仲小茹，張 露，潘昕昊，葉雄英，黃獻峰，柯 叮，孫榮喜*

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/江西省森林培育重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032）

【研究意義】植物功能性狀是指能夠反映植物碳獲取、水分傳遞、養(yǎng)分循環(huán)等重要生命活動的屬性，直接或間接影響植物生長、存活和死亡，包括植物形態(tài)、生理等方面的特征[1]。葉片是樹木地上部分物質(zhì)交換最頻繁的器官，也是植物光合作用的重要器官，對環(huán)境變化具有敏銳的捕捉力，在植物資源獲取利用和競爭中起著關(guān)鍵作用[2]。葉片功能性狀可以反映植物采取的生態(tài)策略。例如，葉經(jīng)濟型譜一端具有快速生長策略的物種表現(xiàn)為較高的光合速率、葉片氮磷含量、比葉面積和葉片導(dǎo)水率，另一端慢速防御策略的物種則具有較低的光合速率、葉片氮磷含量、比葉面積和葉片導(dǎo)水率[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)葉功能性狀的種內(nèi)變異研究非常有限，大量研究關(guān)注種間變異。例如，葉片功能性狀的耦合和權(quán)衡關(guān)系主要是基于物種間的關(guān)系而推斷的，主要前提假設(shè)是種間變異大于種內(nèi)變異[4]。然而，許多優(yōu)勢樹種分布范圍廣，可以分布在不同的溫度、降水和海拔梯度上，適應(yīng)環(huán)境變化采取的生態(tài)策略較為復(fù)雜，在不同的環(huán)境中協(xié)調(diào)各功能性狀而采取的措施有所不同，這也意味著該物種功能性狀的變異也是巨大的。因此，了解植物種內(nèi)功能性狀的差異對于理解該物種的分布特征以及如何適應(yīng)和響應(yīng)環(huán)境有重要意義。而選擇單一物種來研究環(huán)境梯度下葉片性狀的變化，可以弱化系統(tǒng)發(fā)育的影響，凸顯環(huán)境對功能性狀變化的影響[5]。植物葉片性狀是植物與環(huán)境長期互作的結(jié)果，海拔所帶來的生境差異會對植物生長和分布產(chǎn)生很大影響。首先，溫度是最重要的影響因素，一般海拔每減少100 m，溫度增加0.6 ℃，這直接限制了土壤濕度和溫度耐受性；其次，土壤養(yǎng)分可能存在差異，但不起決定性作用。雖然理論上在高海拔山地，土壤淋溶較多，土壤全氮隨海拔增加而增加，土壤全磷隨海拔的增加則先減少后增加，然而在熱帶亞熱帶森林土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性是巨大的，養(yǎng)分主要受到林分類型、坡度和坡位的影響。溫度-植物生理假說（temperature-plant physiological hypothesis）認(rèn)為：植物體內(nèi)不同生理代謝速率受到溫度調(diào)控，在低溫條件下，與氮磷相關(guān)的光合酶活性和RNA 活性會降低，造成葉綠素含量降低。同時，由于土壤氮含量隨海拔的升高而上升，因此，葉片中更多的氮分配到結(jié)構(gòu)物質(zhì)（細(xì)胞壁）中，導(dǎo)致比葉重增大[6-7]。還有研究顯示，葉片功能性狀在海拔梯度上的分布不盡相同，并沒有隨海拔的變化而變化。因此，研究海拔梯度下植物葉片功能性狀的變化，有助于了解植物對環(huán)境變化響應(yīng)的生理生態(tài)機制，同時也可以作為全球氣候變化的指南針[8-9]。【前人研究進展】米櫧（Castanopsis carlesii）作為我國亞熱帶地區(qū)常綠闊葉林的典型植被類型之一，主要分布在海拔1 300 m以下的山地或丘陵地帶的常綠或落葉闊葉混交林中[10]，對環(huán)境的變化具有較強的適應(yīng)性。國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)葉功能性狀的研究大量集中在種間變異，種內(nèi)變異研究非常少。葉片性狀對環(huán)境梯度的響應(yīng)研究主要集中在群落水平上，但由于植物適應(yīng)環(huán)境變化采取的生態(tài)策略較為復(fù)雜，在不同的環(huán)境中協(xié)調(diào)各功能性狀而采取的措施有所不同，以植物群落為整體來研究會忽視不同物種之間的差異性?！颈狙芯壳腥朦c】目前國內(nèi)有關(guān)米櫧研究主要集中在繁殖技術(shù)[11-12]、群落分布格局[13-14]、森林凋落物[15-16]、根系研究[17-18]和氮磷響應(yīng)[19]等方面，但對其葉性狀沿海拔梯度的響應(yīng)機制鮮有研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以九連山自然保護區(qū)常綠闊葉林不同海拔群體的米櫧為對象，分析米櫧葉片形態(tài)性狀和生理性狀隨海拔梯度的變化規(guī)律，探討葉片功能性狀對環(huán)境變化的響應(yīng)，為預(yù)測氣候變化下植物物種分布、群落動態(tài)和森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的變化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

九連山自然保護區(qū)（24°29′～24°38′N，114°22′～114°31′E）位于江西省的南部，為南嶺東部地區(qū)的核心部位，保存有較大面積的原生性亞熱帶常綠闊葉林，植被類型多樣，被譽為“生物基因庫”。境內(nèi)海拔自300 m至主峰黃牛石1 430 m，地勢南高北低，為中亞熱帶與南亞熱帶過渡地帶。九連山氣候具有大陸性、海洋性，受海拔高低以及地形變化的影響，形成復(fù)雜多樣的小氣候。年平均氣溫16.7 ℃，年均降水量2 070.4 mm，年均相對濕度85%；保護區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造錯綜復(fù)雜，成土母質(zhì)多樣，按海拔高度自下而上依次分布有山地紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤和山地草甸土，pH值4.5～6.5。

1.2 樣品采集

根據(jù)米櫧在九連山自然保護區(qū)的主要分布范圍，從其分布下限開始采樣，分為3個海拔梯度，按海拔由低到高分別記為：低（389～512 m）、中（514～626 m）、高（638～794 m）。每個海拔梯度內(nèi)選取20 株左右米櫧，株間距離要大于50 m。每株米櫧在向陽面選取成熟且無病蟲害葉片30 片，葉片摘取后用密封袋裝好并放入便攜式小冰箱內(nèi)，帶回實驗室進行各種指標(biāo)的測定。

1.3 米櫧葉片性狀的測定

1.3.1 葉片形態(tài) 采用Epson4990 型平面掃描儀對米櫧葉片進行掃描，結(jié)合加拿大Regent Instrument 公司的WinSeedle 軟件分析葉長、葉寬、葉長寬比和葉面積等指標(biāo)。采用1/10 000 電子天平測量葉片鮮重，隨后將葉片置于烘箱內(nèi)（80 ℃）烘至恒重，測量葉片干重。計算比葉重（leaf mass ratio area，LMA，g/cm2）及葉干物質(zhì)含量（leaf dry matter content，LDMC，mg/g）。計算公式：比葉重=葉片干量/葉面積；葉干物質(zhì)含量=葉片干重/葉片鮮重×100%。

1.3.2 葉片生理 采用蒽酮比色法測定可溶性糖（mg/g）和淀粉含量（mg/g）；參照Lichtenthaler 等[20]的方法測定葉綠素含量；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）=可溶性糖+淀粉。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用SPSS 21.0 對不同海拔梯度米櫧群體的葉性狀進行單因素方差分析，同時為了研究米櫧葉片性狀之間的相關(guān)性，對葉片性狀數(shù)據(jù)進行Pearson 相關(guān)性分析。變異系數(shù)主要是用于說明不同海拔梯度內(nèi)葉片性狀的變異程度，其計算公式為：變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 米櫧葉性狀對海拔的響應(yīng)特征

2.1.1 海拔高度對葉片形態(tài)指標(biāo)的影響 米櫧葉片形態(tài)指標(biāo)隨海拔梯度變化的分析表明（圖1），在調(diào)查的海拔梯度范圍內(nèi)葉面積、葉長和葉寬隨著海拔的遞增均呈減少的趨勢，葉片長寬比和比葉重隨著海拔的遞增呈增加的趨勢，葉片干物質(zhì)含量總體呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的狀態(tài)；葉面積、長寬比和比葉重在低海拔與高海拔之間存在顯著差異（P＜0.05），葉長和葉片干物質(zhì)含量隨海拔梯度變化差異不顯著（P＞0.05），葉寬在高海拔的含量顯著低于其他海拔梯度（P＜0.05），但在低、中海拔梯度間差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 米櫧葉片形態(tài)指標(biāo)隨海拔梯度的變化Fig.1 Variations of leaf morphological indices with altitude gradient for Castanopsis carlesii

2.1.2 海拔對葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量的影響 由圖2可知，葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均隨海拔升高而降低，葉綠素a、總?cè)~綠素含量在低海拔與高海拔之間存在顯著差異（P＜0.05），但葉綠素b含量在各海拔梯度間差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 米櫧葉片葉綠素含量隨海拔梯度的變化Fig.2 Changes of chlorophyll content in leaves of Castanopsis eyrei with elevation gradient

2.1.3 海拔對淀粉、可溶性糖和NSC 含量的影響 由圖3 可知，淀粉、可溶性糖和NSC 含量均隨海拔升高而增加，可溶性糖含量在低海拔與高海拔間存在顯著差異（P＜0.05）；淀粉、NSC 含量在低海拔的含量顯著低于其他海拔梯度（P＜0.05），但在中海拔和高海拔間含量變化不顯著（P＞0.05）。

圖3 米櫧葉片淀粉、可溶性糖和NSC含量隨海拔梯度的變化Fig.3 Changes of starch，soluble sugar and NSC contents in leaves of Castanopsis carlesii with altitude gradient

2.2 米櫧葉片性狀沿海拔梯度的變異規(guī)律

本研究比較了12 個葉片功能性狀的變異系數(shù)，其總體的變異順序由大到小依次為淀粉、可溶性糖、NSC、葉面積、葉綠素b、葉綠素a、總?cè)~綠素、葉寬、葉長、比葉重、葉長寬比和干物質(zhì)含量，其中淀粉、可溶性糖的變異系數(shù)最大，分別為30.16%和27.56%，干物質(zhì)含量的變異系數(shù)最小，為6.73%（表1）。

表1 不同海拔梯度米櫧葉片性狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Statistical analysis of leaf traits of Castanopsis carlesii at different elevations

不同海拔梯度內(nèi)葉面積的變異范圍為18.38%～24.41%，葉干物質(zhì)含量的變異范圍為6.47%～7.41%，葉長、葉寬、葉長寬比和比葉重的變異范圍分別為8.26%～13.51%、11.89%～13.72%、7.74%～10.06%和7.86%～12.95%；與干物質(zhì)含量、葉長、葉寬、葉長寬比、比葉重相比，葉片形態(tài)指標(biāo)中葉面積變異系數(shù)相對較大，且在中高海拔的變異系數(shù)與總體的變異系數(shù)趨于一致，大于其在低海拔的變異系數(shù)。

本研究表明，葉綠素a 與總?cè)~綠素含量在低海拔的變異系數(shù)最大，分別為18.21%和16.18%，在高海拔處的變異系數(shù)最小。葉綠素b 在中海拔的變異系數(shù)最大為19.51%，大于其在低海拔與高海拔的變異系數(shù)；淀粉含量在低海拔與高海拔處的變異系數(shù)大于在中海拔的變異系數(shù)，但可溶性糖在低海拔與高海拔處的變異系數(shù)小于在中海拔的變異系數(shù)，說明米櫧各個葉性狀在不同的海拔梯度范圍存在不同程度變異。

2.3 米櫧葉片性狀相關(guān)性分析

由各性狀指數(shù)間的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果（表2）可知，米櫧葉片的各項指標(biāo)之間存在著相關(guān)關(guān)系。葉片形態(tài)指標(biāo)的相關(guān)分析表明：葉面積與葉長、葉寬呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與葉長寬比呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），葉長與葉寬存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），葉長寬比與比葉重呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。米櫧葉片生理指標(biāo)的相關(guān)分析表明：淀粉與可溶性糖、NSC 呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），葉綠素a 與可溶性糖以及NSC 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。除此之外，葉面積與淀粉、可溶性糖和NSC 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），比葉重與淀粉、可溶性糖、NSC 呈極顯著正相關(guān)，葉寬與6 個生理指標(biāo)均存在顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

3 結(jié)論與討論

3.1 米櫧葉性狀對海拔的響應(yīng)特征

3.1.1 葉面積、比葉重及葉干物質(zhì)含量 葉面積和比葉重作為植物碳收獲策略的重要葉特征之一[21]，其大小直接與植物光合反應(yīng)及環(huán)境適應(yīng)相關(guān)。隨著海拔升高，氣溫急劇下降，是影響植物生長繁殖及其分布的主要環(huán)境因子[22]。研究區(qū)域內(nèi)隨著海拔的升高，米櫧葉面積逐漸變小，比葉重增加，并且在高低海拔梯度間存在顯著差異，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在低海拔地區(qū)種間競爭較為激烈，為滿足生長需求，米櫧通過增加葉面積捕捉更多光能。但在高海拔地區(qū)受低溫、強紫外線等不利條件的影響，可供給植物利用的資源相對較少，植株通過減少葉面積、增加葉厚來降低葉片呼吸和蒸騰速率，以減少自身能量損耗并降低強光輻射對葉片的損害，因此較高的比葉重有助于植物對高海拔生境的適應(yīng)[23]。在一定程度上，葉片干物質(zhì)含量主要反映的是植物對養(yǎng)分元素的保有能力，易受水分的制約但不易受到其他葉片性狀的影響[24]，與環(huán)境的變化聯(lián)系緊密。相關(guān)學(xué)者[25]研究表明高海拔處的植物更易遭受光溫水分的脅迫，植物更傾向于保有自身養(yǎng)分來抵抗外界壓力，高干物質(zhì)含量的葉片相對堅韌，更有利于抵抗外界壓力。但在本研究中，葉干物質(zhì)含量總體呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的趨勢，在不同海拔梯度并沒有表現(xiàn)出顯著的海拔差異，這可能與不同樹種的生理結(jié)構(gòu)不同及其所處環(huán)境存在差異有關(guān)。先前有學(xué)者在分析九連山米櫧的群落特征時發(fā)現(xiàn)群落內(nèi)米櫧大喬木具有板狀根系，表明該群落各海拔梯度內(nèi)降雨量充沛，水分不是植物生長的主要限制因素,與同為殼斗科植物的蒙古櫟[26]研究結(jié)果相一致。

3.1.2 葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素 葉綠素與植物的光合作用密切相關(guān)，直接參與光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，其含量大小影響植物的光合能力和光合器官的保護[23]。在本研究中，隨著海拔的升高，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均呈減少的趨勢，這與以往研究[27]認(rèn)為高山植物葉片具有相對低的葉綠素含量及對光的強反射性的結(jié)論相同。葉綠素的合成是一系列的酶促反應(yīng)，受溫度影響很大，因此高海拔的低溫脅迫會降低酶活性進而抑制了葉綠素的合成，促進了葉綠素的降解。另一方面伴隨著海拔的升高光照增強通過減少葉綠素的含量可減少因捕捉過度的光能而對葉面造成的傷害。

3.1.3 淀粉、可溶性糖及NSC 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物新陳代謝過程中能量的主要儲存形式，主要由可溶性糖和淀粉組成[28]。NSC 含量的變化能較好地反映出植物體碳收支情況以及對外界環(huán)境變化做出的響應(yīng)與適應(yīng)策略，可有效調(diào)節(jié)植物抵抗外界環(huán)境的脅迫[29]。在本研究中，米櫧葉片淀粉、可溶性糖、NSC含量隨海拔的反應(yīng)趨勢基本一致，均隨海拔升高而增大。相關(guān)研究[30-31]認(rèn)為可溶性糖作為植物體內(nèi)活躍的碳儲存形式，在植物抗低溫、滲透交界、增強抗病性等方面發(fā)揮重要作用，低溫和干旱環(huán)境可促進其積累。因此有可能是高海拔地區(qū)的低溫脅迫促進了NSC 含量的積累來降低自身的滲透勢和冰點，以此來提高米櫧的抗寒適應(yīng)性，起到冰凍保護劑的作用。植物組織中NSC 含量的高低被用來檢驗生長在高海拔的林木是否碳供應(yīng)不足或生長受限制，在本研究中高海拔的NSC含量高于低海拔的含量，不支持關(guān)于林線形成的“碳受限假說”[32]，并由此可以推測，隨全球氣候變暖米櫧林線有可能向更高海拔移動。

3.2 不同海拔梯度下米櫧葉性狀的變化差異

變異系數(shù)體現(xiàn)的是葉片對環(huán)境因子的適應(yīng)潛力，植物性狀的變異系數(shù)高說明植物對環(huán)境有更高的適應(yīng)性[33]。一般情況下，變異系數(shù)＞50%為強變異，中等變異表現(xiàn)為20%＜變異系數(shù)＜50%，而變異系數(shù)＜20%屬于弱變異[34]。米櫧作為樣地的優(yōu)勢樹種，對環(huán)境的變化具有敏銳的捕捉力，各葉片性狀表現(xiàn)出較大的可塑性。其中淀粉、可溶性糖、NSC、葉面積具有較高的變異系數(shù)，變異系數(shù)范圍在20%～50%，屬于中等變異，這是由于葉片作為與環(huán)境接觸面積最大的器官對環(huán)境變化的響應(yīng)較為敏感，表現(xiàn)出較大的表型可塑性來適應(yīng)不同海拔梯度的光照環(huán)境[35]，以此來維持植株的水分平衡；另一方面，可溶性糖與淀粉含量是一個持續(xù)的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程，較高水平的可溶性糖含量有助于植株抵御低溫環(huán)境的脅迫，因此在存在溫度差異的不同海拔梯度間表現(xiàn)出較大的可塑性。與其他性狀相比，干物質(zhì)含量變異系數(shù)最小，表現(xiàn)出較強的內(nèi)穩(wěn)性，與多數(shù)研究結(jié)果一致[36]。

3.3 米櫧葉性狀間的相關(guān)關(guān)系

植物葉片的功能性狀間聯(lián)系緊密，在應(yīng)對環(huán)境變化時并非調(diào)節(jié)某個單一性狀而是通過各性狀間的協(xié)同與權(quán)衡來適應(yīng)環(huán)境變化[37]。研究植物性狀間的耦合關(guān)系，可更好地理解植物在不同環(huán)境的生存策略。在本研究中，部分葉功能性狀之間沿海拔梯度表現(xiàn)出顯著的協(xié)同或權(quán)衡變化趨勢。其中，葉面積與葉長、葉寬、葉綠素含量存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，但與淀粉、可溶性糖、NSC 含量存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是因為在低海拔地區(qū)植株更傾向于自身生長而非防御，較大的葉面積可促進植物的光合作用，同時植物的呼吸消耗大量能量。在高海拔地區(qū)，米櫧受低溫脅迫影響，更傾向于資源的保護而非快速生長，通過提高可溶性糖含量提高抗性并減少葉面積降低蒸騰。在植物處于脅迫狀態(tài)時，葉綠素水解酶活性升高，葉綠素合成過程減弱，導(dǎo)致了葉綠素含量的降低[38]。

綜上所述，本研究以不同海拔梯度的米櫧為對象分析了葉片形態(tài)性狀和生理性狀隨海拔梯度的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)米櫧葉片性狀呈現(xiàn)出不同程度的變異，表明該物種在異質(zhì)生境中具有較強的可塑性。在不同海拔梯度上米櫧的生理生態(tài)適應(yīng)策略也存在顯著差異，在低海拔主要通過增大葉面積、光合速率、降低抗旱性來快速獲取資源，但在高海拔為抵御低溫脅迫，米櫧產(chǎn)生一系列與防御相關(guān)的生態(tài)適應(yīng)機制來適應(yīng)環(huán)境，說明溫暖濕潤的環(huán)境更能促進米櫧的生長，在全球未來氣候變化下，該物種具有一定的適應(yīng)能力，可能往更高海拔分布。本文為米櫧的保護利用及預(yù)測未來氣候變化下植物的空間分布提供了科學(xué)依據(jù)，但本研究僅從葉片的形態(tài)、光合、生理相關(guān)的指標(biāo)來評價低溫對米櫧生長的影響，海拔梯度上眾多生態(tài)因子發(fā)生變化，可能存在更復(fù)雜的適應(yīng)機制，還需更深入的研究。

致謝：江西省科技廳項目（20202BABL215018）和江西省林業(yè)局林業(yè)科技創(chuàng)新專項（201801）同時對本研究給予了資助，謹(jǐn)致謝意！