瀕危植物永瓣藤葉片功能性狀對環境因子的響應

宋帥帥,王 建,蔡朝暉,吳 浩,王世彤,肖之強,江明喜,魏新增,*

1 西藏大學青藏高原生態與環境研究中心,拉薩 850000 2 西藏大學理學院,拉薩 850000 3 中國科學院武漢植物園,中國科學院水生植物與流域生態重點實驗室,武漢 430074 4 中國科學院核心植物園保護生物學中心,武漢 430074 5 中國科學院大學,北京 100049 6 湖北九宮山國家級自然保護區管理局,通山 437100 7 湖北科技學院核技術與化學生物學院,咸寧 437100

植物與其生存環境之間的相互關系一直是植物生態學研究的重點。植物功能性狀是植物在長期進化過程中,為了適應環境變化,減少環境的不良影響,所形成的形態、生理和物候特征[1],能反映植物對不同環境的響應和適應機制[2]。葉片是植物進行光合作用和蒸騰作用的主要器官,是植物與外界進行水、氣、熱交換的關鍵門戶,對生態系統物質、能量循環具有重要的影響[3—4]。葉片性狀與植物對資源的獲取和利用關系密切[5],并且有數量多、易于獲取、易于觀測等優勢[6]。

近年來,國內外學者開展了一系列葉功能性狀與環境因子之間相關性的研究[7—8]。例如,環境光照增加或者水分減少時,葉片變小變厚、比葉面積降低,以增加主脈密度,提高水分利用效率[9—10]。目前,在區域尺度上葉片性狀變異方面的研究,多數使用了物種平均值來研究葉片性狀與環境之間的關系[11—12],忽略了種內性狀變異性,而越來越多的研究表明種內性狀變異與種間性狀變異同樣十分重要[13—15]。多物種分析表明,某些植物性狀的種內變異高達40%[13],而全球薈萃分析將25%的群落內變異和32%的群落間變異歸因于種內性狀差異[14]。因此,研究不同環境條件下的種內性狀變異,對于促進理解環境對性狀變異的影響和預測物種對氣候變化的響應至關重要[16]。

珍稀瀕危植物由于分布范圍有限、生境特殊或者數量稀少,其對環境變化更加敏感[17—18]。因此,對珍稀瀕危植物葉功能性狀的研究將有助于更好地開展瀕危植物保護和管理工作。相比于珍稀瀕危喬木和灌木物種,珍稀藤本植物的葉片功能性狀研究相對較少[7,19—20]。永瓣藤(Monimopetalumchinense)是衛矛科(Celastraceae)永瓣藤屬(Monimopetalum)的單種屬藤本植物[21],為中國特有種,國家二級重點保護植物[22],被列為中國生物多樣性紅色名錄瀕危(EN)種[23]。現有研究主要集中于永瓣藤種群分布、結構與動態、多樣性與繁育等方面[24—28],而對葉片功能性狀的研究尚未見報道。本研究將以瀕危植物永瓣藤(Monimopetalumchinense)為研究對象,對15項葉片形態與生理的功能性狀進行測定,揭示永瓣藤葉功能性狀的種內變異,并結合地理與環境因子,對永瓣藤葉功能性狀指標與環境因子的相關性進行分析,揭示其對于異質環境的適應策略,以期為永瓣藤保護、管理與合理利用等工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

永瓣藤分布于湖北、江西、浙江和安徽4個省份的11個縣市[26,29],主要分布區為江西省(7縣市)和安徽省(2縣市),湖北省唯一分布點為通山縣洪港鎮沙店村,浙江省唯一分布點為金華市婺城區[29]。分布范圍介于28.837°N—29.973°N,114.841°E—119.476°E之間,南北跨度約為126km,東西跨度約為514km,海拔范圍137—651m。分布區在我國長江中下游南部中亞熱帶向北亞熱帶過渡的區域,主要植被類型為常綠闊葉林和常綠落葉闊葉混交林[21],年均溫15.3℃,年降水量1687.64mm[21,25],主要為酸性或中性土壤,土壤pH值介于4.53—7.82。氣候數據從WorldClim 網站 (http://www.worldc lim.org/) 獲取(表1)。

表1 永瓣藤種群地理位置、氣候和土壤因子概況Table 1 Location, climate and soil factors of the 11 wild populations of Monimopetalum chinense

1.2 樣品采集

2021 年7—8月,對4個省份的11個永瓣藤種群進行樣品采集(圖1和表1)。記錄各種群的經緯度和海拔。種群間至少相隔 10km,種群內個體間至少相隔 10m,每株采集約30片成熟、無病蟲害、完全展開、邊緣完整(不帶葉柄)的葉片。共采集到了209株、6292份葉片(表1),葉片樣本現場稱重并掃描后置于信封中帶回實驗室。同時,隨機在每個樣方內采集土壤樣品,采用五點交叉取樣法,鉆取5份25cm深的土樣,將其混合后裝入自封袋帶回實驗室進行預處理(去除雜質并于陰涼處自然風干),以測定土壤化學指標。使用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量、使用酸度計測量土壤pH值、土壤硝態氮使用紫外分光光度法測定、土壤銨態氮使用納氏試劑比色法測定、土壤有效磷使用鉬銻抗比色法測定。

1.3 葉片性狀測定

使用電子天平稱取每株個體30片葉片鮮重。每個種群取隨機選取3片葉片,用葉綠素儀 (Koni-ca Minolta SPAD-502Plus)測量其葉綠素含量。然后將所有葉片平鋪于掃描儀(Epson PerfectionV19,分辨率設為300dpi)進行掃描,掃描的葉片圖片用萬深 LA-S葉分析軟件進行批量處理,計算葉面積、葉周長、葉長、葉寬、葉長寬比、葉形狀因子(公式1)[7]。將掃描后的葉片放入80 ℃烘箱,48h后取出,稱其干重,然后結合葉干重和葉面積計算比葉面積(公式2),結合葉片干重和鮮重計算葉干物質含量(公式3)。葉碳含量和葉氮含量采用碳氮元素分析儀測定,葉磷含量采用鉬銻抗比色法測定,最后計算得到碳氮比、碳磷比、氮磷比(表2)。

表2 永瓣藤野生種群葉片功能性狀Table 2 Leaf functional traits of the 11 wild populations of Monimopetalum chinense

(1)

(2)

(3)

1.4 數據分析

將樣點(單一種群)內定義為局域尺度,將整個采樣區域(11個樣點)定義為區域尺度,計算葉片性狀的最大值、最小值、平均值、倍數范圍(最大值除以最小值)和變異系數。對環境因子數據進行正態檢驗,不滿足正態分布數據進行轉換以滿足正態分布和方差齊性。使用Pearson相關系數分析各功能性狀之間、葉功能性狀與環境因子之間的相關性。采用多元逐步回歸分析環境因子對葉片性狀的影響,使用向后逐步法選擇具有最小赤池信息標準(AIC)值的最優模型[30]。數據處理在 R 4.0.5[31]中完成。

2 結果

2.1 葉片性狀變異

葉片功能性狀中,變異倍數范圍從1.03—1.80倍。在局域尺度上,葉片功能性狀變異系數從3.0%—22.5%不等,而在區域尺度上,變異系數從1.1%—15.5%不等。在局域尺度上,變異系數最大的5個性狀分別是:葉面積、比葉面積、葉全磷含量、葉碳氮比、葉碳磷比,其中,葉面積是變異最大的葉片性狀。在區域尺度上, 葉面積仍然是變異程度最大的,其次是葉氮磷比和葉形狀因子,葉碳含量是變異程度最小的性狀。大多數性狀的局域變異系數都大于區域變異系數,除了葉形狀因子以外(表3)。

表3 永瓣藤葉片功能性狀的變異系數Table 3 Leaf traits variation of Monimopetalum chinense

2.2 葉片性狀之間的相關性

葉功能性狀之間的相關分析顯示(圖2),在葉片形態特征方面,葉面積、葉周長、葉長、葉寬之間相互呈顯著正相關,葉片干物質含量與比葉面積顯著負相關,葉形狀因子與葉周長、葉長、葉長寬比顯著負相關。葉生態化學計量特征方面,葉長寬比與葉磷含量、葉碳氮比顯著負相關而與葉碳磷比、葉氮磷比顯著正相關,葉磷含量與葉碳磷比、葉氮磷比顯著負相關,葉氮含量與葉碳氮比顯著負相關,葉碳磷比與葉氮磷比顯著正相關。

2.3 葉片性狀地理格局

葉功能性狀與經緯度以及海拔的相關性分析表明,葉長寬比與緯度呈現顯著負相關,葉形狀因子與緯度呈現顯著正相關(圖3)。其它功能性狀與經緯度以及海拔的關系均不顯著。

圖3 永瓣藤葉片長寬比和葉形態因子的緯度梯度格局Fig.3 Latitudinal patterns of leaf length-width ratio and leaf shape factor of Monimopetalum chinense

2.4 氣候、土壤因子對葉片性狀變異的影響

多元逐步回歸分析結果表明(表4), 年均溫、年降水量、土壤有機質、土壤pH、土壤硝態氮、土壤銨態氮、土壤有效磷對葉片性狀都有明顯的影響。葉長寬比隨著年均溫、年降水量以及土壤硝態氮增加和土壤有機質、土壤pH、土壤有效磷的減小而增加(R2= 0.97,P< 0.01)。葉形狀因子隨著土壤pH和土壤有效磷的增加而變大(R2= 0.85,P<0.001)在單個環境因子中,土壤pH、土壤硝態氮、土壤有效磷、年均溫、年降水量、土壤銨態氮和土壤有機質含量分別能解釋8個、4個、4個、3個、3個、1個、1個葉片功能性狀。葉周長隨著土壤pH和土壤硝態氮的增加而減小(R2= 0.60,P<0.05)。葉長隨著土壤pH和土壤硝態氮的增加而減小(R2= 0.60,P<0.05)。葉氮含量隨著年降水量和土壤硝態氮的增加和年均溫、土壤有機質和土壤pH的減小而增加(R2=0.86,P<0.01)。葉氮磷比隨著年均溫、年降水量的增加與土壤pH、土壤硝態氮、土壤有效磷的降低而變大(R2= 0.84,P<0.05)。

表4 永瓣藤葉片功能性狀與氣候和土壤因子的多元線性回歸模型Table 4 Multiple regression model of leaf functional traits of Monimopetalum chinense varying with climatic and soil factors

3 討論

3.1 葉片性狀的種內變異

永瓣藤葉片功能性狀種內變異不均勻,多數性狀在區域尺度上的變化值小于局域尺度,區域尺度上這與廣泛的環境梯度適應有關[32]。在局域尺度上,永瓣藤15項葉片功能性狀的變異系數范圍在3.0%—22.5%之間,變異倍數范圍在1.03—1.80之間,葉性狀變異的不同幅度反映了植物適應不同環境波動的權衡。葉面積、比葉面積、磷含量、碳氮比和碳磷比的變異程度最高,這些性狀與植物對光、養分、和水資源的競爭密切相關[33—35]。葉面積的變異程度最大,葉片大小直接影響著植物對光的截取和對碳的獲取能力,并且可以通過影響葉片邊界層厚度進而影響葉片溫度調節和蒸騰速率,進而影響葉片熱量和水平衡[10]。在藤本植物中,磷與其它性狀之間連接較多,磷可能在調節多種植物功能方面顯得更為重要,這些性狀上的環境選擇通常會影響整個表型[36]。永瓣藤葉片碳、氮含量的變異程度相對較小,磷含量變異系數相對較大,葉片氮(N)、磷(P)和N∶P比值分別為21.15mg/g、1.08mg/g和20.09。與全球陸生植物葉片N、P含量和N∶P(18.74mg/g 、1.21mg/g 和15.55)[37—39]相比,永瓣藤葉片磷含量相對較低。同時,永瓣藤分布區土壤有效磷含量也偏低(2.76mg/kg),這與謝國文等[40]對永瓣藤的研究結果一致,說明,永瓣藤的生長受到了磷限制。

3.2 葉片性狀之間的相關性

永瓣藤葉干物質含量與比葉面積顯著負相關,即越厚的葉片其干物質含量也越高,這是永瓣藤為了適應炎熱的生長環境[41—42]。永瓣藤葉長寬比與葉磷含量、葉碳氮比顯著負相關。一般認為,葉的寬窄能影響葉的光和面積,同時通過改變葉的周長-面積比,影響葉邊界層的水汽交換[39],葉磷含量調控植物生理過程(特別是生長速率),葉片碳氮比葉片碳含量與生產力之間的關系[43—44]。永瓣藤較長的葉片其葉磷含量較低,葉碳氮比也較低,說明較長葉片的永瓣藤生長速率較低,受到了更嚴重的磷限制。

3.3 葉片性狀對環境因子的響應

植物通過調整葉片邊界層厚度來優化葉肉細胞的溫度,以提高光合作用酶的活性[38],較寬的葉片其邊界層較厚,能減少水汽交換[45],因此,生活在涼爽地區的植物往往具有較小的葉片長寬比(即較寬的葉片),以保持較厚的邊界層和較高的葉片溫度以進行光合作用,而溫暖潮濕的地區,葉片往往具有較大的葉片長寬比(即較長的葉片),以提高植物葉脈的水分輸送能力[10,46]。本研究中,葉長寬比隨著緯度增加顯著減小,葉形態指數隨著緯度增加顯著增加,即葉片隨著緯度增加逐漸變得更寬,更趨近于圓形,這種模式可能反映了植物的熱力學調節與水力限制之間的權衡,以響應跨空間的氣候變化[47]。這一結果印證了全球變暖會增加植物葉長寬比的結論[48]。

多元逐步回歸分析表明(表4),沒有任何單個環境因子可以解釋所有的葉片性狀變異,環境和葉片功能性狀變異之間的關聯比較復雜。25%—97%的葉片性狀變異能由氣候和土壤因子組合解釋,但不包括葉干物質含量,這可能是由于其分布的遺傳適應。在所有的環境因子中,土壤pH、土壤硝態氮、土壤有效磷是解釋度最高的三個,年均溫和年降水量的解釋度次之。這說明永瓣藤葉片性狀變異主要由土壤因子驅動,同時受到氣候因子的影響。先前研究指出,土壤肥力和土壤pH與葉片功能性狀顯著相關[14,48—49]。永瓣藤葉周長、葉長都受到土壤pH與土壤硝態氮的顯著負效應影響,即土壤pH值越低、土壤硝態氮含量越低,葉周長和葉長越大。在物種或群落水平上, 植物葉片氮和磷含量的分布格局一般呈現隨年平均氣溫和降水量的增加而降低的趨勢[50],本研究的結果與此趨勢是一致的,永瓣藤葉片氮含量與磷含量分別受到土壤硝態氮與土壤有效磷的正效應影響,而受到年均溫與年降水量負效應的影響。在溫度和水分充足的情況下,永瓣藤葉片趨向于慢速生長的保守策略。

葉功能性狀是植物策略的良好預測指標。雖然永瓣藤受到了環境的限制,但葉片功能性狀通過與環境因子間的相互作用,利用種內變異和性狀組合,能夠良好適應當前環境因子的變異。

4 結論

本文探討了瀕危植物永瓣藤的葉片功能性狀變異以及對環境因子的響應與適應策略,有助于了解我國亞熱帶低山藤本植物葉片功能性狀的地理格局及其種內變異的環境驅動力。葉片性狀之間的變異程度不同,局域尺度性狀變異值甚至高于區域尺度。葉片面積的變異程度最高。葉片的形態受到緯度梯度的影響,隨著緯度的上升,永瓣藤葉片通過變得寬且圓來增加葉片邊界層厚度,降低葉片水熱散失, 這種模式可能反映了植物的熱力學調節與水力限制之間的權衡,以響應跨空間的氣候變化。永瓣藤葉片磷含量較小,表明永瓣藤的生長受到了磷限制。土壤pH、土壤硝態氮與土壤有效磷是永瓣藤葉片性狀變異的主導因子,年均溫與年降水量也能影響部分葉片性狀變異。本研究在分布區尺度上揭示了永瓣藤葉片性狀的變異情況,并分析了葉片性狀與環境的關系,為保護瀕危植物和藤本植物提供新的見解。