祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環境的適應性分析

田培林，劉 師，李登武

(西北農林科技大學 林學院，陜西楊陵 712100)

祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)為柏科圓柏屬植物，是中國特有種，常生長于海拔2 600～4 000 m的陽坡半陽坡地帶，是青海省三江源地區的建群種和優勢種[1]，同時也是重要的水源涵養樹種[2]。祁連圓柏枝、葉、果富含萜類化合物[3]，其豐富的精油成分對真菌和細菌均有較好的抑制性[4]，此外，祁連圓柏提取物對癌細胞也有良好的抑制效果[5]。研究表明，祁連圓柏適生區在氣候變暖的情景下將向高海拔遷移[6]，高海拔地區寒冷而干旱，祁連圓柏如何適應高原地區寒旱環境受到了廣泛的關注。目前，關于祁連圓柏對環境適應策略的研究主要集中于生理活性[7-8]、徑向生長[9-10]等方面，關于其針葉解剖結構的生態適應性研究尚鮮見系統報道。

葉作為植物的最大器官，與環境充分接觸，其性狀表現能較好地反映植物與環境的關系。研究表明，高原植物通過增加葉片厚度、葉角質層厚度、葉表皮厚度等方式來適應寒旱環境[11-12]。然而，不同物種葉結構對環境的響應特征并不相同。例如，在水分脅迫條件下，普通小麥(Triticumaestivum)葉厚出現不可逆的減少[13]，而大頭茶(Gordoniaacuminata)、栲樹(Castanopsisfargesii)幼苗葉厚則出現增長[14]；Rengifo等[15]比較研究發現，在高濃度CO2下處理19周時，棉葉麻瘋樹(Jatrophagossypifolia)葉厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度表現為對照組顯著高于實驗組，而蓮子草(Alternantheracrucis)表現則與之相反。這種差異同樣存在于物種葉結構與海拔的相關關系中。Jiménez-Noriega等[16]研究發現5種高山植物的葉表皮細胞、氣孔、維管束等結構在海拔梯度上呈現出不同的變化趨勢；Zhong等[17]研究了3種植物葉解剖結構在高海拔地區的變化規律，結果同樣證明了不同物種葉結構對海拔響應不一；牛至(Origanumvulgare)葉氣孔密度隨海拔上升而增大，而柔枝松(Pinusflexilis)則相反[18-19]。這可能是由于不同植物其葉形態可塑性不同，以及其不同結構對環境因子的敏感性不同[20]。那么祁連圓柏針葉解剖結構對寒旱環境的響應又是如何？

本研究以青海省祁連圓柏針葉解剖結構與地理因子關系為出發點，分析祁連圓柏針葉解剖結構對經緯度、海拔及坡向的響應特征，探討祁連圓柏對高原寒旱環境的適應策略，以期為高原植物寒旱環境適應機制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域自然概況

青海省位于青藏高原的東北部，全省地勢總體呈西高東低，南北高中部低的態勢，西部海拔高峻，向東傾斜，呈梯型下降。全省平均海拔3 000 m以上，屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫5.1～9.0 ℃，降水量15～750 mm，絕大部分地區年降水量在400 mm以下，太陽輻射強度大，光照時間長。

1.2 試驗材料

在青海省祁連圓柏的主要分布區，選擇典型的祁連圓柏純林樣地并采樣，其中澤庫縣麥秀林場、興海縣中鐵林場與北山森林公園設置海拔梯度采樣，梯度間隔為100～200 m，各樣點信息詳見表1。每個樣點選取5株長勢良好、樹高及胸徑相近、無病蟲害的成年樹木，幼樹及老樹均被排除，個體間隔20 m以上；采集樹冠中部向陽面當年生嫩枝若干，放入到FAA固定液(70%酒精∶甲醛∶冰醋酸=90∶5∶5)中，真空泵抽氣30 min，48 h后，將FAA固定液更換為70%酒精。

表1 取樣地基本信息Table 1 Basic information about sampling site

1.3 試驗方法

使用石蠟切片法制片，統一切取針葉與莖相連的位置，切片厚度9 μm，用熒光顯微鏡(熒光顯微鏡NE910，科學相機H-694CICE)拍攝祁連圓柏針葉橫切面，用圖像分析軟件Image Pro Plus 6.0測量祁連圓柏葉寬、葉厚、下表皮細胞厚度、下角質層厚度、葉維管束木質部及韌皮部厚度。選擇下表皮細胞與角質層，是因為這兩者位于遠軸面，與環境接觸更充分。因該切片位置葉肉細胞分化不明顯，故未測量柵欄組織與海綿組織。

1.4 數據分析方法

利用Excel進行數據整理，利用SPSS 23進行祁連圓柏針葉解剖結構與經緯度、海拔的回歸分析。以海拔為控制變量，作針葉結構與經緯度的偏相關分析；以地區為控制變量，作針葉結構與海拔的偏相關分析。

2 結果與分析

2.1 祁連圓柏針葉解剖結構對經緯度的響應特征

在7個地區選取了8個海拔盡可能接近的樣點Z2、X1、D2、D6、DE1、W1、Q1、H4進行有關分析。方差分析結果(表2)表明，H4樣點的祁連圓柏在葉寬、葉厚、下角質層厚度、木質部厚度與韌皮部厚度5個指標上大多顯著小于其他7個樣點，僅下表皮細胞厚度與其他地區無顯著差異；其他7個樣點間的祁連圓柏針葉解剖結構除下角質層厚度外均無顯著差異，而且下角質層厚度也僅D6樣點顯著高于D2樣點，其余均無顯著差異。

表2 不同地區祁連圓柏針葉解剖結構指標值Table 2 The needle anatomical structure of J. przewalskii from different regions/μm

利用以上8個樣地數值進行祁連圓柏針葉解剖結構與經緯度關系分析。圖1顯示，隨著立地經度的增大，祁連圓柏葉寬、葉厚、葉維管束木質部與韌皮部厚度稍有下降，但其線性回歸分析中的擬合優度均不高，其針葉下表皮細胞厚度與下角質層厚度則無明顯變化；同時，隨著立地緯度的增加，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚度隨之下降，其線性回歸分析擬合優度達0.497 9，但其他針葉結構則無明顯變化(圖2)。

另外，在SPSS 23軟件中以海拔為控制變量，將祁連圓柏針葉解剖結構與其立地經緯度進行偏相關分析，結果(表3)顯示，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚與經度、葉維管束木質部厚與緯度呈正相關，其他針葉結構則與經緯度呈負相關，這與圖1、2的結果一致，但相關性均未達到顯著水平。

表3 祁連圓柏針葉解剖結構與經緯度、海拔(>3 200 m)的偏相關分析Table 3 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and latitude, longitude and altitude (>3 200 m) of J. przewalskii

2.2 祁連圓柏針葉解剖結構對海拔的響應特征

選擇互助縣北山森林公園、澤庫縣麥秀林場、興海縣中鐵林場(除X2)的數據用于祁連圓柏針葉解剖結構與海拔關系分析。方差分析結果(表4)表明，祁連圓柏針葉葉寬、木質部厚在海拔間均無顯著差異性，而其他4個針葉解剖結構在海拔間則存在顯著性差異。

表4 3個地區不同海拔祁連圓柏針葉解剖結構指標值Table 4 The needle anatomical structure of J. przewalskii at different altitude from 3 regions/μm

3個研究區域海拔段依次增高，祁連圓柏針葉解剖結構與海拔關系存在階段性和結構間的差異性。其中，在互助縣北山森林公園中(圖3)，僅祁連圓柏的葉寬隨海拔上升表現出明顯增加趨勢(r=0. 859 4)；在麥秀林場中(圖4)，祁連圓柏針葉下角質層厚與海拔梯度呈現強相關性(r=0.950 3)，值得注意的是，在麥秀林場3 212 m以上的海拔段，葉寬、葉厚、下表皮細胞厚、下角質層厚均隨海拔明顯增厚(圖6)，均與海拔呈現出更強的正相關性，相關系數分別為0.946 0、0.887 7、0.946 4和0.979 3；在中鐵林場中(圖5)，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚和下角質層厚度隨海拔上升而增加，相關系數分別為0.8962和0.8228。中鐵林場海拔跨度較大，其3 200、3 400 m海拔段，葉寬、葉厚、下表皮細胞厚和下角質層厚有明顯增加，這與麥秀林場3 212～3 519 m海拔段表現較為相似；在3 680和3 815 m海拔處，這4種葉片結構增長有所放緩，其中葉寬、葉厚增速減少幅度高于下表皮細胞厚和下角質層厚。

另外，基于祁連圓柏針葉解剖結構與經緯度無顯著相關性，將麥秀林場3 212 m以上的區域與中鐵林場相結合，以地區為控制變量，作針葉解剖結構與海拔的偏相關分析。結果(表3)表明，祁連圓柏針葉下角質層厚、下表皮細胞厚與海拔極顯著相關，葉厚與海拔顯著相關，葉寬、葉維管束木質部及韌皮部厚與海拔無顯著相關性。以上結果表明，祁連圓柏針葉下表皮細胞厚、下角質層厚對海拔變化更為敏感，其次為葉厚、葉寬，但葉維管束木質部及韌皮部厚對海拔變化無顯著響應。

2.3 祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征

選取6對海拔相近、位于同一地區的陰陽坡樣點(DE2與DE1；D5與D6；Q2與Q3；X2與X1；D1與D2；D3與D4)，分析祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征。結果(圖7、表5)表明，坡向顯著影響了祁連圓柏針葉下角質層厚，但對其他5種針葉結構無顯著影響；在6對樣點中，陰坡祁連圓柏針葉下角質層厚度均高于陽坡，且陰坡平均值比陽坡顯著增厚9.9%，這表明較厚的角質層對于祁連圓柏生長在陰坡具有十分關鍵的作用。

表5 祁連圓柏針葉解剖結構對坡向的響應特征Table 5 Partial correlation analysis between needle anatomical structure and aspect of J. przewalskii/μm

3 討 論

3.1 海拔對祁連圓柏針葉解剖結構的影響

在海拔梯度上，光照、溫度、水分等環境因子呈現出規律性的變化，植物葉解剖結構隨海拔表現出遞增或遞減的趨勢[18-19,21-22]，同時也存在著先増后減或先減后増的趨勢[18,22]，以及葉解剖結構與海拔無相關性的情況[23]。而在本研究中，祁連圓柏葉寬、葉厚、下角質層厚度和下表皮細胞厚度在低海拔無顯著變化，在中海拔(3 200～3 519 m)顯著增加，在高海拔增加趨勢變緩，整體呈現出“S”形變化曲線。青海省平均海拔3 000 m以上，低海拔地區可能并未形成典型的垂直氣候帶譜，且低海拔地區牧民多，人為干擾嚴重[1]，研究表明放牧能影響草原植物葉解剖結構[24]，而牧民活動可能對祁連圓柏針葉結構也有一定的影響。此外，低海拔地區生境較為溫和，其環境壓力可能并不足以使祁連圓柏產生抗逆反應，這可能是低海拔地區祁連圓柏針葉解剖結構與海拔無顯著相關的原因。而在高海拔地區，面對更為嚴峻的環境壓力，祁連圓柏因其有限的抗逆能力，其針葉解剖結構不再隨海拔快速增長。在郭文文等[11]的研究中，硬葉柳(Salixsclerophylla)葉上表皮在海拔4 000～4 400 m之間無明顯變化，而在4 400～4 700 m呈顯著增厚趨勢，這與本研究結果有一定的相似性。

同時，本研究中祁連圓柏針葉維管束厚度與經緯度、海拔、坡向始終無顯著相關關系，表明這些結構對祁連圓柏適應性無貢獻；葉寬隨海拔升高有明顯增長，在低海拔地區其增長趨勢也比其他葉解剖結構明顯，但偏相關分析并未表明其與中高海拔(>3 200 m)存在顯著相關性。車桑子(Dodonaeaviscosasubsp.angustissima)葉寬與最高溫度負相關，葉面積與最低溫度有關且隨海拔下降[25]；白千層(Melaleucalanceolata)葉寬隨海拔(3～564 m)升高而減小，但卻與最高溫度呈負相關[26]；栓皮櫟(Quercusvariabilis)葉寬與年均溫度呈顯著的負相關[27]；Leigh等[28]則證實了葉寬增加對于維持葉片溫度的顯著作用。因此，葉寬增加也應是祁連圓柏對高海拔低氣溫的一種響應，且在麥秀林場3 212～3 519 m海拔段、3個林場綜合海拔段，葉寬與海拔都具有顯著的相關關系(r=0.582，P=0.007；r=0.282，P=0.016)，而葉寬在中高海拔段未表現出顯著相關性則與其在中鐵林場段增長趨勢明顯下降有關，由麥秀林場3 212～3 519 m的擬合增長率0.785 0下降至中鐵林場的0.0154，而葉厚也僅是從0.374 5下降至0.084 9。葉厚同樣在維持葉片溫度中發揮著重要作用。低溫促使葉厚增加[29-30]，而葉厚輕微增加就能影響葉片最低溫度，從而減少凍害發生[31]。葉角質層增厚，不僅可提高耐寒性[32-33]，也可減少水分流失[33-34]，抵抗紫外輻射[35]，因此其與海拔的相關性更強。與角質層相似，葉表皮細胞也在維持葉片溫度[36]、抵抗紫外輻射[37]等方面發揮著重要作用。綜合來看，葉寬、葉厚、下角質層與下表皮細胞的增厚共同影響著祁連圓柏對高海拔寒旱環境的適應性。

3.2 坡向、經緯度對祁連圓柏針葉解剖結構的影響

祁連圓柏常生長于陽坡地帶，且陽坡祁連圓柏喬木層碳密度顯著高于陰坡[38]，這表明祁連圓柏在陰坡的生長受到抑制。本研究中祁連圓柏針葉解剖結構在陰坡出現下角質層顯著增厚的現象，增厚的葉角質層具有抗旱、抗寒、抗紫外輻射等多種作用[32-35]，而陰坡較陽坡太陽輻射弱，土溫、氣溫低，土壤濕度高[39]，這表明溫度可能是限制祁連圓柏在陰坡生長的主要因素，增厚的葉片下角質層是祁連圓柏對陰坡低溫的一種適應。而在陰坡僅有葉片下角質層顯著增厚的原因，則可能是由于葉片下角質層對溫度的敏感性更高，在祁連圓柏針葉結構與海拔的相關關系中，下角質層厚度也比其他結構表現出更強的相關性。

青海省年降水量總體上自西北向東南逐漸增加[10]，但在本研究中未發現祁連圓柏葉解剖結構與經緯度的顯著相關性，這可能是由于不同地區祁連圓柏的種源間差異削弱了其葉結構與經緯度的相關關系；也可能是由于降水量的減少不足以對祁連圓柏的生長造成壓力，如相對干旱的陽坡祁連圓柏不僅生長得更好，其針葉結構也并未產生與抗旱有關的變化。楊淑麗等[8]指出，柴達木盆地林線附近的祁連圓柏并未受到明顯的水分脅迫，而Zhang等[9]指出在高海拔低溫限制祁連圓柏徑向生長且其影響程度高于降水。

3.3 祁連圓柏林人工更新策略

祁連圓柏天然林更新差[40-41]，通過了解祁連圓柏生態適應性，有助于制定合理的人工更新策略。在本研究中，下角質層與下表皮細胞厚度是祁連圓柏適應高海拔地區的重要貢獻者，其次是葉厚、葉寬，葉維管束無貢獻。薛智德等[42]提出葉結構指標在反映植物抗性上敏感度不同，因此，在評價祁連圓柏對于高海拔惡劣環境的適應性時，應給葉下角質層厚度、下表皮細胞厚度、葉寬、葉厚賦予不同的權重，權重可參照表3相關系數，之后再結合隸屬函數法[43-44]進行綜合評價。若造林地點位于陰坡，則應更多地關注針葉下角質層厚度。在陰坡種植祁連圓柏幼苗時，應選擇針葉下角質層厚的苗木；在高海拔地區種植時，則應選擇針葉下角質層厚度、下表皮細胞厚度、葉厚、葉寬綜合值較大的苗木，綜合值較小的苗木可考慮種植在低海拔地區，以此提高整體苗木成活率，降低生產成本。此外，在苗木培育過程中，可以通過祁連圓柏針葉結構估算苗木的適應性，與擬造林地所在海拔的祁連圓柏針葉解剖結構數據相比較，判斷適應性是否達到培育目標，從而在后續的培育中制定合理的抗性鍛煉方案。

4 結 論

本研究表明，青海省祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環境有良好的適應性，其通過增厚針葉下角質層提高其在陰坡的耐寒性，通過增厚針葉下角質層、下表皮細胞層、葉厚及葉寬綜合提高祁連圓柏在極寒極旱的高海拔地區的生存能力。本研究初步揭示了祁連圓柏針葉解剖結構對高原寒旱環境的適應機制，對于祁連圓柏天然林的更新與保護具有重要的指導意義，為高原植物生態適應性研究提供了理論依據。