海拔梯度對新疆梯牧草植株形態學特征的影響

朱文慧，張鮮花，朱進忠

（新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830000）

植物形態結構受水分、溫度、光照、降水量等環境因子的影響而發生變化，其中植株形態特征及葉表皮形態結構的差異是環境差異導致的最直接反應。植物形態特征及葉片解剖結構研究，可闡明植物適應環境的形態、結構特征及其內在機制，對認識、保護及創新優異種質資源，揭示植物與環境相互作用的奧秘以及對人類合理保護與持續利用植物資源具有重要的現實意義。如通過研究植物形態及生物量分配對環境的響應規律，揭示了草地退化及植被演替的內在機理[1]；通過研究高山嵩草(Kobresia pygmaea)和矮生嵩草(K.humilis)葉片數量與分株數量、莖基直徑、根系數量和根系長度之間的關系，揭示了嵩草的分株能力、莖基生長和根系生長對生境干旱化過程的響應機制[2]；通過研究不同海拔種植的3個馬鈴薯(Solanum tuberosum)地方品種的形態和解剖結構特點，分析了其表型特征、繁殖分配、葉片解剖結構特征與海拔高度關系，探明了植物表型及解剖結構對不同生境的適應規律[3]。

梯牧草(Phleum pratense)，又名貓尾草、赫得草[4]，系禾本科梯牧草屬植物，是世界著名的優質高產牧草，原產于歐亞大陸，分布于阿拉斯加中部，加拿大的中部、南部和臨近美國北部地區[5]。在我國新疆、四川、陜西、甘肅、云南等地有野生種分布，在東北、華北和西北地區作為重要牧草被廣泛栽培。梯牧草草質鮮嫩，營養價值高[6]、抗逆性強[7]、適應性廣，是奶牛和賽馬的良好牧草，用其飼喂奶牛，高產持續期和壽命長，飼喂賽馬有利于保持其體型不致臃腫[8]。國內針對梯牧草的研究主要圍繞在引種栽培方面[9-12]，而有關其形態學及解剖學特征的研究較少。

新疆伊犁昭蘇沙爾套山生境類型多樣，天然草地植物種類繁多[13]，是梯牧草重要的分布地區之一，但針對該地區梯牧草的研究尚屬于初級階段。由于植株形態特征和葉片解剖特征是基因及環境因子共同作用的結果，因此探討不同海拔梯度下梯牧草植株形態及葉片解剖結構，對了解遺傳基礎差異具有重要的意義。基于此，本研究以昭蘇沙爾套山不同海拔地段的梯牧草為對象，采用野外調查與室內分析相結合的方法，測定不同海拔地段梯牧草植株表型特征、葉片解剖結構，探討海拔梯度與梯牧草植株形態結構之間的相關性與差異性，從而為梯牧草種質資源開發利用保護及優異種質資源篩選提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆伊犁昭蘇沙爾套山，地處82°59′-83°15′ E，47°03′-47°10′ N，海拔 1 700-2 200 m山地。氣候屬溫帶大陸性山區半濕潤半干旱冷涼型氣候，年均溫2.9 ℃，年降水量500 mm以上。土壤類型屬于草甸土，草地類型為禾草 +雜類草草甸，利用方式屬于天然割草地，詳細情況如表1所列。

1.2 試驗設計

在海拔 1 700-2 200 m的梯牧草分布區域，依據不同的地形地貌，海拔每隔100 m設置一個調查樣點，在每個樣點內隨機采集健康、完整的梯牧草植株15株，采用電子游標卡尺和卷尺進行植株形態學特征測定；同時采集新鮮旗葉片，用卡諾固定液固定，帶回室內，切取葉片中部中脈兩側約 3 mm × 4 mm的小區域，清水洗干凈后，在JSM-6380LV型掃描電鏡下進行葉片解剖學指標的觀察與測定。

1.3 測定內容

1.3.1 植株形態學特征測定

營養器官測定包括株高、莖節數、穗葉距、莖粗、葉片長度與寬度、旗葉長度與寬度。繁殖器官測定包括穗長、穗寬、小穗數、小穗長度、小穗寬度。通過對比不同生境條件下植株的形態特征差異，分析形態特征多樣性與海拔的相關性。

1.3.2 葉片解剖結構觀察測定

包括氣孔器數目、氣孔大小(長與寬)、脈間長細胞形狀、脈間短細胞形狀和氣孔副衛細胞形狀等。對比分析不同生境條件下葉片解剖結構差異。

1.4 數據處理

采用 Excel 2010 軟件進行數據處理，SPSS 17.0軟件對各個形態學指標進行相關性分析及顯著性檢驗，作圖由 Origin 8.0、Photoshop CS5 軟件完成。

表 1 不同海拔梯度下梯牧草分布的生境條件Table 1 Habitat conditions of Phleum pretense at different altitudes

2 結果與分析

2.1 海拔梯度對梯牧草形態學特征的影響

2.1.1 海拔梯度對梯牧草株高、莖粗等性狀及葉部形態特征的影響

在梯牧草株高、莖粗等性狀及葉部形態學特征指標中(表2)，變異系數最高的為旗葉長，高達34.32%；其次為旗葉寬，為26.07%；莖粗、莖節數、節間長度、葉片長與葉片寬變異系數也較高，范圍為14.38%～18.15%；而變異系數最小的是株高，僅為8.13%。由此可以看出，分布于不同海拔地段的梯牧草除株高未呈現出顯著性差異(P＞0.05)外，其他指標如莖粗，呈現出海拔1 900 m處顯著高于其他海拔地段(P＜0.05)；而莖節數，在海拔 1 900 m 處最低，海拔 1 800 m 處顯著高于其他海拔地段 (P＜0.05)，海拔 1 900 和 2 200 m 地段莖節數差異不大 (P＞0.05)。

對4個海拔地段梯牧草葉片長度的測定結果顯示，除生長于海拔2 000 m處的植株葉片長度顯著高于其他海拔地段(P＜0.05)外，其他海拔地段之間無顯著性差異 (P＞0.05)。葉片寬度在海拔 1 700～2 000 m 間沒有顯著差異 (P＞0.05)，而在海拔 2 200 m顯著低于海拔 1 900 m外的其他海拔地段 (P＜0.05)。旗葉長在海拔1 800 m顯著低于其他海拔地段，且變異系數最大，達到34.32%，而旗葉寬在海拔 1 800 和 2 200 m 地段處，顯著低于其他海拔地段，這可能與不同海拔地段分布熱量與水分多少以及地形有關。

通過對梯牧草不同海拔地段形態特征的差異比較，可以看出，梯牧草植株形態學差異上主要表現旗葉的長與寬、其次為葉片的長與寬，而株高是影響其形態學特征差異最小的指標。

2.1.2 海拔梯度對梯牧草穗部性狀的影響

在測定梯牧草的6個穗部性狀指標中(表3)，變異系數較高的為小穗數、穗長及穗葉距，分別為29.74%、23.30%和21.54%，變異系數最小的為小穗寬，僅為10.00%，而穗寬和小穗長差異不大，分別為15.57%和15.20%。可以看出，穗部性狀差異主要體現在小穗數，其次為穗長和穗葉距，而小穗寬變異較小。由此表明，梯牧草的形態學差異與小穗數有較為緊密的聯系。

表 2 不同海拔梯度下梯牧草的株高、莖粗等性狀及葉部形態特征Table 2 Different altitudes, plant height, stem diameter, and leaf morphological characteristics of Phleum pretense

表 3 不同海拔梯度下梯牧草的穗部性狀Table 3 Different altitude and ear morphological characteristics of Phleum pretense

通過對不同海拔梯牧草穗部性狀的顯著差異比較，結果顯示，穗葉距隨海拔梯度的上升無明顯變化規律，在海拔 2 200 m 處最高，與海拔 1 700 m 處無顯著差異 (P＞0.05)，但二者均與海拔 1 800 和2 000 m 處形成差異顯著 (P＜0.05)。穗長僅在海拔1 900 m 處，顯著高于其他海拔地段 (P＜0.05)，其他海拔之間無顯著差異(P＞0.05)。穗寬在各海拔地段之間無顯著差異 (P＞0.05)。分布于海拔 1 900 m處植株的小穗數顯著多于其他海拔地段(P＜0.05)，其他海拔之間無顯著差異(P＞0.05)。小穗長隨海拔上升未呈現顯著差異(P＞0.05)。小穗寬隨海拔梯度的上升呈現兩頭低、中間寬的趨勢，在海拔1 800～1 900 m 處最寬。

表 4 不同海拔梯度下梯牧草的葉表皮氣孔長寬與氣孔數Table 4 Different altitudes, leaf stomatal length, stomatal width, and stomatal numbers of Phleum pretense

2.2 海拔梯度對梯牧草葉片表皮解剖結構的影響

2.2.1 表皮氣孔長寬與氣孔數

分布于不同海拔的梯牧草植株，上表皮氣孔長度存在顯著差異(P＜0.05)，氣孔的長度隨著海拔的升高增大，在海拔上升到2 200 m時，氣孔的長度達到最大(表4)。氣孔寬度在各海拔高度間未呈現顯著差異(P＞0.05)。氣孔數量呈現出隨海拔升高，先升高后降低的趨勢，低海拔區域顯著多于高海拔區域 (P＜0.05)。

下表皮的氣孔長寬、氣孔數與上表皮的變化規律基本一致，氣孔的長度隨著海拔的升高逐漸增長，高海拔地區與低海拔地區達到顯著差異(P＜0.05)；氣孔的寬度在各海拔高度間差異不大；氣孔數量隨著海拔的升高在減少，低海拔區域與高海拔區域達到顯著差異 (P＜0.05)。

2.2.2 脈間細胞與氣孔副衛細胞形狀

葉上表皮和下表皮普遍存在長細胞和短細胞兩種類型，在海拔 1 800、1 900 和 2 000 處長細胞形狀均呈長筒形，在海拔1 700 m處既有長筒形也有六邊形，在海拔2 200 m處全部為六邊形(圖1)；脈間短細胞形狀在各海拔地段以長筒型和六邊型居多，細胞壁平直或彎曲；氣孔分布位置均存在于長細胞和短細胞之間，上表皮氣孔數顯著高于下表皮氣孔數(P＜0.05)，氣孔形態，氣孔保衛細胞呈平行形、啞鈴型，副衛細胞完全包圍保衛細胞，形狀基本以低圓頂屋形為主。

葉下表皮的氣孔長度、寬度特征與葉上表皮氣孔長度與寬度特征基本一致。脈間長細胞形狀在海拔 1 800、1 900 和 2 000 m 處均呈六邊形，在海拔 1 700 m 和海拔 2 200 m 處呈長筒形。脈間短細胞形狀呈結節形、六邊形、近方形或長筒形，氣孔副衛細胞形狀呈低圓頂屋形。

3 討論與結論

3.1 討論

生長于5個海拔地段梯牧草植株形態和葉片解剖結構特征的測定結果顯示，不同海拔地段植株形態存在一定差異，如葉片長、穗長和小穗數，在海拔 1 900～2 000 m 處的測定值與海拔 1 700～1 800 m 和 2 200 m 處達到顯著差異。以往研究表明，海拔對植物的生態與生物學意義，主要體現在溫度、水、光照強度、氣壓和土壤肥力等的變化上[14]。從本研究中梯牧草分布的生境分析，海拔1 700～1 800 m 地處山間盆地，梯牧草生長生境的水熱條件與山地生境有較大的不同，在水分供給上，草地群落生長發育依賴的大氣降水明顯減少，加之所在海拔區域大氣溫度較低，地形效應也高于山區，雖然梯牧草在該地段得以生長，但論其生境并不是梯牧草分布的最適宜區域。海拔1900～2 000 m 是該地區降水最多地段，是山地草甸形成與集中分布的最佳區域，在草甸中生長的植物得到充分發育，分布于該地段梯牧草的形態學指標均表現出較其他地段優異的結果，長勢較好的梯牧草都來源于海拔 1900～2000m 地區，同時也說明梯牧草耐旱性不強。在野外調查中發現，較干旱的地區梯牧草長勢較差，呈零星分布。隨著海拔的繼續升高，溫度開始下降，梯牧草在形態特征上也相應發生了一系列變化。有研究表明[15-20]，隨海拔升高，植株高度呈降低趨勢，而本研究結果表明，梯牧草的株高并未隨海拔的升高而降低，在它的集中分布范圍內，海拔對梯牧草的株高無顯著影響。

圖 1 不同海拔梯度下梯牧草葉片的上下表皮解剖結構Figure 1 Different altitude, upper epidermis, and lower epidermis anatomical structure of Phleum pretense

葉片結構是對外界環境的最直接的反映。因此，了解植物葉片形態解剖結構將有助于了解環境因子對植物的影響[21]。梯牧草與其他禾本科植物一樣，葉脈為平行脈，中脈較粗，側脈彼此平行，且上表皮氣孔數顯著高于下表皮氣孔數，葉表皮微形態結構與王燕紅等[22]描述的相符。植物葉片上的氣孔主要是氣體流通的通道，植物通過氣孔吸收CO2排出O2，并散失水分[23]。一般情況下，隨海拔上升CO2分壓降低，在低CO2分壓下，氣孔密度會升高，以利于吸收CO2，從而保證光合作用的進行[24-25]。然而本研究的觀察結果是，氣孔數并未隨海拔升高而氣孔數增多，反而是海拔 1 700～1 900 m 葉片的上表皮氣孔數顯著高于2 000～2 200 m，但氣孔長度普遍小于海拔 2 000～2 200 m，這與朱玉懷等[26]在對西藏東達山嵩草屬植物氣孔特征沿海拔變化的研究結論一致，隨海拔增加，矮生嵩草和線葉嵩草(K. capillifolia)的氣孔長度顯著增大。這可能是由于海拔1 700 m地段，光熱充足，降水偏少，氣孔數隨環境中水分和濕度減少而增加，氣孔面積向小型化發展[27]，小而密的氣孔同時也具有較高的靈活性[28]，梯牧草以減小氣孔長度從而減少蒸騰作用，有利于植物保持體內水分和保持有效的呼吸作用[29]，來適應干旱環境。隨海拔上升，降水逐漸增多，梯牧草的氣孔長度逐漸增長，氣孔數也逐漸減少。

3.2 結論

1)不同海拔梯度下梯牧草的莖粗、旗葉長、旗葉寬、穗長、小穗寬、小穗數存在顯著差異，其他形態學指標未呈現出規律性變化。海拔1 900 m范圍處植株葉片最長，小穗數最多，植株高大。各項數量指標說明，1 900 m是當地野生梯牧草最適宜生長的海拔。

2)不同海拔梯度野生梯牧草的氣孔長度與氣孔數存在顯著差異，葉上下表皮的脈間長細胞、短細胞形態也存在差異，但不及前者顯著，并未呈現出規律性變化。上表皮氣孔個數隨海拔升高呈現出中間多兩頭少的分布特征。

綜上所述，在不同海拔上分布的植物形態學特征的表現是多種因子綜合作用的結果，同時也受植物本身遺傳特性的影響，一些形態上的某些差異，很可能就與遺傳有關。因此，在下一步的研究中，需在形態學研究的基礎上，結合遺傳多樣性進行研究，對植物優質種質資源的確定有重要作用。