基于葉片解剖性狀探究29 種植物對熱帶珊瑚島的適應策略

周雨珩, 劉慧, 張世柯, 劉芳延, 劉楠*

(1. 中國科學院華南植物園，中國科學院海島與海岸帶生態修復工程實驗室，廣州 510650；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 華南國家植物園，廣州 510650)

我國南海海域分布著200 多個熱帶珊瑚島、珊瑚礁和沙洲，這些珊瑚島具有重要的戰略地位和開發利用潛力[1]，受到諸多海洋生態學家和自然資源保護者的關注。以南海諸島為代表的中國熱帶珊瑚島缺少常規土壤結構，基質主要由珊瑚砂構成，保水保肥能力差且養分貧瘠，其環境具有高鹽、高溫、強堿、強光以及季節性干旱明顯等極端環境特點,植被極易退化[2]。植被作為海島的三大基本組成要素之一，具有供給、調節、文化和支持服務等生態系統服務功能，是人類和其它動物賴以生存的基礎，也是海島宜居和可持續發展的基礎。因此，對熱帶珊瑚島植被進行人為恢復確有必要且具有重要意義[3]。由于熱帶珊瑚島的極端環境，選取適應性強的樹種可有效提高植被恢復效率[4]。

葉片功能性狀是植物在與外界環境長期相互作用下形成的形態結構和生理生態等特征，是植物響應外界脅迫的重要組成部分，具有較強的可塑性，常用于反映植物的生長狀況和環境適應性[5]。植物在長期演化過程中，不斷適應周邊的復雜生長環境，產生了一系列適合自身生長發育的生理生態行為。以干旱逆境為例，大量研究表明干旱條件下植物的葉片厚度、柵欄組織與海綿組織厚度以及二者之比均顯著增加，同時氣孔導度、氣孔密度降低[6–8]。其中，葉片厚度是反映植物抗旱性的重要指標，較厚的葉片可以降低水分散失，并提高保水能力[9]。高度發達的柵欄組織在避免植物葉肉細胞過度失水的同時又可有效利用衍射光進行光合作用[10]，排列緊密的海綿組織是植物適應干旱與強光環境的結構基礎[11–12]。因此，旱生植物的比葉面積(SLA)較低, 其葉片較厚，比葉面積偏低，在減少蒸騰面積的同時也降低了光資源競爭能力，葉肉傾向于向提高光合效能的方向發展。氣孔是植物與外界進行氣體交換的主要通道，其大小和密度對植物水分狀況有著重要影響，較低的氣孔密度和氣孔長度有利于減少蒸發喪失的水分從而增加植物的抗旱能力[13]。這些在逆境脅迫下植物葉片形態結構特征的變化反映了植物的抗逆性。因此，葉片功能性狀是研究植物響應逆境機制的重要切入點。

目前有大量關于植物功能性狀與環境因子關系的研究，但較少聚焦于熱帶珊瑚島的極端環境。關于植物在該環境條件下的適應性研究，多為對個別生物物種進行比較[4,8–9,14]，難以揭示植物對熱帶珊瑚島極端環境普適的適應機制?；谌~片形態解剖結構分析植物的適應性研究較多[15–16]，但針對退化生態系統植被恢復及物種選擇方面的植物適應性分析較少，還有待進一步深入。本研究以生長于海南文昌苗圃和移栽到熱帶珊瑚島2 種不同生境的29 種熱帶海島及海岸帶常見植物為研究對象，希望回答如下的科學問題：相對于環境條件良好的苗圃，移栽到熱帶珊瑚島上的植物，如何通過調節葉片解剖性狀適應干旱、強光等極端環境？相關研究結果將為熱帶珊瑚島植被新建物種的選擇與利用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究地概況

海南省文昌市(110°45′ E、19°31′ N)，地勢低平，海拔約10 m，屬熱帶海洋性季風氣候；年均氣溫約24 ℃, 年降雨量約1 800 mm，土壤類型為濱海沉積物沙壤土。熱帶珊瑚島位于海南省三沙市，海拔約5 m,屬熱帶季風海洋性氣候。太陽輻射約6 000 MJ/m2,年均溫約28 ℃，年降雨量約2 800 mm，降雨量充沛但分配不均，每年6 月—11 月為濕季，12 月—翌年5 月為干季，雨季旱季明顯；基質為珊瑚砂，保水保肥性差，鹽堿度高，養分貧瘠[2]。

1.2 試驗材料

本研究以前期西沙群島植被調查為基礎[1]，參照《熱帶珊瑚島礁植被恢復工具種圖譜》[17]，選取了29 種全球熱帶海洋島嶼共有優勢物種作為研究對象(表1)，包括椰子(Cocos nucifera)、木麻黃(Casuarina equisetfolia)、草海桐(Scaevola sericea)、扶桑(Hibiscus rosa-sinensis)等19 種木本物種，以及濱豇豆(Vigna mrina)、海刀豆(Canavalia biflora)等10 種草藤本植物。

表1 熱帶珊瑚島29 種植物基本信息Table 1 Information of 29 common species in tropical coral islands, China

1.3 研究方法

本試驗中的29 種苗木原先種植于海南省文昌市苗圃基地，苗圃位于海南省文昌市郊區，水肥管理采用常規的養護方式，提供充足的水肥，保證植株生長情況良好。然后選取大小及長勢一致，生長情況良好的部分植株于2015年5月移植至熱帶珊瑚島,在3 d 內完成種植，施入客土，澆水定根。

在苗木移栽后的第2年進行兩地植物葉片形態解剖性狀的測定，選擇脅迫嚴重的3 月完成葉片采集。采集時排除幼葉和殘缺葉，選取枝條頂端長勢良好、完全展開的葉片，每種植物選擇5 株苗木, 每株苗木選擇3～5 片葉片。采集后將樣品分別裝袋密封低溫保存，一并帶回實驗室，測定其形態學特征、解剖結構和氣孔特性等指標(表2)，每個指標測量10 個重復值。

表2 性狀指標及其生態學意義Table 2 Character index and its ecological significance

1.3.1 形態學特征測定

采用電子天平稱量植物葉片鮮重(FW)，然后置于65 ℃的烘箱中烘干，稱量葉片的干重(DW)，計算葉片干物質含量LDMC=DW/FW 和比葉面積SLA=LA/DW[24]。

1.3.2 解剖結構特征測定

葉片解剖結構的觀察采用徒手切片法，選取健康植株成熟完整的葉片，參照常英俏等[25]的方法制作橫切面切片。將切片置于顯微鏡(Leica DM 4000B)下，測量并記錄葉片的厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、柵欄組織寬度及海綿組織厚度，并計算柵欄海綿比PST=柵欄組織厚度/海綿組織厚度。

1.3.3 葉片氣孔特性測定

采用指甲油印膜法[26]觀察葉片氣孔特性，將無色指甲油涂于植物葉片下表面，待指甲油干后取下表皮制成臨時切片。將切片置于光學顯微鏡(Leica DM 4000B)下，選取合適視野進行觀察記錄。統計300 μm×300 μm 視野中的氣孔數量，測量氣孔長度，計算氣孔密度。根據氣孔長度(SL)及氣孔密度(SD)計算氣孔面積指數SPI (%)=SD×SL2×10–4[21]。每片葉隨機選取10～15 個視野進行觀察。

1.4 數據分析

采用SPSS 18.0 軟件對生長在不同生境的同種苗木的性狀進行成對t 檢驗，比較木本植物和草藤本植物在不同生境下的葉片解剖性狀差異。采用Pearson相關系數檢驗木本和草藤本植物在不同生境下SLA和LDMC間的相關關系，利用Origin 2019b進行作圖。

2 結果和分析

2.1 葉片形態學特征

與海南文昌植株相比，熱帶珊瑚島地區木本和草藤本植物的LDMC 均顯著上升(P<0.05)，木本植物的SLA 顯著下降(P<0.01)，但草藤本植物未有顯著變化(圖1)。

圖1 兩地植物的比葉面積(SLA)和葉片干物質含量(LDMC)比較。***: P<0.001; **: P<0.01; *: P<0.05; NS: P>0.05。下同Fig. 1 Comparison of specific leaf area (SLA) and leaf dry matter content (LDMC) of plants in two places. ***: P<0.001; **: P<0.01; *: P<0.05; NS: P>0.05.The same below

2.2 葉片解剖結構特征

從圖2 可見，熱帶珊瑚島木本植物的葉片厚度極顯著高于海南文昌的(P<0.001)，柵欄組織厚度和海綿組織厚度也顯著上升(P<0.05)，但柵欄海綿組織比、柵欄組織寬度及上表皮厚度無顯著變化。草藤本植物的葉片解剖結構性狀在兩地間均無顯著差異(P>0.05)。

圖2 兩地植物的葉片解剖結構性狀的比較。LT: 葉片厚度; UET: 上表皮厚度; PT: 柵欄組織厚度; PW: 柵欄組織寬度; ST: 海綿組織厚度。Fig. 2 Comparison of leaf structure traits of plants in two places. LT: Leaf thickness; UET: Thickness of upper epidermis; PT: Thickness of palisade tissue;PW: Width of palisade tissue; ST: Thickness of spongy tissue.

2.3 葉片氣孔特性

兩地29 種植物木本和草藤本植物的葉片氣孔長度、氣孔密度和氣孔面積指數的差異均未達顯著水平(P>0.05)(圖3)。

圖3 兩地植物葉片氣孔性狀的比較。SL: 氣孔長度; SD: 氣孔密度; SPI:氣孔面積指數。Fig. 3 Comparison of leaf stomatal traits of plants in two places. SL: Stomatal length; SD: Stomatal density; SPI: Stomatal area index.

2.4 植物SLA 與LDMC 的關系

對兩地木本植物與草藤本植物的SLA 和LDMC進行相關分析，結果表明，海南文昌地區木本植物與熱帶珊瑚島地區木本植物的SLA 和LDMC 間的相關系數分別為-0.535 和-0.572，呈顯著負相關(P<0.05)，而兩地草藤本植物的SLA 與LDMC 間的相關系數分別為-0.298 和-0.182，負相關關系均不顯著(P>0.05)。

3 結論和討論

3.1 熱帶珊瑚島生境對植物功能性狀的影響及其生存策略

熱帶珊瑚島的極端生境(高溫、強光、季節性干旱和鹽堿)對植物的生存和生長具有重要影響[4]。水分、光照強度、土壤養分等是影響熱帶珊瑚島植被恢復的重要生態因子。本研究表明，移栽至熱帶珊瑚島地區的21 種植物的SLA 顯著降低，葉片厚度和LDMC 顯著增加，表明熱帶珊瑚島的極端環境促使植物將更多的能量用于葉片的構建，降低SLA 以提高對脅迫的適應性。其余植物形態學特征未有顯著變化，主要通過改變柵欄組織厚度、海綿組織厚度等葉片解剖結構特征，以適應熱帶珊瑚島的脅迫環境。

已有研究表明，SLA 較小的植物，葉片通常較厚，具有較強的貯水能力，能夠更好地適應干旱環境[27–28]。本研究中種植于熱帶珊瑚島植物的平均SLA 為146 cm2/g，低于干旱地帶植物SLA 平均值158 cm2/g[29]，表明移栽后的植株經過一段時間的適應后抗旱能力有所提高，能夠通過降低SLA 較好地適應熱帶珊瑚島土壤保水能力差和季節性干旱等不利條件。LDMC 常被用于資源利用分類軸上植物種類的劃分定位，不僅比較穩定且易于測定[19,30–31]。研究表明適應性較強的植物LDMC 通常較高，耐旱樹種新疆楊(Populus alba var. pyramidalis)的LDMC[(420.378±68.046) mg/g]極顯著高于二白楊[P. gansuensis, (301.107±32.647) mg/g]和小葉楊[P. simonii,(287.678±72.055) mg/g][32]。本研究中，移栽至熱帶珊瑚島植物的LDMC 均顯著高于生長于海南文昌的,表明其對熱帶珊瑚島養分貧瘠的惡劣生境適應性較強。

植物葉片性狀的變化并不是孤立的，而是緊密相關的。SLA 與LDMC 常用于綜合反映植物對資源的利用能力及策略[31,33]。一般而言，采取資源獲取型策略的植物通常具有較高的SLA 和較低的LDMC,葉片壽命較短但光合能力較強，養分循環較快，適應于養分資源豐富和濕潤的環境；而采取資源保守型利用策略的植物通常具有較低的SLA 和較高的LDMC,葉片壽命較長且具有很好的保水能力，養分循環較慢，能更好地適應養分貧瘠和干旱的環境[33–34]。本研究中的熱帶珊瑚島養分貧瘠，降水分布不均，存在嚴重的季節性干旱。相較于文昌苗圃的植物，生長于熱帶珊瑚島的木本植物SLA 顯著降低，LDMC顯著提高，說明熱帶珊瑚島木本植物通過不斷權衡資源配置，采取慢速投資-收益的資源獲取策略，將更多的資源投入到葉片構建中，提高保水能力，有效防止水分流失和維持滲透壓[31]。這是木本植物適應熱帶珊瑚島土壤保水能力差和季節性干旱環境的結果，也是其在干旱環境中長期生存的保水策略。而草本植物SLA 的降低并不顯著，說明其可能更傾向于采取快速投資-收益策略以應對熱帶珊瑚島的脅迫環境。

以往的諸多研究均表明，SLA 與LDMC 間呈現負相關關系[19,35–37]。隨著LDMC 的增加，葉組織密度增加，從而導致SLA 降低。這也體現出植物在長期進化過程中，通過自身不同功能間的調整權衡, 形成一系列組合性狀以適應外界環境的變化[32]。本研究結果與其一致，生長于海南文昌地區的木本植物及移栽至熱帶珊瑚島地區的木本植物SLA 和LDMC 均呈顯著負相關(P<0.05)。而草藤本植物的SLA 與LDMC的負相關關系在兩地均不顯著(P>0.05)。這可能是由于相較SLA，LDMC 受葉片含水量(LWC)的影響較大[38–39]。不同植物對水分脅迫的適應方式不同, 葉片性狀對環境變化的響應是差異性的[29,40]。肉質和硬化是植物葉片適應低水分可利用性的不同方法,硬葉植物和肉質植物的SLA 均較低，但硬葉植物的LWC 較低，表現出相對較強的耐失水能力，而肉質植物的LWC 較高，表現出相對較強的保水能力[18,31]。在熱帶珊瑚島的干旱脅迫下，不同物種間LWC 存在差異，這導致LDMC 在計算時存在較大的波動區間，從而削弱了LDMC 與SLA 之間的相關性[29,41]。

3.2 植物對熱帶珊瑚島強光環境的適應

光是植物生長發育的必需資源，光合作用是大多數維管植物唯一的碳吸收機制，而水分虧缺在很大程度上限制光合作用的進行[42]。熱帶珊瑚島光照強烈且干旱嚴重，對植物的光合作用以及生長發育存在較大影響。

相較于文昌苗圃的植物，移栽至熱帶珊瑚島的木本植物葉片厚度增加，柵欄組織和海綿組織更加發達，柵欄組織與海綿組織的比值呈下降趨勢。表明木本植物葉片受熱帶珊瑚島高溫、強光照的環境脅迫，葉肉形成一定的適應性，具有較高的光合潛能和光能利用效率[22]。而發達的柵欄組織以及排列緊密的海綿組織既可避免干旱地區強烈光照對葉肉細胞的灼燒，又可有效利用衍射光進行光合作用[10]，是植物適應強光生境的結構基礎[11]。

此外，氣孔在植物光合作用過程中也起著重要作用，較小的氣孔面積和較高的氣孔密度有利于提高水分利用效率，減少植物光合過程中的蒸騰失水[43]。對青藏高原地區25 種耐旱樹種的研究顯示，胡頹子(Elaeagnuspungens)等灌木的氣孔密度為57.27～360.05 n/mm2[44]。而本研究中移栽至熱帶珊瑚島的植物平均氣孔密度僅為279.58 n/mm2,密度較小且大小一般，有利于植物在提高光合能力的同時避免因蒸騰作用而過度失水[14]，體現了植物光合作用與蒸騰作用之間的協同關系。

3.3 植物對熱帶珊瑚島干旱脅迫的適應

植物適應干旱環境的機制包括氣孔調節和非氣孔調節兩種方式。氣孔通過生理學途徑對蒸騰作用實現的調節作用統稱為氣孔調節，主要表現在氣孔特征構造差異和氣孔對環境誘導的反饋機制上[45]。非氣孔調節則主要通過改變葉片導水率、葉肉組織、比葉面積等來實現[4]。干旱脅迫下，葉片的形態結構會發生變化，主要朝著保持水分吸收和減少水分喪失兩個方面發展以維持體內的水分平衡[46]。李芳蘭等[47]對白刺花(Sophoradavidii)響應干旱脅迫的研究表明，葉肉組織厚度的變化與植物的生長及水分利用間關系密切。發達的機械組織與極端干旱生境之間存在著明顯的相關性，能夠緩解干旱脅迫造成的損傷和失水的不利影響。從葉片形態解剖學特征來看，移栽至熱帶珊瑚島的木本植物葉片厚度、柵欄組織厚度以及海綿組織厚度顯著增加。這表明移栽至熱帶珊瑚島的木本植物表現出明顯的耐旱特征[48]，能夠通過增加葉片厚度和葉肉組織等非氣孔調節方式來防止過度失水，提高水分利用效率，從而在熱帶珊瑚島干旱等不利條件下保持正常的生長發育。

此外，本研究結果還表明，移栽至熱帶珊瑚島的木本植物和草藤本植物在干旱脅迫下生長良好,而葉片氣孔數量和密度未發生顯著變化。前人[43]研究表明，適度的水分虧缺增加植物葉片的氣孔密度，而重度水分脅迫使氣孔密度降低，氣孔調節能力下降。韓剛等對西北干旱半干旱地區6 種抗旱植物的研究發現，抗旱性強的物種氣孔密度低[49]。因此，本試驗結果中氣孔調節失效可能是由于熱帶珊瑚島地區的季節性干旱所致，即氣孔調節需要在一定的土壤水分范圍內，過度干旱時氣孔的調節能力下降[50]，植物通過非氣孔調節的方式來提高抗旱能力以適應熱帶珊瑚島干旱的氣候條件。為更深入的探究植物對熱帶珊瑚島干旱脅迫的適應，未來需要進一步對氣體交換參數進行研究。

相較于文昌苗圃植物，移栽至熱帶珊瑚島的草本植物除干物質含量增加外其他性狀均無顯著改變；而木本植物則采取慢速投資-收益的資源獲取策略，將更多的資源投入到葉片構建中。熱帶珊瑚島木本植物的比葉面積、葉片干物質含量顯著下降、葉片厚度顯著增加、海綿組織更厚且柵欄組織排列更緊密，表現出明顯的旱生結構和陽生結構，這些形態解剖特征使植物能夠更為有效地利用珊瑚島生境中的光照和水分資源；采取非氣孔調節方式,對珊瑚島干旱、強光、高鹽堿度的脅迫生境表現出良好的生態適應性。因此，從水分脅迫和光照脅迫的角度考慮，相對于草本植物，本研究選擇的19 種木本植物可通過自身調節充分適應熱帶珊瑚島的逆境脅迫，研究結果對我國熱帶珊瑚島植被恢復和重建提供物種選擇具有重要的理論和實踐價值。