生境對紫莖澤蘭葉片外部形態結構的影響

楊楠茜，劉憲斌,2，趙星碩，董 晗

（1玉溪師范學院化學生物與環境學院，云南玉溪 653100；2玉溪師范學院生物與環境工程研究院，云南玉溪 653100）

0 引言

紫莖澤蘭(Ageratina adenophora)為菊科多年生草本或半灌木植物，株高可超過2 m，原產于南美洲的墨西哥至哥斯達黎加一帶，集中分布范圍在北緯37°至南緯35°的熱帶和亞熱帶地區，喜光、喜濕、喜肥、耐旱、耐高溫、耐貧瘠；在原產地有環境控制因子和天敵的抑制而沒有對生態環境產生明顯的破壞，后作為觀賞植物引入歐洲和亞洲國家，造成大面積繁衍，現作為一種世界性有害入侵雜草，對入侵地各種陸地生態系統造成了嚴重影響，已經廣泛分布于世界各地熱帶和亞熱帶30 多個國家和地區，且目前還在世界各地蔓延[1-3]。在20世紀40年代左右，紫莖澤蘭野生種通過野外傳播途徑由緬甸傳入中國云南邊境臨滄地區南部，在當地生態系統生長和繁衍，形成大面積單種群生態系統，并快速向內地北部和東部擴散，云南80%左右面積的土地上都有紫莖澤蘭植株的分布，涉及各類陸地生態系統[4-5]。經過半個多世紀的傳播，現在云南、貴州、四川、重慶、廣西、西藏等地區均有大面積紫莖澤蘭野生種群的分布，且有研究結果顯示入侵中國的紫莖澤蘭植物在核DNA水平上具有豐富的遺傳多樣性，在自然形態結構上表現出了明顯的可塑性和適應性，經過相對較短時間的繁衍和進化就可以形成能夠適應各種不同生態環境的地理種群[1,6]。紫莖澤蘭的種子傳播途徑多，傳播速度快，每年約以20 km的速度隨著西南風向東和向北持續傳播蔓延，給傳播所到地的農、林、畜牧業生產造成了嚴重的經濟損失[1]。

紫莖澤蘭植株適應能力強，生長和繁殖速度快，繁殖方式多樣，除可以依靠強大的根狀莖快速擴散蔓延外，其種子遇到惡劣環境條件能夠以休眠的狀態長久保存在生態系統表層土壤中，待環境條件適宜可快速萌發、生長、繁衍并搶占生存空間，短時間內就可以造成同一生態系統中其他物種生存空間的壓縮[7-8]。作為進行光合作用合成有機物的主要植物器官，紫莖澤蘭植物的葉片生長速度快，外部形態結構對外界自然環境因子的影響表現出明顯的可塑性，其內部植物生理結構可以通過葉片氣孔的調節來調整氣體交換的速度和流量，滿足進行光合作用的適宜條件，這些植物生理特點對其入侵其他生態系統的能力有重要提升作用[9-10]。此外，紫莖澤蘭植物葉片含有抑制同一生態系統其他植物正常生長發芽的化感物質，作為凋落物的葉片經雨水的淋溶仍然可以溶解出此類化感物質，對入侵地的其他植物正常生長產生消極影響[11-12]。由于植物葉片的生理活動和所含化感物質對紫莖澤蘭植株的正常生長和入侵機理具有重要作用，所以國內外相關研究領域和學者對其葉片構造、生理活動和成分的研究項目和成果較多[13-14]。

紫莖澤蘭植物葉片對生，質薄，形狀有菱形、卵形、三角形或菱狀卵形等，葉緣有鋸齒；只有花序下方少數小葉呈不完全生長狀態，沒有葉緣鋸齒[15]。現有的研究結果證明，不同生態環境中的氣候、土壤和水分可以影響紫莖澤蘭葉片的大小，但是對其葉片形狀、葉緣鋸齒以及相關環境影響因子的研究結果還未見報道[16-17]。筆者重點關注紫莖澤蘭植株葉片的形狀和葉緣鋸齒的數目規律，在此前提下調查相應的其他葉片外部形態結構；以光照強度、土壤水分和養分含量及三者相互交叉影響為環境影響因子，選定10 個具有不同環境因子組合的生境，調查各生境中紫莖澤蘭植株葉片的長、寬、長寬比、葉面積、葉緣兩側鋸齒數目和比例，并分析環境因子對植株葉片外部形態結構的影響程度，以期為后期該植物葉片生理活動、內部解剖學特征和人工防治等相關科研領域的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地信息

試驗于2022 年3—7 月在玉溪師范學院校園內（24°20′N，102°33′E，海拔1700～1740 m）進行。玉溪市地處低緯度、高海拔地區，屬于典型的亞熱帶高原季風氣候類型，受到來自印度洋的西南季風、北部灣的溫濕與干燥氣流、復雜地形等綜合因素的影響，具有冬春季節降雨少、夏秋季節降雨集中及垂直氣候分布的特點，局部地區地形與背向和朝向結合形成多樣性氣候變化的特征，氣候立體特征明顯，溫和濕潤[18]。年平均氣溫15.4～24.2℃；6—8 月溫度較高，最高溫度可達為32.2℃；12月—次年1月溫度相對較低，最低為-3℃[19]。一年之中有明顯的干濕季節之分，每年6—11月為濕季，降水量多，占全年降水量的85%左右；12 月—次年5 月為干季，降水量少，占全年降水量的15%左右[20-21]。年平均降水量787.8～1000 mm，多集中于6—10 月，強對流天氣產生的大、暴雨多集中在6—8 月，范圍小、強度大的“單點暴雨”頻繁發生，容易在短時間內形成地面徑流，從而造成水土流失；相對濕度68%～79%，絕對濕度1.36 kPa；年平均蒸發量1801 mm[22-23]。全市范圍內無霜期244～365 d，年平均日照時數2115～2285 h，1—3 月為霜期，偶有降雪天氣出現，但持續時間短，降雪量小[24]。由于玉溪市區域內地形復雜，海拔高度落差較大，受山地垂直氣候帶和植被的影響，通常情況下山區比壩區降雨量大，溫度相對較低，自山頂到谷底，全年和晝夜溫差變化亦較顯著[25]。玉溪師范學院校園內土壤類型為原生土，成土為紅色沙壤土，由泥質巖和碳酸巖發育而成，具有弱酸性、低有機質含量、低土壤微生物含量和低土壤養分含量等明顯特征。

1.2 采樣方法

針對校園內影響紫莖澤蘭植株生長的關鍵環境因子——光照強度、土壤水分和養分含量，在玉溪師范學院校園內選取10個不同生境作為樣品采集地點，即路基（陽）、路基（蔭）、林下、林窗、池塘邊（干）、池塘邊（濕）、田埂、田間、栽培（陽）和栽培（蔭）（表1）。其中，人工栽培紫莖澤蘭植株在玻璃日光溫室內進行，種子繁殖，設置全光照和半遮蔭2 個處理，每個處理設置3個重復。栽培基質采用混合基質（蛭石、草炭和有機土等體積混合）；營養液采用的是改良版霍格蘭營養液配方，盆栽，苗期每2周澆1次營養液，中期每周澆營養液1 次，后期每周澆營養液2 次，其他時間視栽培基質干濕情況澆水[26]。人工溫室內栽培周期為5個月。

表1 10個不同采樣生境的位置和環境特征

在每一個采樣點，選擇長勢良好、高度一致、葉片無破損的植株個體100 株，對每一株進行編號。在所選定的每一株紫莖澤蘭個體的中部隨機挑選一片已經定型且與上下相鄰葉片形狀和面積無明顯差異的葉片進行活體觀察，測定葉片長、寬、面積和葉緣左右兩側鋸齒個數。

1.3 指標測定

葉片長和寬用直尺測定，葉面積用活體葉面積測量儀測定。

1.4 數據分析

數據用Excel 2017 進行前期分析處理和后期作圖，用SPSS 20.0軟件進行統計學單因素方差分析和多因素交叉分析。

2 結果與分析

2.1 葉片長、寬和面積

葉片長、寬和葉面積在10個采樣點之間變化趨勢明顯（圖1），按照從大到小為栽培（蔭）＞田間≈栽培（陽）≈池塘邊（濕）＞田埂≈林窗＞林下＞路基（蔭）≈池塘邊（干）＞路基（陽）。人工半遮蔭栽培條件下的紫莖澤蘭植株葉片最長，長度為(10.85±0.62)cm；葉片基部最寬，寬度為(8.01±0.49) cm；葉面積最大，為(43.55±4.67) cm2；葉片呈暗綠色，葉面與地面平行或向上生長，說明在地下部基質含水量和養分供應充足而光照強度較弱的情況下，紫莖澤蘭植株會通過增加葉片面積和調整葉面與地表的角度等機制，接受更多的光照進行光合作用，合成有機物供植株體生長使用，提高個體競爭力。人工全光照栽培條件下的紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積均顯著小于人工半遮蔭條件下栽培的植株，葉片長度為(8.70±0.52) cm，寬度為(6.54±0.43)cm，葉面積為(28.39±1.31)cm2；葉片呈暗綠色，但葉面前端朝下，尤其是晴天中午、溫室內溫度超過35℃的時候，葉面甚至會與地面垂直，說明溫室內溫度高、光照強的條件下，紫莖澤蘭植株會通過降低葉片面積和調整葉面朝向，減少葉片與太陽光照直接接觸的機會，降低植株體溫度，減少強光和高溫對植株體產生的危害。

圖1 不同生境條件下紫莖澤蘭植株葉片形態結構特征

田間人工耕作條件下紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積均顯著小于人工半遮蔭栽培環境條件下紫莖澤蘭植株葉片的相應指標，但與人工全光照栽培條件下植株葉片的相應指標差異并不明顯，而且田間人工耕作條件下紫莖澤蘭植株的葉片與地面呈直角生長，說明田間人工耕作條件下的施肥和澆水措施完全能夠滿足紫莖澤蘭植株生長對土壤養分的需求，且光照強度是控制其葉片外部形態結構的主要環境因子。田埂上的紫莖澤蘭植株葉片長、寬和面積均顯著小于田間紫莖澤蘭植株葉片的相應指標，葉片長度為(7.93±0.46)cm，寬度為(5.94±0.32)cm，葉面積為(23.49±0.48)cm2；絕大多數葉片發黃，葉片基部與葉柄相連的部位呈現明顯的暗紅色，且葉片與地面呈直角生長，說明土壤水分和養分含量兩者控制紫莖澤蘭植株葉片面積的大小，光照強度控制植株葉片的空間朝向。

池塘邊（濕）采樣點紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積均顯著高于池塘邊（干）采樣點紫莖澤蘭植株葉片的相應指標，葉片長度為(8.34±0.42)cm，寬度為(6.18±0.33)cm，葉面積為(25.71±0.49)cm2；池塘邊（干）采樣點紫莖澤蘭植株葉片長度為(6.14±0.42) cm，寬度為(4.66±0.36) cm，葉面積為(14.23±0.29) cm2；池塘邊（濕）采樣點植株葉片呈鮮綠色，葉面生長方向與地面角度較大；池塘邊（干）采樣點植株葉片呈黃綠色，葉面與地面垂直生長；說明池塘邊（濕）采樣點紫莖澤蘭植株較高土壤水分和養分含量增加了葉片長、寬和葉面積，但全光照條件下使得池塘邊（濕）和池塘邊（干）2個采樣點紫莖澤蘭植株葉面的空間朝向差別不大。

林窗采樣點紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積均介于田埂和林下2個采樣點中紫莖澤蘭植株葉片的相應測定指標，但均沒有達到顯著性差異水平。林窗采樣點中紫莖澤蘭植株葉片長為(7.54±0.38) cm，寬為(5.52±0.28) cm，葉面積為(20.76±0.42) cm2；林窗和林下2 個采樣點紫莖澤蘭植株葉片均呈鮮綠色，葉面與地面呈水平或向上生長，說明2 個采樣點雖然光照強度之間有差異，但是差異程度還沒有大到可以影響紫莖澤蘭植株葉片外部形態結構的程度，或者該森林生態系統還有其他環境因子（如溫度、坡度、生物因子等）對紫莖澤蘭植株葉片外部形態結構起到控制作用。

路基（陽）和路基（蔭）2個采樣點中的紫莖澤蘭植株根系均沒有明顯與土壤接觸，根部養分含量低，石子碎屑保水能力差，唯一顯著的區別就是光照強度。路基（蔭）采樣點紫莖澤蘭植株葉片的長、寬和葉面積均顯著大于路基（陽）采樣點中紫莖澤蘭植株葉片的相應外部形態結構指標，葉片長度為(6.13±0.34)cm，寬度為(4.52±0.27)cm，葉面積為(13.81±0.40)cm2；2個采樣點紫莖澤蘭植株葉片均呈黃綠色，葉片基部葉脈呈暗紅色，葉脈呈淺黃色，與人工栽培條件下紫莖澤蘭植株葉片的相應指標相比，路基（陽）和路基（蔭）2 個采樣點的紫莖澤蘭植株均顯著較低。在半遮蔭、充足水分和養分的人工（蔭）采樣點中，紫莖澤蘭葉長、葉寬和葉面積均達到10 個采樣點中的最大值，說明半遮蔭、充足水分和養分的環境因子組合最適合紫莖澤蘭種群葉片的生長，即光照、土壤水分和養分含量的交互作用對紫莖澤蘭植株葉片外部形態結構有影響，且在統計學上表現為顯著（圖1）。

雖然紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積在10個采樣點之間差異明顯，但葉片長和寬的比例相對固定，統計學分析沒有顯著差異，比例值為1.35左右，說明外部環境條件只能改變紫莖澤蘭植株葉片的面積和空間朝向，但不能影響其形狀。

2.2 葉緣鋸齒

在10個采樣點中，所有紫莖澤蘭葉片左右兩側葉緣鋸齒數差異不顯著，為12 個左右；葉片兩側鋸齒數比例為1.00左右；說明光照強度、土壤水分和養分含量不能改變紫莖澤蘭葉片的葉緣鋸齒數（圖2）。

2.3 環境因子分析

環境因子光照強度、土壤水分和養分含量以及三者相互交叉作用可以顯著影響紫莖澤蘭植株葉片的長、寬和葉面積（表2），且影響水平均達到極顯著(P＜0.001)；但對于葉片長寬比、葉緣兩側鋸齒數目和比例沒有明顯影響；說明環境因子光照強度、土壤水分和養分含量以及三者相互交叉作用可以影響紫莖澤蘭植株葉片的大小，但不能改變葉片形狀和葉緣鋸齒數目。

3 結論

（1）不同生境中的光照強度、土壤水分和養分含量以及三者之間的相互交叉組合可以顯著影響紫莖澤蘭植株葉片的長、寬和葉面積，但對葉片的長寬比、葉緣兩側鋸齒數目及比例沒有顯著影響。本研究所選擇的10個采樣點中紫莖澤蘭植株葉片的長、寬和葉片面積從大到小依次為栽培（蔭）＞田間≈栽培（陽）≈池塘邊（濕）＞田埂≈林窗＞林下＞路基（蔭）≈池塘邊（干）＞路基（陽），說明自然環境條件下雖然紫莖澤蘭植物分布廣泛，對各種環境因子的適應性較強，但整個生長過程還是會受各種環境因子的制約。

（2）本研究中，光照強度、土壤水分和養分含量對紫莖澤蘭植株葉片長、寬和葉面積影響的研究結果與前人相符，說明所測定的試驗數據和相關研究結果可信。在同一個面積相對較小的范圍內觀察10 個不同生境條件下紫莖澤蘭植株葉片的外部形態結構，對比各生境中紫莖澤蘭植株葉片的長寬比、葉緣兩側鋸齒數目及比例，探討不同種類環境因子及其交叉組合對紫莖澤蘭植株葉片外部形態結構的影響，國內外相關研究成果并不多。本研究成果對后期研究紫莖澤蘭植株的個體生態學、群落的植物生理特性、生活生長習性和入侵繁衍機制有很好的提示作用，可為紫莖澤蘭葉片的化感作用和控制紫莖澤蘭植株的持續入侵等相關科研活動提供研究思路。

（3）本研究采用的是活體測定法，測定過程中并沒有破壞性的采集紫莖澤蘭植株葉片進行內部組織結構解剖觀察、烘干稱重和成分分析等研究，同期試驗小組成員也在測定紫莖澤蘭植株不同部位葉片養分積累規律。考慮到植物葉片形態指標較多，包括葉片厚度、葉柄長度、葉面和葉背氣孔數量等，而且每一項指標均有其特定的植物生理特性和生態學作用，從一個植物器官外部形態結構的全面性角度考慮，本項目的研究結果只包含了部分葉片外部形態結構指標，試驗結果難免有一定的局限性。

4 討論

按照控制因子屬性和影響因素來源的不同，控制和影響植物葉片外部形態結構的因子主要可以分為植物體內部基因、植物體生長外部環境2類[27-28]。從植物體內部基因調控角度分析，植物體可以通過各種生理活動控制細胞內相應遺傳基因的表達，調整和控制植物體器官的外部表現，例如根系構造、莖稈抗病性、葉片形狀和顏色、花芽分化、花瓣顏色和性狀、種皮花紋和種子結構等。有研究表明，與野生型處理試驗結果相比，接種過哈茨木霉qid74基因轉化體的黃瓜和番茄植株個體比未接種過該基因的同種植物根系側根數量明顯增多、長度明顯變長、生物量顯著增大，而接種過qid74基因表達體突變植株的黃瓜和番茄植株個體側根長度則明顯變短，給植物個體的地上部和地下部生長造成消極影響[29]。在‘Arina’和‘Forno’重組自交系群體中，由冬小麥品種‘Arina’植物體細胞提供的sun-5BL基因使試驗植物個體小麥稈銹病嚴重程度降低了12%～15%，且植物體整體生長狀態良好[30]。在植物莖尖分生組織中葉片開始進行細胞增殖和葉原基發育的同時，CLAVATA1、CLAVATA3、WUSCHEL、KNOTTED1和PHANTASTICA等基因就通過調節植物體激素水平梯度和運輸過程，進行相應的基因表達，在植物葉片后續的形狀形成過程中開始發揮重要作用[31]。從植物體生長外部環境影響因子角度分析，植物體生長外部環境因子（如地形、氣候、土壤、生物等）能夠通過增強或減弱植物體營養生長量影響植物體器官的外觀表現，如植物器官的生長量、莖稈的粗細和葉片的大小等。在3 種土壤肥力水平（高水分+高肥力、高水分+低肥力、低水分+低肥力）和2種光照強度處理（100%全日照強度、20%全日照強度）的交叉試驗中，北方紅櫟(Quercus rubra)和黃楊(Liriodenron tulipifera)2個樹種地上部植物器官生長量與地下部根系生物量之間有顯著差異；且在高光照+高水分+高營養的試驗處理中，黃楊地上部葉片和莖的質量、地下部根系的質量和吸收水分和養分的表面積均比北方紅櫟大[32]。單就植物葉片的形態結構分析，小型葉片能夠顯著降低植物葉片對陽光的吸收和植物蒸騰速率，用以保護植物葉片免受強光照和水分損失的危害[33-34]。大型葉片由于受熱面大，吸收的陽光多，相對葉片氣孔數量多，蒸騰量大，在高溫干旱的地區或季節容易使葉片萎蔫，甚至死亡，所以全球生態系統中熱帶雨林中的植物葉片面積相對較大[35-36]。即使對于同一種植物，分布在同一地區的不同垂直海拔高度地帶之間，或分布在同一垂直海拔高度地帶的不同分布地區之間，隨著植物生長環境中各種影響因子的改變，其葉片面積也會發生明顯變化，以便適應所生長的環境。例如，黃背櫟(Quercus guyavifolia) 和多型鐵心木(Metrosideros polymorpha)2個樹種在高海拔地區減少植物葉面積以適應相對寒冷的氣候和貧瘠的土壤環境條件[37-38]，油棕(Elaeis guineensis)和淫羊藿(Epimedium brevicornu)2種植物的葉片外部形態和內部生理解剖結構特征在不同省份和區縣之間產生變異，以適應不同的人工栽培方式方法和規格要求[39-40]。

由本研究結果可以明顯看出，在10個生境中不同環境條件下，紫莖澤蘭植株葉片的長、寬和葉面積在人工半遮蔭條件下達到最大值，說明：（1）高肥力+高水分+弱光照環境條件比較適合紫莖澤蘭葉片外部形態結構的構成和葉片的生長；（2）強光照不僅會減小紫莖澤蘭植株葉片面積，還會改變其空間朝向和位置，以便降低強光照對植株葉片的危害，這也可能是紫莖澤蘭植株在強光照環境條件下的一種自我保護機制；（3）作為外來入侵物種，雖然紫莖澤蘭對各種惡劣環境條件的適應性很強，但是絕大多數野外自然條件下，紫莖澤蘭植株的生長還是會受到光照強度、土壤水分和養分含量等環境條件的抑制，生長情況并沒有達到最佳狀態。不過在10個生境中，強光照+低水分+寡營養的路基處紫莖澤蘭植株可以勉強存活，足以說明其生命力的頑強。而對于10 個生境中紫莖澤蘭植株葉片長寬比例、葉緣左右側的鋸齒數目和比例等數據差異較小，可能是這些葉片外部形態特征是由紫莖澤蘭植物體內某些特定基因控制。此外，玉溪地區屬于低緯度、高海拔地區，紫外線較強，對不同生境間光照強度對比的結果顯著性也有影響。

從光合作用有機物的形成和積累角度考慮，紫莖澤蘭葉片的外部形態結構和生長狀況直接影響了其植物體有機物的積累、營養生長的量和后期向生殖生長的轉化，且其植物葉片提取液中的提取物對其他植物的化感和抑制作用還在不斷的發現過程中，可以說，研究紫莖澤蘭植物葉片的外部形態結構、內部器官構造和化學物質組成對研究其植物生理過程和防治其入侵蔓延等工作具有重要意義[2,11-12]。本研究從玉溪師范學院校園內各種小生態環境入手，圍繞光照強度、土壤水分和養分含量等環境因子，挑選10個具有代表性的生境，觀察紫莖澤蘭植株葉片的外部形態結構特征，發現各生境中控制紫莖澤蘭植株葉片外部形態結構的關鍵環境因子，為后期研究紫莖澤蘭植株葉片的內部生理解剖結構和葉片提取物的化感作用奠定工作基礎，并為紫莖澤蘭植物群落內部生態結構功能和特性等研究工作提供理論依據。