兩種藤本植物葉片性狀及相關(guān)性對季節(jié)的響應(yīng)

張娜娜，劉陽，李熒，劉斗南，許麗穎，趙玥琪

(牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江牡丹江157011)

0 引言

根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育的長期適應(yīng)性原則，植物的葉片性狀在物種，區(qū)域或生物群落之間會有差別。在過去的幾十年中，通過改變光照強(qiáng)度，濕度和溫度條件，探索了植物對環(huán)境變化的響應(yīng)和適應(yīng)，研究了葉片的形態(tài)特征，解剖特征和生理過程[1-3]。在生長發(fā)育各階段，植物葉片的資源獲取不同，導(dǎo)致葉片形態(tài)有很大差異。如春季(葉生長期)葉片迅速伸展增加葉片面積來提高光資源的獲取；在夏季(葉穩(wěn)定期)植物受到其他植株及自身葉片遮擋，光資源減少，更多的光合產(chǎn)物用來構(gòu)建葉片以應(yīng)對更復(fù)雜的生境；而在秋季(葉衰落期)葉片光合作用能力減弱，營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，這些可能都是造成葉片性狀在不同環(huán)境中具有不同變化的原因[4]。葉片的形態(tài)性狀主要包括葉大小、形狀、顏色、葉脈性狀、氣孔性狀等。葉片形態(tài)及葉脈網(wǎng)絡(luò)功能性狀能夠反映植物適應(yīng)特定生境的基本行為和光合生理功能，體現(xiàn)了植物提高葉片光截取、碳獲取以及水分輸導(dǎo)效率的生態(tài)策略[5]。植物葉片氣孔大小、密度分布及運(yùn)動的規(guī)律，與綠化植物的生活適應(yīng)性有關(guān)；葉片厚度對植物體利用水分有關(guān)；葉脈密度為植物體各部分運(yùn)輸水分和能量，氣候、水分和養(yǎng)分都影響著葉片的構(gòu)型與狀態(tài)[6]。氣孔是葉水分散失的場所，葉脈是葉中水分運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈饪酌芏戎苯佑绊懭~的最大氣孔導(dǎo)度[7]，葉脈密度的高低也對葉的水分運(yùn)輸效率和最大光合速率有重要影響[8]。

五葉地錦(Parthenocissusquinquefolia(L.)Planch.)，又名五葉爬山虎，葡萄科爬山虎屬落葉木質(zhì)藤本植物[9]。爬山虎(ParthenocissustricuspidataPlanch.)又稱爬墻虎，葡萄科爬山虎屬多年生大型落葉木質(zhì)藤本植物[10]。這兩種木質(zhì)藤本植物在園林應(yīng)用中作為垂直綠化的基礎(chǔ)材料，在增加景觀多樣性、改善生態(tài)環(huán)境等方面起重要作用，是城市綠化的重要組成部分。二者生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，地被覆蓋速度快，耐旱、耐寒、耐瘠薄[11-12]。近年來關(guān)于藤本植物的研究主要集中在園林應(yīng)用方面，但是為了更好的將植物葉片的性狀展現(xiàn)出來，對兩種植物在不同生長季節(jié)的葉片特性進(jìn)行了研究，分析各季節(jié)下葉片的大小、葉厚度、氣孔和葉脈特性的變化關(guān)系，進(jìn)一步比較二者的葉片各性狀及其隨季節(jié)變化的關(guān)系，為植物葉片性狀的研究提供理論基礎(chǔ)，也為藤本植物在園林應(yīng)用和城市綠化等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況和研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

牡丹江市(129.58°E，44.58°N)，位于中國黑龍江省東南部，地形以山地和丘陵為主，呈中山、低山、丘陵、河谷盆地4種形態(tài)，中部為河谷盆地，山勢連綿起伏，海拔多在300～800 m之間，平均海拔230 m，土壤以暗棕壤為主。夏季溫?zé)岫嘤辏磺锛径蹋禍乜欤欢韭L寒冷。年平均氣溫5.9°，年均降雨547 mm，主要集中在夏季，具有雨熱同期的特點(diǎn)，年日照平均2305 h。

1.2 取材與制片

試材取自牡丹江師范學(xué)院院內(nèi)。分別于2019年5月份，春季(SP)葉片萌發(fā)期、8月份，夏季(SU)葉片生長期和10月份，秋季(AU)葉片變色期進(jìn)行取樣，取樣選擇在10:00～14:00晴天進(jìn)行，選擇長勢良好，沒有病蟲害且沒有受到污染的完整的五葉地錦和爬山虎的葉子各45片，不采集過于幼嫩窄小的葉子。將采集的所有葉片都裝入透明封口袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室。用蒸餾水反復(fù)沖洗葉子表面，洗凈后用濾紙吸干水分，備用。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 葉面積的測定。取30片葉片，參照姜真杰[13]的方法進(jìn)行測算植物的葉面積。

1.3.2 比葉面積的測定。采用打孔法進(jìn)行比葉面積的測定，使用1 cm直徑的打孔器將打好的30片葉片圓片放入65 ℃烘箱中烘干至恒重(精確度=0.0001 g)，并計(jì)算30片葉片圓片的總面積。

比葉面積=總?cè)~面積/葉干重

1.3.3 葉厚度的測定。葉片厚度使用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量。6片葉片為一組，測量時盡量避開葉片的主脈以及兩側(cè)的次級葉脈，測量3次取平均值，重復(fù)5組，再算出每個葉片的平均厚度。

1.3.4 氣孔參數(shù)的測定。葉片氣孔參數(shù)采用指甲油印跡法[14]。每片葉子制作一個裝片，共計(jì)15個裝片，每個裝片選擇3個不同視野下的圖片(用來計(jì)算平均值同時作為對照，以便于減小誤差)。查出每個圖片上氣孔的數(shù)量，計(jì)算氣孔密度。

氣孔密度=氣孔數(shù)量/面積

用MIPlus軟件隨機(jī)選擇3個氣孔，測定氣孔的長度，計(jì)算其平均值。

1.3.5 葉脈密度的測定。將處理干凈的葉片切成1 cm×1 cm的小塊，放入裝有FAA固定液的小瓶中，并做好標(biāo)記，用5%NAOH浸泡4～5天(每天更換浸泡液)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)葉片由綠色變得透明，取出葉片放在載玻片上，蓋好蓋玻片，壓實(shí)排凈氣泡。采用OLYMPUS BX-51(日本東京)生物顯微鏡觀察；用Motic 3000 CCD數(shù)碼成像系統(tǒng)進(jìn)行拍照，每個葉片拍3張圖片，并用MIPlus軟件測量葉脈總長度，計(jì)算葉脈密度。

葉脈密度= 葉脈總長度/面積

1.4 數(shù)據(jù)分析

葉面積為不同季節(jié)下30個隨機(jī)取樣葉片的平均值，比葉面積、葉厚度、氣孔長度、氣孔密度和葉脈密度為不同季節(jié)下重復(fù)數(shù)據(jù)的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗(yàn)不同處理之間的差異(LSD，α=0.05)，使用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)兩個品種各季節(jié)中植物葉片重復(fù)數(shù)據(jù)各性狀的聯(lián)系。采用Microsoft Excel 2003和SPSS軟件處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)變化對五葉地錦和爬山虎形態(tài)性狀的影響

相對于春季，五葉地錦的葉面積在夏季和秋季分別升高了24.72%和12.35%，爬山虎升高了25.21%和7.18%(圖1a)，夏季兩種植物葉片的葉面積最大。五葉地錦的比葉面積在夏季和秋季分別降低了23.08%和11.57%，爬山虎在夏季降低了10%，均與春季差異顯著，而爬山虎在秋季時卻略微升高，變化幅度為3.97%，與春季差異不顯著(圖1b)。

(a)為葉面積；(b)為比葉面積；(c)為葉厚度；(d)為氣孔長度；(e)為氣孔密度；(d)為葉脈密度。注：不同小寫字母的表示各處理間差異顯著(P<0.05)

兩個品種的葉厚度均是夏季最高，相對于春季，五葉地錦在夏季和秋季分別升高了61.54%和30.47%，3個季節(jié)均差異顯著(P<0.05)，爬山虎夏季升高了30.36%，而秋季卻降低2.88%，且春季和秋季都與夏季差異顯著(P<0.05)(圖1c)。

五葉地錦和爬山虎的葉片氣孔長度和氣孔密度隨季節(jié)變化的規(guī)律不一致。五葉地錦的氣孔長度整體小于爬山虎，氣孔密度大于爬山虎，二者呈現(xiàn)反比現(xiàn)象。五葉地錦的氣孔長度隨季節(jié)變化先減小后變大，夏季和秋季與春季的變化幅度為-16.06%和1.82%，而氣孔密度先降低后增加，變化幅度為-30.54%和-4.51%。爬山虎的葉片氣孔長度隨季節(jié)變化逐漸增大，夏季和秋季與春季相比，變化幅度為18.50%和23.80%，氣孔密度的變化趨勢同五葉地錦，變化幅度為-27.63%和-4.42%(圖1d, 1e)。

與春季相比，五葉地錦的葉脈密度在夏季和秋季分別降低53.81%和57.86%，且差異顯著(P<0.05)。爬山虎的葉脈密度在夏季和秋季分別降低8.02%和36.79%。但均不與春季差異顯著(圖1f)。

總體來說，季節(jié)變化對五葉地錦葉片各性狀的影響大于爬山虎。

2.2 季節(jié)變化對五葉地錦和爬山虎形態(tài)性狀間相關(guān)性的影響

兩個品種葉的形態(tài)性狀之間存在一定的聯(lián)系(表1)。春季時，五葉地錦和爬山虎的葉厚度和氣孔長度，氣孔長度和氣孔密度均顯著正相關(guān)，而葉厚度與氣孔密度和葉脈密度，氣孔長度與葉脈密度的顯著正相關(guān)只在五葉地錦中出現(xiàn)；氣孔密度和葉脈密度正相關(guān)但是不顯著。夏季時，兩個品種的氣孔密度與葉脈密度均顯顯著正相關(guān)，但五葉地錦葉厚度與氣孔密度，爬山虎的氣孔長度與葉脈密度顯著正相關(guān)。其他指標(biāo)之間雖然正相關(guān)，但是不顯著。秋季時，除五葉地錦的氣孔長度和葉脈密度不顯著相關(guān)，其他指標(biāo)間均顯著或極顯著正相關(guān)，而爬山虎僅與五葉地錦相反。

表1 季節(jié)變化下五葉地錦和爬山虎葉形態(tài)性狀間的相關(guān)性

3 討論

3.1 五葉地錦和爬山虎葉片性狀間差異

研究中，五葉地錦和爬山虎同屬葡萄科爬山虎屬植物，五葉地錦的葉面積、葉厚度、葉脈密度和氣孔長度均小于爬山虎，比葉面積和氣孔密度大于爬山虎，體現(xiàn)了植物的種間差異。張紀(jì)英等[15]認(rèn)為同屬不同種的植物間氣孔長度與氣孔密度的變化不明顯，而不同屬植物則有較大變化。本研究中采用的五葉地錦與爬山虎屬同科同屬不同種植物，二者的氣孔長度相差不大，在11.55～15.06 um之間，但是兩個品種的氣孔密度在春季和秋季相差40個/mm2左右，夏季相差30個/mm2左右。可見同屬植物氣孔大小差別不大，但是氣孔密度差別較大，若證實(shí)不同屬植物二者之間的相關(guān)性，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

3.2 季節(jié)變化對五葉地錦和爬山虎葉片性狀的影響

季節(jié)變化顯著影響了五葉地錦和爬山虎的葉片各性狀(P<0.05)(圖1)。在春季，除比葉面積、氣孔長度和氣孔密度外，五葉地錦的葉面積、葉厚度和葉脈密度均小于爬山虎。兩個品種的葉面積和葉厚度隨季節(jié)變化升高，而比葉面積、葉脈密度和氣孔特性隨著季節(jié)變化而降低。可見，在不同植物中，植物葉片的性狀隨著季節(jié)的變化趨勢是一致的，而且季節(jié)變化對五葉地錦各性狀的影響大于爬山虎。可見，不同季節(jié)由于光照、溫度、濕度等環(huán)境因子的變化，植物的形態(tài)和生理特征發(fā)生著改變，不同季節(jié)植物對環(huán)境的適應(yīng)狀態(tài)，反映了植物的生長能力和遺傳特性。

比葉面積與植物的生長狀況和生存策略有著密切的聯(lián)系，可以反映植物對不同環(huán)境的適應(yīng)性特征以及植物獲取環(huán)境資源的能力，葉片厚度與植物資源獲取、水分存儲及物質(zhì)同化有關(guān)[5]。季節(jié)變化主要是改變光照、溫度、降水量等條件對植物體產(chǎn)生影響。夏季溫度高，而高溫會加快植物的蒸騰作用，植物需要增強(qiáng)自身的儲水能力來應(yīng)對這種高溫，所以植物通過增強(qiáng)葉片的厚度，降低比葉面積來存儲更多的水分，這有利于植物能更好地適應(yīng)相對貧瘠與干旱的環(huán)境[16-18]。氣孔是葉水分散失的場所，葉脈是葉中水分運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈饪酌芏戎苯佑绊懭~的最大氣孔導(dǎo)度[7,19]，葉脈密度的高低也對葉的水分運(yùn)輸效率和最大光合速率有重要影響[20]。在干旱條件下，年平均降雨量與葉脈密度呈顯著負(fù)相關(guān)[5]。研究隨季節(jié)變化夏季溫度最高、雨熱同期、降雨量多，兩種植物的葉脈密度一直遞減，與前人結(jié)論一致，同時氣孔密度也最低，但是秋季氣孔密度有所提高，而葉脈密度繼續(xù)下降，說明這兩個指標(biāo)在季節(jié)變化過程中趨勢是不穩(wěn)定的。但是夏季兩個品種氣孔密度和葉脈密度與春季相比顯著下降，表明夏季植物水分的正態(tài)和運(yùn)輸能力相對較低，這也是植物適應(yīng)夏季高溫，更好的在體內(nèi)存儲水分的一種應(yīng)對策略。

另外，研究中季節(jié)對兩種木質(zhì)藤本植物的葉片性狀的影響，除氣孔大小變化不一致外，其他指標(biāo)變化基本一致。這一現(xiàn)象的根本原因在于氣孔和葉脈受CO2濃度、溫度、水分條件及光照強(qiáng)度等影響；而葉厚度主要受光照強(qiáng)度、土壤、降雨量及輻射光等制約，體現(xiàn)了不同生境因素使植物做出不同的反饋來適應(yīng)或抵抗逆境的現(xiàn)象[21]。

3.3 五葉地錦和爬山虎葉片性狀之間的聯(lián)系

尚旭嵐等[22]認(rèn)為強(qiáng)光條件下，葉片小而厚，氣孔小而密；光強(qiáng)變?nèi)鯐r葉片大而薄，氣孔密度降低，氣孔變大，氣孔密度與葉片厚度呈負(fù)相關(guān)性，Wang et al.[23]的研究也發(fā)現(xiàn)葉片厚度與氣孔密度呈負(fù)相關(guān)。本研究中，葉厚度與氣孔和葉脈之間正相關(guān)，但是顯著性因品種和季節(jié)變化有差異(表1)，但是從季節(jié)變化趨勢來看，葉厚度與氣孔和葉脈是負(fù)相關(guān)的。Beerling et al.[24]提出，較厚的葉子不一定意味著更多的氣孔，Hodgson[25]的研究表明，較厚葉片的物種具有中等大的氣孔。可見，氣孔密度和葉厚度之間的關(guān)聯(lián)性根據(jù)不同的研究材料和研究環(huán)境還是有一些差別的，關(guān)于二者的相關(guān)性研究還需要在更多的物種中進(jìn)行。

Madeline et al.[26]研究表明，葉片的氣孔密度與氣孔長度、寬度和葉面積有關(guān)，氣孔密度和氣孔導(dǎo)度成正比。馬之勝[27]對桃亞屬不同種植物的葉片性狀研究認(rèn)為，氣孔密度與氣孔長度、寬度均呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究中，兩個品種的氣孔參數(shù)與葉脈密度之間存在一定的聯(lián)系，但是由于品種和季節(jié)顯著性不一致，但是在同一個季節(jié)條件下，它們之間的關(guān)系均為正相關(guān)。Wang et al.[28]的研究發(fā)現(xiàn)氣孔密度和氣孔長度之間的相關(guān)性在物種和群落水平上都變化。經(jīng)分析，氣孔密度與氣孔大小等屬于數(shù)量性狀，受多種因素影響，例如：取樣部位、環(huán)境、在葉片的位置等。另外，研究僅探討了同科同屬的兩個品種的葉片性狀關(guān)系，關(guān)于植物葉片性狀的研究還需要再更多品種中加以證實(shí)。