元谋干热河谷种树种叶片解剖特征与蒸腾作用研究

元谋干热河谷种树种叶片解剖特征与蒸腾作用研究_干热河谷植被恢复

元谋干热河谷6种树种叶片解剖特征与蒸腾作用研究

孙永玉，李　昆，张春华，刘方炎

(1.中国林业科学研究院资源昆虫研究所，昆明650224； 2.国家林业局云南元谋荒漠生态定位研究站，元谋6513002)

摘要:对干热河谷6种适生树种旱季叶片进行了解剖观察和对比分析，研究解剖特征及与蒸腾速率、叶片温度的相关性。结果表明:6种树种在叶片解剖结构上都表现出对干热河谷逆境胁迫的适应特点，即叶片较厚、角质层和栅栏组织发达等特点；不同树种间叶片主要解剖结构参数存在着显著的差异，抗旱性强的树种叶片具有多种抗旱的结构特征；栅栏组织、气孔密度、海绵组织厚度与蒸腾速率呈显著相关，叶片厚度、海绵组织与叶片温度也具有明显的相关性。本研究表明:叶片结构是干热河谷树种对干热胁迫的适应机制之一，叶片结构解剖数据可作为树种选择和抗旱生理的借鉴性指标。

关键词:干热河谷；叶片解剖特征；蒸腾作用；叶片温度；相关性

植物叶片是对环境较敏感且可塑性较大的器官，是植物进化过程中对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官，环境变化常导致叶的长、宽、厚度、表面气孔数量、表皮细胞及附属物、叶肉栅栏组织、海绵组织、胞间隙、厚角组织和叶脉等形态解剖结构的响应与适应^［1］，最能体现环境因子对植物的影响或植物对环境的适应性^［2］；叶片也是植物进行同化与蒸腾作用的主要器官，结构是功能的基础，叶片结构在逆境的胁迫下的变化必然影响到生理生态功能的改变，研究植物叶片解剖结构有助于了解叶片生理功能及植物对环境变化的适应机制^［3］，叶片结构与抗逆性的关系长期以来都是国内外学者研究的热点^［4－7］。我国西南地区的干热河谷气候干燥炎热，分布广，面积大，仅金沙江流域就有1.5万km²，植被退化严重，水土流失强烈，一直是长江上游植被恢复的重点和难点，以往研究主要集中在树种的抗旱机理^［8－9］、育苗^［10］、土壤与造林^［11］和植物区系^{［12－13］}等方面。在高温、干旱和贫瘠的环境下，部分乡土和引种树种在适应干热河谷逆境的过程中形成了对抗不良环境的适应性结构^［14］，但对其解剖结构与抗旱生理相关分析的研究尚未涉及。本文对干热河谷地区普遍栽培和分布的6个树种的旱季解剖结构特征进行了观察，并分析其与蒸腾速率、叶片温度等生理特征的相关性，旨在说明这些树种在叶片构造上对环境的适应途径，为干热河谷生态恢复及树种选择提供科学依据和借鉴性指标。

1　材料与方法

1.1　研究地点

研究地点为干热河谷典型地区云南省元谋盆地，该地位于金沙江中游一级支流龙川江下游，研究树种分别为大叶相思(Acacia auriculiformis)、台湾相思(A.confusa)、赤桉(Eucalyptus camaldulensis)、柠檬桉(E.citriodora)、印楝(Azadirachta indica)和坡柳(Dodonaea viscosa)，树龄8－12年，生境条件基本一致(见表1)。元谋气候炎热干燥，干湿季分明，年均温为21.9℃，≥10℃年积温为8003℃，无霜期360～365天，年降水量630.7mm，旱季(11月至次年的5月)降水量占全年降水量的10%以下，年蒸发量约为3426.3mm；土壤为燥红土，林下主要植物有苦刺(Sophora viciifolia)、余甘子(Phyllanthus emblica)、扭黄茅(Heteropogon contortus)、三芒草(Aristida adscensionis)等。每树种选择样株3株，树冠向阳中部正常叶片各3片，挂牌标记并用于观察与测定。2010年4月17～20日测量蒸腾、叶片温度等生理指标后采集叶片进行解剖结构标本制作。

表1　样品采集地基本情况

2.2　研究方法

2.2.1　叶片解剖结构的测定

将测试树种的叶片取下后立即用FAA固定液固定，常规石蜡切片法制片，切片厚度5～7μm，番红－固绿对染，加拿大树胶封片，用OlympusBX51显微镜观察，测量栅栏组织、海绵组织、叶片厚、上下角质层、上下表皮、气孔密度等指标。

2.2.2　叶片蒸腾作用的测定

测定仪器采用Li－cor1600稳态气孔计，测量时尽量保持叶片的自然生长角度，每树种蒸腾重复记录4～8次取平均值，测定时间从8:00开始，18:00结束，测量间隔时间为2h，同时记录叶面温度。

2.2.3　数据分析

运用motic images advanced3.2软件在显微镜下进行解剖结构指标计量，采用SPSS16.0、Excel对数据结果进行做图与相关性分析。

3　结果与分析

3.1　6种树种叶片解剖结构特征比较

3.1.1　叶片厚度

6种树叶的叶片厚度在211～270μm之间(见表1、图1)，不同树种间叶片厚度差异显著。其中，柠檬桉叶片厚度大于其他5种树种为270μm，台湾相思、赤桉、坡柳、印楝叶片厚度分别为253μm、236μm、227μm和212μm，大叶相思叶片厚度最小为211μm。

表2　叶片解剖结构参数比较单位:μm

注:数据为平均值±标准误。不同大写字母表示在0.01水平上差异显著，小写字母表示在0.05水平下差异显著。

3.1.2　气孔密度

6种树叶的下表皮气孔密度差异显著，单位面积气孔密度范围为310～602个/mm²，台湾相思叶片气孔密度最高，为602个±13个/mm²，其次是坡柳597个/mm²，大叶相思、印楝、柠檬桉居中，在360～581个/mm²之间，赤桉叶片气孔密度最小，为310个±7个/mm²。

图16　种树种的叶片解剖结构

A.赤桉(×100)；B.柠檬桉(×100)；C.坡柳(×150)；D.大叶相思(×100)；E.台湾相思(×100)；F.印楝(×100)；a上表皮；b下表皮c栅栏组织；d海绵组织。

3.1.3　栅栏组织、海绵组织及栅海比

栅栏组织的层数、排列的紧密程度及海绵组织、栅海比在不同树种之间也有明显的差异，6种树种栅栏组织厚度的变化范围在90.0～221μm之间，分别由2～4层不等，大小排序为柠檬桉＞赤桉＞坡柳＞印楝＞大叶相思＞台湾相思。解剖观察发现，赤桉和柠檬桉叶片中未发现海绵组织，但栅栏组织较其他树种都发达；其他4种树种的海绵组织厚度在50.0～80.0μm之间，海绵组织厚度的排序与栅栏组织排序正好相反，为台湾相思＞大叶相思＞印楝＞坡柳＞赤桉、柠檬桉。6种树种的栅、海比在0～2.12之间，其比值排序为印楝＞坡柳＞大叶相思＞台湾相思＞赤桉、柠檬桉。

3.1.4　叶片表皮及角质层厚

从本研究的6个树种来看，上表皮厚度以赤桉最大，平均厚度为20.6μm，其次为台湾相思、印楝、柠檬桉、坡柳，分别为17.2μm、16.1μm、9.0μm和9.0μm，大叶相思上表皮厚度最薄，为5.5μm。台湾相思、赤桉、印楝的叶下表皮细胞厚度相对较大，其中台湾相思叶下表皮厚度约为大叶相思(最小)下表皮厚度的3.7倍。6个种叶上、下叶片角质厚在1.6～4.5μm之间，其中赤桉、柠檬桉、台湾相思新的叶片皮角质层略厚，这3个树种叶片革质化，发达的角质层和机械组织可有效降低水分的蒸发。

3.2　不同树种蒸腾速率特征及其日变化

图26种树种蒸腾速率日变化

从6个树种的旱季蒸腾速率日变化测定结果可以看出(如图2)，在干热河谷旱季，由于受到严重的水分和温度的影响，尽管不同树种的蒸腾速率差异很大，但总体呈现蒸腾普遍较弱，蒸腾曲线呈双峰曲线、蒸腾高峰出现时间提前等特点。6个树种间旱季日蒸腾差异极显著(F_(0.01)=10.4001＞F=3.5744)，蒸腾速率较高的树种为印楝、车桑子，分别为3.588mmol·m－2·

crit s^－1和3.546mmol·m－2·s^－1，相思树种与桉属树种比较，前者的蒸腾速率相对较弱，大叶相思、台湾相思的日平均蒸腾速率为2.264 mmol·m－2·s^－1和2.104 mmol·m－2·s^－1，而赤桉和柠檬桉的日平均蒸腾分别为2.397 mmol·m－2·s^－1和2.394 mmol·m－2·s^－1。相思类树种和乡土树种车桑子的日蒸腾高峰值出现于12时之前，2个桉树属树种则出现在中午12时左右；6个树种出现了典型的旱区中午气孔关闭的“午休”现象。

3.3不同树种叶温度及其日变化特征

表3　6种树种的叶片温度日变化单位:℃)

6个树种在旱季叶片由于水分及温度胁迫，蒸腾作用受抑制，蒸腾降温作用降低，导致叶面温度急剧上升，所有树种的叶温都较当时气温高出许多(见表3)，但不同树种间叶片温度差异并不显著(F^(0.01)=0.3901﹤F^crit=3.5744)。6种树种叶片日平均温度大小排序为大叶相思(35.68℃)＞坡柳(35.15℃)＞赤桉(35.00℃)＞台湾相思(34.75℃)＞柠檬桉(34.22℃)＞印楝(33.12℃)。

3.4　不同树种解剖结构特征与蒸腾速率、叶片温度相关性分析

表4　叶片解剖结构与蒸腾速率、叶片温度相关性分析

注:＊＊在0.01水平上显著相关，*在0.05水平上显著相关。

通过对干热河谷6个树种叶片解剖结构参数与对应的蒸腾速率、叶片温度进行相关性分析(见表4)，以期了解干热河谷树种叶片解剖结构与生理活动的关系，结果表明，干热河谷树种的叶片结构对蒸腾等生理活动产生了较大的影响。其中栅栏组织、栅海比与蒸腾速率成极显著的负相关，相关系数分别达到－0.73和－0.70，说明随着栅栏组织的加厚，蒸腾速率有显著降低的趋势；气孔密度、海绵组织厚度与蒸腾速率成显著正相关，随着气孔密度的增加和海绵组织的增厚，蒸腾速率有明显增加的趋势；叶片厚度、上下表皮厚度、上下角质层厚度与蒸腾速率的变化成负相关关系，随着叶片、上下表皮、上下角质层厚度的加大，蒸腾速率有降低的趋势。叶片温度与叶片厚度、海绵组织有显著的正相关性，与气孔密度、角质层厚度呈负相关性，叶片结构特征明显影响了树种旱季的叶片温度。

4　结论与讨论

关于形态解剖特征与抗旱性的关系，许多研究的结果并不一致，一般认为旱生植物叶片较厚，表皮组织有发达的角质层，气孔下陷且密度大，栅栏组织高度发育；机械组织强化等^［15］。6种干热河谷适生树种叶片结构解剖观察结果表明总体符合前人研究的结论，即抗旱性强的树种具有较厚的叶片、角质层和发达的栅栏组织等，各树种在叶片解剖结构上都表现出对干热河谷逆境胁迫的适应特征。

叶片厚度、角质层厚度是反映植物抗旱能力的重要指标，往往与其蓄水性和保水性密切相关，叶片较厚是植物抗旱的特征，叶片和表皮细胞越厚，储水能力相对越强，而一般中生植物的叶在105～208μm间^［16］；在角质层蒸腾中，中生植物角质层蒸腾占全部蒸腾的1/5～1/7，旱生植物叶表和主脉的角质增厚，角质层蒸腾比较弱，占总蒸腾量的1/25^［17］。本研究所涉及的干热河谷6种适生树种的叶片要比中生植物的厚，说明在干热河谷高温与缺水协同胁迫下，叶片厚度有增加的趋势，各树种叶上下表皮都具不同厚度的角质层，可有效反射干热河谷强光的照射，减少叶面蒸腾。气孔是植物控制水分和进行气体交换的通道，气孔的数量、大小也可反映植物起源的地带性、抗逆能力及种间差异^{［15－16］}；台湾相思、坡柳、大叶相思、印楝等树种气孔密度大，可有效保证二氧化碳的强烈吸收并加大光合作用的速率，利于有机物质的积累和热量的散开，从而避免因干热伤害导致的原生质及叶绿体变性；而赤桉、柠檬桉叶片气孔密度略显偏低，其生理机制与上述4种树种有明显的差异，这两种桉树的气孔密度与抗干热能力的关系可能与树种的起源地带性有关。抗旱性强的植物，机械组织的发育发达，机械组织可以减低叶萎蔫时的损伤，同时也能阻挡光线的直接照射，进而达到降低蒸腾的作用^［18］；栅栏组织和海绵组织也是植物的主要光合组织，影响到叶绿体的分布和光合作用的效率，栅栏组织与海绵组织的分化程度可间接反映环境中水分状态和光照变化^［1］；6种树种叶片都具有多层栅栏组织、栅海比较高、发达的机械组织(栅栏组织)及较大的栅海比等特征，也是有效抵抗干热逆境的一种适应机制。

不同树种叶片解剖结构参数间存在着显著的差异，抗旱性强的树种叶片可具有不同途径的抗旱结构特征，如赤桉、柠檬桉等树种叶片气孔密度上虽然较小，但在野外实际生长表现上抗旱性明显强于印楝、大叶相思等树种。植物控制蒸腾耗水是多种指标交互作用形成的，对干旱环境的适应方式也是多种多样，仅仅从叶片解剖结构来解释干热河谷各树种的抗逆机理是仍有欠缺，需结合抗逆生理、生化、树种起源等方面进行深一步的研究工作。

6种干热河谷适生树种旱季蒸腾速率普遍较弱，但树种间差异显著，蒸腾曲线总体呈双峰曲线，蒸腾高峰出现时间提前，具有明显的中午“气孔午休”现象等特点。本研究结果也表明，在干热河谷旱季气温高、光照强、植物供水差时空气对流和蒸发引起的热量支出常常不能使叶温和空气温度一致，导致树叶热量积累，叶片温度急剧升高，叶温明显高出气温，由于蒸腾作用引起的冷却作用并不明显。

叶片结构与植物的长势和抗性生理相关，可作为抗性指标，反应植物对环境的适应性^{［19－20］}。通过对6种树种叶片解剖结构参数与蒸腾速率、叶片温度的相关性分析，证明了干热河谷树种叶片结构特征对其生理活动具有明显的影响，其中栅栏组织、栅海比、气孔密度、海绵组织厚度与蒸腾速率呈显著相关性，叶片厚度、海绵组织与叶片温度也有显著的相关，说明叶片结构特征影响了各树种的抗逆生理表现，因而这些解剖结构指标也可作为树种选择与评价的借鉴性指标。

参考文献

［1］李芳兰，包维楷.植物叶片形态解剖结构对环境变化的响应与适应［J］.植物学报，2005，V22(增刊): 118－127.

［2］蔡永立，宋永昌.浙江天童常绿阔叶林藤本植物的适应生态学I.叶片解剖特征的比较［J］.植物生态学报，1999，25(1):90－98.

［3］闫玉华，代汉萍，雷家军.红花草莓及其杂交育种研究［J］.沈阳农业大学学报，2006，36(5):612－614.

［4］戴建良，董源，陈晓阳，等.不同种源侧柏鳞叶解剖构造及其与抗旱性的关系［J］.北京林业大学学报，2003，21(1):26－31.

［5］孟庆杰，王光全，董绍锋，张丽，龚正道.桃叶片组织解剖结构特征与其抗旱性关系的研究［J］.干旱地区农业研究，22(3).

［6］赵翠仙，黄子深.腾格里沙漠主要旱生植物旱性结构的初步研究［J］..植物学报，1981，23(4):278－283.

［7］Sam O，Jerez E，Dell Amiico J，etal.Water stress induced changes in anatomy of tomato leaf epidermis［J］.Biologia plantum，2000，43(2):275－277.

［8］孙永玉，陈艳彬，张春华，等.干热河谷引种沙漠葳的抗旱生理特征.南京林业大学学报，2009，33(6): 83－86.

［9］崔凯，李昆，孙永玉，等.云南元谋干热河谷地区6种植物种子的抗逆生理特性［J］.东北林业大学学报，2008，36(11):55－58.

［10］李昆，崔永忠，张春华，等.金沙江干热河谷退耕还林区造林树种的育苗技术［J］.南京林业大学学报，2003，27(6):89－92.

［11］李昆，侯开卫，张治钧，等.云南南涧干热区极度退化山地的造林技术［J］.林业科学研究，1998，11(2):208－213.

［12］刘方炎，李昆，张春华，等.金沙江干热河谷植被恢复初期的群落特征［J］.南京林业大学学报，2007，31(6):129－132.

［13］欧晓昆，金振洲.金沙江干热河谷植物区系和生态多样性的初步研究［J］.武汉植物研究，1996，14(4):318－322.

［14］高洁，张尚云，傅美芬，等.干热河谷主要造林树种旱性结构的初步研究［J］.西南林学院，1997，17(2):59－63.

［15］赵翠仙，黄子琛.腾格里沙漠主要旱生植物旱性结构的初步研究［J］.植物学报，1981，26(4):23－26.

［16］刘祖祺，张石城.植物抗性生理学［M］.北京:中国农业出版社，1992.4.

［17］蒲汉丽.杏、梨叶片耐旱的解剖学和生理学特征初步研究［J］.甘肃农业科技，1990，(2):14－16.

［18］梅秀英，樊军锋，周永学，等.泡桐杂种无性系叶抗旱性的初步研究［J］.西北林学院学报，1994，9(2):55－58.

［19］张德巧，徐增莱，褚晓芳，等.蓝莓叶片与抗旱性相关的解剖结构指标研究［J］.果树学报，2008，25(6):864－867.

［20］吴林，刘海广，刘雅娟.越橘叶片组织结构及其与抗寒性的关系［J］.吉林农业大学学报，2005，27(1):48－50，54.

Study on Anatomical Characteristics and Transpiration Feature of 6 Trees inYuanmou Dry－hot Valley

SUN Yong－yu，LI Kun，ZHANG Chun－hua，LIU Fang－yan

(1.ResearchInstitute ofResource Insects，CAF Kunming 650224，China；

2.SFA＇s Yuanmou degraded ecosystem location research station，Yuanmou 651302，China)

Abstract:The leaves anatomical characteristics of6 tree specieswere studied in Yuanmou dry－hot valley，and the correlation between anatomical characteristics and transpiration rate，leaf temperature were also studied.The results showed that the leaves anatomical characteristics of6 specieswere adapted to the stress of dry－hot valley，such as thick leaves and cuticle，developed palisade tissue；there were significant differences among different tree species，drought resistant species were notwith all the drought structural features；Palisade tissue，stomatal density，spongy tissue were significantly correlated with transpiration rate，and leaves thickness，spongy tissue were also significantly correlated with leaves temperature.The results indicated that leaves structure was one of themechanisms to stress adaptation；leaves anatomical characteristics could be used as reference index for the species selection and physiological indicators of drought.

Key words:dry－hot valley；leaves anatomical characteristics；transpiration rate；leaf temperature；correlation