5個園林綠化樹種的葉片解剖結構與光合生理及抗旱性

邱 毅，張 君，董 鵬*

（1.兵團第八師林業(yè)工作管理站，新疆 石河子 832000；2.新疆農墾科學院）

新疆是典型的干旱缺水地區(qū)，水資源短缺制約著該區(qū)經(jīng)濟、社會發(fā)展和人民生活水平的提高。園林綠化樹種在城市生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用，但其同時也存在自身耗水量大、資源消耗較大等方面的問題[1]。篩選和應用耐旱節(jié)水型園林綠化植物是實現(xiàn)“節(jié)水型園林綠化”的手段[2]。

葉片是植物可塑性較大的器官，并在進化過程中對環(huán)境變化較敏感，葉片結構特征能體現(xiàn)環(huán)境因子對植物的影響或植物本身對環(huán)境的適應[3]。不同植物的葉片解剖結構、表面結構和形態(tài)學結構不同。同種植物葉片結構也會隨環(huán)境因子的改變而改變，表現(xiàn)出有不同的結構適應特征[4]。在葉片形態(tài)解剖結構的研究方面，國內外專家學者進行了廣泛研究，涉及了其對環(huán)境變化的響應，包括解剖結構、光學特性、氣體交換特性以及水分利用狀況等的改變。何春霞[5]等研究表明，小而厚的葉片、柵/海比值高、較厚的角質層、氣孔小而密且下陷等特征，是為了適應水分脅迫而形成的旱生結構。薩仁[4]等研究認為，氣孔指數(shù)和氣孔大小主要受環(huán)境因子的影響，甚至還與植物的不同發(fā)育階段有關，是對環(huán)境條件的反饋。因此，植物的葉片形態(tài)解剖結構特征在一定程度上可以反映植物的抗逆性強弱[6]。

本文擬通過研究5個園林綠化樹種新疆楊（Populus alba）、大葉白蠟（Fraxinus rhynchophylla）、夏 橡 （Quercus robur）、 文 冠 果 （Xanthoceras sorbifolium）和黑核桃（Jugiqn snigra）的葉片解剖結構、光合色素含量、光合作用等，在葉片水平上探討5個樹種的抗旱能力。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017年4～9月在新疆農墾科學院林木種苗基地內進行。種苗基地位于新疆維吾爾自治區(qū)石河子市，屬典型的溫帶大陸性氣候，無霜期為168～170 d。≥0℃的活動積溫為4 023～4 118℃，≥10℃的活動積溫為3 570～3 729℃。

1.2 供試材料

供試苗木均為4年生苗木，分別為新疆楊（Populus alba）、大葉白蠟（Fraxinus rhynchophylla）、夏 橡 （Quercus robur）、 文 冠 果 （Xanthoceras sorbifolium）和黑核桃（Jugiqns nigra），各樹種的具體性質見表1。其中，新疆楊、大葉白蠟和夏橡為新疆鄉(xiāng)土樹種，文冠果和黑核桃是引進樹種。試驗用土壤為普通苗木樹種地土壤。土壤基本理化性質：pH7.6、有機質19.83 g/kg、堿解氮84.6 mg/kg、有效磷35.5 mg/kg、速效鉀 289.6 mg/kg。

1.3 樣品的采集

于2017年7月分別采集5個不同園林樹種的樣本葉片，取樣時間為晴天09：00～11：00（便于觀察氣孔結構）。選擇長勢健壯一致，光照較為均勻的植株，于向陽面中部不同方位采集植物葉片樣本200 g，同時選取長勢一致的3～6個葉片，沿中脈兩側取1.0 cm×0.5 cm大小的面積，立即用FAA（酒精∶福爾馬林∶冰醋酸 =90∶5∶5）固定液封存，用于石蠟制片，采用常規(guī)石蠟切片法[7]。

表1 5個園林樹種的基本情況

表2 5個園林樹種葉片解剖結構的差異

1.4 葉片結構觀察

每個樹種2株重復，每個重復制成永久裝片3張，在Olympus DP72顯微鏡下觀察，并用Motic Image Advanced 3.0軟件測量葉片總厚度 （μm）、上下表皮厚度（μm）、上下角質層厚度（μm）、柵欄組織厚度（μm）和海綿組織厚度（μm）等指標，每個視野重復15次。

葉表面特征采用指甲油印法觀察。用指甲油涂于葉片樣品表面取印記，水封后制成臨時裝片。在Motic Image Advanced 3.0軟件下觀察測量葉片氣孔器密度、氣孔器長度和寬度，每項指標測量15組數(shù)據(jù)，計算平均值。

1.5 測定指標

選擇7月中旬晴朗的天氣，在08：00～20：00用Li-6400型便攜式光合儀（LI-COR Biosciences Inc.，USA）測定，為了防止外界環(huán)境中CO2濃度的變化對試驗測定結果的干擾，可將進氣口與裝有恒定CO2濃度的鋼瓶連接，使鋼瓶中CO2濃度維持穩(wěn)定狀態(tài)，一般保持在（370 ± 10）μmol·mol-1。測定的光合作用生理指標主要包括凈光合速率 （Pn，μmol CO2·m-2·s-1）和蒸騰速率（Tr，mmol·m-2·s-1），每個葉片測定3次，重復4次，取平均值。類胡蘿卜素和葉綠素a和b采用丙酮乙醇浸提法測定 （島津UV-2600型號紫外分光光度計）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和繪圖，并采用SPSS 19.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 5個園林綠化樹種葉片解剖結構的差異性分析

結構是功能的基礎，葉片結構的變化必然會影響到生理功能的變化。葉片表皮角質膜厚度、柵欄組織等是影響水分蒸騰和疏導，氣孔交換的主要結構指標，能夠反應植物對環(huán)境的適應能力。如表2所示，5個綠化樹種葉片上下表皮均由一層細胞組成，排列緊密，上表皮細胞厚度>下表皮厚度，上表皮厚度變化幅度為 15.4～23.4 μm， 下表皮為 11.5～21.8 μm，其中，文冠果樹種的上表皮和下表皮最厚，夏橡的最薄；上表皮角質層和下表皮角質層厚度變化依次為文冠果>新疆楊>大葉白蠟>黑核桃>夏橡；5個樹種葉片的柵欄組織均較為發(fā)達，但不同的樹種其厚度性狀存在一定差異性，其變化幅度為89.3～239.3 μm，其中文冠果柵欄組織厚度為 239.3 μm，與其他樹種呈顯著差異，海綿組織厚度的變化幅度為83.4～151.4 μm，與柵欄組織的厚度趨勢一致。葉片結構緊實度是反映柵欄組織發(fā)育程度的指標，從表2可以看出，文冠果的葉片緊實度最高，為74%，其次是新疆楊66%，最低的是夏橡，僅有48%。

表3 5個園林樹種葉片氣孔差異

表4 5個園林樹種葉片光合色素含量差異

葉片的氣孔是植物控制水分和進行氣體交換的通道，直接影響植物的蒸騰作用。從表3可以看出，5個園林綠化樹種的氣孔主要分布在下表皮，且不同樹種存在一定的差異性，結果顯示，氣孔的長度依次為夏橡>黑核桃>大葉白蠟>新疆楊>文冠果，且氣孔寬度的變化幅度為18.1～31.6 μm，氣孔最寬的是夏橡，為31.6 μm，單位面積內氣孔數(shù)量最多的是夏橡，其次是新疆楊、大葉白蠟和黑核桃，單位面積氣孔最少的是文冠果樹種。

2.2 5個園林樹種葉片光合色素的差異性分析

葉綠素是一類與光合作用有關的最重要的色素。從表4可以看出，5個園林綠化樹種葉片的葉綠素a含量變化范圍為1.12～1.94 mg/g，葉綠素b在0.54～0.74 mg/g，總葉綠素含量文冠果最高，為2.68 mg/g，且類胡蘿卜素的含量趨勢與總葉綠素含量的趨勢一致。5個園林綠化樹種中，文冠果的葉綠素a/b的比值最大，其次是新疆楊，最低的為夏橡樹種。

2.3 5個園林樹種葉片光合作用的差異性分析

光合速率（Photosynthetic rate）是指光合作用固定二氧化碳（或產(chǎn)生氧）的速度。5個園林綠化樹種的凈光合速率在夏季高溫天氣的變化情況如圖1所示，不同樹種凈光合速率依次為文冠果≈新疆楊≈大葉白蠟>黑核桃>夏橡，但新疆楊和大葉白蠟與文冠果相比，凈光合速率略有降低，差異不顯著，而凈光合速率最低的樹種為夏橡，與文冠果差異顯著，降低了33%。

圖1 5個園林樹種葉片凈光合速率

圖2 5個園林樹種葉片蒸騰速率

蒸騰作用能很好的反映植物葉片蒸騰規(guī)律以及蒸騰作用對環(huán)境變化的響應。5個園林綠化樹種的蒸騰速率在夏季天氣的差異性如圖2所示，不同樹種在夏季高溫季節(jié)蒸騰強度有一定的差異性，但其蒸騰強度差異不顯著，夏橡的蒸騰強度最大，為5.43 mmol·m-2·s-1，大葉白蠟的蒸騰速率次之，文冠果和黑核桃蒸騰速率相對較低。

3 討論

不同樹種的植物葉片解剖結構、表面結構和形態(tài)學結構不同。本研究表明，5個園林綠化樹種葉片上下表皮均由一層細胞組成，排列緊密，柵欄組織均較為發(fā)達，其中，文冠果樹種的上表皮和下表皮最厚，夏橡的最薄；上表皮角質層和下表皮角質層厚度排序為文冠果>新疆楊>大葉白蠟>黑核桃>夏橡，氣孔的長度排序為夏橡>黑核桃>大葉白蠟>新疆楊>文冠果。依據(jù)劉濱[8]等對10種灌木葉片的15個形態(tài)結構指標進行觀測分析，表明葉片厚度、上角質層厚度、柵欄組織厚度、氣孔密度、主脈維管束直徑是反映植物抗旱性結構的主要因子，同時這些因子與植物的水分生理指標有著直接的關系，特別是蒸騰作用和耗水量，因此，認為這些指標可以評價植物的抗旱性。另外有研究表明，小而厚的葉片、柵/海比值高、較厚的角質層、氣孔小而密且下陷等葉片形態(tài)特征，是為了適應水分脅迫而形成的旱生結構[9]。因此，本試驗的5個園林綠化樹種葉片表皮角質層排序在一定程度上反應了植物的抗旱性，表現(xiàn)為文冠果抗旱性最強，夏橡最弱。

葉片光合色素含量、光合生理是反映植物體光合能力及對環(huán)境條件適應性的有效指標。鄒天才[10]等對山茶屬的5種植物葉片解剖特征及與光合生理相關性的關系研究中，發(fā)現(xiàn)光合生理指標值差異取決于葉片解剖特征的差異，與本試驗結果相一致，葉片解剖結構的排序在一定程度上決定了葉片光合生理指標，表現(xiàn)為表皮角質層厚、氣孔小的植物蒸騰強度較弱，反之則強，但影響的程度不明顯。

因此，在本試驗條件下，從葉片解剖結構和光合生理指標分析5個園林綠化樹種的抗旱特性，其抗旱排序依次為文冠果>新疆楊>大葉白蠟>黑核桃>夏橡。