小興安嶺3種槭樹不同生長期葉性狀變異及相關性分析

彭仲韜,郭嘉興,王藝璇,王 磊,金光澤,劉志理*

(1.東北林業大學生態研究中心,森林生態系統可持續經營教育部重點實驗室,東北亞生物多樣性研究中心,黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北林業大學林學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

植物功能性狀是植物對各種環境條件和生物相互作用的長期適應后所表現出能通過測量并以數值表示的特征[1-3]。葉片通過光合作用供給植物大部分的干物質來源,此外葉性狀作為植物功能性狀的重要部分,它還對植被特性產生影響[4-6]。環境的不同會導致葉性狀發生巨大變化[7],所以葉性狀的多樣性反映了植物對資源獲取、對各種脅迫所做出應對的多種方式[8]。常見的葉性狀包括比葉面積(specific leaf area, SLA)、葉干物質含量(leaf dry matter content, LDMC)、葉綠素含量(chlorophyll, Chl)和葉厚(leaf thickness, LT)等。比葉面積反映了植物對養分的利用率和截獲光照的能力,因此它被認為是能體現植物資源利用策略和競爭能力的重要參數[9-11];葉干物質含量通常和相對生長速率呈負相關,另外它還與葉片對資源的存儲能力有關[12];葉厚能反映植物在干燥、高光照等惡劣環境中的生存能力[13];葉綠素含量則直接影響植物光合作用潛力[14]。

季節(葉生長期)的變化對植物獲取資源、植物種群的更新等至關重要[15-17],但也要求植物在各種不利條件下充分利用對它們生長有利的各種外界條件[18]。對不同季節的葉性狀進行定量研究有助于更好地解析葉生活史策略[19]。另一方面,因為植物的氣候敏感性使其成為反映氣候變化的重要工具,所以植物生長發育過程(如葉片的生長衰落、開花結果等)的動態變化近年來備受關注[5, 20]。隨著葉片生長,森林內空氣溫度、濕度以及葉片孔隙度等指標會發生明顯改變[21-22]。Basnett等[11]的研究證明隨葉片生長,葉厚顯著增加以支撐逐漸增大的葉片面積;McKown等[23]認為比葉面積隨樹木物候的變化而呈顯著減小趨勢;Croft等[24]的研究表明葉綠素含量從葉片生長期開始時緩慢增長直至葉片生長期中期保持穩定,最后在葉片衰老時迅速下降。但葉性狀通常并非獨立變化,而是存在一定的協調關系[2,6,10]?！叭~經濟譜”第1次比較系統地描述了這種關系:它的一端是高比葉面積和生長速率,低葉干物質含量的“快速投資-收益”型策略,為獲取性策略;另一端則相反,表現為保守性的“緩慢投資-收益型”策略[4, 25]?！叭~經濟譜”的概念被提出后,關于葉性狀間權衡關系方面的研究越發受到重視[3-4, 6],植物通過調整性狀之間的相關關系形成最適合自身的生存策略。Fajardo等[26]認為物候變化不僅會導致葉性狀發生變異,還能影響到性狀之間的協作關系。但關于同屬不同種植物的葉性狀隨葉生長是否表現出相似的變化規律,以及性狀間的關系是否都會受到葉生長期的顯著影響尚不清楚。

花楷槭(Acerukurunduense)、青楷槭(A.tegmentosum)和五角楓(A.pictumsubsp.mono)為槭樹科槭屬落葉闊葉植物,廣泛分布于我國東北地區的闊葉紅松(Pinuskoraiensis)林中,且這3種槭樹總體上呈現混合交錯的分布狀態,生態位并無明顯分化。本研究以小興安嶺內的花楷槭、青楷槭、五角楓作為研究對象,在展葉期(6月初)、葉穩定期(7月中旬)和葉凋落期(9月初)測定比葉面積、葉干物質含量、葉綠素含量和葉厚這4個重要葉性狀,主要研究葉性狀的生長動態及種間差異,探究性狀間的相關性,并檢驗葉生長期對性狀間相關性的影響機制,以期為揭示落葉闊葉植物的葉生活史策略提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

野外調查在黑龍江涼水國家級自然保護區(128°53′20″E,47°10′50″N)進行。該區域以起伏的山地地形為主,最高海拔為707 m;該區屬溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫-0.3 ℃,夏季(6—8月)平均氣溫17.5 ℃;年均降水量676 mm且主要集中在7月,此外該區域12月至翌年4月均被積雪覆蓋;地帶性頂極植被為闊葉紅松混交林[28]。

1.2 樣本采集

于2019年6月,在闊葉紅松林分布區分別隨機選取花楷槭、青楷槭和五角楓長勢良好、胸徑為3～5 cm的樣樹各3株,各樣樹立地的海拔、坡度、坡向相似,以排除地形因子對實驗的影響;不同樣樹之間距離至少10 m,以防止小環境內各樣樹由于生長條件過于相似導致葉性狀差異不明顯。本研究以6月初、7月中旬及9月初分別代表展葉期、葉穩定期和葉凋落期。在每個生長期內,隨機采集每株樣樹不同方位冠層未受到病蟲害影響的完整樣葉60片,即每種槭樹在單個生長期共計采集180片樣葉。將采集的樣葉及時裝入保溫箱,帶回實驗室后即刻進行葉性狀測定。

1.3 葉性狀測定

將每片樣葉表面擦拭干凈,利用精度為0.01 mm的游標卡尺測定葉片的前端、中端和末端(注意避開主葉脈)3個點的葉厚度,取其均值作為該葉片的葉厚(leaf thickness,LT)。利用葉綠素儀(SPAD-502Plus)測定值表征樣葉的葉綠素含量(Chl),獲得樣葉不同位置的測定值2次,精確到0.1%,并取其均值作為該樣葉的葉綠素含量(該過程同樣避開主葉脈)。利用掃描儀(Epson PerfectionV700 Photo,日本)掃描所有樣葉,再結合ImageJ軟件[29]計算每片樣葉的比葉面積(specific leaf area, SLA),精確到0.001 cm2。在黑暗條件下將樣葉置于清水中浸泡24 h后取出。用濾紙把葉表面的水擦凈,利用電子天平(精度為0.000 1 g)稱量葉飽和鮮質量。然后,在75 ℃條件下把樣葉烘干至恒定后獲得葉干質量(精度為0.000 1 g)。通過葉面積和葉干質量的比值獲得比葉面積,通過葉干質量和葉飽和鮮質量的比值獲得葉干物質含量(LDMC)。

1.4 統計分析

采用最小顯著性差異(LSD)法檢驗3種槭樹的葉性狀,以及每種槭樹在不同葉生長期葉性狀之間的差異性。為使數據符合正態分布,分析時對所有數據進行對數轉化。利用嵌套方差分析和方差分解來評估不同因子對葉性狀變異的解釋率。嵌套水平為生長期>樹種>個體。進行各性狀Pearson相關性分析,顯著性水平均設定為P=0.05。對于相關性顯著的性狀組合,利用標準主軸分析法(standardized major axis,SMA)檢驗性狀之間的相關關系是否因樹種和生長期的不同而顯著變化。如果性狀間相關關系的斜率隨生長期不同無明顯變化,則計算其共同斜率,這說明生長期變化對性狀間的相關關系無顯著影響。最后利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)探究不同種槭樹間及不同葉生長期多性狀間的協作關系。統計分析采用R軟件[30],并利用SigmaPlot 14.0和R3.2.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 葉性狀隨生長期的變異

樹種水平上,五角楓的葉干物質含量、葉綠素含量顯著高于青楷槭和花楷槭,花楷槭的葉厚顯著高于其他兩種槭樹,且花楷槭和五角楓比葉面積的差異不顯著,但均顯著高于青楷槭(圖1),葉性狀變異的方差分解見圖2。

不同大寫字母表示不同樹種水平上葉性狀間存在顯著差異(P<0.05),不同小寫字母表示同種槭樹不同生長期的葉性狀間存在顯著差異(P<0.05)。Different uppercase letters meant significant difference among leaf traits of different species at 0.05 level, different lowercase letters meant significant difference among leaf traits of different leaf growth periods for each species at 0.05 level.圖1 不同生長期3種槭樹葉性狀的變異Fig. 1 Violin plots for leaf traits of three Acer species in different growth periods

圖2 葉性狀變異的方差分解Fig. 2 Variance partitioning of leaf traits variations for three Acer species

隨葉生長期的變化,3種槭樹葉穩定期的葉干物質含量顯著高于展葉期和葉凋落期(圖1b),而展葉期的葉厚(LT)顯著高于其余兩個時期(圖1d)?；嗜~穩定期(7月)和葉凋落期(9月)的葉綠素含量與葉厚(圖1c、1d)以及青楷槭葉穩定期和葉凋落期的葉厚差異不顯著(圖1d);五角楓展葉期的比葉面積和葉厚(圖1a、1d),葉穩定期的葉干物質含量和葉綠素含量顯著高于其他兩個時期(圖1b、1c)。3種槭樹在展葉期(6月)的葉干物質含量多集中分布于200 mg/g左右(圖1b),花楷槭和五角楓在展葉期的葉綠素含量集中分布于7.5 SPAD左右(圖1c)。生長期和樹種對4個葉性狀變異的解釋率之和均超過了60%,其中對于葉干物質含量的解釋率之和達到了91%(圖2)。除葉綠素含量受個體間差異影響較大外(Chl為32%),個體對其他3個葉性狀變異的解釋率均小于18%(圖2)。

2.2 葉性狀間的相關性

3個樹種各葉性狀之間均存在顯著或極顯著的相關關系。其中:比葉面積與葉干物質含量、葉綠素含量均存在極顯著負相關關系(相關系數分別為-0.667**、-0.667**,P<0.01),比葉面積與葉厚存在極顯著正相關關系(相關系數為0.515**,P<0.01);葉干物質含量與葉厚存在極顯著負相關關系(相關系數為-0.647**,P<0.01),與葉綠素含量存在極顯著正相關關系(相關系數為0.761**,P<0.01);葉厚與葉綠素含量存在顯著負相關關系(相關系數為-0.421*,P<0.05)。

在樹種水平上,3種槭樹除葉綠素含量和葉厚之間存在共同斜率(-0.964;P=0.452,圖3 a)外,其他葉性狀間相關關系的各斜率之間均差異顯著(P<0.001),即各葉性狀之間的相關關系隨樹種不同而產生變異。其中:比葉面積隨葉厚的變異速度為青楷槭>五角楓>花楷槭(圖3b);比葉面積隨葉干物質含量的變異速度為青楷槭>花楷槭>五角楓(圖3c);比葉面積隨葉綠素含量變異速度為五角楓>青楷槭>花楷槭(圖3d)。3種槭樹的葉干物質含量與葉厚、葉綠素含量之間分別呈極顯著負相關和極顯著或顯著正相關關系,且回歸斜率絕對值均為五角楓>青楷槭>花楷槭(圖3e、3f)。

花楷槭除比葉面積和葉綠素含量之間斜率在3個葉生長期間差異顯著(P<0.001;圖4a1)外,剩余性狀間相關關系的斜率在不同葉生長期間均差異不顯著(P>0.05)。青楷槭除葉厚和葉綠素含量之間的斜率在3個葉生長期間差異不顯著(P>0.05)外(圖4b2),其他性狀間均差異顯著。其中葉干物質含量和葉綠素含量在葉穩定期和葉凋落期表現為正相關,且回歸斜率為葉穩定期>葉凋落期;而在展葉期則表現為負相關(圖4b3)。五角楓葉性狀之間相關關系的斜率在不同生長期均差異顯著(P<0.001),即表現出不同的異速生長關系(圖4c)。其中,比葉面積和葉厚在展葉期和葉穩定期表現為負相關,且回歸斜率的絕對值為展葉期大于葉穩定期,在葉凋落期則表現為正相關(圖4c4)。

P<0.05代表葉性狀間相關關系隨生長期不同發生顯著變化。葉性狀間的顯著關系以回歸線段表示,若性狀間無顯著相關關系,則不顯示該回歸線。P<0.05 means significant difference in trait-trait relationships for different growth periods of three species. The significant relationship among leaf traits are represented by regression segments. If there is no significant relationship between leaf traits, the regression line is not shown.圖4 3種槭樹葉性狀相關關系在不同生長期的變異Fig. 4 Variations for trait-trait relationships between different growth periods of three Acer species

主成分分析的結果表明,不同樹種和葉生長期PC1和PC2合計方差貢獻率分別為86.2%和92.7%(圖5)。葉厚、比葉面積、葉綠素含量和葉干物質含量均與PC1軸有較強的相關性;葉厚和葉綠素含量與PC2軸有較強的相關性,說明4個葉片性狀均可作為葉性狀分化的指標。

圖5 不同樹種及葉生長期葉性狀的主成分分析Fig. 5 Principal component analysis for leaf traits of different species and leaf growth periods

在樹種水平上,不同種槭樹的生存策略存在差異。例如花楷槭表現為高比葉面積、低葉干物質含量和葉綠素含量,傾向于選擇高生長速率的“快速投資-收益”生存策略(圖4a);五角楓則表現為低比葉面積、高葉干物質含量和葉綠素含量,傾向于低生長速率的“緩慢投資-收益”型策略(圖5a)。

在葉生長期水平上,展葉期3種槭樹有較大的比葉面積和較小的葉干物質含量,表現為高生長速率的“快速投資-收益”型(圖5b);而在葉穩定期和葉凋落期表現為較大的葉干物質含量和較小的比葉面積,表現為低生長速率的“緩慢投資-收益”型策略,不同之處在于葉穩定期的葉綠素含量較高(圖5b)。

3 討 論

3.1 葉性狀的變異

1)葉性狀隨生長期的變異。本研究主要分析了3種槭樹葉性狀在不同葉生長階段的變異情況,結果顯示葉性狀隨葉生長期變化均存在顯著差異,但對于同一葉性狀,3種槭樹的變異情況又存在一定相似性,如3種槭樹的葉厚隨葉生長發育均呈減小趨勢,葉干物質含量則均先增加再減小。Basnett等[31]認為某些近緣物種由于受到遺傳因素和分化時間短的限制會表現出相似的性狀特征;Albert等[32]發現隨葉片生長,葉綠素含量顯著增加。這與本研究結果相符,即3種槭樹的葉綠素含量從6月(展葉期)到7月(葉穩定期)均呈顯著增加趨勢,有利于光合作用的進行。相對而言,到了葉凋落期,由于養分再活化過程的進行,氣溫降低和葉片衰老等原因,導致葉綠素含量迅速下降[16]。7月展葉過程基本完成,葉片受到來自其他林木葉片的遮蓋變多而獲得的光照減少,相較在光照充足條件下葉片會變薄[33-34]。這也說明了3種槭樹的葉厚在葉穩定期均顯著降低。在本研究中的展葉期,即6月初,各樹種的比葉面積較大。因此這個時期養料和葉片干物質投資的回報時間較短,葉片生長速率快,有利于展葉的進行[35]。而在炎熱干燥的條件下,植物為減少水分散失更傾向于降低比葉面積[18, 36],所以青楷槭和五角楓在7月的比葉面積顯著減小?；屎臀褰菞鞯谋热~面積在9月(葉凋落期)進一步顯著降低,可能因為這個時期葉片進入衰老階段,水分散失加快,使比葉面積減小[10, 37]。展葉期的葉干物質含量比較低,這是因為幼嫩的葉片含水量更高,能夠滿足展葉階段各種旺盛生理活動對水分的需求[38]。相反,葉干物質含量高的葉片能有效防止其內部的水分擴散至葉片表面,對水分的保留能力增強[39-40];所以3種槭樹在7月(葉穩定期)的葉干物質含量顯著增大。

2)樹種間的葉性狀差異。在樹種水平上,較大的比葉面積往往與葉片更強的捕獲光照能力有關,而花楷槭和五角楓的比葉面積均顯著高于青楷槭,因此在生長環境情況相似的條件下,青楷槭葉片對光照的獲取能力可能弱于其余兩種槭樹。3種槭樹的葉厚也存在顯著差異,花楷槭的葉厚顯著高于青楷槭和五角槭,其葉片有更高的物理強度,對強光的適應能力也增強[12-13, 41]。

3.2 葉性狀間相關性在不同生長期的變化

在自然條件下生長的植物能利用的資源是有限的,因此各葉性狀間存在普遍的權衡關系[1,6, 43]。本研究中各葉性狀之間均存在顯著或極顯著的正相關或負相關關系,如比葉面積和葉干物質含量間存在極顯著負相關關系,這與Wilson等[44]關于英國769個物種的葉性狀相關關系的研究結果一致。這主要源于擁有低比葉面積、高葉干物質含量的植物更容易度過資源匱乏及高溫等不良環境[10, 12]。本研究中比葉面積和葉厚呈顯著正相關關系,這與Qi等[45]的研究結果相反。而田俊霞等[46]關于東北溫帶針闊混交林的研究表明,葉片通過減小比葉面積和增加葉厚來適應強光和干旱的條件。但本研究中3種槭樹在葉穩定期的比葉面積和葉厚均顯著降低,這充分體現出不同種植物為適應環境變化所選擇的生存策略存在較大差異。

朱弘等[47]的研究表明葉性狀的分化會受到遺傳和環境因素的共同影響。3種槭樹生長在近乎相同的環境中,因此不同種槭樹遺傳信息的區別可能是決定葉性狀分化的主要原因,遺傳信息的不同使基因表達產生差異,最終導致不同種槭樹葉性狀的協作關系產生差異,即花楷槭主要傾向于“快速投資-收益”型生存策略而五角楓則偏向“緩慢投資-收益”型策略。不同葉生長期葉性狀分化的原因則可能是遺傳信息的不同和各生長期環境條件的差異所共同決定的。在展葉期,葉片對光照的需求量大,因此它們需要在短時間內形成足夠的葉面積以獲取更多光照[48],大部分能量被用于葉片生長,采取“快速投資-收益”型策略。到葉穩定期,此時葉片相對生長速率很小,葉面積基本無變化,因此在鞏固葉片結構上的投資會增多,以便它們更好地抵抗環境壓力(高溫、風、冰雹等),抵抗病蟲害的能力也進一步增強[12, 49],最終達到延長葉片壽命的目的。具體表現為葉干物質含量、葉綠素含量顯著增加、比葉面積顯著降低,此時植物采取“緩慢投資-收益”型策略。而在9月氣溫開始下降,植物會選擇相對保守的生存策略[1, 50],因此和7月一樣也傾向于“緩慢投資-收益”型策略。

Savage[51]證明了不同季節葉性狀間的相關關系會發生顯著變化,與本研究結果相符。本研究中青楷槭和五角楓的葉干物質含量和葉厚之間的關系在3個生長期均不顯著。造成這種現象的原因一方面在于兩者受到不同的機制驅動,如葉厚與葉肉細胞的大小以及層數有關,并很大程度上受光照強度的影響[13, 33];葉干物質含量則受到植物所處生境水分的限制,因此受到氣孔導度等葉片水力特性的影響更多[41-42],這種相對獨立的關系有助于葉片更好地根據環境變化調整其功能。另一方面在于葉片生長時期變化的時間相對較短,葉性狀能夠變化的范圍比較窄[22]。青楷槭的葉干物質含量與葉綠素含量在6月表現為負相關,而在7月和9月表現為正相關,且7月二者相關關系的斜率更大。這可能因為對青楷槭而言,它的葉片在展葉期的氣孔導度小,蒸騰所散失的水分減少,葉干物質含量保持在較低水平[16, 23]。同時葉綠素卻處于不斷合成的過程,兩者表現為負相關。葉片在7月通過增加葉綠素含量來維持因自身受其他葉片遮蓋所導致的受光面積減小而減弱的光合能力[33],此時葉片基本穩定,相對生長速率較小,且為減少水分散失而保持較高的葉干物質含量[12, 39],兩者呈正相關關系;而在9月,葉片處于即將凋落的時期,植物會減少對葉片的投入以提高資源利用率,葉片中的養分也開始向其他組織轉移[52]。因此葉片不需要維持較高的葉干物質含量,這可能是7月變異速率大于9月的主要原因。Martinez等[48]認為葉片可以通過適應可利用光的變化而做出性狀調整,即葉片的可塑性,它擴大了植物的生態位寬度,提高了它們的生存能力。不同葉生長期,植物經歷了不同的環境和自然選擇壓力,這可以解釋在不同生長期各葉性狀分配模式的改變[7, 53]。例如對于青楷槭和五角楓,雖然它們的比葉面積和葉干物質含量在3個生長期均表現為顯著負相關,但相關關系的斜率在不同生長期之間存在顯著差異。

總之,本研究對不同生長期小興安嶺3種槭樹葉性狀變異和相關性變化的分析結果表明,隨生長期變化,3種槭樹的葉性狀均發生了顯著變化。與此同時,每種槭樹葉性狀間的相關關系隨生長期不同均發生了不同程度的顯著變化。葉性狀及其相關關系在樹種水平上也普遍存在顯著差異。植物在不同生長期可通過葉性狀變異和調整葉性狀間的相關關系從而形成最適合自身的生存策略。這些研究結果有助于解析落葉植物的葉生活史策略。