潮汐對秋茄葉表型塑造及葉經濟譜的影響*

黃貝佳 朱 靜 何晨陽 李偉煌 陳志為 樊 月 洪 滔

(福建農林大學林學院 福州 350002)

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸灘涂的唯一木本植物群落(王文卿等， 2007)，被認為是世界上最具生產力的生態系統之一(朱耀軍等， 2016)。在紅樹植物中，秋茄(Kandeliaobovata)適應性強，其葉片碳氮含量(王文卿等， 2001)、光合能力(Kaoetal.， 2004)、活性氧代謝(雍石泉等， 2011)等指標均高于其他紅樹植物種，是最為耐寒的紅樹樹種(陳鷺真等， 2010)，也是我國向北引種至浙江的唯一紅樹樹種(陳鷺真等， 2017)，已成為我國東南沿海省份海岸防護林主要建群種，在我國海岸防護及岸線生態修復中起重要作用。

紅樹林與潮汐之間的主要交互集中于海水浸泡的高度與時間2個因素(劉亮等， 2012)。隨著全球氣候變化，海平面上升導致滿潮線逐年提高，秋茄受淹高度及時間增加，對秋茄防護林的生存狀況及其營建、管理都提出新的挑戰。早期研究認為紅樹林只能生長于平均海面以上潮灘(張喬民等， 1997)，但后期研究發現紅樹植物可以在平均海面以下灘涂生長(溫遠光等， 2002)，且證實秋茄滿潮線上、下層葉片因受潮汐及低溫影響在耐寒性、生長狀況等方面有所差異(史小芳等， 2016)。絕大部分植物地上器官對淹沒敏感，浸淹嚴重降低氣體擴散速率，降低葉片光合與呼吸能力，阻礙光合作用，致使植物能量短缺； 另一方面，水淹解除后，適應了低光、低氧環境的葉片再次暴露于空氣中，可能因氧化脅迫導致脫水現象(Yeungetal.， 2018)。因此推測滿潮線以下的秋茄葉片長期處于水氣交替的復雜生境，可能會導致滿潮線上、下層葉片在外部形態和內部生理結構上存在表型差異，并產生不同的葉經濟譜選擇。

葉經濟譜(leaf economics spectrum，LES)總結了植物在環境擾動下葉性狀的變化規律及其相互關系，是植物根據生境條件對自身資源進行配置、補償和平衡從而減輕環境對其消極影響的表現，量化了植物的資源利用能力及權衡策略(trade-off)(Wrightetal.， 2004)。由于同種植物在不同生境中的葉經濟譜也可能完全不同，表現為快速投資-收益型和緩慢投資-收益型的區別，受其影響的葉表型特征與環境之間關系成為探索植物環境適應性機制的突破點(熊靜等， 2019)。國際上大部分生態系統已存在葉經濟譜數據庫，但國內相關研究仍不完整(陳瑩婷等， 2014)，尤其是缺少位處特殊生境的紅樹林案例。目前，秋茄相關研究基本在人工模擬條件下針對幼苗開展(廖寶文等， 2009； 譚芳林等， 2014)，對于自然生境中的秋茄成熟林涉及較少，潮汐生境中秋茄葉表型特征與經濟譜研究尚未見報道。因此，本研究通過測定、對比滿潮線上、下層秋茄葉的表型性狀差別，從生理生態角度揭示秋茄葉對潮淹生境的適應性表現與葉經濟譜選擇，明晰秋茄冠層葉部趨異適應機制，為紅樹林的造林、保護及可持續經營管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

福州市羅源灣位于福建省東北部，東瀕東海，總面積為113.33 hm2。中亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫19 ℃，平均降水量1 645 mm。灣區為強潮型海灣，呈葫蘆狀，海岸線曲折，潮汐為正規半日潮，最大潮差達8.14 m。試驗地位于羅源灣西南側的羅源縣松山鎮北山村與巽嶼村之間(27°26′N，119°35′E)。

1.2 研究材料

在羅源灣秋茄分布區內設置3個平行于岸線、間隔10 m的樣帶(長100 m、寬10 m)： 林內緣(靠岸側)、林中和林外緣(靠海側)，滿潮時3個樣帶秋茄冠層均處于半浸淹狀態。于2019年3月10日至27日從高潮位開始落潮時立即進行葉片光合生理指標測定和葉片樣品采集，采樣天氣均為晴天。3個樣帶中均間隔10 m選取1株健康樣株，每樣帶選取9株，共計27株。測定秋茄樣株光合特性，選取滿潮線上、下層西南、東北、東南3個方向健康葉片各1片，每樣株測定6片，總計162片。測定后即采集所測葉片(162片)，并清潔、標記、裝袋置于冰桶，帶回全部用于葉形態性狀及氣孔特性等內業測定。羅源灣秋茄林(7年生)受海潮浸淹后，滿潮線上層葉片暴露于空氣，下層葉片浸泡于海水中(圖1)。

圖1 羅源灣秋茄受潮汐浸淹前后狀況Fig. 1 Kandelia obovata in Luoyuan Bay before and after tidal inundation

1.3 研究方法

1.3.1 葉形態性狀測定 使用掃描儀掃描后用Image-Pro Plus 6.0圖像處理軟件測定葉形態性狀(葉長、葉寬、葉面積、葉周長)(李永華等， 2012)，用游標卡尺測量葉厚、葉柄長、葉柄厚； 采樣時清潔葉片后即稱量葉鮮質量(FW)并裝袋置于冰桶，葉片帶回置于85 ℃烘干至恒質量，測定葉干質量(DW)； 其余葉形態性狀依計算獲得： 比葉面積(SLA) =葉面積/葉干質量(LA/DW)； 葉形指數(LSI)=葉長/葉寬(LL/LW)； 本文定義葉干物質含量為葉干質量與自然狀態下葉鮮質量之比(張林等， 2008)： 葉片干物質含量(LDMC) =葉干質量/葉鮮質量(DW/FW)。

1.3.3 葉光合特性參數測定 使用Li-6400便攜式光合儀(LI-COR Inc. Lincoln, Nebraska, USA) 測定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等氣體交換參數； 其余光合相關參數通過計算獲得： 水分利用效率(WUE)=Pn/Tr； 羧化速率(CE)=Pn/Ci。

1.4 數據處理方法

使用Excel分析數據及制作圖表。使用SPSS17.0進行數據統計分析，計算各葉性狀均值及標準差，采用均數差異顯著性檢驗分析各葉性狀值在滿潮線上、下環境中的差異顯著性，Pearson相關性檢驗葉片性狀之間的相互關系。

2 結果與分析

2.1 潮汐生境對秋茄葉表型的影響

2.1.1 潮汐生境對葉形態性狀的影響 滿潮線上、下層秋茄葉片形態性狀的分析結果(表1)顯示，差異環境中秋茄葉形態性狀差異明顯。與滿潮線上層葉片相比，滿潮線下層葉片鮮質量較大而干質量小(P<0.01)； 葉偏薄，葉柄較短(P<0.01)，呈現出薄而大的趨勢； 同時，下層葉片比葉面積較大(P<0.01)，葉干物質含量(P<0.01)和葉形指數(P<0.05)均較小。

表1 滿潮線上、下層秋茄葉片的形態性狀(平均值±標準差)①Tab.1 Morphological characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

2.1.2 潮汐生境對葉氣孔特性的影響 滿潮線上、下層的秋茄葉片氣孔特性差異明顯(表2)。下層葉氣孔的長度、寬度、面積和周長，以及氣孔開口的長度、寬度(氣孔開度)、面積和周長均大于上層葉，但氣孔長寬比和氣孔開口長寬比低于上層葉(P<0.01)。可見下層葉多項氣孔指標在環境脅迫下均受秋茄生存策略調控，但氣孔面積指數和氣孔形狀指數在滿潮線上、下層葉片中差異不顯著。

表2 滿潮線上、下層秋茄葉的氣孔特征(平均值±標準差)Tab.2 Stomatal characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

2.1.3 潮汐生境對葉光合功能的影響 秋茄葉片作為光合作用最主要的器官，其滿潮線上、下層葉光合生產和轉換的能力明顯不同(表3)。相較上層葉片，下層葉片的凈光合速率降低(P<0.01)、蒸騰速率下降(P<0.01)、羧化速率下降(P<0.01)及氣孔導度降低(P<0.05)，而胞間CO2濃度上升(P<0.01)，但上、下層葉片水分利用效率差異不顯著。

2.2 秋茄葉表型之間的關系

2.2.1 葉形態性狀與氣孔特征之間的關系 植物可以通過控制氣孔的開合對環境變化做出快速反應，因此氣孔的形態特征反映了植物對環境的適應結果(Haworthetal.， 2011)。滿潮線上層與下層秋茄葉及其氣孔的形態性狀為適應差異生境，表現出趨異特征。淹水環境下，下層葉的比葉面積與氣孔長度、氣孔面積、氣孔開口長度呈顯著負相關，葉鮮質量、干質量與氣孔面積呈顯著正相關，葉鮮質量、葉長、葉面積與氣孔開口面積呈顯著正相關，葉形指數與氣孔面積指數呈極顯著正相關； 而上層葉的比葉面積與氣孔寬度、氣孔面積呈極顯著負相關，葉形指數與氣孔密度呈顯著負相關(表4)。總體而言，下層葉的形態性狀與氣孔特性之間聯系更緊密。

2.2.2 葉形態性狀與光合特性之間的關系 浸淹環境中，滿潮線下層秋茄葉面臨著光強下降等外部條件變化，其光合指標與葉形態性狀之間存在相互協調。下層葉的水分利用效率與葉柄長、葉形指數呈極顯著正相關，而上層葉的水分利用效率則與葉厚呈顯著負相關。凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、羧化速率等光合作用主要指標與葉形態指標未發生密切關聯(表5)。

表3 滿潮線上、下層秋茄葉的光合特性(平均值±標準差)Tab.3 Photosynthetic characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

表4 滿潮線上層與下層秋茄葉形態性狀與氣孔特征間的Pearson相關系數①Tab.4 Pearson correlation coefficients between morphological characteristics and stomatal characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

表5 滿潮線上層與下層秋茄葉形態性狀與光合特性間的Pearson相關系數Tab.5 Pearson correlation coefficients between morphological characteristics and photosynthetic parameters of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

2.2.3 氣孔特征與光合特性之間關系 氣孔是葉片光合、蒸騰和呼吸作用中與外界氣體交換的通道，影響著葉基本功能的運行。滿潮線下層秋茄葉片的氣孔密度與胞間CO2濃度存在極顯著負相關性，氣孔密度與葉水分利用效率呈顯著正相關關系，但上層葉片的氣孔密度與胞間CO2濃度和葉水分利用效率不存在明顯相關性。上層葉片的凈光合速率與氣孔面積、氣孔開度、氣孔開口面積均表現出顯著負相關關系，其胞間CO2濃度與氣孔寬度、氣孔開度呈極顯著正相關，上層葉的羧化速率與氣孔寬度、氣孔開度和氣孔開口面積呈極顯著負相關，與氣孔面積為顯著負相關關系(表6)。總體而言，滿潮線上層葉氣孔特性與光合功能之間聯系更為緊密。

2.3 潮汐生境下的秋茄葉經濟譜

秋茄在潮汐生境中存在差異化的生存策略權衡。結合秋茄滿潮線上、下層葉形態性狀、氣孔特征和光合特性的研究結果及葉經濟譜方法分析(圖2)，認為： 下層葉片具有較大的比葉面積、氣孔面積、氣孔開度，較小的葉干物質含量、氣孔密度和低凈光合速率，在全球葉經濟譜中趨于“緩慢投資-收益型”。其較低的葉干物質含量說明下層葉對養分存儲較少，盡可能將更多的營養物質投入對光能的索取，其較大的氣孔面積、氣孔開度保證了較低氣孔密度條件下葉片對CO2的攝取，以此維持較高胞間CO2濃度，為水淹環境下光合能力的補充提供充足的CO2。滿潮線上層葉片則具有較小的比葉面積、氣孔面積、氣孔開度，較大的葉干物質含量、氣孔密度、高凈光合速率和高水分利用效率等，其葉表型大體朝與下層葉片反方向發展，低的比葉面積促使葉片水分利用效率提高(趙新風等， 2014)，較小的氣孔面積、氣孔開度以及較大的葉干物質含量都保證了海水以上葉片能夠抵御高鹽、高蒸騰的海岸環境，在全球葉經濟譜中屬于“快速投資-收益型”。

表6 滿潮線上層與下層秋茄葉氣孔特征與光合特性間的Pearson相關系數Tab.6 Pearson correlation coefficients between stomatal characteristics and photosynthetic parameters of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

圖2 秋茄葉經濟譜示意Fig. 2 Illustration of leaf economics spectrum of Kandelia obovata 圖形結構參考陳瑩婷等(2014)和朱濟友等(2018； 2019)。Figure structure references to Chen Yingting et al. (2014) and Zhu Jiyou et al. (2018; 2019).

3 討論

3.1 潮汐生境對秋茄葉表型塑造

3.1.1 滿潮線上、下層秋茄葉表型差異 葉片是植物對環境較敏感、可塑性較大的器官，迫于不同的壓力具有各種適應類型與表型性狀(陳燕等， 2014)。為適應潮汐生境，秋茄葉通過低氧回避反應(low oxygen escape syndrome, LOES)改變結構和表型以適應浸淹環境(Yeungetal.， 2018)。

比葉面積和葉干物質含量反映了植物對環境資源的獲取及利用情況(Cornelissenetal.， 2003)。本研究中秋茄滿潮線下層葉片比葉面積顯著大于上層葉片，而葉干物質含量顯著小于上層葉片(表1)。植物樹冠上層葉片往往具有較低的比葉面積和較高的葉干物質含量，這主要由光照條件以及植物自身水力分配情況共同決定(Garnieretal.， 2001； 李凱等， 2011)。秋茄下層葉為應對海水浸淹的低光條件，通過增加葉單位質量面積(即比葉面積)來提高自身捕光能力，以盡量獲取更多光照資源； 而上層葉片比葉面積減小、干物質含量增大可增加葉片內部水分向葉表擴散的距離和阻力，以降低上層葉片水分散失(劉貴峰等， 2017)。

葉柄是葉與莖之間的物質運輸通道，也是葉片的支持系統，對葉片的生長發育起重要作用(黃文娟等， 2017)。較大的葉片通常通過較長的葉柄來防止葉片互相簇擁遮擋(柴中林等， 2009)，但秋茄下層葉較上層葉的葉面積更大，葉柄卻更短。潮汐淹水環境中，更大的葉面積雖增加了葉片受光面，卻也承受更大的海浪壓力，短葉柄保證了葉片在此環境中不易折損。可見，滿潮線下層秋茄葉片在基-頂軸方向的生長受到一定限制，這與低光及淹水環境存在密切關聯(梁哲軍等， 2009)。

氣孔形態(大小、密度)對高等植物水氣交換具有重大意義(Fanourakisetal.， 2015)。秋茄滿潮線下層葉片氣孔長度、寬度、面積、開度、開口面積都明顯大于上層葉，但氣孔密度小于上層葉(表2)。當環境濕度越大，所受光照越少，則氣孔越大，密度越小(Nejadetal.， 2006； Zhangetal.， 2015)。而淹水造成的低氧或缺氧等次生脅迫可導致植物氣孔開度下降(張斌斌等， 2013； Irfanetal.， 2010)，但滿潮線下層秋茄葉片氣孔開度和氣孔開口面積顯著大于上層葉，證明周期性潮汐并未損害下層秋茄葉片氣孔，反而促進了其氣孔開合功能。

紅樹植物光合特性因淹水而受到影響，表現為光合速率和羧化速率降低，蒸騰速率及氣孔導度隨淹水變化而變化，但水分利用效率所受影響不顯著(陳鷺真等， 2006)。因長期受周期性潮汐浸淹影響，滿潮線下層秋茄葉片較低的羧化速率導致葉水分利用效率下降，葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率顯著下降，但水分利用效率與上層葉片差異不顯著(表3)。但滿潮線下層葉片胞間CO2濃度顯著大于上層葉片，這可能是淹水時葉片光合作用消耗CO2較上層葉片少所導致(楊澤粟等， 2014)，也可能是葉片在出露期能夠提高CO2同化能力以維持自身在下一次浸淹時的正常代謝(揭勝麟等， 2012)。

3.1.2 秋茄葉表型性狀間關系 除了改變表型性狀，植物還通過調節各性狀間的相互關系來應對環境變化(王玉平等， 2012)。比葉面積與葉干物質含量通常呈現負相關關系(Rivaetal.， 2016)。研究結果顯示，秋茄下層葉的比葉面積(61.39±10.31 cm2·g-1)明顯高于上層葉(49.28±6.72 cm2·g-1)，而下層葉的干物質含量只有上層葉的34%左右(表1)，說明下層秋茄葉的比葉面積與葉干物質含量之間關系對環境響應的靈敏度較高，與杉木(Cunninghamialanceolata)(彭曦等， 2018)表現出相似規律。

葉干物質含量為葉片干質量與鮮質量之比，可反映葉片自然含水率，與葉片水分利用效率關系密切(Cornelissenetal.， 2003)，但滿潮線下層秋茄葉水分利用效率與葉形態性狀中的葉柄長和葉形指數呈極顯著正相關(表5)，與氣孔密度和氣孔面積指數呈顯著正相關關系(表6)。相比上層葉，秋茄下層葉的葉柄較短，氣孔長度較大。下層葉較短的葉柄可減少莖葉間水分運輸阻力，而較大的氣孔和較高的氣孔密度可增強葉片蒸騰速率而使得水分利用效率降低(曹小勇等， 2000)。研究結果表明秋茄葉柄長與氣孔長度、氣孔密度之間存在關聯權衡策略。

滿潮線下層秋茄葉凈光合速率顯著下降，而氣孔開度增加，胞間CO2濃度升高，說明其凈光合速率降低主要受非氣孔因素限制(胡旭光等， 2018)。大量研究表明，植物光合作用常受到氣孔開放程度影響(Hetheringtonetal.， 2003)，重度淹沒下植物能夠利用短暫的出露期加大氣孔開放程度，增強光合作用，以應對下一次淹水期，葉片氣孔開放程度大于微度淹沒帶植物(揭勝麟等， 2012； 黃端等， 2017)。滿潮線下層的生境條件使秋茄葉片具有類似機制，在暴露于空氣時增大氣孔開度，盡可能地進行水氣交換以彌補淹水時期光合作用的不足。

研究還發現滿潮線上層秋茄葉對氣孔特性的生理調控機制主要與光合功能相關(表6)，而在下層葉中主要與葉形態性狀有關(表4)。葉片功能與性狀之間產生聯系是植物趨同進化的一種體現(Wrightetal.， 2001)。本研究中滿潮線上層秋茄葉光合功能性狀與氣孔特性相關性高，葉片較大的氣孔密度保證氣孔CO2通量充足以支持光合作用正常運行，表明氣孔特性與葉光合功能趨同適應，達到氣孔結構-光合功能平衡。滿潮線下層秋茄葉片在光合功能下降時胞間CO2濃度增大，表明下層葉形態性狀主要與儲存、維持等功能有關(Zhangetal.， 2012)。葉形態性狀良好的儲存和維持功能使得下層葉片能夠儲存足夠CO2以維持浸淹下的光合作用，而較大的氣孔面積及氣孔開度可在出露期為葉片補充更多CO2，為下一次浸淹期做準備。這意味著秋茄下層葉氣孔特性與葉形態性狀趨同進化以適應滿潮線下層周期性浸淹環境。

3.2 潮汐生境下秋茄葉經濟譜選擇

水淹環境下的秋茄葉表型特征之間的相關關系與全球尺度的葉經濟譜規律(Wrightetal.， 2004)基本吻合(圖2)。滿潮線上層光照條件充足，但海岸的高鹽及大風環境導致紅樹植物葉片出現生理干旱現象(牟美蓉等， 2007)，滿潮線下層秋茄葉片受周期性浸淹，因海水反射等原因導致光照資源不足，但淹水可在一定程度上減輕惡劣環境因子對葉片的影響(史小芳等， 2016)。不同生境的塑造使秋茄上、下層葉片產生表型差異及不同的葉經濟譜選擇(圖2)。研究結果顯示，下層秋茄葉片具有更高的比葉面積、氣孔面積、氣孔開度，更低的葉干物質含量、氣孔密度和凈光合速率，趨向于緩慢投資-收益型； 上層葉片反之，其資源分配策略偏向于快速投資-收益型。這種葉經濟譜的異化調整能力是秋茄適應環境的重要原因之一，秋茄傾向于投資獲取限制性資源的器官，減少非限制資源相關器官的能量分配以適應潮汐生境，通過改變滿潮線下層葉片比葉面積與葉干物質含量關系、氣孔密度與氣孔面積的關系等途徑達到復雜生境下的機體平衡。因此，全球葉經濟譜在海陸過渡的潮間帶環境也同樣存在，在較為極端的差異化環境下同時具有快速投資-收益和緩慢投資-收益的特征。

4 結論

受周期性潮汐浸淹影響，羅源灣秋茄滿潮線上層與下層葉片的形態性狀、氣孔特性和光合功能具有差異化適應策略。上層葉氣孔特性與光合功能趨同適應，而下層葉氣孔特性與葉形態性狀協同進化。滿潮線上、下層葉片形態差異大，下層葉氣孔適應性更強。秋茄的這一趨異適應機制揭示了其特殊的葉經濟譜策略，即滿潮線上層葉快速投資-收益型和下層葉緩慢投資-收益型的葉經濟譜模式，這種異化的資源分配策略是秋茄適應潮汐生境的重要因素。秋茄林面臨的生境特殊而復雜，為緩解潮汐生境影響其發揮海岸生態服務價值，有必要對其受淹深度極值范圍進行深入研究。