許云蕾 蒲文彩 余志祥 楊永瓊 馬煥成

(1.西南林業(yè)大學(xué)西南地區(qū)生物多樣性保育國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650224；2.四川攀枝花蘇鐵國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，四川 攀枝花 617000)

金沙江干熱河谷是長江上游生態(tài)環(huán)境最脆弱、水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一，金沙江干熱河谷日照充足，光能資源豐富，由于焚風(fēng)作用，氣溫高于同緯度地區(qū)，年均溫多為17.7～21.9 ℃，≥10 ℃積溫多為6 100～7 985.0 ℃，降水量少而集中，雨季降水量占年總降水量的90%以上，旱季降水量不足10%，蒸發(fā)量是降水量的3～6倍，氣候垂直分異明顯[1-2]。干旱是限制植物生長的重要非生物因素之一[3]，在干旱脅迫下，樹木通過改變?nèi)~片和根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)或抵抗不良環(huán)境。葉片與環(huán)境的關(guān)系比較密切，在干旱的生態(tài)環(huán)境中，演化成多種抗旱性的形態(tài)適應(yīng)特征，如葉片變厚，細(xì)胞壁增厚，出現(xiàn)葉毛，角質(zhì)層加厚、脂類組織含量升高柵欄組織發(fā)達(dá)而海綿組織葉肉發(fā)育不明顯，氣孔沉陷更深，細(xì)胞間隙變小等[4]。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度越大、柵欄組織越發(fā)達(dá)，植物進(jìn)行光合作用的能力越高，海綿組織厚度則與抗旱性呈負(fù)相關(guān)[5]。葉片組織結(jié)構(gòu)直接決定了葉片的功能，影響葉片形態(tài)[6]。因此，葉片結(jié)構(gòu)是最能反映植物在逆境的適應(yīng)性特征。近年來，已有不少關(guān)于植物葉片解剖結(jié)構(gòu)和利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法評定抗旱性研究[7-10]。趙高卷等[11]對干熱河谷3種木棉科植物根莖葉的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探究了影響水分傳輸結(jié)構(gòu)與生態(tài)適應(yīng)性關(guān)系。葛孌等[12]對干熱河谷不同立地條件坡柳 (Dodonaeaviscosa) 葉片解剖結(jié)構(gòu)的研究，突出環(huán)境影響結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)適應(yīng)環(huán)境。張建等[13]以葉柄解剖結(jié)構(gòu)分析與聚類分析相結(jié)合對潤楠屬植物分類進(jìn)行研究。但在植物種類和寬度上，以干熱河谷環(huán)境為背景的研究都仍然不足。因此，本實(shí)驗(yàn)以金沙江干熱河谷的17種旱生植物為材料，研究其葉片解剖結(jié)構(gòu)特征，并以聚類分析的綜合評定方法分析評價(jià)植物解剖結(jié)構(gòu)的差異性。從不同演替階段的植物旱生結(jié)構(gòu)來理解期抵干旱機(jī)理，以及在干熱河谷分布規(guī)律、適應(yīng)關(guān)系，從而闡述不同種在干熱河谷有差異共存的解剖學(xué)基礎(chǔ)。為干熱河谷地區(qū)植被恢復(fù)演替及抗旱樹種的篩選及其生態(tài)適應(yīng)性研究提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣地點(diǎn)為四川省攀枝花市西區(qū)的攀枝花蘇鐵國家級自然保護(hù)區(qū)(東經(jīng)101°32′15″，北緯26°36′31″)，地處橫斷山脈的金沙江河谷中段。在攀枝花蘇鐵國家級自然保護(hù)區(qū)管理站后山立地條件和植被基本一致的陽坡劃分出1塊800 m × 800 m的采樣區(qū)，區(qū)內(nèi)植物種類大多為旱生樹種,為稀樹灌叢植被類型，包含攀枝花蘇鐵 (Cycaspanzhihuaensis) 等古老的裸子植物，云南梧桐 (Hildegardiamajor) 等國家重點(diǎn)保護(hù)物種。由于保護(hù)措施得當(dāng)，原來以灌木為主的植被，喬木樹種的比例和高度出現(xiàn)明顯增加的趨勢。

1.2 樣品采集

隨機(jī)采集長勢良好且分布較多代表性植物樣本17種，每個(gè)樹種3棵，每棵樹種選取枝條成熟葉片10片，用毛筆輕輕拂去灰塵，立即投入FAA固定液固定待用。17種樣本分別為山螞蟥 (Desmodiumyunnanese)、黃荊 (Vitexnegundo)、鐵橡櫟 (Quercusbaronii)、巖桑 (Moruscathayana)、云南梧桐 (Hildegardiamajor)、滇欖仁 (Terminaliafranchetii)、三葉梣 (Fraxinustrifoliolata)、粗壯女貞 (Ligustrumrobustum)、巖柿 (Diospyrosdumetorum)、攀枝花蘇鐵 (Cycaspanzhihuaensis)、短柄銅錢樹 (Paliurusorientalis)、野漆 (Toxicodendronsuccedaneum)、櫟葉枇杷 (Eriobotryaprinoides)、山槐 (Albiziakalkora)、沙針 (Osyriswightiana)、假煙葉樹 (Solanumerianthum)、黃葛樹 (Ficusvirens)。

1.3 葉片組織結(jié)構(gòu)觀察

將采集的葉片從FAA固定液取出，沿主脈切成長1 cm、寬約為5 mm的小片，后經(jīng)抽真空處理→不同等級乙醇脫水→二甲苯透明浸蠟→石蠟包埋→用旋轉(zhuǎn)式手搖切片機(jī)進(jìn)行切片、粘片 (切片厚度為8～15 μm烘干)→脫蠟→番紅-固綠染色→中性樹膠封片[14]。制作完成的切片烘干后于倒置熒光顯微鏡下觀察，選擇完整、典型的切片，使用AxioVision Rel 4.8軟件對切片進(jìn)行拍照和測量，分別記錄不同演替階段植物葉片橫切面的特征，測量葉片厚度、上下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度、角質(zhì)層厚度等指標(biāo)，觀察測量3個(gè)視野，每項(xiàng)指標(biāo)記錄10組數(shù)據(jù)，共30組重復(fù)，求其平均值作為性狀指標(biāo)值。如公式 (1)～(3) 計(jì)算柵海比、葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度 (CTR)、葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度 (SR)。

(1)

(2)

(3)

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，SPSS 13.0對已標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，聚類分析在以上9個(gè)性狀下不同樹種的相似性。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征比較

17個(gè)樹種的葉片解剖特征見圖1，結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)見表1。

2.1.1表皮特征

由圖1可知，17個(gè)樹種中除鐵橡櫟外，其他樹種的上表皮均比下表皮厚，沙針的上下表皮差異不明顯，山螞蝗、巖桑、攀枝花蘇鐵的上表皮細(xì)胞有2層排列緊密的細(xì)胞組成，即具有復(fù)表皮。由表1可知，上表皮細(xì)胞厚度變化為6.34～66.61 μm，下表皮細(xì)胞厚度變化為8.69～36.50 μm。其中，上表皮細(xì)胞最厚的為攀枝花蘇鐵，最薄的為鐵橡櫟，有山螞蝗、巖桑、云南梧桐等9個(gè)樹種的上表皮厚度大于20.00 μm。下表皮細(xì)胞最厚的為攀枝花蘇鐵，最薄的為云南梧桐。云南梧桐的上下表皮厚度差異最大，達(dá)到35.97 μm，沙針上下表皮厚度最為接近。所有樹種的上下表皮厚度的變異系數(shù)分別為60.38%和47.81%。其中攀枝花蘇鐵的角質(zhì)層最厚，其次是巖柿、山槐，短柄桐錢樹的角質(zhì)層最薄。所有樹種的角質(zhì)層厚度變異系數(shù)為48.81%。此外部分樹種還具有表皮毛，黃荊、假煙葉樹表皮毛分布于上下表皮，且多，下表皮多于上表皮；云南梧桐于下表皮分布表皮毛，且較多；鐵橡櫟、三葉梣、巖柿、短柄桐錢樹等有少量分布于下表皮。葉片表皮外壁強(qiáng)烈角化，形成角質(zhì)層和表皮毛，防止水分過度散失和病蟲侵入，角質(zhì)層越厚表明抗旱能力越強(qiáng)，攀枝花蘇鐵、沙針和山槐等適應(yīng)能力較強(qiáng)。表皮特征中，上表皮細(xì)胞厚度變異系數(shù)較大表明不同樹種間上表皮細(xì)胞厚度的變異程度大。

2.1.2葉片厚度

由表1可知，各樹種的葉片厚度變化為120.18～592.78 μm，其中攀枝花蘇鐵的葉片最厚，其次是沙針、云南梧桐和櫟葉枇杷，有7個(gè)樹種達(dá)到200 μm以上。葉片最薄的為巖桑和假煙葉樹。所有樹種的葉片厚度的變異系數(shù)為51.32%。葉片厚度通常被認(rèn)為是一個(gè)比較關(guān)鍵的性狀，在干旱地區(qū)的植物常常發(fā)育成較厚的葉片來減小水分喪失以對抗環(huán)境壓力，攀枝花蘇鐵、沙針、云南梧桐、櫟葉枇杷等適應(yīng)性較強(qiáng)。不同樹種間葉片厚度的變異程度較大。

2.1.3葉肉特征

由圖1可知，17種樹種根據(jù)葉肉細(xì)胞的分化情況分為3個(gè)類型：1) 等面葉，即葉肉組織無海綿組織的分化，或者只分布在葉的兩面，如攀枝花蘇鐵和沙針 (圖1-j,圖1-o)；2) 過渡型葉，即葉肉細(xì)胞有海綿組織和柵欄組織的分化，且組織結(jié)構(gòu)分布表現(xiàn)出不等的性質(zhì)，但其中海綿組織的形態(tài)趨向于柵欄組織狀，如黃荊、山槐、黃葛樹 (圖1-b,圖1-n,圖1-q)；3) 異面葉，即海綿組織與柵欄組織分化明顯。如山螞蝗、滇欖仁等 (圖1-a,圖1-f)。而在等面葉類型中，攀枝花蘇鐵屬于環(huán)柵型，沙針則應(yīng)屬于全柵型。

a.山螞蟥；b.黃荊；c.鐵橡櫟；d.巖桑；e.云南梧桐；f.滇欖仁；g.三葉梣；h.粗壯女貞；i.巖柿；j.攀枝花蘇鐵；k.短柄銅錢樹；l.野漆；m.櫟葉枇杷；n.山槐；o.沙針；p.假煙葉樹；q.黃葛樹。

圖117個(gè)樹種的葉片解剖特征
Fig.1 Leaf anatomical features of 17 tree species

表1 17個(gè)種樹葉片解剖結(jié)構(gòu)特征Table 1 Leaf anatomical structure characteristics of 17 tree species

注：“/”表示無海綿組織分化，無海綿組織值。

本實(shí)驗(yàn)中，17個(gè)樹種的的柵欄組織、海綿組織厚度差異較大且有部分樹種的海綿組織比柵欄組織厚。柵欄組織厚度變化為32.19～292.66 μm，海綿組織厚度變化為33.57～90.15 μm。其中，沙針的柵欄組織與攀枝花蘇鐵接近為最厚，巖桑最薄。櫟葉枇杷的海綿組織最厚，三葉梣最薄。所有樹種的柵欄組織與海綿組織厚度的變異系數(shù)分別為69.90%和49.44%。17個(gè)樹種中山槐柵海比最大，巖桑和巖柿，野漆和假煙葉樹柵海比小于1.00。所有樹種的柵海比的變異系數(shù)為41.91%。沙針的CTR最大，巖桑最小，其余樹種中黃荊、鐵橡櫟、滇欖仁、粗壯女貞、攀枝花蘇鐵、山槐和黃葛樹等7個(gè)樹種的CTR也超過50%。而巖柿的SR最大，山槐最小，此外只有山槐的SR低于20.00%。所有樹種的CTR與SR的變異系數(shù)分別為32.09%和46.97%。細(xì)胞密集度大，柵欄組織發(fā)達(dá)及CTR高體現(xiàn)樹種的較強(qiáng)適應(yīng)性，攀枝花蘇鐵、沙針、山槐等適應(yīng)性更強(qiáng)。葉肉特征中，柵欄組織厚度與海綿組織厚度變異系數(shù)較大也表明是更加適應(yīng)物種演替的性狀。

2.2 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的聚類分析

由圖2可知，17個(gè)樹種在14.091的距離下可分為4大類群，第Ⅰ類群為攀枝花蘇鐵，第Ⅱ類群為沙針，第Ⅲ類群為山螞蝗、巖桑、巖柿、野漆和假煙葉樹，第Ⅳ類群為黃荊、鐵橡櫟、云南梧桐、滇欖仁、三葉梣、粗壯女貞、短柄銅錢樹、櫟葉枇杷、山槐和黃葛樹。由葉肉細(xì)胞分化情況可得攀枝花蘇鐵、沙針的葉型為等面葉且二者的葉片厚度遠(yuǎn)大于其他樹種，因此其與其他樹種聚類距離較遠(yuǎn)。黃荊、山槐和黃葛樹為過渡型葉，3者的聚類距離短且聚為同一類群。山螞蝗、巖桑、巖柿，野漆和假煙葉樹柵海比小于1且均低于其他樹種，綜合其他指標(biāo)聚為一類。

由表2可知，第Ⅰ類群為攀枝花蘇鐵，無海綿組織分化，葉片厚度與上下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度平均值最大；第Ⅱ類群為沙針，無海綿組織分化，葉片厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度平均值較大；第Ⅲ類群的葉片厚度、柵欄組織厚度、CTR平均值則在4個(gè)類群中最??；第Ⅳ類群葉片厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度等較小。

1.山螞蟥；2.黃荊；3.鐵橡櫟；4.巖桑；5.云南梧桐；6.滇欖仁；7.三葉梣；8.粗壯女貞；9.巖柿；10.攀枝花蘇鐵；11.短柄銅錢樹；12.野漆；13.櫟葉枇杷；14.山槐；15.沙針；16.假煙葉樹；17.黃葛樹。

圖217個(gè)樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的平方歐式距離聚類圖
Fig.2 Squared euclidean distance cluster of leaf anatomical characteristics of 17 tree species

表2 17個(gè)樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)特征聚類結(jié)果Table 2 Clustering results of leaf anatomical characteristics in 17 tree species

3 結(jié)論與討論

葉片是植物對干旱脅迫下反應(yīng)最敏銳的部分，在長期適應(yīng)環(huán)境的過程中形成會(huì)特殊的組織結(jié)構(gòu)和功能。干熱河谷的極端高溫干旱，蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，氣候干熱，植物極易受到生理性干旱的脅迫，其葉片會(huì)形成適應(yīng)環(huán)境變化的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

葉片性狀的變異系數(shù)能夠反映葉片結(jié)構(gòu)的可塑性，具有較高變異系數(shù)的植物性狀對環(huán)境有強(qiáng)的潛在的適應(yīng)能力[15]，是植物為更好適應(yīng)環(huán)境而在葉片形態(tài)上發(fā)生的改變。對于葉片解剖結(jié)構(gòu)性狀而言，變異系數(shù)較小的認(rèn)為是較穩(wěn)定的系統(tǒng)演化性狀，變異系數(shù)大的性狀則被認(rèn)為是生態(tài)適應(yīng)性狀，生態(tài)適應(yīng)性狀長期發(fā)展也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)演替性狀[16]。本研究中上表皮細(xì)胞厚度、葉片厚度、柵欄組織厚度的變異系數(shù)大于50%，海綿組織厚度和角質(zhì)層厚度變異系數(shù)分別為49.44%和48.81%，略小于50%，可以認(rèn)為是生態(tài)適應(yīng)性狀；而下表皮細(xì)胞厚度、柵海比、CTR和SR等性狀的變異系數(shù)均為30%～48%，可以被認(rèn)為是系統(tǒng)演化性狀。

葉片厚度是反映植物抗旱的一個(gè)重要指標(biāo)，抗旱性強(qiáng)的植物往往其葉片較厚。攀枝花蘇鐵的葉片厚度最大且與其他樹種差異大，沙針、云南梧桐、櫟葉枇杷次之，在競爭中可以處于優(yōu)勢地位，隨環(huán)境變化其抗旱性會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。角質(zhì)層可以防止植物體內(nèi)水分的過度散失，抵御病菌入侵、防止強(qiáng)光傷害等[17]。選取角質(zhì)層厚度作為植物抗旱能力的體現(xiàn)是可行的，本研究中17種樹種均具有角質(zhì)層，攀枝花蘇鐵與沙針的角質(zhì)層厚度較其他植物種更大，抗旱性較其他植物更強(qiáng)。

在干旱少雨的環(huán)境中，隨著干旱程度的不斷加大，葉片一般會(huì)出現(xiàn)從兩面葉-過渡型-環(huán)柵型-全柵型的適應(yīng)性過渡變化[18]。17種植物種中黃荊、山槐、黃葛樹屬于過渡型葉。攀枝花蘇鐵屬于環(huán)柵型葉，沙針則應(yīng)屬于全柵型葉。其余樹種屬于異面型葉。海綿組織與柵欄組織的分化情況也反映出植物生長環(huán)境的水分狀態(tài)以及植物對該環(huán)境水分條件適應(yīng)性情況。相比較而言，沙針與攀枝花蘇鐵的柵欄組織高度發(fā)達(dá)，其海綿組織退化，說明其水分失散率應(yīng)該較低。柵海比大的植物耐旱性強(qiáng)，而且柵海比大于1的植物通常認(rèn)為是典型的的抗旱性植物[19]。從解剖結(jié)構(gòu)來看，山槐的柵海比值最大，山螞蝗的柵海比值大小接近1，巖桑、巖柿、野漆和假煙葉樹柵海比小于1，從柵海比值來分析，此5種樹種的抗旱性較低于其他植物種。植物柵欄組織越厚，CTR越大，表明其對光能的利用效率越高，對水分的利用效率也越高，也說明了其耐旱性越強(qiáng)。沙針與粗壯女貞、黃荊的CTR較大，對光能利用效率高，抗旱性強(qiáng)。

Callaway等[20]指出，對相同生境同一群落中的物種具有相似的適應(yīng)性。干旱地區(qū)植物群落的組成由于所處的地理環(huán)境和生活史原因而具有明顯的差異，長期生活在相同的氣候或其他環(huán)境之中，通過變異選擇適應(yīng)，在形態(tài)器官方面表現(xiàn)相似，呈現(xiàn)出植物類群的趨同適應(yīng)現(xiàn)象。本研究表明，盡管17個(gè)樹種葉片解剖結(jié)構(gòu)存在一定的差異，也表現(xiàn)出一定的趨同適應(yīng)現(xiàn)象。在葉片結(jié)構(gòu)上，植物對于干旱不同的適應(yīng)對策主要有2方面：一方面Hlwatika等[21]認(rèn)為葉片適應(yīng)干旱主要是提高葉片的光合效率，有試驗(yàn)證明上表皮和角質(zhì)層的增厚，是與強(qiáng)光相適應(yīng)的特征[22]。葉片越厚，柵欄組織越發(fā)達(dá)，光合作用越強(qiáng)，光合活性也越強(qiáng)則葉綠體密度大且葉綠素含量高，進(jìn)入一個(gè)良性循環(huán)[23]。攀枝花蘇鐵在葉片厚度、上表皮細(xì)胞、柵欄組織厚度和角質(zhì)層厚度等指標(biāo)上均較大，因此對強(qiáng)光適應(yīng)能力極強(qiáng)。在林下環(huán)境，具有較小的上表皮細(xì)胞厚度、葉片厚度和較大的海綿組織厚度，葉片變薄有利于植物利用等量的干物質(zhì)制造更大的葉面積，從而提高植株光能截獲和碳積累能力[24]。另一方面De Micco等[25]認(rèn)為葉片適應(yīng)干旱也是向著降低蒸騰、增強(qiáng)儲(chǔ)水性發(fā)展，較厚的角質(zhì)層與密集的表皮毛可降低水分蒸發(fā)，達(dá)到儲(chǔ)水作用。植物葉片越厚、表皮細(xì)胞越厚儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，同樣可以增強(qiáng)水分的調(diào)節(jié)能力[26]。

經(jīng)系統(tǒng)聚類分析，17份試材聚為4類，第Ⅰ類群為攀枝花蘇鐵，無海綿組織分化，葉片厚度與上下表皮細(xì)胞厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度平均值最大，適應(yīng)干熱河谷地區(qū)的強(qiáng)光能力強(qiáng)；第Ⅱ類群為沙針，無海綿組織分化，葉片厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度平均值較大，表明其適應(yīng)強(qiáng)光的能力也較強(qiáng)，僅次于攀枝花蘇鐵；第Ⅲ類群的葉片厚度、柵欄組織厚度、CTR平均值則在4個(gè)類群中最小，巖桑和巖柿，野漆和假煙葉樹柵海比小于1，山螞蝗的柵海比值大小接近1，此類樹種柵欄組織僅有1層，且海綿組織排列大多較緊密，海綿組織發(fā)達(dá)，表明此類樹種更好適應(yīng)林下較弱光環(huán)境；第Ⅳ類群包含高位芽植物如鐵橡櫟、滇欖仁等，葉片厚度、柵欄組織厚度、角質(zhì)層厚度平均值處于居中水平，大部分樹種柵欄組織排列較緊密，層數(shù)為2層，柵海比值均大于1。楊志松[27]在四川攀枝花蘇鐵保護(hù)區(qū)的考察報(bào)告中指出群落以小高位芽植物居多與地面芽植物，與周立江等[28]的分析結(jié)果不同，說明近30年的自然植被演替，群落外貌在變化，在向高的方向演替。地面芽植物比重任然比較大，這是與干熱河谷的干旱季節(jié)相適應(yīng)的特征。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這一觀點(diǎn)相符合。沙針和攀枝花蘇鐵屬于殘存植被類型[29-32]，野漆、巖桑、巖柿、假煙葉樹、山螞蝗等屬于稀樹灌草叢，黃荊、三葉梣、鐵橡櫟、滇欖仁、黃葛樹、短柄桐錢樹、山槐、粗壯女貞、櫟葉枇杷、云南梧屬于硬葉闊葉林。管中天[33]預(yù)言歷史上的植被類型適合于蘇鐵植物的生活型及其生態(tài)習(xí)性，如加以封閉保護(hù)任由植被自然發(fā)展，則勢必形成所謂“干性常綠闊葉林”。對保護(hù)區(qū)內(nèi)的17個(gè)樹種的分析表明，在嚴(yán)格保護(hù)的情況下該地區(qū)干熱河谷植被有可能朝著正向演替的方向發(fā)展，這也證明多年的保護(hù)措施對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境起到重要的修復(fù)作用。