干旱脅迫對3種觀賞灌木葉片解剖結構的影響及抗旱性分析1)

常英俏 徐文遠 穆立薔 姜雪昊 柴春榮

(東北林業大學，哈爾濱，150040)

隨著城市綠地面積的增加和水資源的日益緊缺，節水型園林已成為城市可持續發展的必然要求，而應用耐旱植物綠化是發展節水型園林的主要措施之一［1］。小葉丁香(Syringa pubescens)、紅王子錦帶(Weigela florida‘Red Prince’)和金銀忍冬(Lonicera maakii)均為常見的綠化樹種，并且都均有抗旱性。小葉丁香樹姿秀麗，花色鮮艷，且一年兩度開花，解決了夏秋無花的現狀，丁香姿容娟柔，但卻毫不嬌慣，極為耐旱。金銀忍冬是園林綠化植物中最常見的樹種之一，金銀木花果并美，具有較高的觀賞價值，春天可賞花聞香，秋天可觀果累累。紅王子錦帶是錦帶花的一個園藝品種，性喜光，抗旱，抗寒，樹形格外美觀，紅花點綴綠葉中，具有很高的觀賞價值。因此選用小葉丁香、紅王子錦帶、金銀忍冬這3種觀賞灌木具有一定代表性。現國內外已有許多對這3種觀賞灌木的抗性研究［2－3］，但都是從生理指標的角度進行的抗性比較，未見從植物的解剖結構角度上進行研究。由于植物體內的水分絕大部分通過葉片蒸騰消耗掉，葉與環境的關系最為密切，環境不僅影響到葉的外部結構，同時也影響到葉的內部構造和生理活動［4］。因此，運用解剖學方法，研究特定生境下植物葉片的解剖結構及其變化規律已成為生態學研究的一個重要方面［5－7］。本文研究了不同水分含量的干旱處理對3種灌木解剖結構的影響及抗旱性分析，并對3種灌木基于葉片解剖結構的抗旱性進行了綜合評價，為解剖結構的研究提供理論性的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和試驗材料

試驗在東北林業大學林場溫室大棚內進行，并采用小葉丁香(Syringa pubescence)、紅王子錦帶(Weigela florida‘Red Prince’)、金銀忍冬(Lonicera maakii)2年生苗作為試驗材料。

1.2 試驗方法

試驗采用盆栽控水法進行不同程度的水分處理，每盆栽植幼苗1株，每個處理3盆，共36盆，盆內裝入等量土壤并適當拍實，每盆底放置1個托盤。每隔1d充分補水1次，幼苗正常生長6周后，用50 cm3環刀取盆中土樣(每樹種1盆)，測定土壤水分物理性質參數。隨后，采用稱質量法設置4種不同的土壤水分處理，土壤含水量分別為41%(CK)、34%(處理1)、27%(處理2)和20%(處理3)。每天17:00稱土壤的質量，并補充失去的水分。取新鮮葉片進行清洗，用紗布擦拭干凈，V(FAA:70%乙醇)∶V(福爾馬林)∶V(冰醋酸)=90∶5∶5，固定液固定48 h，經常規乙醇系列脫水，二甲苯透明，37℃恒溫下浸蠟，石蠟包埋，切片機切片(切片厚度為8～10μm)，最后用番紅—固綠雙重染色，中性樹膠封片。在OlympusBH—2光學顯微鏡下觀察，并測量葉片厚度、上下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度等9項指標，其中所有數據均為每個切片上5個視野的平均值，重復5次。葉片組織結構緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%;葉片組織結構疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度×100%［4］。

1.3 數據處理與分析

試驗數據采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2003軟件進行數據處理，并采用One－way ANOVA進行方差分析和多重比較。最后用模糊隸屬函數值進行種間抗性比較。其中隸屬函數值具體公式為:如果指標與抗旱性呈正相關，X(μ)=(X－Xmin)/(Xmax－Xmin);如果指標與抗旱性呈負相關，X(μ)=1－(X－Xmin)/(Xmax－Xmin)。式中:X表示各指標的測定值;Xmax和Xmin分別表示各灌木樹種對應指標的最大值和最小值［8－9］。

2 結果與分析

2.1 3種灌木種內抗旱性比較

由圖1可以看出，3種灌木的葉片主要由表皮、柵欄組織及葉脈組成。3種灌木葉片的厚度不等，其平均厚度在182.06～226.54μm之間，上下表皮均有明顯的角質層，厚度為1.28～2.01μm，角質層能夠防止植物體內水分的過分蒸騰，為了更好地適應缺水環境，植物葉片角質層會加厚，增加水分的擴散阻力，使葉片葉肉細胞更有效地利用水分。上下表皮均有1層細胞組成，大小不等，細胞排列整齊、緊密、呈圓形或類圓形。3種灌木葉肉薄壁組織分化為柵欄薄壁組織和海綿薄壁組織，柵欄組織均為2層以上，細胞排列緊密，組織結構的緊密度為60%～95%，其中金銀忍冬組織結構的緊密度高達95%，說明柵欄組織排列的很緊密，具有較強的抗旱性。海綿薄壁組織厚度為46.66～67.21μm，占葉片厚度的22%～36%。葉肉組織中柵欄組織發達(厚度增加)而海綿組織退化(厚度減小)，也是旱生植物區別于中生植物的一個重要特征。

圖1 3種灌木解剖結構變化

彭威［10］認為，柵欄薄壁組織發達是生長在不良水分平衡條件下的植物的一個特征。趙翠仙等［11］認為，具有發達的柵欄薄壁組織及退化的海綿薄壁組織結構是植物耐旱的一個特征。張振師等［12］也通過解剖研究證明了柵欄薄壁組織緊密度及厚度與抗旱性有最密切的關系。在葉片的組織形態建造過程中，當環境條件逐步惡劣時，植物有葉片增厚、柵欄組織增加、葉肉組織結構緊密度增加等現象［5］。從觀測結果來看，3種灌木中柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織與海綿組織的比值以及葉松密度和葉緊密度均發生了顯著性的變化。由表1、表2、表3均可以看出，隨著水分含量的降低，3種灌木呈現柵欄組織厚度逐漸增加，海綿組織不斷分化，柵欄組織與海綿組織的比值逐漸變大，葉片的緊密度不斷增加，松密度逐漸下降的趨勢。由此可以看出，隨著水分含量脅迫的增強，3種灌木的抗旱性也逐漸增強。

表1 小葉丁香葉片解剖結構特征

2.2 3種灌木種間抗旱性比較

2.2.1 各抗旱性指標的主成分分析

植物對干旱環境的適應經歷著不同的方式和途徑，這些特征在不同的植物中表現的差異度不一致［13］。從表1～表3可以看出，3種灌木的9項指標均發生了顯著性的變化，其中小葉丁香中柵欄組織與海綿組織比值的變異系數最大，而紅王子錦帶中葉片緊密度變異系數最大，所以所選指標必須具有一定的代表性才能進行種間抗性評價。但如果選入過多相關密切的指標不僅不利于揭示類型特征，還會產生認識上的偏差［14］，所以選擇彼此獨立的有代表性的指標才能獲得最優的方案。本文采用主成分分析法對9項指標進行分析，并根據各主成分中每個指標載荷量及其變異系數的大小篩選出具有代表性的指標。文中選擇處理1為代表進行主成分分析。

表2 紅王子錦帶葉片解剖結構特征

表3 金銀忍冬葉片解剖結構特征

由表4可以看出，通過主成分分析法將9項指標分成了兩大類。一類反映的是葉片組織結構特點，另一類則反映的是葉片表皮的特性。前2個主成分的累積貢獻率已達100.00%，說明前2個主成分較好地保留了9個指標的大部分信息。由表5可看出，各指標對應于2個主成分的載荷值具有極大差異。載荷值越大的指標，說明其對主成分的貢獻越大，典型性越強［14］。在第一主成分中，柵欄組織厚度、海綿組織、柵欄組織與海綿組織的比值、葉緊密度、葉松密度有較大載荷值，主要反映了葉片組織的結構特點。在第二主成分中，上下表皮細胞的長與寬有較大載荷值，反映了葉片表皮的特性。

一般，在一組指標中變異系數大的指標對分析結果具有重要意義［14］。在第一主成分所反映的葉肉組織結構的特征中，盡管柵欄組織與海綿組織的比值和葉片緊密度的相關指數小于海綿組織的相關指數，但它們的變異系數較高，所以選擇柵欄組織與海綿組織比值及葉片緊密度更具有此類的代表性。第二主成分主要反映了葉片表皮的特性，因此選擇載荷值大、并且變異系數高的上表皮細胞厚度則具有代表性。較大的表皮細胞具有貯水作用，對于增強水分的調節能力有一定意義，這也是植物適應干旱的一種途徑［15－16］。

表4 解釋的總方差(處理1)

表5 主成分載荷矩陣表(處理1)

2.2.2 葉片解剖結構特征與抗旱性的隸屬函數

隸屬函數分析是在多指標測定的基礎上對材料進行綜合評價的方法。根據篩選的具有代表性的葉片的抗旱性解剖結構指標，應用隸屬函數值法［8］，對不同水分含量脅迫下小葉丁香的抗旱性進行了綜合評價。對3種灌木2個典型指標的隸屬值進行累加，求取平均值，平均值越大，抗旱性就越強［9］。

由表6的隸屬函數值的綜合評價結果可以看出，在水分含量為34%時，3種灌木抗旱性的大小為:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香;由表7的隸屬函數值的綜合評價結果可以看出，在水分含量為27%時，3種灌木抗旱性大小為:小葉丁香帶＞金銀忍冬＞紅王子錦帶;由表8的隸屬函數值的綜合評價結果可以看出，在水分含量為20%時，3種灌木抗旱性的大小為:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香。

表6 3種灌木2項指標的隸屬函數值及抗旱性評價結果(處理1)

表7 3種灌木2項指標的隸屬函數值及抗旱性綜合評價結果(處理2)

表8 3種灌木2項指標的隸屬函數值及抗旱性綜合評價結果(處理3)

4 結論與討論

3種灌木在不同水分含量脅迫下，抗旱性均隨水分含量脅迫的增強而增強。由表6～表8可以看出，水分含量為34%和20%時，抗性的大小是一致的，即:金銀忍冬＞紅王子錦帶＞小葉丁香;水分含量為27%時，抗性大小為:小葉丁香帶＞金銀忍冬＞紅王子錦帶。

葉片的解剖結構特征是反映樹木對干旱生境適應能力非常重要的一個方面，是樹木抗旱性綜合評定必不可少的一部分［14］。生長在不同生態環境中的同種植物，它們的形態結構也會表現出明顯的趨異現象，這通常被認為是植物對特殊環境的適應［5］。葉片暴露在空氣中的面積比例在整個植物體上最大，并且是植物最基本、最主要的生命活動場所，因此它是植物對不同環境反應最敏感的器官［17］。旱生植物的葉通常較小，以減少葉的蒸騰面積，但是葉面積的縮小雖可以減少蒸騰，卻對光合作用不利。因此，旱生植物的葉肉向著提高光合效能方面發展，而高度發達的柵欄組織既可避免干旱地區強烈光照對葉肉細胞的灼傷，又可以有效地利用衍射光進行光合作用［18］。也就是說，柵欄組織越厚，柵欄組織細胞越小，且排列越緊密，植物利用光能的效率越高。柴春榮［19］曾經通過測定生理指標對6種園林綠化植物的抗旱性進行了綜合性評價，得出紅王子錦帶的抗旱性大于金銀忍冬。而本文則在植物形態結構上對抗旱性進行了分析，研究表明，不同的水分含量脅迫時，得到的結果也不同，說明植物的抗旱性不僅與自身形態解剖結構特征有關，而且也取決于內部的多種生理生化活動。因而，具體評價某種樹木的抗旱性時，還需考慮多方面的因素，從而作出科學的解答［14］。

［1］陳娟，陳其兵，潘遠志，等.6種野生灌木的抗旱性研究［J］.四川林業科技，2007，28(5):50－54.

［2］姚正陽.忍冬屬兩種植物抗旱性生理指標研究［J］.內蒙古農業大學學報，2009，21(3):71－718.

［3］包卓，孟祥英，張曉松，等.干旱脅迫對5種園林綠化植物生理生化的影響［J］.經濟林研究，2010(1):32－38.

［4］潘存娥，田麗萍，李珍珍，等.5種楊樹無性系葉片解剖結構的抗旱性分析［J］.中國農通學報，2011，27(2):21－25.

［5］蔡永立，宋永昌.浙江天童常綠闊葉林藤本植物的適應生態學:葉片解剖特征的比較［J］.植物生態學報，2001，25(1):90－98.

［6］彭少麟，李躍林，余華，等.鼎湖山森林群落不同演替階段優勢種葉生態解剖特征研究［J］.熱帶亞熱帶植物報，2002，10(1):1－8.

［7］賀金生，陳偉烈，王勛陵.高山櫟葉的形態結構及其與生態環境的關系［J］.植物生態學報，1994，18(3):219－227.

［8］王彩華，宋連天.模糊論方法學［M］.北京:中國建筑工業出版社，1988:138－203.

［9］李慧卿，馬文元.沙生植物抗旱性比較的主要指標及分析方法［J］.干旱區研究，1998，15(4):12－15.

［10］彭威，張友民.薔薇屬3種植物葉片的比較解剖結構及其與抗旱性的關系［J］.吉林林業科技，2010，39(4):1－8.

［11］趙翠仙，黃子琛.騰格里沙漠主要旱生植物旱性結構的初步研究［J］.植物學報，1981，24(4):278－285.

［12］張振師，薛智德，崔宏安，等.延安地區3種灌木葉旱性結構的解剖研究［J］.西北林學院學報，2004，19(1):32－35.

［13］崔秀萍，劉果厚，張瑞麟.渾善達克沙地不同生境下黃柳葉片解剖結構的比較［J］.生態學報，2006，26(6):1842－1847.

［14］韓剛，李少雄，徐鵬，等.6種灌木葉片解剖結構的抗旱性分析［J］.西北林學院學報，2006，21(4):43－46.

［15］Kocsis M，Darok J，Borhidi A.Comparative leaf anatomy and morphology of some neotropical Rondeletia(Rubiaceae)species［J］.Plant Systematics and Evolution，2004，248:205－218.

［16］周桂玲，達利夏提，安爭夕，等.新疆濱藜屬植物葉表皮微形態學及葉的比較解剖學研究［J］.干旱區研究，1995，12(3):34－37.

［17］王勛陵，王靜.植物形態結構與環境［M］.蘭州:蘭州大學出版社，1989:105－138.

［18］燕玲，李紅，賀曉，等.阿拉善地區9種珍稀瀕危植物營養器官生態解剖觀察［J］.內蒙古農業大學學報，2000，21(3):65－71.

［19］柴春榮，馬力華，穆立薔，等.北方6種園林綠化灌木水分參數對干旱脅迫的響應［J］.東北林業大學學報，2010，38(2):36－40.