大青山陽坡五種灌木葉片解剖結構及其抗旱性研究

王樹森, 孟凡旭, 趙波, 閆潔, 程冀文,馬迎梅, 郭宇, 何英志, 鐵英, 張波

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院, 內蒙古自治區風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室, 荒漠生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室, 呼和浩特 010018; 2.億利資源集團, 北京 100031; 3.內蒙古農業大學草原與資源環境學院, 呼和浩特 010018; 4.內蒙古和盛生態育林有限公司, 呼和浩特 011517;5.內蒙古和盛生態科技研究院有限公司, 呼和浩特 011517)

干旱是抑制植物生長和恢復的環境因素之一[1]，不僅影響植物各營養器官的形態特征，而且影響植物生長的生理特征。干旱環境下植物經過長期自然選擇，形成豐富的耐旱形態解剖結構。葉片的解剖結構特征是反映植物對干旱生境適應能力的一個非常重要的方面，是樹木抗旱性綜合評定必不可少的一部分。

在適應外界環境過程中，葉片是植物暴露在地面環境中最多的器官，是高等植物進行光合作用的重要器官，對環境因子的變化非常敏感，具有較大的變異性和可塑性[2-3]，其結構和特征最能體現環境因子對植物的影響或植物對環境的適應性[4-5]。植物抗旱性表現為葉面積明顯縮小[6-7]或葉片表皮密被各種表皮毛[8]。植物葉片抗旱性解剖結構表現為細胞體積減小、單位面積的氣孔數目增加、柵欄組織更加發達、海綿組織較不發達[9]，表皮厚度對水分蒸發有著重要影響[10-11]。葉片厚度、角質層厚度和木質部面積是影響植物水分保存的重要結構，柵欄組織與海綿組織影響著植物的光合作用[12]。植物葉脈表現為具有比較密集的維管束，且維管組織發達以增強植物的疏導能力和支撐能力；另外，主脈寬度決定著植物水分輸送，增加葉片主脈厚度、導管直徑以及導管密度，提高疏導水分的能力，從而提高植物對干旱的抵御和適應能力[13]。

對比單個植物不同時段解剖結構的抗旱性往往存在差異性[4]，同時開展多個植物間抗旱結構的差異性對比及多指標綜合分析植物抗旱性，不僅能夠反映該地區群體植物抗旱性，而且是避免這種差異性的重要方式。因此，本研究通過對內蒙古大青山陽坡5種灌木葉片形態解剖結構進行對比研究，從葉片的結構特征角度對樹種的抗旱性、生態適應性進行系統研究和評價，并采用隸屬函數法對各植物的抗旱性進行分析，以期為研究大青山陽坡植物的抗旱機制提供解剖學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

大青山位于內蒙古自治區中部包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市一線以北。地勢西高東低，北緩南陡，東西長300 km，南北寬約40 km。該區屬典型中溫帶半干旱大陸性季風氣候，主要氣候特點是冬季寒冷且持續時間長，夏季溫熱且持續時間短，春季干旱且大風天氣出現頻繁，秋季日光充足。年降水量在350～500 mm之間，主要集中在7、8月份。蒸發量是降水量的4倍左右[14]。大青山的土壤成垂直帶譜分布，從下到上為山地栗鈣土-山地典型棕褐土-山地淋溶褐土-山地草甸土。大青山的森林覆蓋率大，有喬木12科40種、灌木22科87種、草本65科731種。

1.2 試驗及檢測方法

試驗材料于2017年7月采集于內蒙古大青山陽坡(東經110°46′～111°28′，北緯40°42′～40°56′)，選取虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)、柄扁桃(Prunuspedunculate)、小葉鼠李(Rhamnusparvifolia)、灌木鐵線蓮(Clematisfruticosa)5種灌木樹種。每種植物選取長勢相近的3株，每株取樹冠中上部南向生長正常且無病蟲害的植株葉片20片，分別切取包含主脈0.25 cm2(0.5 cm×0.5 cm)小塊，蒸餾水清洗，FAA 固定、乙醇梯度脫水、二甲苯透明、石蠟包埋、切片、烘干、脫蠟、梯度復水、染色封片[15-16]。每種植物選取5個各形態指標保存較好的切片在MOTICEB-81BF光學顯微鏡(廈門麥克奧迪銷售有限公司)數碼顯微拍照。用Motic Images Plus 2.0(廈門麥克奧迪銷售有限公司)測定植物葉片厚度、角質層厚度、上表皮厚度、上表皮細胞長和寬、下表皮厚度、下表皮細胞長和寬、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵海比、葉片組織結構緊密度、葉片組織結構疏松度13個指標數值，所有數據均為每個切片中5個視野的平均值，5次重復。

柵海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

葉片組織結構緊密度(CTR)=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%

葉片組織結構疏松度(SR)=海綿組織厚度/葉片厚度×100%

1.3 數據處理

數據均采用Microsoft excel 2007進行整理和分析。并利用模糊數學隸屬函數值法[17]對大青山陽坡5種灌木抗旱性強弱進行比較，當指標與抗旱性成正相關時，隸屬函數公式如式(1)；當指標與抗旱性成負相關時，隸屬函數公式為式(2)。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中,U(Xi)為某樹種某一耐旱指標的隸屬函數值，Xi為該項抗旱指標值，Xmax和Xmin分別為5個樹種間該項抗旱指標的最大值和最小值。

2 結果與分析

2.1 五種灌木葉片厚度和表皮厚度

葉片厚度在一定程度上能反應出植物對環境的適應性，葉片越厚貯藏水分能力越強[18]。由表1可知，灌木鐵線蓮的葉片厚度最大，為319.30 μm，虎榛子、小葉鼠李、柄扁桃、黃刺玫的葉片厚度分別為灌木鐵線蓮的71.10%、68.25%、64.27%、42.08%。發達的角質層可以減少葉片的蒸騰作用，減少葉片水分的流失，角質層還可以反射強光[4]。5種植物角質層厚度小葉鼠李最大，為5.06 μm，灌木鐵線蓮、柄扁桃、黃刺玫、虎榛子分別是小葉鼠李的93.87%、79.64%、65.22%、27.67%。5種植物的上下表皮均由一層表皮細胞構成，細胞之間排列都很緊密，上表皮厚度最大為柄扁桃，數值為28.11 μm，灌木鐵線蓮、虎榛子、小葉鼠李、黃刺玫分別是柄扁桃的92.89%、89.93%、61.65%、54.11%。下表皮厚度最大為虎榛子數值為21.48 μm，灌木鐵線蓮、柄扁桃、黃刺玫、小葉鼠李分別是虎榛子的98.56%、80.73%、67.69%、64.53%。

表1 5種灌木葉片保護組織厚度Table 1 Thickness of protective tissues in 5 shrubs leaves μm

2.2 五種灌木葉片葉肉組織結構

5種植物的葉肉組織均由柵欄組織和海綿組織構成，由表2可知，灌木鐵線蓮的柵欄組織厚度最大，為83.70 μm，小葉鼠李、虎榛子、柄扁桃、黃刺玫分別為灌木鐵線蓮的95.94%、81.35%、75.32%、45.48%；海綿組織厚度小葉鼠李最大，為128.73 μm，灌木鐵線蓮、虎榛子、柄扁桃、黃刺玫分別是小葉鼠李的97.50%、78.14%、57.75%、35.73%。柵海比是評價植物抗旱性的重要指標之一，柵海比越大，則說明植物抗旱性越好[11]。柵海比最大的是黃刺玫，數值為1.06 μm，柄扁桃、虎榛子、小葉鼠李、灌木鐵線蓮，分別是黃刺玫的81.13%、64.15%、56.60%、52.83%。葉片組織結構緊密度和疏松度表示葉片柵欄組織、海綿組織相對于葉片厚度的重要指標，對抗旱性也有重要的意義，葉片組織結構緊密度越大，柵欄組織占整體葉片厚度的百分比就越大，抗旱性越強；葉片組織結構疏松度越小，表明海綿組織整體葉片厚度的百分比越小，同樣也表現出優越的抗旱性[19]。葉片組織結構緊密度最大為柄扁桃，值為30.97%，虎榛子、黃刺玫、小葉鼠李、灌木鐵線蓮，分別是柄扁桃的97.09%、95.22%、92.15%、85.15%。葉片組織結構疏松度最大為小葉鼠李，為47.38%，虎榛子、灌木鐵線蓮、柄扁桃、黃刺玫分別為小葉鼠李的93.7%、82.8%、76.92%、65.62%。總體來看，黃刺玫的海綿組織厚度和葉片組織結構疏松度最低，而柵海比最高，表現出優異的抗旱特性。

表2 5種灌木葉片葉肉組織解剖結構特征Table 2 Anatomical features of mesophyll of 5 shrubs leaves

2.3 五種灌木葉片維管組織

發達的主脈具有良好的水分、養分輸送功能和保水，貯水作用，主脈越厚植物抗旱性越強[10]。由表3可知，主脈寬度最大為虎榛子，為244.58 μm，小葉鼠李、黃刺玫、柄扁桃、灌木鐵線蓮分別是虎榛子的68.27%、52.99%、41.92%、29.99%。導管越寬輸導水分的能力就會越好，植物對干旱的抵抗和適應能力越強[17]。導管孔徑最大為灌木鐵線蓮，為9.66 μm，小葉鼠李、虎榛子、黃刺玫、柄扁桃分別是灌木鐵線蓮的95.65%、73.40%、62.53%、57.87%。韌皮部面積黃刺玫最大，值為2 063.30 μm2，小葉鼠李、虎榛子、灌木鐵線蓮、柄扁桃分別是黃刺玫的93.41%、76.86%、34.74%、9.26%。木質部面積最大為虎榛子，值為3 662.03 μm2，柄扁桃、黃刺玫、小葉鼠李、灌木鐵線蓮分別是虎榛子的37.88%、30.19%、18.22%、8.88%。由以上分析可知，虎榛子在主脈寬度和木質部面積方面表現突出，而灌木鐵線蓮、小葉鼠李導管孔徑較大，表明3種植物輸水效率較高。

2.4 五種植物抗旱性綜合評價

綜合楊小玉[17]和潘昕等[18]的研究發現葉片厚度、角質層厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈寬度、木質部面積6個指標常被用于植物抗旱性評價。其中，葉片厚度越厚，植物葉片的儲水能力越強，抗旱性也就越強；5種植物中灌木鐵線

表3 5種灌木葉片維管組織解剖結構特征Table 3 Anatomical features of leaf vascular tissues of 5 shrubs

蓮的葉片厚度值最高，為319.30 μm，與其他4種植物存在顯著差異，說明灌木鐵線蓮葉片的蓄水能力要遠大于另外4種植物。角質層越厚，角質層阻止葉片的蒸騰作用越明顯，葉片水分流失變慢；小葉鼠李角質層厚度為5.06 μm，在4種植物中阻止蒸騰的作用最強。柵欄組織越厚，植物水分的蒸騰作用會減慢，而光合作用會加強；灌木鐵線蓮柵欄組織厚度達到83.70 μm，較厚的柵欄組織可以使灌木鐵線蓮具有較強的光合作用。海綿組織越厚，抗旱性越差；而小葉鼠李海綿組織較厚，值為128.73 μm，在此方面表現較差。主脈越寬，植物越容易進行養分輸送和保水；各植物中虎榛子主脈寬度可達244.58 μm，輸水保水能力最強。木質部面積越大，植物的保水能力越強；虎榛子木質部面積最大，值為3 662.03 μm2。進一步說明其具有較好的保水能力。綜上可知，5種灌木的各項指標排序的變化不是一致的，這反映了植物對干旱脅迫的多種適應途徑。因此，選取試驗過程中所測定的5種灌木的6個抗旱指標，運用隸屬函數值法對5種灌木進行抗旱性綜合評價，以反映每個物種的綜合抗旱能力。

根據表4評價結果可知：5種灌木的抗旱能力由強到弱依次為：虎榛子(0.64)>灌木鐵線蓮(0.56)>小葉鼠李(0.51)>柄扁桃(0.46)>黃刺玫(0.36)。根據分析結果可知，從葉片解剖結構方面比較 5種灌木中虎榛子的抗旱性最強，黃刺玫最弱。

表4 5種灌木葉片隸屬函數值Table 4 Values of membership functions of 5 shrubs leaves

3 討論

大青山陽坡干旱少雨，蒸發量大。坡面的植物已經適應這種干旱脅迫的環境，形成了抵抗干旱脅迫的形態及生理特征。葉片是植物暴露在地面環境中最多的器官，也是植物進化中對環境變化敏感性與可塑性較大的器官，其結構特征最能體現出植物對環境變化的適應性[19-20]，因此，解析葉片的解剖結構特征是綜合評價樹木抗旱性必不可少的一部分[21]。本研究發現，5種灌木葉片形態具有相似的旱生結構。灌木鐵線蓮的葉片厚度和小葉鼠李的角質層厚度均高于其他植物，兩種植物在此方面抗旱性表現優異。葉片厚度增加利于減少葉片蒸騰面積以提高抗旱性。李春陽等[22]也研究得出旱生植物具有機械組織較為發達、表皮往往有多層細胞等特征以減少水分散失的結論。

干旱地區植物葉片上表皮厚度、下表皮厚度與其他降雨量相對較大地區相比[10-11,23]有明顯變厚的現象。本研究發現黃刺玫的海綿組織厚度和葉片組織結構疏松度最低，而柵海比最高，表現出優異的抗旱特性。但是，在使用隸屬函數對葉片抗旱性綜合評價中發現，黃刺玫在所研究的5種灌木中，抗旱性能最差，這說明大青山陽坡地區主要灌木樹種均有一定的抗旱性結構，而黃刺玫的抗旱性結構僅表現在較薄的海綿組織厚度上。薛智德等[9]和王勝琪[12]在對延安燕溝黃刺玫葉片解剖結構進行分析時，發現黃刺玫的上表皮和下表皮厚度與本研究結果相似，而海綿組織厚度明顯大于本研究結果。通過查閱文獻發現，該地區多年平均降水量為563.5 mm，略大于大青山陽坡地區，這說明不同降雨條件下黃刺玫葉片表皮厚度的變化不是很明顯，黃刺玫是通過減少海綿組織的厚度來達到增強抗旱性能的。

柵欄組織、主脈發達[11,13,24]，光合作用強，水分與養分輸送能力強，有利于適應干旱環境[22]。5種植物的維管組織比較發現虎榛子在主脈寬度和木質部面積方面表現突出，而灌木鐵線蓮、小葉鼠李導管孔徑較大，表明3種植物通過提高維管組織輸水效率而表現出較強的抗旱性。王怡[8]對青海地區虎榛子葉片解剖結構研究發現其角質層要略大于本研究的結果，而上表皮、下表皮厚度小于本研究結果，說明可能由于青海地區特殊的地理環境，虎榛子葉片表皮結構抗旱性更強。王勝琪[12]在對黃土高原鄉土樹種葉片抗旱性形態及解剖結構特征的研究中發現虎榛子的薄壁細胞排列成2～3層，周圍與柵欄細胞緊密連接。而在本研究中發現，大青山陽坡地區虎榛子薄壁細胞為一層，并且薄壁細胞排列緊密。表明由于黃土高原地區降雨量少土質差，導致虎榛子抗旱性更為優異。田英等[11]在研究西北地區灌木的抗旱性時，發現柄扁桃的葉肉組織主要由柵欄組織構成，柵欄組織厚約71.56 μm，占葉片厚度的50.86%，海綿組織所占比例很小。與本研究結果(柵欄組織占葉片厚度的30.97%、海綿組織占葉片厚度的36.47%)有差距，說明該地區的柄扁桃相較于大青山地區柄扁桃在葉片組織結構方面抗旱性更強。但是，西北地區柄扁桃的上下表皮厚度明顯小于本研究結果，這也說明不同地區同一物種對干旱的適應方式也是多樣的；同時，在分析植物的旱生結構時，不能只根據某一個或少數幾個指標來評判，而應對多個指標進行綜合考慮和分析。本研究根據隸屬函數值得出5種植物抗旱性排序為：虎榛子>灌木鐵線蓮>小葉鼠李>柄扁桃>黃刺玫。研究結果為研究大青山陽坡植物的抗旱機制提供解剖學依據。