秦嶺中段山脊油松葉功能性狀差異及其對海拔梯度的響應

田岳梨，楊 航，王芳玲，康海斌，薛 悅，王得祥*

(1 西北農林科技大學 林學院，陜西楊陵 712100；2 寶雞市林業調查規劃院，陜西寶雞 721001)

植物功能性狀是植物發育生長過程中適應不同環境變化形成的生理、形態和物候等特征[1]，能直接或間接反映植物生存、生長和繁殖策略[2]，對生態系統功能產生強烈影響[3]。葉片是植物-大氣系統水分、能量交換的基本單元，大面積暴露在空氣中，與植物碳同化和環境資源利用聯系緊密[4]，能客觀地反映植物對環境的響應與適應，同時其性狀具有對環境變化敏感、易測量等特點，因此植物葉功能性狀成為研究植物與環境關系的重要橋梁受到研究者的廣泛關注[5]。

葉功能性狀可以體現植物在不同環境梯度下的變異規律，其主要包括比葉面積、葉厚、葉干物質含量、氣孔密度、葉片氮、磷、鉀含量、葉綠素含量、葉組織密度、葉光合速率、葉飽和含水率等[6]。比葉面積是單位面積葉干重光捕獲能力的體現，能反映植物對環境資源的整體利用效率[7]。葉厚與葉片保水能力有關，是衡量葉片機械防御能力的重要指標[8]。有研究表明，環境越干旱，溫度越低，比葉面積越小，葉片厚度越厚，葉組織密度越小[9-11]。葉長能有效增加葉面積，和葉綠素含量一樣，二者都與植物光合能力密切相關[12]。研究發現常綠樹種葉綠素含量和比葉面積從干季到濕季均降低[13]。氮、磷、鉀是植物生長發育的必需元素，其中氮、磷也是植物生長的主要限制元素影響養分循環，鉀調節植物體內能量和水分代謝，能增強機體對逆境的抗性[14]。隨著年平均溫度和生長季長度的增加，葉片氮、磷含量下降[15]。氣孔密度控制植物與環境水分、氣體交換，與植物光合作用、蒸騰作用及呼吸作用密切相關，主要受到溫度和水分的影響，溫度主要通過水分來影響氣孔密度，植物水分利用率越高，氣孔密度越大[16]。葉干物質含量反映葉片在自然狀態下的含水狀況，可指示植物對某一資源的獲取和利用程度，在東靈山地區坡度是葉干物質含量的首要影響因子[17]。植物葉功能性狀能反映植物葉片物質投資和資源分配方式，是理解植物葉片外在表型差異和內在生理動態隨環境變化的相互適應關系的關鍵。

海拔差異導致水熱重新分配形成的環境梯度，對植物葉功能性狀產生一定影響，是研究植物對環境適應的理想場所。隨著海拔的增加，葉片厚度和葉片面積減少，葉干物質含量增加[18]；植物將較多的氮素用于非光合組織的構建[19]。急粗枝云杉[20]、青海云杉[21]等在其適宜的生長海拔范圍內，氣孔、葉氮含量、葉含水率等沿海拔變化顯著。此外，大量研究表明葉功能性狀間關系對海拔存在一定的響應，如沿著海拔梯度，隨著巴郎山異型柳氣孔導度的增加，其凈光合速率也隨之增加[19]。天山云杉葉綠素含量和葉氮、磷、鉀含量在海拔梯度上顯著正相關，比葉重和葉氮含量在海拔梯度上極顯著負相關[22]。長白山地區，植物在適宜的環境壓力和分布范圍內，氣孔密度與氣孔長度沿海拔梯度存在穩定的負相關關系[23]。神農架海拔梯度上常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、亞高山針葉林這4 種典型森林類型喬木葉綠素含量與葉厚呈顯著正相關[24]。

油松(Pinustabuliformis)，為中國特有種，具有喜光、耐旱、耐寒、耐貧瘠等生態學特性，廣泛分布于全國。在秦嶺中段由于立地條件限制，山脊不適合其他樹種生長，油松卻依靠其耐瘠薄的特性在山脊上生存，形成穩定的山脊油松林，在該地區生物多樣性維持及生態服務功能發揮等方面具有重要意義。目前，關于秦嶺中段山脊油松的研究主要集中于群落天然更新和種群結構動態[25]，但其對環境的適應與響應等方面尚未見相關報道。本研究以秦嶺中段山脊油松為對象，采取典型取樣法，分析其葉功能性狀差異及其沿海拔梯度的適應性變化規律，探討山脊油松隨海拔變化環境的適應策略，為秦嶺山地山脊油松林可持續發展與利用提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省寧陜縣火地塘林區(33°18′～33°28′N,108°21′～108°39′E)，地處秦嶺中段南坡，屬于北亞熱帶和暖溫帶過渡地帶。年均氣溫8～10 ℃，年降水量900～1 200 mm，年蒸發量800～950 mm，年日照時數1 100～1 300 h，無霜期170 d[26]。區內地勢陡峭，地形復雜，土壤以山地棕壤為主。油松是該區的典型樹種之一，在非山脊地區常與櫟類混交形成典型的松櫟混交林，在立地條件較差的山脊形成穩定的油松純林。山脊油松林主要分布在海拔1 300～2 100 m高山山脊和支脊上。

1.2 樣地設置與樣品采集

于2019年8月在海拔1 300～1 600 m、1 600～1 900 m、1 900～2 100 m的山脊和非山脊天然油松成熟林內分別選擇3個20 m×20 m樣方，共計12個。每個樣方內選擇3棵長勢良好且健康無病蟲害的油松(年齡和胸徑大小相似的成年個體)，在樹冠中層東南西北四個方向分別采集一枝無遮光長勢較好的枝條，每根枝條上采集1年生、2年生、3年生葉片各50束。將其中的8～10束剪去頭尾留中間3～5 cm部分放入標準固定液(FAA固定液)中用于氣孔密度測定，其他葉片裝入塑封袋標記好放入4 ℃的保溫箱內保存帶入室內用于其他性狀的測定。

1.3 測定指標及方法

將采集的葉片帶回室內擦干葉片表面水分，用千分之一天平稱量其飽和鮮重，用精度為0.02 mm的游標卡尺測量葉長(leaf length,LL)，在葉片二分之一處測量葉寬(leaf width，LD)和葉厚(leaf thickness,LT)，之后將其裝入牛皮紙袋中放入105 ℃烘箱中殺青15 min，再調至75 ℃烘至恒重測量干重。計算公式如下：油松松針單面弧面面積S=π×LD×LL/2，油松單束松針面積= 2S+2LD×LL[9]。葉干物質含量(leaf dry matter content,LDMC)=葉干重(g)/葉鮮重(g)×100%，比葉面積(specific leaf area,SLA)=葉面積(cm2)/葉干重(g)。將FAA固定液中的松葉晾24 h后置于掃描電子顯微鏡(SEM)下拍攝照片統計氣孔個數，氣孔密度(stomata density,SD)=氣孔個數(個)/照片面積(mm2)。葉綠素含量[chlorophyll concentration,Chl(a+b)]測定采用二甲基亞砜浸提法[27]；油松葉片碳含量(leaf carbon concentration,LCC)測定采用重鉻酸鉀外加熱法；葉氮含量(leaf nitrogen content,LNC)測定采用H2SO4-H2O2消解，AA3連續流動分析儀測定法；葉磷含量(leaf phosphorus content,LPC)測定采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法；葉鉀含量(leaf potassium content,LKC)測定采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度法[28]。

1.4 數據分析

對山脊和非山脊油松葉片功能性狀進行One-way ANOVA 和LSD差異顯著性檢驗，得到山脊和非山脊油松各葉性狀的統計特征及差異性分析；然后對油松各葉功能性狀進行Pearson 相關關系分析，以揭示山脊和非山脊油松葉功能性狀之間的相關性及其差異。

2 結果與分析

2.1 山脊油松葉功能性狀特征

2.1.1 山脊和非山脊油松葉功能性狀差異圖1、表1顯示，1年生葉LDMC、SD表現出山脊油松>非山脊油松趨勢，其中LDMC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊間差異顯著(P<0.05)；LL、LNC、LPC和Chl(a+b)含量表現出山脊油松<非山脊油松趨勢，其中LL在海拔1 900～2 100 m山脊與非山脊間差異極顯著(P<0.01)，LPC在海拔1 300～1 600 m山脊與非山脊間差異顯著(P<0.05)，而在海拔1 600～1 900 m時差異極顯著(P<0.01)。其他葉功能性狀在山脊和非山脊間未表現出明顯規律。

圖1、表1顯示，2年生葉LL、LNC、LPC表現出山脊油松<非山脊油松趨勢，其中LL在海拔1 900～2 100 m山脊和非山脊間差異顯著(P<0.05)，LNC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊間差異極顯著(P<0.01)，而在海拔1 900～2 100 m時差異顯著(P<0.05)。LPC在海拔1 300～1 600 m時山脊和非山脊間差異顯著(P<0.05)，而在海拔1 600～1 900 m時差異極顯著(P<0.01)，其他2年生各葉功能性狀在山脊和非山脊間未表現出明顯的分布規律。

圖1、表1顯示，3年生葉LL、LNC、LPC表現出山脊油松<非山脊油松趨勢，其中LL、LNC在海拔1 900～2 100 m山脊和非山脊間差異顯著(P<0.05)，LPC在海拔1 600～1 900 m山脊和非山脊間差異極顯著(P<0.01)，而在海拔1 900～2 100 m時差異顯著(P<0.05)。其他3年生各葉功能性狀在山脊和非山脊間未表現出明顯分布規律。

表1 山脊和非山脊油松不同葉齡葉性狀方差分析

2.1.2 山脊和非山脊油松葉功能性狀隨海拔變化趨勢山脊和非山脊油松1年生各葉功能性狀隨海拔變化及其在不同海拔段差異性如圖1所示。隨著海拔升高，山脊油松1年生葉LNC、LKC與SLA、LPC、LT類似，均呈上升趨勢，但是隨海變化趨勢不顯著；LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量、SD均呈下降趨勢；非山脊油松1年生葉LNC、LPC與SLA、LKC類似，均呈上升趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著，LT與LCC、Chl(a+b)含量、SD、 LL、LDMC相似，均呈下降趨勢，但隨海拔變化趨勢也不顯著。

A. 山脊；B. 非山脊；不同小寫字母表示山脊或非山脊相同葉齡葉性狀不同海拔段的差異顯著(P<0.05)

在海拔1 300～2 100 m范圍內，山脊油松1年生葉LL差異極顯著(P<0.01)，除LT、LDMC、LNC外，其他各性狀差異均顯著(P<0.05)；非山脊油松1年生葉LL、LPC差異均極顯著(P<0.01)，除LCC、LKC和SD不顯著外，其它各性狀均顯著(P<0.05)。

山脊和非山脊油松2年生葉功能性狀隨海拔變化及其在不同海拔段差異性如圖1所示。隨著海拔的升高，山脊油松2年生葉LT、SD與SLA類似，均呈上升趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著；LNC、LKC與LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量同樣呈下降趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著，LPC則無顯著變化趨勢；非山脊油松2年生葉Chl(a+b)含量和LDMC與SLA一樣，隨海拔升高呈升高趨勢，但是隨海拔變化趨勢不顯著；LT、LNC、LPC、SD與LL、LCC、LKC類似，雖隨海拔升高呈下降趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著。

在海拔1 300～2 100 m范圍內，山脊油松2年生葉LL、LNC、LKC、Chl(a+b)含量差異均極顯著 (P<0.01)，SLA和LPC差異均顯著(P<0.05)，其他各性狀差異均不顯著。非山脊油松2年生葉LPC、LKC差異極顯著(P<0.01)，LT、LNC和SD差異顯著(P<0.05)，其他各性狀差異均不顯著。

山脊和非山脊油松3年生葉功能性狀隨海拔變化及其在不同海拔段差異性如圖1所示。隨著海拔的升高，山脊油松3年生葉SLA、SD與LT類似呈上升趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著，LNC、LPC、LKC與LL、LDMC、LCC、Chl(a+b)含量同樣呈下降趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著；非山脊油松3年生葉LDMC與Chl(a+b)含量類似呈上升趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著，LT、SLA、LCC、LNC、LPC與LL、LKC、SD同樣呈下降趨勢，但隨海拔變化趨勢不顯著。

在海拔1 300～2 100 m范圍內，山脊油松3年生葉LL、LNC、LKC差異極顯著(P<0.01)，LPC、Chl(a+b)含量差異顯著(P<0.05)，其他各性狀差異均不顯著。非山脊油松3年生葉SD差異極顯著(P<0.01)，LT、LPC、LKC和LCC差異均顯著(P<0.05)，其他各性狀差異均不顯著。

2.2 山脊和非山脊油松葉不同功能性狀之間的相關性

山脊和非山脊油松1年生葉SLA與LL、LCC、Chl(a+b)含量極顯著負相關(P<0.01)，表現為比葉面積越大，葉長越短，葉碳含量和葉綠素含量越低；LNC與LPC極顯著正相關(P<0.01)，表現為葉磷含量越高，葉氮含量也越高，同時葉干物質含量越低，氣孔密度越小(表2)。

表2 油松1年生葉性狀間Pearson相關系數

山脊和非山脊油松2年生葉LDMC與SD呈顯著的正相關關系(P<0.05)，表現為葉干物質含量越高，氣孔密度越大，同時葉厚越厚，葉長越短，葉氮、磷、鉀含量越低，葉綠素含量越低(表3)。

表3 油松2年生葉性狀間Pearson相關系數

山脊和非山脊油松3年生葉LL與LPC呈極顯著正相關(P<0.01)，表現為葉長越長，葉磷含量越高，同時葉氮含量、葉鉀含量也越高；LDMC與Chl(a+b)含量呈顯著正相關(P<0.05)，表現為葉干物質含量越高，葉綠素含量越高(表4)。

表4 油松3年生葉性狀間Pearson相關系數

3 討 論

3.1 山脊和非山脊油松葉功能性狀特征

坡位是影響植物生長和葉功能性狀的重要因素之一[29]。本研究中1年生葉SD和LDMC表現出山脊油松>非山脊油松的規律，Chl(a+b)含量表現出山脊油松<非山脊油松的規律，與其他研究結果一致[30-31]。不同葉齡葉LL、LNC、LPC都表現出山脊油松<非山脊油松的規律。SD是衡量植物蒸騰作用和與外界氣體交換的重要指標之一[32]，受溫度和光照強度、海拔的影響[33]。LDMC可反映植物在自然狀態下的含水率和對環境資源的利用狀況[17]，主要受到土壤含水率和有效鉀限制[34]。N、P、K是植物生長發育的必需元素，葉氮位于葉綠體類囊體薄膜內通過對RuBP酶活性和數量等的影響進一步對CO2的同化效率產生影響，與光合作用有密切聯系[35]；P與植物的能量代謝中的氧化磷酸化和光合磷酸化過程有直接關系，同時還能調節N在植物體內遷移，將光合產物用于生長構建[36]；K與植物的抗性顯著相關，K含量越高，抗性越強[14]。Chl(a+b)含量主要用于光合作用，主要受到光照條件的影響。山脊光照強度大，溫度較高，輻射較強，山脊油松使氣孔變得小而密來降低蒸騰作用，達到水分平衡[37]，同時山脊土壤養分貧瘠含水率低，山脊油松通過增大葉LDMC來增強對環境的利用程度，并將過多的氮素用于細胞壁等非光合組織的構建，使葉片變得更加堅硬[38]。所以山脊油松1年生葉SD、LDMC較大。而非山脊光照強度小，非山脊油松通過增加葉長擴展葉面積來接收光能以維持最大的光合面積，同時增加葉綠素含量和提高氮的利用率用以增大凈光合速率來快速生長，同時也需要更多的磷提供能量來滿足需要。所以不同葉齡葉LL、LPC、LNC均呈現出非山脊油松>山脊油松的規律。

植物葉功能性狀不僅與坡位有關，與海拔也有顯著的相關關系[22]。山脊油松各葉齡葉LT與海拔呈正相關關系，這與其他研究結果一致[39-40]，這可能與溫度降低植物葉片柵欄組織與海綿組織細胞的層數和厚度增加有關[8]。但非山脊油松葉LT與海拔負相關，這可能是海拔對非山脊的水熱狀況再次分配，非山脊油松的葉厚不只受溫度單一因素的影響。有研究表明，葉長與海拔呈負相關關系[9]，這是因為溫度隨海拔升高而降低導致植物生長季縮短，葉長隨之縮短，這與本研究結果一致。山脊和非山脊油松不同葉齡葉SLA基本上都隨海拔降低而減小，這與朱軍濤等研究結果相同[41]，原因是秦嶺火地塘實驗林場降雨量隨海拔升高而增大[42]，低海拔干旱環境中，較小SLA有利于提高水分利用率[41]。山脊油松不同葉齡葉LDMC隨海拔均呈增大趨勢，這是由于隨海拔降低土壤含水率減少，山脊油松為了充分利用環境資源而形成較低葉LDMC，這與其他研究結果類似[17]。非山脊油松1年生葉LDMC隨海拔升高而顯著下降，但2～3年生葉LDMC則隨海拔升高，可能是非山脊油松1年生葉充分利用資源不斷合成干物質，2～3年生葉主要是進行光合作用以快速生長[43]。山脊和非山脊油松葉LCC與海拔負相關，隨著海拔升高，油松的生長季節縮短，LCC隨積累的有機物隨之減少，這與Hoch 等研究結果一致[44]。山脊和非山脊油松1年生葉LNC、LPC、LKC隨海拔均呈上升趨勢，2～3年生葉LNC、LPC、LKC均呈下降趨勢，因為1年生葉LNC、LPC主要受到土壤磷的影響，多年生葉LNC、LPC主要受到降雨量的影響，環境越干旱，葉LNC、LPC越高[9]，秦嶺火地塘土壤磷含量和降雨量均隨海拔升高[26]，這與Han等[39]研究結果相似。山脊油松不同葉齡葉Chl(a+b)含量均隨海拔呈下降趨勢，減少葉綠素含量有利于減少葉片對可見光的吸收,使植物免受強輻射損傷[45]，非山脊油松1年生葉Chl(a+b)含量隨海拔升高而降低，2～3年生葉Chl(a+b)含量隨海拔升高而升高，可能是因為非山脊油松1年生葉為了快速積累干物質用于葉綠素合成的氮相對較少，隨著海拔的升高，生長季節縮短，葉綠素含量相應地減少，2～3年生葉有了較多的干物質，為保持正常的光合作用而增大葉綠素含量。SD與溫度負相關，與降雨量正相關[9]。山脊油松1年生葉SD隨海拔呈下降趨勢，2～3年生葉SD呈上升趨勢，可能原因是山脊1年生葉SD受溫度影響較大，2、3年葉SD受降雨量影響較大，這點需要更多的相關研究進一步證實。非山脊油松不同葉齡葉SD隨海拔均呈下降趨勢，溫度越高，植物蒸騰作用越強，植物通過減小氣孔密度來防止水分過度散失[37]。

3.2 山脊和非山脊油松各葉性狀之間的相關關系

研究植物葉功能性狀間相互關系對理解植物在不同生境中采取的生態策略有重要意義[24]。本研究中，山脊和非山脊油松各葉齡葉LNC、LPC、LKC之間均顯著正相關，這與其他研究結果一致[22,45]，因為氮磷鉀是協同元素，通常在植物體內相互配合協調一致地完成某一生理活動[46]。植物體內氮的利用率與光合密切相關[22]，而葉長能有效地擴展葉面積以提高植株本身光合能力[12]，因此本研究中山脊和非山脊油松2～3年生葉LL與LNC、LPC顯著正相關，表現為葉長越長，葉氮磷含量越高。此外，本研究還發現山脊和非山脊油松1～2年生葉LDMC與LPC顯著負相關，這與王玉平等[47]研究類似，表現為隨著葉干物質含量減少，分配到單位質量光合器官的磷隨之增多，以滿足較高光合的能量供應。

山脊油松葉片注重干物質的積累，生長較非山脊緩慢。隨著海拔升高，山脊油松1年生葉片光合面積、組織的構建成本、蒸騰作用和與環境氣體交換能力、對單一環境資源獲取和利用程度均降低，但對環境資源的整體利用效率增加，機械防御能力、抗性增強，養分循環加快；2～3年生葉片蒸騰作用和機械防御能力均增強，養分循環減慢，對單一環境資源獲取和利用程度及抗性降低。綜上，山脊獨特的生境條件造就了山脊油松獨特的生長策略，隨著海拔升高，山脊油松表現出多元化的適應策略以應對土壤養分、溫度等環境因素的變化，使得山脊油松成為秦嶺林區廣泛分布的獨特群落格局。