半附生與非附生榕樹葉片光合作用相關功能性狀比較

張 謙,張翼飛

(1.中國科學院西雙版納熱帶植物園/熱帶森林生態學重點實驗室,云南勐臘 666303；2.中國科學院大學，北京 100049)

植物功能性狀(functional traits)是指對植物的定植、存活、生長和死亡存在潛在顯著影響的關鍵植物性狀(core plant traits)；這些性狀主要反映植物如何適應所處環境，并同時強烈影響所在生態系統的功能[1-2]。越來越多研究表明，在當前全球氣候變化的背景下，植物功能性狀已經被學者用作衡量生物多樣性保護及生態系統管理的重要指標[3]。其中，葉功能性狀(leaf functional traits)與植物對資源的獲取、利用及利用效率關系最為密切，可以較為清晰、準確地反映植物的適應策略[4-5]。

榕屬(Ficus)植物是熱帶雨林生態系統的關鍵類群之一，能為超過1 200種動物提供食物和棲息地[6]。全球超過800種榕樹中，半附生榕樹(hemiepiphyticFicus)約500種，非附生榕樹(nonepiphyticFicus)約300種[7]。榕樹生活型的分化為其多樣的生態功能提供了支撐。然而，非附生榕樹與半附生榕樹通常生長在不同的微環境，前者生長在土壤中，而后者有部分時間需要附生在其他植物上，后者受到養分、水分的脅迫通常比前者更加劇烈。這2類植物如何通過調節與光合作用相關的功能性狀，適應不同的微環境尚缺乏系統研究。筆者以西雙版納熱帶植物園榕樹專類園的11種榕樹為材料，通過測定其含水量、比葉面積、葉片厚度等指標，探討2種生活型的榕樹在葉功能性狀上是否存在差異，該研究結果有助于根據葉功能性狀了解榕樹對環境的適應對策，尤其是半附生榕樹在葉功能性狀上對高溫干旱環境的響應，同時也可為保護榕屬植物的多樣性提供參考。

1 研究地區和研究方法

1.1 研究區概況研究地點位于中國科學院西雙版納熱帶植物園的榕樹專類園，地理坐標為101°15′E，21°56′N，海拔約560 m。該區域位于東南亞熱帶北部，屬熱帶季風氣候，一年可分為干季、雨季及霧涼季，干季(3—5月)高溫少雨，日間溫度可達38 ℃；雨季(6—10月)氣候濕熱，降水占全年的80%左右；霧涼季(11月至翌年2月)降水量減少，溫度較低(平均氣溫17.5 ℃)，全天大部分時間被濃霧籠罩。園區內榕樹專類園收集保存了榕屬植物約150種，是國內開展榕屬植物研究的重要平臺[8]。

1.2 研究對象研究分別調查了半附生榕樹6種和非附生榕樹5種。其中，半附生榕樹包括枕果榕(Ficusdrupacea)、心葉榕(Ficusrumphii)、勁直榕(Ficusstricta)、筆管榕(Ficussubpisocarpa)、假斜葉榕(Ficussubulata)、黃葛樹(Ficusvirens)；非附生榕樹包括北碚榕(Ficusbeipeiensis)、瘦柄榕(Ficusischnopoda)、蘋果榕(Ficusoligodon)、肉托榕(Ficussquamosa)、棒果榕(Ficussubincisa)(表1)。

表1 11種榕樹的自然生境Table 1 Native habitat of 11 Ficus tree species

1.3 研究方法該研究共涉及7種與水分、光能利用相關的葉功能性狀，分別為含水量(leaf water content,LWC)、比葉面積(specific leaf area,SLA)、葉片厚度(leaf thickness,LT)、葉脈密度(vein density,VD)、氣孔密度(stomatal density,SD)、氣孔大小(stomatal size,SS)、凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)。每物種挑選3株植株，選取相同部位的3片葉進行功能性狀的測定。

采樣當天用0.001 g電子秤測定葉片鮮重，將葉片在70 ℃下烘至恒重測定干重，計算得含水量；使用葉面積儀測定葉片面積，計算得到比葉面積；使用DTG03數字測厚儀測定葉片厚度，測量10次取平均值，測量時注意避開中脈及兩側次級葉脈；使用光學顯微鏡拍攝圖像，對含有葉脈、氣孔的照片用ImageJ 1.4.8編輯處理，分別統計葉脈密度與氣孔密度；以保衛細胞長度為長軸、氣孔寬度為短軸的橢圓計算氣孔大??；在天氣晴朗無風的10：00—11：00，使用LI-6800便攜式光合儀，測定植株的凈光合速率。

1.4 數據分析首先在Excel中對原始數據進行整合與初步計算，得到各樹種的含水量、比葉面積、葉片厚度、葉脈密度、氣孔密度、氣孔大小、凈光合速率的平均數與標準差；在R-4.0.2[9]中使用aov函數進行單因素方差分析，對半附生榕樹和非附生榕樹的葉功能性狀差異進行比較，顯著水平P=0.05；在R-4.0.2中使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_nbclust函數進行輪廓系數(average silhouette width， ASW)的計算，結合實際情況確定聚類簇個數后，使用factoextra包(v 1.0.7)的fviz_cluster函數進行PAM聚類。

2 結果與分析

2.1 半附生榕樹與非附生榕樹的葉功能性狀比較方差分析結果表明，半附生榕樹與非附生榕樹的含水量(LWC)與凈光合速率(Pn)無顯著差異，半附生榕樹的比葉面積(SLA)、葉片厚度(LT)與氣孔密度(SD)顯著低于非附生榕樹，半附生榕樹的葉脈密度(VD)與氣孔大小(SS)顯著高于非附生榕樹(表2和圖1)。

從圖1可見，大部分葉功能性狀在2類榕樹之間存在差異。葉片含水量和比葉面積最大的分別是半附生榕樹中的心葉榕[(76.32±3.18)%]與半附生榕樹中的黃葛樹[(245.10±42.65) cm2/g]，半附生榕樹中的勁直榕葉片含水量(65.55±6.29%)和比葉面積[(114.23±28.44)cm2/g]最小。就葉片厚度而言，數值最大的是非附生榕樹中的肉托榕[(0.46±0.03)mm]，最小的是半附生榕樹中的黃葛樹[(0.13±0.01) mm]。對于葉脈密度，半附生榕樹中的勁直榕最大[6.58±0.59)mm/mm2]最大，非附生榕樹中的蘋果榕最小[(1.91±0.17) mm/mm2]。氣孔密度方面，密度最高的是非附生榕樹中的肉托榕[(741.22±99.00) mm-2)，最低的是半附生榕樹中的枕果榕((157.68±27.82) mm-2)。氣孔大小以半附生榕樹中的枕果榕最大[(1 088.5±270.66)μm2]，非附生榕樹中的北碚榕最小[(154.86±19.23)μm2]。凈光合速率則以半附生榕樹中的心葉榕最高[(10.21±2.01)μmol/(m2·s)]，以半附生榕樹中的假斜葉榕最低[(3.63±1.10) μmol/(m2·s)]。

表2 半附生榕樹與非附生榕樹葉功能性狀的方差分析Table 2 Analysis of variance for leaf functional traits of hemiepiphytic Ficus and nonepiphytic Ficus

2.2 半附生榕樹與非附生榕樹的葉功能性狀聚類聚類簇個數為3時，輪廓系數最大為0.27；聚類簇個數為2時，輪廓系數次之，為0.22。考慮到生活型，最終選擇聚類簇個數為2。11種榕樹根據葉功能性狀數據，經PAM聚類后被分為2組：第1組為枕果榕、勁直榕、筆管榕、假斜葉榕、黃葛樹，均為半附生榕樹；第2組為心葉榕、北碚榕、瘦柄榕、蘋果榕、肉托榕、棒果榕，除心葉榕為半附生榕樹外，其余均為非附生榕樹(圖2)。

圖1 11種榕樹葉功能性狀比較(均值±標準差)Fig.1 Leaf functional traits within eleven Ficus species(Mean±SD)

注：相同顏色的物種位于同一聚類簇中 Note:Species of the same color are in the same cluster圖2 PAM聚類結果Fig.2 Results of PAM

3 討論

總體而言，半附生植物受到相對更加嚴酷的水分、養分脅迫，使得半附生榕樹和非附生榕樹的葉功能性狀產生分化，這種現象可以從2類生活型榕樹的生境進行解釋。枕果榕、心葉榕等半附生榕樹，生境多位于山脊地帶，光照充足且相對高溫干旱；北碚榕、瘦柄榕非附生榕樹，生境則多位于溝谷潮濕地帶，水分充足而光照欠缺。2類生活型榕樹可依據7種葉功能性狀進行PAM聚類，一定程度上反映了其對不同生境的適應策略差異。

該研究發現，半附生榕樹、非附生榕樹分別通過葉脈密度和增大比葉面積截獲光能，提升光合速率，進而適應其土壤干旱的山脊環境與陰蔽的溝谷環境。半附生榕樹通過增加葉脈密度，一方面從葉脈基部向葉肉細胞傳輸水分，可以更好地適應土壤干旱[10]；另一方面，更高的葉脈密度可以提高葉片蒸騰作用，保證葉片處于適宜的溫度并提高光合速率，進而更好地應對高溫環境[11]。比葉面積反映了葉片對光的截獲能力和強光下的自我保護能力[12-13]，非附生榕樹較大的比葉面積，是為適應溝谷陰蔽環境、截獲更多光能而產生的適應性特征；半附生榕樹的比葉面積較小，則有助于其在強光下進行自我保護。此外，非附生榕樹擁有更厚的葉片，由于葉片厚度與葉片壽命長短、投入多少、抗干擾能力相關[12]，因此非附生榕樹的葉片壽命更長，抗干擾能力更強。

Hao等[14]研究表明，半附生榕樹為適應旱生環境，具有較小的相對電導率、較小的葉膨大損失點以及更早的氣孔關閉時間。通常情況下，植物的葉片含水量、氣孔密度、氣孔大小在旱生環境下也會發生適應性改變，但就該研究的結果而言，2種生活型榕樹對環境的適應，與以上葉功能性狀的關聯較小。葉片含水量反映了植物對水分利用情況與植物生存狀況，非附生榕樹與半附生榕樹葉片含水量的差異不顯著，說明兩者對水分利用情況類似，可能與西雙版納地區雨水充沛有關。小而密的氣孔具有較高的靈活性，因此有利于植物保持體內水分及保證有效的呼吸作用，是植物適應旱生環境的表現[10]，然而該研究中半附生榕樹適應干旱環境的主要對策是增大比葉面積，其氣孔大小和氣孔密度與非附生榕樹相比更小。