急尖長苞冷杉葉片結(jié)構(gòu)和光合特性對海拔高度的響應(yīng)

李永霞,索郎拉措,楊小林

(西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,西藏 林芝 860000)

葉片是植物進(jìn)化過程中對環(huán)境變化較敏感且可塑性較大的器官,在不同的環(huán)境中形成各種適應(yīng)類型,主要體現(xiàn)在葉片形態(tài)學(xué)及其解剖結(jié)構(gòu)的綜合性狀差異上[1-3],因此了解植物葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)是探索植物對環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ).植物通過葉片進(jìn)行光合作用,把CO2和水轉(zhuǎn)化成儲能的有機(jī)物,為其生長提供物質(zhì)和能量,是植物體內(nèi)最重要的生理活動(dòng)[4].人們通常根據(jù)植物當(dāng)年生葉片最大光合能力(即光飽和條件下的光合速率)來了解植物的生長和估算生產(chǎn)力,因此光合速率在物質(zhì)生產(chǎn)和光合作用研究中受到了廣泛關(guān)注[5-7].近年來,森林光合生理生態(tài)研究中通常用光合作用強(qiáng)度來反映植物的適應(yīng)性[8],高山植物的光合作用強(qiáng)度隨植物種類而變化,導(dǎo)致不同區(qū)域的植被組成與分布格局有所差異.

高海拔地區(qū)生長的高山植物處于低溫、干旱、強(qiáng)輻射、強(qiáng)風(fēng)等不利于生長的惡劣環(huán)境[9],因而在其進(jìn)化過程中形成了特有的生理生態(tài)適應(yīng)機(jī)制[10].一方面,葉片(或針葉)的大小、厚薄、形狀以及氣孔和細(xì)胞的排列等方面均表現(xiàn)出對環(huán)境的適應(yīng)特征;另一方面,光合作用作為植物重要的生理生化過程,會在不同海拔的光照、溫度、水分、CO2濃度等環(huán)境因子的變化下進(jìn)行自我調(diào)節(jié)[11].

高山植物對全球氣候變化的影響反應(yīng)敏感,目前關(guān)于CO2濃度和溫度升高對高山植物光合特性影響的研究多集中在北極及其凍原地帶[12].有關(guān)高山植物葉片結(jié)構(gòu)特征的研究主要集中在草本和灌木上,而對常綠針葉樹種的報(bào)道較少.急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)是藏東南高山林線森林群落的主要建群樹種,也是該區(qū)域陰坡林線的優(yōu)勢樹種[13],集中分布在海拔3 800～4 400 m范圍,林分結(jié)構(gòu)比較簡單,喬木層樹種單一,形成純林.該地區(qū)高山林線在全球范圍內(nèi)海拔最高,林線高度以此為中心向四周降低[14],其中色季拉山海拔4 100～4 400 m為林線區(qū)[15],對環(huán)境變化敏感,具有指示作用.高山植物的光合特性受高海拔地區(qū)綜合環(huán)境的影響,開展其光合特性與環(huán)境因子交互作用響應(yīng)的研究極其重要.本研究測定了不同海拔高度的急尖長苞冷杉的光合作用日進(jìn)程,并對比分析了其葉片形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)的變化,以期從生理水平揭示其環(huán)境適應(yīng)性機(jī)制.

1 研究區(qū)域概況

表1 色季拉山不同海拔的氣候條件及林分特征[15]

Tab.1 Climatic and forest characteristics at different altitudes on Sejila mountain[15]

海拔/m年均溫/ ℃年降水量/mm溫暖指數(shù)/(℃·月)寒冷指數(shù)/℃濕潤指數(shù)/℃林分特征郁閉度樹高/m胸徑/cm樹齡/a3 8003.601 100.017.037.9420.10.817.730.61983 9003.201 080.015.239.6423.60.717.830.21914 0002.101 105.812.246.8437.60.413.620.61844 1001.801 245.311.851.5441.30.211.728.61744 2001.101 286.710.758.8452.30.29.320.81684 3000.541 378.58.464.1458.60.17.626.21434 4000.041 434.26.169.4480.4 9.519.3106

藏東南色季拉山(29°10′～30°15′N,93°12′～95°35′ E)位于喜馬拉雅和念青唐古拉山脈交界處,雅魯藏布江大拐彎西北側(cè),森林資源豐富,為高山生態(tài)系統(tǒng)的典型代表.因垂直地帶和水平地帶的差距,色季拉山從西向東,以山脊為分界線,西北側(cè)寬谷地帶的偏南段為干旱區(qū),東南坡主要為半濕潤區(qū),而峽谷急流下段是半濕潤區(qū)向濕潤區(qū)的過渡帶,氣候類型多樣.色季拉山為典型的亞高山溫帶半濕潤氣候區(qū),冬溫夏涼,干濕季明顯.海拔3 800～4 300 m,年均溫-0.73 ℃,7月最高月均溫9.23 ℃,1月最低月均溫-13.98 ℃.年均日照時(shí)數(shù)1 150.6 h,年均降水量1 134.1 mm,年均蒸發(fā)量544.0 mm.6—9月為雨季,降水量占全年的75%～82%.0 ℃及以上日數(shù)小于120 d,0 ℃及以上積溫小于1 000 ℃.海拔4 400 m以上為高山(高原)寒溫帶,是森林郁閉上限(林線).本研究基地位于海拔3 800～4 400 m的亞高山植被林線區(qū),土壤以酸性棕壤為主[15],是藏東南亞高山和高山帶氣候、地形、植被等垂直帶譜的典型區(qū)域,森林生態(tài)系統(tǒng)基本保持原始狀態(tài),是我國乃至全球自然生態(tài)系統(tǒng)保存較為完整的地區(qū)之一.研究區(qū)域的地理位置見圖1,不同海拔的氣候條件及林分特征見表1.

圖1 藏東南色季拉山研究區(qū)域Fig.1 The study area of Sejila mountain in southeast of Tibet

2 材料與方法

2.1 海拔梯度劃分與采樣

色季拉山海拔3 800～4 400 m為急尖長苞冷杉的主要分布區(qū),按垂直高度100 m高差梯度進(jìn)行劃分,研究區(qū)域分為7個(gè)海拔高度(表1).根據(jù)急尖長苞冷杉種群分布及其群落結(jié)構(gòu)特征[13,15],在各海拔梯度進(jìn)行采樣并分析其葉片結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而選擇海拔3 800 m適生區(qū)與海拔4 300 m林線區(qū)進(jìn)行光合作用分析.外業(yè)測定于2015年5月—2016年5月完成.

2.2 葉片結(jié)構(gòu)特征測定

2.2.1 取材方法

根據(jù)林分特征(表1),選擇樹齡相近、生長良好、無病蟲害的林木作為測定標(biāo)準(zhǔn)木,各海拔高度選3株.在標(biāo)準(zhǔn)木樹冠中部的東西南北4個(gè)方向選擇長勢一致、葉片大小相近的成熟葉片采樣;采回的新鮮葉片用小刀片切成長度0.5～1.0 cm的小段,立即放入甲醛-乙酸-乙醇(FAA)固定液[16]中固定并保存.葉片采集時(shí)間與光合作用指標(biāo)測定時(shí)間一致.

2.2.2 葉片結(jié)構(gòu)分析方法

葉片結(jié)構(gòu)分析采用石蠟切片法[16].FAA固定液中保存的葉片材料按照脫水、透明、浸蠟、包埋、切片、脫蠟、染色、封片等步驟制片,切片厚度4～5 μm,在雙目光學(xué)顯微鏡下觀察拍照,用目鏡測微尺測量分析.各海拔樣品制片數(shù)量30張以上,從中挑選出比較完整的10張進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)的測量,指標(biāo)大小以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示,并分析各指標(biāo)隨海拔高度變化所產(chǎn)生的差異.

2.3 光合作用指標(biāo)測定

選擇6—10月的急尖長苞冷杉生長季,采用美國基因公司的Li-6400便捷式光合儀,在每月中旬選擇晴朗天氣,于全光照下進(jìn)行測定.選擇標(biāo)準(zhǔn)木長勢一致的成熟頂芽的第3和第4片葉片為測定對象.

2.3.1 葉面積測定

將測定時(shí)的葉片摘下,放入自封袋,帶回實(shí)驗(yàn)室;再將其整齊地黏到透明膠上,用美國Li-COR公司的Li-3000C葉面積儀測定面積.

2.3.2 光合日進(jìn)程測定

測定時(shí)間從當(dāng)?shù)貢r(shí)間8:00至20:00(當(dāng)?shù)睾捅本r(shí)間約有2 h的時(shí)差),每隔2 h采集1次數(shù)據(jù),3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)測定3～5次,取平均值.分別計(jì)算葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)[3].

2.3.3 光響應(yīng)曲線測定

在晴朗天氣的上午光照強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)開始測定光響應(yīng)曲線.設(shè)定Ci為400 μmol/mol,光照強(qiáng)度分別為2 000,1 800,1 600,1 400,1 200,1 000,800,600,400,200,100,50,0 μmol/(m2·s),從高到低依次測定各光照強(qiáng)度下的Pn.

2.3.4 光響應(yīng)曲線的擬合

采用葉子飄模型[17]的非直角雙曲線方法進(jìn)行擬合,計(jì)算方程[18]為:

Pn=(aQ+Pmax-

式中,a為初始量子效率,Pmax為最大凈光合速率,Q為光合有效輻射,K為曲角,Rd為暗呼吸速率.在擬合的光響應(yīng)曲線中,Pn=0時(shí)的Q值為光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP);Pn=Pmax時(shí)的Q值為光飽和點(diǎn)(LSP).

2.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 17.0和OriginPro 8.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和圖表繪制,采用Duncan法進(jìn)行不同數(shù)據(jù)組間的差異分析(p<0.05表示差異顯著).

3 結(jié)果與討論

3.1 不同海拔高度急尖長苞冷杉葉片的形態(tài)特征變化

由表2可知，隨著海拔高度的增加，急尖長苞冷杉葉片的長度和寬度減小，厚度增大.

表2 不同海拔高度急尖長苞冷杉葉片的形態(tài)特征

注：不同小寫字母表示各列中差異顯著(p<0.05).

3.2 不同海拔高度急尖長苞冷杉葉片的組織結(jié)構(gòu)變化

各海拔高度急尖長苞冷杉葉片組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)結(jié)果見表3:1) 輸導(dǎo)組織和厚壁組織的厚度變化表現(xiàn)出較大波動(dòng)性,兩者均在海拔4 100 m處最大,分別為(75.17±3.09) μm和(94.90±3.12) μm. 2) 氣孔直徑整體先增大后減小,在4 100 m處最大，為(39.51±2.67) μm;角質(zhì)層厚度與之相反,先減小后增大,在4 100 m處最小,為(38.30±1.21) μm. 3) 上、下表皮厚度在4 100 m以下的海拔高度均逐漸增大;而在4 100 m及以上海拔處,上表皮厚度快速增大,下表皮厚度則緩慢減小. 4) 樹脂道直徑在適生區(qū)3 800 m處最大,為(105.40±1.24) μm,顯著大于其他海拔高度,而在3 800 m以上的海拔高度呈波動(dòng)變化. 5) 維管束厚度先增大后減小,在林線區(qū)4 300 m處達(dá)到最大;而葉肉組織厚度和細(xì)胞間隙則在4 300 m處快速減小.

表3 不同海拔高度急尖長苞冷杉葉片的組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)

Tab.3 Indexes of anatomical measurements of A. georgei var. smithii leaves at different altitudes μm

注：不同小寫字母表示各行中差異顯著(p<0.05).

從上述結(jié)果可以看出,總體上急尖長苞冷杉葉片組織結(jié)構(gòu)在海拔4 100 m處與其他海拔高度差異較顯著,此處是葉片結(jié)構(gòu)多數(shù)指標(biāo)的“拐點(diǎn)”.可能由于4 100 m是藏東南高山林線的生態(tài)過渡帶[15],因此受到強(qiáng)烈的環(huán)境篩選,其機(jī)制尚待進(jìn)一步探索.在適生區(qū)3 800 m處樹脂道直徑顯著大于其他海拔處,暗示急尖長苞冷杉在此獲得的光合作用產(chǎn)物最多,光合能力最強(qiáng).在林線區(qū)4 300 m處維管束厚度顯著增加,可能是低溫影響到葉原基的分化及細(xì)胞的生長[6];與之相反,葉肉組織變薄,而葉肉組織是光合作用的主要部位,可以推測此處急尖長苞冷杉的光合能力降低.

1.角質(zhì)層;2.厚壁組織;3.上皮組織;4.輸導(dǎo)組織;5.維管束;6.下皮組織;7.樹脂道;8.葉肉組織;9.氣孔.圖2 不同海拔高度急尖長苞冷杉葉片的解剖結(jié)構(gòu)Fig.2 Anatomical structure of A. georgei var. smithii leaves at different altitudes

急尖長苞冷杉在適生區(qū)3 800 m與林線區(qū)4 300 m處的代表性葉片解剖結(jié)構(gòu)如圖2所示.兩者比較可見,高海拔處葉片出現(xiàn)扭曲,輸導(dǎo)組織的細(xì)胞壁變厚,且葉肉細(xì)胞排列變緊密.該結(jié)構(gòu)能較好地吸收和保持水分,有助于提高急尖長苞冷杉的抗寒能力.

3.3 不同海拔高度急尖長苞冷杉的光合作用日進(jìn)程變化

3.3.1 適生區(qū)(海拔3 800 m)

在6—9月,適生區(qū)急尖長苞冷杉的光合作用日進(jìn)程變化趨勢基本一致.如圖3(a)所示:早晨8:00時(shí)Pn最小,為1.98 μmol/(m2·s);隨著光照強(qiáng)度和氣溫的增加光合作用逐漸加強(qiáng),10:00時(shí)達(dá)到高峰,值為 5.93 μmol/(m2·s);14:00時(shí)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象;16:00時(shí)又出現(xiàn)次高峰,值為5.01 μmol/(m2·s),之后再下降.6—9月急尖長苞冷杉進(jìn)入速生期,Gs與Tr呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律,日進(jìn)程中Tr最大(10:00)和最小(8:00)分別為5.42和0.71 mmol/(m2·s),Gs最大(10:00)和最小(20:00)分別為0.47和0.19 mol/(m2·s).Ci上午隨光照的增加逐漸減小,主要是由于上午光合作用較強(qiáng),CO2的消耗量增加;16:00時(shí)出現(xiàn)最小值,為345 μmol/mol,隨后又逐漸增大,主要是由于下午光合作用相對減弱,CO2開始累積.

圖3 適生區(qū)(海拔3 800 m)急尖長苞冷杉光合作用主要參數(shù)日進(jìn)程Fig.3 Daily processes of main photosynthetic parameters of A. georgei var. smithii in suitable growing area(alt 3 800 m)

圖3(b)顯示了進(jìn)入10月后急尖長苞冷杉的光合作用日進(jìn)程,與6—9月相比,整體光合能力降低,呈現(xiàn)單峰曲線,Pn于12:00時(shí)達(dá)到高峰(3.65 μmol/(m2·s)),沒有出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,可能與進(jìn)入10月后溫度的降低相關(guān).

3.3.2 林線區(qū)(海拔4 300 m)

在6—10月整個(gè)生長季中,海拔4 300 m林線區(qū)急尖長苞冷杉的光合作用日進(jìn)程變化趨勢表現(xiàn)一致.如圖4所示:從早晨8:00開始,隨著光照強(qiáng)度和氣溫的增加光合作用逐漸增強(qiáng),12:00時(shí)Pn達(dá)到高峰,值為6.35 μmol/(m2·s);呈單峰曲線,沒有出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,與海拔3 800 m適生區(qū)10月的光合作用日進(jìn)程變化趨勢類似.Tr最大(12:00)和最小(8:00)分別為5.23和0.34 mmol/(m2·s),Gs最大(12:00)和最小(20:00)分別為0.45和0.17 mol/(m2·s).Ci在8:00時(shí)最大,后逐漸降低,16:00時(shí)最小,值為280 μmol/mol,后隨氣溫的降低又增大.

圖4 林線區(qū)(海拔4 300 m)急尖長苞冷杉光合作用主要參數(shù)日進(jìn)程Fig.4 Daily processes of main photosynthetic parameters of A. georgei var. smithii in timberline area (alt 4 300 m)

有關(guān)研究表明,在干旱脅迫條件下,植物光合能力的下降主要受兩方面的影響:一是氣孔因素,即由于氣孔關(guān)閉而阻礙CO2進(jìn)入葉片;二是非氣孔因素,即由于得不到CO2的葉片繼續(xù)照光而造成光合器官被光破壞,導(dǎo)致凈光合速率的降低[19].在藏東南林線區(qū),隨著海拔的升高,濕潤指數(shù)與寒冷指數(shù)增大,海拔4 300 m處的寒冷指數(shù)比海拔3 800 m處高出26.2 ℃[15].溫度的降低使葉片控制水分和進(jìn)行氣體交換的能力降低,其蒸騰作用減弱,光合能力下降.劉鴻雁等[8]對中國東部暖溫帶林線附近的白扦(Piceameyeri)、華北落葉松(Larxprincipis-rupprechtii)和太白紅杉(L.chinensis)研究發(fā)現(xiàn),高山喬木的光合作用受光照與氣溫等因素共同作用,在光照較低時(shí)溫度為主要限制因子.與之類似,本研究中適生區(qū)與林線區(qū)急尖長苞冷杉表現(xiàn)出的差異也顯示其光合作用受光照與溫度等因素共同作用,而在林線生態(tài)過渡帶光照較弱時(shí)溫度為主要限制因子,溫度可能是適生區(qū)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象的主要影響因素.

3.4 不同海拔高度急尖長苞冷杉的光響應(yīng)分析

3.4.1 光響應(yīng)曲線

圖5 不同海拔高度急尖長苞冷杉光響應(yīng)擬合曲線Fig.5 Fitted light-response curves of A. georgei var. smithii at different altitudes

光響應(yīng)曲線反映了植物凈光合速率隨光照強(qiáng)度的變化,如圖5所示,兩條曲線的擬合效果均較好.適生區(qū)海拔3 800 m處,隨著光照強(qiáng)度的增加,急尖長苞冷杉的Pn呈增大趨勢，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到1 600 μmol/(m2·s)時(shí),Pn最大,值為5.31 μmol/(m2·s);在林線區(qū)海拔4 300 m處，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到1 600 μmol/(m2·s)時(shí),Pn也達(dá)到峰值，為3.8 μmol/(m2·s).光照強(qiáng)度與Pn存在顯著正相關(guān),在弱光時(shí)Pn變化較快,中間也會出現(xiàn)峰值,當(dāng)達(dá)到LSP時(shí)Pn變化較平緩.

3.4.2 光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)比較

由表4可知,急尖長苞冷杉在海拔3 800與4 300 m處的Pmax和LSP均差異顯著(p<0.05),但LCP差異不顯著.急尖長苞冷杉在適生區(qū)3 800 m LSP高于林線區(qū)4 300 m處,而LCP略低,說明急尖長苞冷杉在林線區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性.

表4 非直角雙曲線模型擬合的急尖長苞冷杉光響應(yīng)曲線參數(shù)

注：不同小寫字母表示各列中差異顯著(p<0.05).

植物的光合生理特性能夠體現(xiàn)植物對環(huán)境的適應(yīng)性[20].隨海拔高度變化,急尖長苞冷杉的光合能力發(fā)生明顯變化,在林線區(qū)其光合作用的適應(yīng)溫度比適生區(qū)低,光合能力差異顯著.相關(guān)研究表明,植物的生長時(shí)間隨海拔的增加而降低,光合作用隨之減弱,海拔較高地區(qū)的植物葉片飽和度和表觀量子需求加大,暗呼吸速度減弱[21-23].急尖長苞冷杉在林線區(qū)表現(xiàn)出LCP略高而LSP較低,暗示強(qiáng)光和弱光均可用于光合作用,且作用時(shí)間較長,沒有太大的光束縛表現(xiàn),因此未出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象.急尖長苞冷杉生長和生理生態(tài)特點(diǎn)受到海拔梯度的影響,且隨著相應(yīng)環(huán)境的變化而變化.

4 結(jié) 論

急尖長苞冷杉葉片形態(tài)隨海拔的升高呈扭曲狀,長、寬逐漸變小,厚度增加.海拔4 100 m進(jìn)入林線生態(tài)過渡帶,多數(shù)葉片組織結(jié)構(gòu)指標(biāo)出現(xiàn)拐點(diǎn),在組織厚度、形狀、氣孔和細(xì)胞排列等方面均表現(xiàn)出對環(huán)境的適應(yīng)特征,反映出急尖長苞冷杉在海拔高、溫度低、光照弱等環(huán)境脅迫下的適應(yīng)對策.

急尖長苞冷杉光合作用日進(jìn)程在海拔3 800 m適生區(qū)6—9月呈雙峰曲線,10:00時(shí)達(dá)到最高峰,14:00時(shí)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象,16:00時(shí)出現(xiàn)次高峰,而10月呈單峰曲線;海拔4 300 m林線區(qū)6—10月均呈單峰曲線,12:00時(shí)達(dá)到最高峰,變化趨勢與適生區(qū)10月類似.在海拔升高、溫度降低、光照減弱等環(huán)境因素的影響下,急尖長苞冷杉保持了較高的光能轉(zhuǎn)化效率,光響應(yīng)曲線呈現(xiàn)出隨光照強(qiáng)度增加而增加的趨勢;在林線區(qū)LSP較低,LCP略高,表現(xiàn)出其對弱光照、低溫環(huán)境的適應(yīng)性.

綜上所述,本研究揭示了急尖長苞冷杉的葉片結(jié)構(gòu)與光合作用日進(jìn)程對海拔高度的適應(yīng)性變化規(guī)律,為探究藏東南高山林線樹種適應(yīng)機(jī)制提供了參考.