不同物候階段木芙蓉葉功能性狀特征

許躍坤，王 勇，王麗華，王文鑫，唐淑琴

（1.四川農業大學 林學院，四川成都 611100；2.阿壩師范學院，四川汶川 623002）

在植物生長發育過程中，由于資源的有限性及植物自身的生長、繁殖及防御等功能之間的競爭關系，植物對現有資源的利用策略會因資源可獲得性的改變而發生變化。植物功能性狀作為植物進化過程中適應外界環境的結果，是植物生存和適應環境的重要屬性[1]。在植物各器官中，葉功能性狀對氣候變化敏感，不僅能反映植物對環境的高度適應能力，還能反映植物在復雜生境下的自我調控能力[2-3]。植物葉功能性狀包括形態和生理性狀，兩者在適應環境的過程中相輔相成。植物在受到環境變化帶來的壓力時，會通過調節葉片結構與生理特征來響應，例如，植物在干旱環境下會通過減少比葉面積以減少水分的蒸發[4-6]。葉功能性狀與植物的生長對策和資源利用策略的關系最密切，可直接影響植物的基本行為和功能[7]，以植物葉片為研究對象，更能反映植物對環境變化的響應機制。

異速生長是指生物體某兩個性狀的相對生長速率不相同的現象，是由物種遺傳所決定的固有特性，通過異速生長關系可系統地闡明植物個體大小和植物性狀之間的內在關系[8-9]。葉片作為植物進行光合作用的主要場所，葉面積的大小直接影響植物對光的截取和碳的獲取；葉柄是植物葉的重要支撐結構和水分、養分的輸導通道，葉柄的支撐作用會隨葉片大小的增加而增加[10]。葉片和葉柄的異速生長關系是植物功能生態學研究領域的熱點。祝介東等[11]對不同生物氣候帶內植物的葉大小和葉柄間的生長關系進行研究，發現不同功能型和不同氣候帶的植物葉片干重、葉面積和葉體積與葉柄干重均存在顯著的異速生長關系；李金明等[12]研究重慶地區常見的6種復葉樹種的葉片與葉柄和葉脈的生長關系，發現葉片與葉柄、葉片與葉脈均呈顯著的異速生長關系。比葉面積是描述植物葉片結構性狀、植物光合特性和其他生理特性的重要參數，在一定程度上能反映葉片截獲光的能力，其大小主要受自身因素和外界因素的影響[10,13-15]。比葉面積高的植物，葉面積普遍較高[16]。葉干物質含量是植物功能性狀的另一個重要指標，能反映植物獲取資源的能力，隨著葉干物質含量的增加，葉內水分向葉片表面擴散的距離或阻力增大，更有利于植物內部保持水分[17]。比葉面積和葉干物質含量作為能反映植物適應環境能力的關鍵性指標，研究兩者之間的異速生長關系可進一步揭示植物葉片對資源條件變化的響應。

木芙蓉（Hibiscus mutabilis）別名大芙蓉或拒霜花，為錦葵科（Malvaceae）木槿屬落葉灌木或小喬木，原產地為中國，廣泛分布于湖南、云南和四川等地。木芙蓉花色艷麗、花期較長，具有較高的觀賞價值而被廣泛應用于園林中[18]。目前，有關木芙蓉葉功能性狀及異速生長模型的研究還未見報道。本研究以木芙蓉為研究對象，研究不同物候階段（花芽期、始花期、盛花期和末花期）葉功能性狀間的相關性，建立葉柄鮮重與葉片鮮重、葉干物質含量與比葉面積的異速生長方程比較各方程的擬合效果，期望找出木芙蓉在不同物候階段葉功能性狀組合及資源分配的特點，為深入了解木芙蓉的生態適應性、提高經營管理水平提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于四川省汶川縣水磨鎮阿壩師范學院校園內（103°25'E，30°56'N），海拔920 m，屬山地亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量1 281.5 mm，年均氣溫13.9 ℃，年溫差較小，年均無霜期260 天；土壤類型主要為山地黃棕壤。

1.2 物候期觀測

2020年7月— 2020年10月下旬，在校園西北區域，避開高大建筑物及樹木，選取樹齡一致（10年生）、生長狀況良好的20株木芙蓉并標號；在每株的東、西、南、北4 個方向各選4 根枝條作為觀測對象并標記，7天觀測1次。樹體上出現花芽至花朵開放少于10%為花芽期（2020年7月19日— 8月16日）；樹體上10%左右花朵開放為始花期（2020年8月17日—8月30日）；樹體上60%左右花朵開放為盛花期（2020年8月31日—2020年10月11日）；樹體上90%左右花朵凋謝為末花期（2020年10月12日—10月25日）。

1.3 樣品采集與指標測定

從每株植株的東、西、南、北4 個方向各選擇完全伸展、成熟無病害且完整的葉片3 片和完全開放的花朵3個，用于相關指標的測定；每14天取樣1次。

測定葉片性狀時，用清水洗去葉片表面灰塵等雜物，擦干水分后采用葉面積儀（山東方科儀器有限公司YMJ-A）測定葉面積（LA）；采用WinRHIZO根系分析系統掃描花朵，測定花投影面積（FPA）；采用電子天平（精度為0.000 1 g）測量葉片鮮重（LFW）和葉柄鮮重（PFW），采用游標卡尺（精確至0.01 mm）測量葉柄長度（PL）和葉柄直徑（PD）。將樣品放入105 ℃烘箱殺青30 min[19]，之后在80 ℃下烘48 h 至恒重，采用電子天平測量葉干重（LDW）和單個花重（SFW）。所有數據均測量3 次，取平均值。比葉面積（SLA，cm2∕g）、葉干物質含量（LDMC，g∕g）計算公式[20]如下：

1.4 數據處理

對PL、PD、LA、LDMC、SLA、SFW 和FPA 等數據進行正態性檢驗（S-W 法），將不符合正態分布的數據進行對數轉換，使其符合正態分布，利用Levene’s test 檢驗方差齊性，再進行單因素方差分析。采用標準主軸回歸（SMA）計算異速生長方程的斜率，根據Pitman 的方法計算斜率的置信區間[13]。采用SPSS 17.0 和R 2.0 軟件的SMATR 包進行所有分析，采用Origin 2019作圖。

異速生長關系式為Y=β·Xα，為使數據符合正態分布，對數據進行對數轉換，關系式轉換為logY=logβ+ αlogX。式中，Y為某種生物學特征或功能；β為標準化常數；X為個體大小；α為異速生長指數，α=1為等速關系，α ≠1為異速關系。比較斜率α之間及其與1 的顯著性，若斜率α 間無顯著差異，給出共同斜率，并檢驗各物候期間沿共同主軸偏移距離的差異性。

2 結果與分析

2.1 不同物候階段葉片性狀間的關系

在花芽期，PL與LFW 呈顯著正相關（P＜0.05），與PD、PFW 均呈極顯著正相關（P＜0.01）；PD 與LFW 呈顯著正相關（P＜0.05），與LA、PFW 均呈極顯著正相關（P＜0.01）；LDMC 與LFW、PFW 均呈極顯著負相關（P＜0.01）；SLA 與LA 呈顯著正相關（P＜0.05），與LFW 呈極顯著負相關（P＜0.01）；LA與LFW 和PFW、LFW 與PFW 均呈極顯著正相關（P＜0.01）（表1）。

表1 不同物候階段不同功能性狀間的Pearson相關性Tab.1 Pearson correlations among different functional traits at different phenological stages

在始花期，PL 與PD、SFW、LFW 和PFW 均呈極顯著正相關（P＜0.01），與LDMC 呈顯著負相關（P＜0.05），與SLA 呈極顯著負相關（P＜0.01）；PD 與LFW、PFW 均呈極顯著正相關（P＜0.01），與SLA 呈極顯著負相關（P＜0.01）；LDMC 與LFW、PFW 均呈極顯著負相關（P＜0.01）；SLA 與LA 呈極顯著正相關（P＜0.01），與FPA、LFW 和PFW 均呈極顯著負相關（P＜0.01）；LA 與FPA 呈顯著負相關（P＜0.05）；LFW與PFW呈極顯著正相關（P＜0.01）。

在盛花期，PL 與SFW 呈極顯著正相關（P＜0.01）；PD與SFW呈顯著正相關（P＜0.05），與LDMC呈極顯著負相關（P＜0.01）；LDMC 與LA 呈顯著正相關（P＜0.05），與SLA、LFW 均呈極顯著負相關（P＜0.01）；SLA 與LA 呈顯著正相關（P＜0.05）；LFW與PFW呈顯著負相關（P＜0.05）。

在末花期，LFW 與PFW 呈極顯著正相關（P＜0.01），LDMC 與SLA 和LFW、LA 與PFW 均呈極顯著負相關（P＜0.01）。

2.2 不同物候階段葉柄鮮重與葉片鮮重的異速生長關系

LFW 和PFW 從花芽期至末花期均呈先上升后下降趨勢，LFW 在始花期最大（2.170 g），PFW 在盛花期最大（0.507 g）（表2）。不同物候階段PFW 的變異系數均大于LFW，LFW、PFW 變異系數分別為17.23%～34.29%、35.29%～57.05%。

表2 不同物候階段葉片鮮重和葉柄鮮重變化Tab.2 Changes of LFW and PFW at different phenological stages

從花芽期至末花期，SMA 斜率分別為0.585（95%置信區間為0.603～0.895）、0.390（95%置信區間為0.408～0.631）、-0.065（95%置信區間為-0.877～ -0.444）、0.057（95%置 信 區間為0.239 ～ 0.468）（表3，圖1）。花芽期、始花期和末花期的斜率與1有顯著差異，盛花期的斜率與-1 有顯著差異，均為異速生長關系。多重比較表明，花芽期的斜率顯著或極顯著大于始花期和末花期（P＜0.05，P＜0.01），始花期和盛花期的斜率顯著大于末花期（P＜0.05），即花芽期葉片鮮重的增長比始花期和末花期快，始花期葉片鮮重的增長也比末花期快，盛花期葉片鮮重的增長比末花期慢。花芽期和始花期與盛花期的斜率差異不顯著，花芽期與盛花期的共同斜率是0.563（95%置信區間為0.594～0.836，P=0.400），始花期與盛花期的共同斜率為0.136（95%置信區間為0.449 ～ 0.649，P= 0.307）。對截距進行分析，發現這幾個物候階段在y軸截距沒有顯著差異。

圖1 不同物候階段葉片鮮重與葉柄鮮重的相關關系Fig.1 Correlations between LFW and PFW at different phenological stages

表3 葉片鮮重與葉柄鮮重的SMA回歸參數與多重比較分析Tab.3 SMA regression parameters of LFW and PFW and multiple comparison analysis

2.3 不同物候階段比葉面積和葉干物質含量的異速生長關系

從花芽期至末花期，SMA 斜率分別為-0.002（95%置信區間為-0.767 ～ -0.429）、-0.010（95%置信區間為-0.544 ～ -0.473）、-0.002（95%置信區間為-0.700 ～ -0.527）和-0.001（95% 置信區間為-0.876 ～ -0.777）（表4，圖2）。花芽期至末花期的斜率與-1 均有顯著差異，均為異速生長關系。多重比較表明，花芽期的斜率顯著大于始花期（P＜0.05），極顯著大于末花期（P＜0.01）；始花期的斜率極顯著大于盛花期和末花期（P＜0.01）。花芽期和盛花期的斜率差異不顯著且共同斜率為-0.002（95%置信區間為0.594 ～ 0.836，P= 0.324），盛花期與末花期的斜率差異不顯著且共同斜率為-0.006（95%置信區間為-0.033～-0.472，P=0.116）。對截距進行分析，發現這些物候階段在y軸截距沒有顯著差異。

圖2 不同物候階段葉干物質與比葉面積的相關關系Fig.2 Correlations between LDMC and SLA at different phenological stages

表4 葉干物質含量與比葉面積的SMA回歸參數與多重比較分析Tab.4 SMA regression parameters of SLA and LDMC of H.mutabilis and multiple comparison analysis

3 討論與結論

3.1 葉片與葉柄的相關性

植物會通過長期的內部功能調整，最終形成一系列功能性狀組合，以適應環境的變化[21]。物種在生長發育和適應環境的過程中，植物功能性狀間的相關關系會發生改變[22]。本研究中，隨著物候期的變化，葉功能性狀組合也發生改變。在花芽期，PL隨LFW、PD 和PFW 的增加而增加，PD 隨LFW、LA和PFW 的增加而增加；在始花期，PL 隨PD、SFW、LFW 和PFW 的增加而增加，PD 隨LFW、PFW 的增加而增加；在盛花期，PL、PD 均隨SFW 的增加而增加；到了末花期，LA 隨PFW 的增加而減小，PL 和PD與其他性狀均不存在顯著相關性。原因可能是隨著花期的到來，木芙蓉會消耗大量的同化物，為保證足夠的同化物，植物可能會通過增加葉面積以獲取更多的碳和光能。葉面積增大后要遭受更大的拉拽力，葉柄也要具有更強的支撐力[11,23]。到盛花期和末花期，由于葉片老化，葉片光合色素含量比前期減少，光合能力減弱，使葉片有機物積累減少，呼吸消耗增強，同化速率減緩[24]。

SLA 反映植物獲取資源的能力，LDMC 反映植物對養分的保有能力[25]。本研究中，盛花期和末花期的SLA 與LDMC 均呈極顯著負相關，與前人研究結果一致[26-28]。花芽期和盛花期的SLA 與LA 均呈顯著正相關，說明木芙蓉在花芽期和盛花期葉片構建的資源隨著葉面積增加而增加，與王雪艷等[29]的研究結果一致。在花芽期，LDMC 隨LFW 和PFW 增加而減小；在始花期，LDMC 隨PL 和SLA 增加而減小；在盛花期和末花期，LDMC 隨SLA 和LFW 增加而減小。原因可能是木芙蓉處于開花期，葉片光合作用同化的產物更多地被分配給繁殖構件（花數量、花質量）和支撐結構（葉柄、葉脈）來共同完成開花[14]，使木芙蓉葉片本身的資源保存量大大減少。

3.2 不同物候階段葉的資源利用策略

本研究中，木芙蓉葉片鮮重與葉柄鮮重從花芽期至末花期均呈異速生長關系，研究結果與楊冬梅等[4]的研究結果一致。其原因可用“管道模型理論”進行解釋，即理論上，植物輸導組織的橫截面積與其所在葉片的葉面積是等比例關系，但葉柄除了具有傳導水分和養分等功能和作為葉片的支撐結構外，還需承受整個葉的靜態重力和外界的動態拉力等，這些因素使得在葉水平上的葉柄和葉片之間存在異速生長關系[30]。當以葉鮮重表示葉大小時，木芙蓉為增加葉大小所付出的代價有可能比其獲得的收益更大。對大葉物種，適當地延長枝條、莖和葉柄長度，可有效減少葉片間的遮蔭，有利于提高葉的光攔截效率[31-32]。

植物葉干物質含量與比葉面積呈顯著負相關的異速生長關系[33-34]。本研究結果與前人研究結果一致，原因可能與木芙蓉在生長過程中有機物積累和消耗之間的權衡有關[16,35]。以往研究結果表明，植物的SLA 隨葉齡增加而增大，在同一物種中，SLA小的成熟葉(或幼齡葉)比SLA 大的老齡葉更具活力和抵抗力[36]。因此，隨著物候的更迭，因葉片衰老、溫度下降等原因，葉片的含水量降低，透光性變差，光合能力降低，使LDMC含量增加、SLA降低。

本研究僅對木芙蓉葉性狀間的相關性及生長關系進行了研究，不同物候階段木芙蓉枝葉之間的生長關系可作為后續研究。