現(xiàn)象[16,39]。持續(xù)OTC增溫對棚內(nèi)干旱情況的累積作用,也加劇了OTC內(nèi)年度微氣候的差異程度[31]。此外,較老葉片的次生代謝也可能導(dǎo)致葉片形態(tài)的改變,如Kayama等對3種云杉(Piceaglehnii,P.jezoensis和P.abies)的研究表明,鈣離子和某些次級代謝產(chǎn)物在老葉中的積淀,導(dǎo)致葉片增厚[40]。因此,植物年際微生境中的適應(yīng)性調(diào)整會導(dǎo)致葉形態(tài)表現(xiàn)出明顯的年際差異。

3.3　葉表型可塑性及葉形特征參數(shù)對增溫的響應(yīng)

本研究表明,岷江冷杉幼苗葉形態(tài)(長、寬、面積和厚度等)適應(yīng)模擬增溫的方向總體均傾向于旱生,即減小水分散失、保持葉片最適溫度,年度氣候差異對葉形態(tài)的響應(yīng)亦產(chǎn)生重要影響。但在增溫和異齡兩個條件交互影響下,對葉寬和葉厚兩個形態(tài)沒有顯著性影響,可以理解為兩個處理條件在葉寬、葉厚形態(tài)下的趨勢抵消。表型可塑性存在于大多數(shù)植物中[41],其可通過使物種具有更寬的生態(tài)幅和更好的耐受性,來增強物種對變化環(huán)境的適應(yīng)能力,使物種更好地占據(jù)地理和生境優(yōu)勢[14,42]。本研究結(jié)果顯示增溫總體上增大岷江冷杉幼苗葉形態(tài)的可塑性,說明在研究期內(nèi)葉形態(tài)的調(diào)整是植物對異質(zhì)增溫環(huán)境的一個適應(yīng)方式,但這種調(diào)整同樣受到研究期間年際微氣候差異的影響[43],即不同年齡的葉形態(tài)可塑性的變化幅度不同。其中1 a葉增溫處理下的葉長表型可塑性較對照小,而2 a和3 a葉均是較對照大,進一步驗證了這一觀點,即“葉片適應(yīng)存在明顯年際差異”,同時增溫條件下1 a葉長值比對照大但可塑性卻比對照小這一結(jié)果,也說明在OTC增溫條件下,小葉較小的蒸騰作用更能適應(yīng)干熱環(huán)境、保護自我[34]。

綜上所述,OTC中的岷江冷杉幼苗葉片對長期增溫作出相應(yīng)的適應(yīng)性調(diào)整；葉片形態(tài)特征表現(xiàn)出顯著的旱生傾向,但因年際氣候差異而存在明顯的葉齡變化；完全支持實驗初期提出的假說——“岷江冷杉幼苗異齡葉會對長期模擬增溫產(chǎn)生差異性響應(yīng)”。本實驗僅從葉片形態(tài)的視角探討岷江冷杉幼苗對長期增溫的響應(yīng),將來的適應(yīng)性研究還可盡量整合微生境氣候等資料,輔以生理、樹木構(gòu)型、地下生態(tài)過程等方面,以全面揭示岷江冷杉對全球變暖的響應(yīng)機制。

致謝：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院李濘鈺、范瀟月、陶媛和馮時等同學(xué)給予幫助，四川王朗國家級自然保護區(qū)提供采樣便利條件,特此致謝。