甘肅省扎尕梁北坡頭花杜鵑枝葉性狀特征

楊克彤，陳國鵬*，鮮駿仁，俞筱押，張金武，王立

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130；3.黔南民族師范學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州 都勻 558000）

植物與生境之間的相互關(guān)系是當(dāng)今植物生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［1-3］。植物功能性狀是植物長期進(jìn)化形成的能夠反映物種對外界環(huán)境適應(yīng)策略的核心屬性，不僅可以揭示植物對環(huán)境的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制，還可以反映植物對資源的分配和利用規(guī)律［3-5］。闡明不同器官功能性狀對異質(zhì)環(huán)境的響應(yīng)及其相互關(guān)系是理解植物進(jìn)化與適應(yīng)的基礎(chǔ)［6-10］。加強(qiáng)對環(huán)境變化響應(yīng)敏感器官的研究，可以及時(shí)反映植物的生長和適應(yīng)動(dòng)態(tài)，在揭示物種性狀的進(jìn)化表達(dá)、資源獲取與物種分布等方面具有重要意義。

葉片和小枝作為植物與外界環(huán)境接觸最密切的部分，是對環(huán)境變化感知最敏銳的構(gòu)件之一［8-11］，其性狀可塑性能夠較為全面地展示植物對異質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)與生存策略。葉片是光合產(chǎn)出的最重要器官，其功能性狀不僅直接影響植物碳收益，還可以平衡、轉(zhuǎn)換、彌補(bǔ)植物與外界環(huán)境的差異從而決定植物的生存狀態(tài)。小枝作為葉片生長的平臺(tái)，主要為葉片輸送養(yǎng)分并調(diào)整葉片受光面的夾角。此外，小枝的更新發(fā)育進(jìn)一步?jīng)Q定了植物的外部結(jié)構(gòu)和空間特征［11-13］，不僅維持了植物生存空間的穩(wěn)定，其向外擴(kuò)展的特性還劇烈影響著物種間的競爭格局［14］。葉片和小枝的自我更新能力明顯優(yōu)于其他構(gòu)件，能夠迅速對環(huán)境變化做出響應(yīng)并保持相對穩(wěn)定［15-16］，為深入探究植物對環(huán)境的適應(yīng)提供了基礎(chǔ)，因其性狀特征具有普適性與易測性，也因此成了研究植物在異質(zhì)生境中性狀表達(dá)的首選指標(biāo)。

海拔梯度包含了溫度、氣壓、水分和輻射等一系列具有連續(xù)分布特征的環(huán)境因子，是研究植物適應(yīng)異質(zhì)生境變化的最佳場所［1，3，17-21］。不同植物在適應(yīng)海拔異質(zhì)生境時(shí)的生存策略各不相同，多數(shù)植物主要通過功能性狀的權(quán)衡與適應(yīng)來尋求最佳的生存狀態(tài)［21-24］，具體表現(xiàn)在：隨海拔上升個(gè)體大小差異、器官間生物量分配、異速生長與權(quán)衡、枝葉形態(tài)異化或內(nèi)含物含量的波動(dòng)以及超微結(jié)構(gòu)變化等多個(gè)方面［22-25］。由海拔變化引起的環(huán)境差異會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)生生理及形態(tài)上的多重響應(yīng)，并逐步經(jīng)過“瀑布式上升效應(yīng)”可能會(huì)引起整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變［1，26-27］，因此海拔梯度細(xì)微的變化有時(shí)也會(huì)帶來巨大的結(jié)果差異。雖然近年來部分研究在群落功能性狀隨海拔梯度變化方面已有所成果，但部分結(jié)論存在差異甚至相反，并且群落水平的性狀變化掩蓋了物種的個(gè)體特征，導(dǎo)致其對生態(tài)系統(tǒng)的預(yù)測精度不高［28-29］，而在單物種尺度上開展枝葉性狀與環(huán)境關(guān)系的研究可以深入了解關(guān)鍵植物適應(yīng)機(jī)制并凸顯環(huán)境對其功能性狀的影響。

山地生態(tài)系統(tǒng)是對全球氣候變化最敏感的區(qū)域，是研究植被與氣候關(guān)系的天然實(shí)驗(yàn)室［1，30］。頭花杜鵑（Rhododendron capitatum）作為典型的高山植物，是維持青藏高原東北緣山地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要類群。本研究以甘肅扎尕梁北坡的優(yōu)勢種頭花杜鵑為研究對象，測定其23組枝葉功能性狀，探究海拔梯度下頭花杜鵑枝葉性狀的適應(yīng)與響應(yīng)模式，以進(jìn)一步解析高山植物對海拔梯度的應(yīng)對策略。基于此，本研究試圖回答以下問題：1）隨海拔梯度上升，頭花杜鵑枝、葉性狀的變化有何特征與規(guī)律？2）性狀間的相互關(guān)系如何？3）不同性狀的表型分化有何特征？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省舟曲縣插崗梁自然保護(hù)區(qū)（103°57′05″-104°42′05″E，33°14′32″-33°53′52″N，海拔1173～4536 m），保護(hù)區(qū)處在青藏高原東北緣與秦嶺西翼及岷山山脈交匯地帶，屬西秦嶺地質(zhì)構(gòu)造帶南部隴南山地［7］。該區(qū)域處于我國溫帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)和高原山地氣候帶的匯合區(qū)域及半濕潤和半干旱區(qū)的分界線上。近30年來，林區(qū)年平均降水量為951.0 mm，年平均蒸發(fā)量918.8 mm，相對濕度為82.0%，干燥度0.5，年平均氣溫4.3℃，最冷月（1月）平均氣溫為-13.3℃，最熱月（7月）平均氣溫為20.8℃，全年無霜期96.7 d（最多143 d，最少53 d）；日平均氣溫≥5℃的日數(shù)為178 d，年積溫1994.6℃；日平均氣溫≥10℃的日數(shù)為103 d，年積溫1387.9℃。年日照時(shí)數(shù)為1398.4 h，日照百分率為32.0%。植被分布的垂直帶譜明顯，從低到高依次為干旱河谷灌叢、亞高山次生林、亞高山暗針葉林和高山杜鵑灌叢［25］。頭花杜鵑植株主要分布在該區(qū)域海拔3100～3700 m范圍內(nèi)，在3400 m以下主要為單株零星分布或可形成小規(guī)模種群，3400 m以上與隴蜀杜鵑（Rhododendron przew alskii）混生形成灌叢群落。

1.2 數(shù)據(jù)采集與測定

于2019年8月在研究區(qū)進(jìn)行全面勘查后，在插崗梁保護(hù)區(qū)的扎尕梁北坡的林線到山頂處自下而上沿等高線按海拔高度3400、3500、3600和3700 m設(shè)置調(diào)查樣線。在樣線中隨機(jī)選取株高50 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)木，以保證植株年齡基本一致，并進(jìn)行小枝與葉片的采樣。每個(gè)海拔梯度共采集30余個(gè)小枝，并放于自封袋內(nèi)，葉片夾放在濕潤濾紙中，并置于便攜式低溫箱中帶回。本研究所述小枝定義為植株頂端無分支的1年生莖。

小枝與葉片帶回后即刻測定各項(xiàng)指標(biāo)，每個(gè)海拔隨機(jī)測量15個(gè)樣本。對于小枝，首先剪下小枝上的葉片，然后測量小枝基徑（stem diameter，SD）、小枝長（stem length，SL），再用掃描儀（EPSON V 700）對所有葉片進(jìn)行掃描并求出總?cè)~面積（total leaf area，TLA）和葉片數(shù)（leaf number，LNO.），用電子天平測量小枝鮮重（stem fresh weight，SFW）、小枝干重（stem dry weight，SDW）、總?cè)~鮮重（total leaf fresh weight，TLFW）和總?cè)~干重（total leaf dry weight，TLDW）；對于單葉，先用天平稱量葉片鮮重（leaf fresh weight，LFW），再用掃描儀進(jìn)行掃描并求出單葉面積（leaf area，LA），隨后測量葉厚（leaf thickness，LT）與葉干重（leaf dry weight，LDW），測量葉厚時(shí)靠近葉片中心但避開主脈，測量3次求取平均值后作為葉片厚度。測量小枝與葉片干重時(shí)，將其置于玻璃皿放入烘箱，120℃殺青30 min后轉(zhuǎn)為75℃烘至恒重后稱取干質(zhì)量。葉長（leaf length，LL）、葉寬（leaf width，LW）、單葉面積（LA）與總?cè)~面積（TLA）均使用Image J面積測量軟件進(jìn)行。鮮、干質(zhì)量的測定均使用電子天平（精確至0.0001 g），長、寬、厚、徑均使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（精確至0.01 mm）測量。由于頭花杜鵑葉柄極短，難以測量，所以用解剖刀將葉柄除去而不納入測定指標(biāo)，因此本研究所述葉片性狀均不包括葉柄。

相關(guān)枝葉性狀的推算如下［7，10］：葉形指數(shù)（leaf shape index，LSI）=葉長/葉寬，比葉面積（specific leaf area，SLA）=葉面積/葉干質(zhì)量，葉干物質(zhì)含量（leaf dry matter content，LDMC）=葉干重/葉鮮重，莖干物質(zhì)含量（stem dry matter content，SDMC）=莖干重/莖鮮重，葉體積（leaf volume，LV）=葉面積×葉厚，莖體積（stem volume，SV）=π×莖長×（莖徑/2）2×1/3，葉密度（leaf density，LDE）=葉干重/葉體積，莖密度（stem density，SDE）=莖干重/莖體積，纖細(xì)率（stem slender ratio，SSR）=莖長/莖徑，總比葉面積(total specific leaf area,TSLA)=總?cè)~面積/總?cè)~干質(zhì)量，總?cè)~干物質(zhì)含量(total leaf dry matter content,TLDMC)=總?cè)~干重/總?cè)~鮮重，總?cè)~莖重比（total leaf and stem weight ratio，TLSWR）=總?cè)~干重/總莖干重。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析（one-way ANOVA）檢驗(yàn)海拔高度對頭花杜鵑枝葉功能性狀的影響，并采用Tukey’s HSD多重比較檢驗(yàn)性狀在不同海拔間的差異顯著性；利用方差分析提取海拔間與海拔內(nèi)及隨機(jī)誤差的方差分量并計(jì)算各性狀的表型分化系數(shù)（Vst），表型分化系數(shù)Vst=δ2t/s/（δ2t/s+δ2s），其中δ2t/s為海拔間方差值，δ2s為海拔內(nèi)方差值［31-33］；采用Pearson相關(guān)系數(shù)、雙尾檢驗(yàn)進(jìn)行海拔與性狀間的相關(guān)分析，最后用單因素方差分析檢驗(yàn)海拔內(nèi)與海拔間方差分量的顯著性。利用Excel 2010和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，用Origin 9.1繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 頭花杜鵑枝葉性狀隨海拔的變化

頭花杜鵑葉性狀隨海拔梯度變化差異顯著，除LSI無顯著變化外，其他性狀均有顯著變化（圖1），LL、LW、LA、LV和LDW在3600 m時(shí)顯著小于其他海拔；LDMC和LDE隨海拔上升逐漸增大，并在海拔3700 m時(shí)顯著高于其他海拔；而SLA逐漸減小，海拔3700 m時(shí)顯著小于其他海拔；LT整體呈增大趨勢。小枝性狀除SD、SDMC、LNO.和SDE隨海拔梯度無顯著變化外，其他性狀均變化顯著（圖2），其中SL、SDW、TLDW、TLA、SSR和SV在3600 m顯著小于其他海拔，TSLA呈下降趨勢，TLDMC呈上升趨勢，TLSWR則先增大后減小。

圖1 頭花杜鵑葉性狀隨海拔的變化Fig.1 Variation of R.capitatum leaf traits with altitude

圖2 頭花杜鵑小枝性狀隨海拔的變化Fig.2 Variation of R.capitatum stem tr aits with altitude

2.2 枝葉性狀間的相互關(guān)系

頭花杜鵑大部分枝葉性狀間均為顯著正相關(guān)（圖3），LL、LW、LA、LV和LDW均與SD、SL、SDW、TLDW、TLSWR和SV顯著正相關(guān)，LT、LSI和SLA與多數(shù)性狀顯著負(fù)相關(guān)，小枝水平的SDMC、TLSWR、LNO.、SSR和SDE與部分性狀的相關(guān)性較弱，總體而言小枝水平不及葉片水平的相關(guān)性強(qiáng)。

圖3 頭花杜鵑枝葉性狀間的相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between stem and leaf traits of R.capitatum

2.3 枝葉性狀的表型分化

頭花杜鵑枝葉性狀在海拔間和海拔內(nèi)的方差分量百分比均值分別為17.30%和70.76%，隨機(jī)誤差為11.94%（表1），表型分化系數(shù)整體介于3.19%～57.73%，均值為20.65%，僅8組性狀表型分化系數(shù)高于均值，占所有性狀（23組）比例的34.78%。頭花杜鵑在同一海拔內(nèi)的方差分量顯著高于海拔間，其中LSI、SD、SDMC、LNO.和SDE的表型分化系數(shù)較低（小于11.11%，下四分位數(shù)），LT、LDW、LDMC、SLA和LDE的表型分化系數(shù)較高（大于25.41%，上四分位數(shù)），即在應(yīng)對海拔梯度引起的異質(zhì)生境時(shí)，這10組性狀分別表現(xiàn)出較低的變異性與較高的可塑性，表明頭花杜鵑枝葉性狀變化范圍大、表型變異豐富。

表1 頭花杜鵑枝葉性狀的方差分量與表型分化系數(shù)Table 1 Var iance component and phenotype differentiation coefficient of stem-leaf tr aits of R.capitatum

3 討論

海拔梯度引起的生境變化會(huì)顯著影響植物功能性狀，并且部分性狀也會(huì)隨之表現(xiàn)出梯度變化，這取決于性狀對環(huán)境的敏感程度與自身功能特性［32-34］。本研究中，頭花杜鵑葉長、葉寬、葉面積、葉體積、葉干重、莖長、莖干重、總?cè)~干重、總?cè)~面積、纖細(xì)率和莖體積均在3600 m處顯著減小，整體呈“V”形變化（圖1和圖2）。可能是由于山地植被逐步從林線過渡到樹線、再過渡到高寒杜鵑灌叢后，杜鵑灌叢抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，土壤理化性質(zhì)相對穩(wěn)定，頭花杜鵑產(chǎn)生適應(yīng)性策略，因此3600 m可能是生境適應(yīng)連續(xù)變化梯度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)［25］。葉厚、葉干物質(zhì)含量、葉片密度和總?cè)~干物質(zhì)含量均隨著海拔梯度上升而增大，與以往研究結(jié)果一致［34-35］。隨著海拔升高，溫度降低、光照輻射增強(qiáng)，葉片將資源集中于構(gòu)建防御結(jié)構(gòu)［36］，一方面可以降低輻射傷害，另一方面增加葉厚有助于抵抗低溫凍害。莖干物質(zhì)含量降低則可能與單葉面積減小有關(guān)，Corner［28］法則認(rèn)為：大葉片需要較大的枝條支撐并輸送養(yǎng)分，隨著海拔升高，單葉面積減小，由此導(dǎo)致植株對莖的投資減少，這種策略實(shí)現(xiàn)了有限資源的最大利用效率。通常情況下，分布在資源有限生境及生長緩慢的物種比葉面積都較低，不論草本、灌木與喬木，還是極地、溫帶與熱帶，植物的比葉面積變化都隨著海拔上升而降低［2-3，35］，導(dǎo)致這種情況的原因則主要與溫度下降有關(guān)，低溫環(huán)境下，葉肉細(xì)胞增大、表皮細(xì)胞壁增厚，導(dǎo)致葉片厚度增加，因此比葉面積下降［14］。

植物在應(yīng)對異質(zhì)環(huán)境時(shí)，并非某一性狀采取適變策略，而是多個(gè)性狀間的組合（即功能性狀組）產(chǎn)生共變，這種共變機(jī)制更有利于應(yīng)對環(huán)境引起的激變［22，30］。本研究中，僅7組性狀與海拔梯度為極顯著（或顯著）相關(guān)，其余16組性狀均不顯著，即這7組性狀可能是枝葉功能性狀的組合中心。由這7組性狀產(chǎn)生較為劇烈的應(yīng)對策略并組合其他性狀產(chǎn)生微小變化便足以應(yīng)對海拔梯度引起的生境異質(zhì)，這種應(yīng)對策略減少了能量損耗與成本投資，具有高效率、低能耗的特點(diǎn)［22］。此外，葉長、葉寬、葉面積、葉體積、葉干重均與莖徑、莖長、莖干重、莖體積、總?cè)~干重極顯著正相關(guān)，說明頭花杜鵑枝葉性狀支持Corner［28］法則，即較大的葉片需要大的枝條來承擔(dān)；另一方面可能隨著海拔升高，溫度降低，土壤水分難以利用，導(dǎo)致頭花杜鵑產(chǎn)生干旱脅迫，加之較小枝條在低溫環(huán)境運(yùn)送水分與養(yǎng)分時(shí)容易產(chǎn)生栓塞，較大且健壯的枝條有助于緩解栓塞并抵御高山地區(qū)大風(fēng)引起的損傷［29-30］。

枝葉性狀的變異與表型分化共同決定了其變異程度與范圍，較強(qiáng)的變異與較大的可塑性有助于應(yīng)對高山地區(qū)極端氣候。本研究發(fā)現(xiàn)，頭花杜鵑枝葉性狀表型分化系數(shù)均值為20.65%（表1），低于紅椿（Toona ciliata，80.73%）、砂生槐（Sophora moorcroftiana，39.25%）、珙桐（Davidia involucrata，37.00%）、尾葉櫻桃（Cerasus dielsiana，30.78%），而高于云南紅豆杉（Taxusyunnanensis，14.66%）、紅松（Pinuskoraiensis，12.39%）、馬尾松（Pinus massoniana，6.44%），說明其表型變異程度低于一般的闊葉樹種卻高于針葉樹種。有研究認(rèn)為生存環(huán)境會(huì)極大地影響表型分化程度［31-35］，頭花杜鵑長期生活于低溫與強(qiáng)光輻射等不利環(huán)境中，環(huán)境因子的多變與復(fù)雜可能是造成其表型分化相對保守的主要原因。另外，枝葉性狀中僅8組（葉寬、葉厚、葉面積、葉體積、葉干重、葉干物質(zhì)含量、比葉面積和葉密度）性狀的表型分化系數(shù)高于平均值（20.65%），說明這8組性狀具有相對豐富的表型變異，尤其比葉面積與葉密度表型分化系數(shù)高達(dá)55.14%和57.73%，可能是應(yīng)對高山環(huán)境海拔異質(zhì)的核心性狀［32-36］。葉形指數(shù)、莖徑、莖干物質(zhì)含量、葉片數(shù)和莖密度表型分化系數(shù)較低（<11.11%），說明這些性狀具有穩(wěn)定特質(zhì)，并不輕易隨海拔梯度做出改變，其穩(wěn)定特質(zhì)可能對于維持植物枝葉生長發(fā)育有特殊意義，如：極端環(huán)境中維持生存的下限等［13-17］。另外，頭花杜鵑枝葉性狀海拔內(nèi)變異普遍高于海拔間變異，即同一海拔內(nèi)的居群是產(chǎn)生豐富表型變異的主要來源，可能是應(yīng)對生境異質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者，也可能由于在研究區(qū)范圍內(nèi)頭花杜鵑分布集中，并未產(chǎn)生地理隔離，從而導(dǎo)致海拔間居群表型變異較弱。

頭花杜鵑枝葉功能性狀對環(huán)境的適應(yīng)有助于其應(yīng)對高寒生境，可在一定程度上改善其存活、生長和繁殖狀態(tài)。頭花杜鵑73.91%（17組/23組）的枝葉性狀均在3700 m顯著增大，這種策略可能是為了避免較低海拔（3400 m）的天敵或中海拔（3500～3600 m）的物種競爭；也可能因?yàn)轭^花杜鵑屬于典型的高山植物，在長期的生物演化與自然選擇過程中已經(jīng)適應(yīng)了高山特殊環(huán)境，其固有的生態(tài)特性可能更有助于頭花杜鵑在更高海拔而非低海拔生存［7-12］。

4 結(jié)論

頭花杜鵑主要以枝葉功能性狀組合與協(xié)變共同應(yīng)對高山生境的不利因素；部分性狀在海拔3600 m顯著減小，大部分性狀在海拔3700 m達(dá)到最大；海拔內(nèi)表型變異普遍大于海拔間，葉片的表型分化系數(shù)顯著大于小枝。頭花杜鵑枝葉功能性狀對高山生境的積極響應(yīng)與適應(yīng)在提高頭花杜鵑生境適合度、占據(jù)穩(wěn)定生態(tài)位、維持高山物種競爭格局與生物多樣性等方面具有重要意義，在未來的研究中應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對高山物種的關(guān)注。