8种落叶乔木抗旱性相关叶片的解剖结构1)

翟晓巧 任媛媛 刘艳萍 王 念 王文君

(河南省林业科学研究院，郑州，45008)

水份是植物生长不可缺少的关键因素之一，在自然环境条件下，干旱缺水往往限制着植物进行正常生长发育以及生物量产出的能力。在屋顶绿化中，由于屋顶通透性差、热容量小、土壤层薄、涵养水分的能力有限，所以选育抗旱能力强的植物品种成为屋顶绿化的首要任务［1］。叶片是植物进行蒸腾作用，控制气体交换的重要器官，其形态结构受自然环境影响，经过长期的适应性分化出特有的组织细胞，有利于水分的高效利用。研究表明，叶片解剖结构中的多项指标都与植物抗旱性有着密切的关系，包括叶角质膜厚度、气孔数量和导管大小等［2］。因此，研究叶片解剖结构，对其各项指标数据进行统计分析，能够对植物的抗旱性进行辅助评价。与此同时，对叶片解剖结构指标与抗旱性的关联分析，也有助于了解叶片中对抗旱起到关键作用的组织细胞及其结构特征，为以后的研究提供方向。目前对植物叶片解剖结构与抗旱性的研究已经展开，主要包括同种植物之间和不同种植物之间的相互比较［3－6］，且研究多集中于草本和灌木，对不同种落叶乔木特别是屋顶绿化树木的研究较少。本研究通过对8种屋顶绿化庭院观赏落叶乔木的叶片解剖结构观测和分析，利用模糊数学评判方法对其抗旱性能力进行排序，并研究讨论叶片各项指标的结构特征与抗旱性的关系，以期为屋顶绿化中树种的选育提供一定的理论依据。

1 试验区自然概况

试验地设于河南省郑州市河南省林业科学研究院五层办公楼楼顶(垂直地面距离17 m)，位于东经112°42'～114°14'，北纬 34°16'～34°58'。郑州市属北温带大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，平均气温27.3℃，最高气温曾达到43℃。

2 材料与方法

2.1 试验材料及时间

2011年9月在屋顶绿化试验区中，选取生长状况良好，生境一致的白蜡、白榆、臭椿、刺槐、构树、黄连木、火炬树、枣树等2年生盆栽苗，分别采集中部受光均匀处叶片3～4片。试验区以自然降水为主，必要时辅助以人工浇水。

2.2 试验方法

(1)叶片电镜扫描。切取靠近叶脉处1 cm2新鲜叶片样品，放入4%戊二醛溶液(pH为7.2，0.2 mol/dm3磷酸缓冲液溶液配制)中固定12 h，在pH为7.2、0.1 mol/dm3磷酸缓冲液中清洗 3 次;再使用体积分数为30%、50%、70%、90%的乙醇进行逐级脱水，100%乙醇脱水2次，每级每次15 min;再用醋酸异戊酯置换 2次，每次 15 min;经过EMITECHK850临界点干燥仪临界点干燥后，使用HITACHE－1010喷镀仪进行粘台操作;最后将经过15 mA电流进行导电处理90 s的切片样本，使用FEI QUANTA 200扫描电子显微镜进行观察。

(2)叶片组织细胞结构观察。依据叶片横切面扫描电镜图片，分别测量不同类型的叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度和下部紧密组织厚度，并按下面的公式计算:

叶片组织细胞结构紧密度(CTR)=(栅栏组织厚度/叶片厚度)×100%。

叶片组织细胞结构疏松度(SR)=(海绵组织厚度/叶片厚度)×100%。

依据叶片下表皮显微电镜扫描图片，分别测量气孔长度、宽度，并计算每平方毫米气孔数量。

试验数据处理方法:由于单一指标很难反映植物抗旱性的强弱，本研究采用模糊数学中的隶属函数法对8种落叶乔木叶片的各项指标测定值进行综合评定［7］，并将8种落叶乔木的抗旱隶属函数平均值及10项叶片解剖结构指标视为一个灰色系统，采用DPS数据处理软件进行灰色系统关联分析，得到各项指标对抗旱性的关联度并排序，从而评价其对干旱的敏感程度。

3 结果与分析

3.1 8种落叶乔木叶片解剖结构特征比较

8种落叶乔木叶片除刺槐为复叶外，其他皆为单叶，叶片形状、大小各有不同，但其均为异面叶，叶片组织结构皆分为上表皮细胞、栅栏组织、海绵组织、下表皮细胞4部分。

对试验材料的10项叶片解剖结构电镜下观察。叶片横截面指标显示(表1，图1，图2)，10项测定指标在各树种间皆有极显著差异，具体结果如下:各树种叶片厚度变化较大，最厚的黄连木叶片为134.81 μm，最薄的火炬树为78.11 μm。各植物具有角质膜，但角质膜分化不明显，臭椿、刺槐与构树的表皮都具有明显的表皮毛。栅栏组织细胞为长柱形，厚度为41～64 μm，除枣树和火炬树的栅栏细胞排列较为疏松，由2层细胞组成之外，其余树种栅栏组织皆由一层细胞紧密排列而成。叶片组织细胞结构紧密度(CTR)最小的为枣树，仅有42 μm;最大的为构树，达到72.14 μm。海绵组织细胞形状不规则，排列极为疏松，并形成发达的通气组织，厚度变化较大，最厚的为黄连木海绵组织58.01 μm，而构树的海绵组织厚度仅有10.64 μm;除个别树种外，海绵组织的厚度普遍低于栅栏组织。叶片组织细胞结构疏松度(SR)统计显示，构树的SR最小，仅为13.09 μm;与 CTR正好相反，枣树的 SR最大，为44.93 μm。各树种上表细胞排列紧密，厚度为4.88～11.25 μm，下表皮厚度则为4.26 ～8.50 μm;8 种树种叶片上表皮气孔分布极少，而下表皮气孔较多，气孔密度为405～758个/mm2。各树种气孔形状各异，基本呈椭圆形、圆形、方形和长方形，其中气孔表面积相对较小的有刺槐，较大的为白榆、构树和白蜡。

表1 8种落叶乔木的叶片抗旱性指标测定

3.2 抗旱能力综合评价

将每个树种各指标的抗旱隶属函数值累加起来，求其平均值，用每个树种样本的各项指标隶属度的平均值，作为树种抗旱能力综合鉴定标准，即抗旱隶属函数平均值。平均值越大，抗旱性则越强。在10项叶片解剖指标中，叶片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度、叶片组织细胞结构紧密度和气孔密度与抗旱性正相关;海绵组织厚度、叶片组织细胞结构疏松度、气孔长度和气孔宽度与抗旱性负相关。

由表2可知，8种落叶乔木的抗旱性由强到弱的顺序为:构树、黄连木、白榆、刺槐、枣树、臭椿、火炬树、白蜡。

图1 8种落叶乔木横截面电镜显微图

图2 8种落叶乔木下表皮气孔电镜显微图

表2 8种落叶乔木抗旱性综合评价

3.3 抗旱指标选取

根据表3可知，8种落叶乔木10项抗旱指标与关联度由大到小的顺序依次为:栅栏组织厚度、气孔密度、海绵组织厚度、叶片气孔宽度、叶片厚度、叶片组织细胞结构疏松度、叶片组织细胞结构紧密度、上表皮厚度、下表皮厚度、叶片气孔长度。

表3 10项指标数据及参考数据

4 结论与讨论

通过利用隶属函数法和灰色系统关联性分析，对8个落叶乔木的上表皮厚度、下表皮厚度、叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、叶片组织细胞结构紧密度、叶片组织细胞结构疏松度、气孔长度、气孔宽度和气孔密度10项叶片解剖结构的统计分析，对其抗旱性进行评价。结果显示，抗旱性顺序由强到弱依次为构树、黄连木、白榆、刺槐、枣树、臭椿、火炬树、白蜡，叶片解剖结构指标与抗旱的关联度由大到小顺序依次为栅栏组织厚度、气孔密度、海绵组织厚度、叶片气孔宽度、叶片厚度、叶片组织细胞结构疏松度、叶片组织细胞结构紧密度、上表皮厚度、下表皮厚度、叶片气孔长度。

植物叶片是反映植物在不同生态环境条件下特点的首要器官，其形态结构是对自身生理代谢的需要和外界环境的逐渐适应。叶片的表皮细胞及其附属物、叶片厚度、栅栏组织、海绵组织、气孔密度等指标都与植物的抗旱性具有密切的关系。本研究选取的白蜡、白榆、臭椿、刺槐、构树、黄连木、火炬树、枣树叶片均为异面叶，叶片由紧密排列的上表皮、栅栏组织、疏松的海绵组织和下表皮构成，下表皮皆密被气孔。气孔是调节体内水分和对外界进行气体交换的重要通道，在缺水条件下，气孔主要在叶片下表皮密被，且其密度随着干旱程度的增强而增加，气孔面积则随之减小，有利于保持水分，是植物应对环境胁迫的重要机制［8］。8种落叶乔木的下表皮气孔形状大小各异，且气孔密度变化较大，其中抗旱性强的构树和黄连木气孔密度分别达到了735、758个/mm2，远远超出平均水平。具有表皮毛是旱生植物叶片表皮的主要特点［9］。臭椿、刺槐和构树的表皮具有表皮毛，起到了反射强光、减少叶表面空气流动、防止植物体内水分过多丧失的作用。多层而紧密的栅栏组织和海绵组织相对不发达，是旱生植物的主要特点之一。枣树和火炬树的栅栏组织有2～3层的栅栏组织细胞，栅栏组织不但能够高效运输水分，而且能够增加叶肉细胞面积，增强光合作用，对抗旱性具有重要意义。

目前，我国在屋顶绿化项目中多选用景天科植物和地被类草坪，使得品种单一、颜色单一，但随着屋顶绿化逐渐向经济型、生态型发展，有必要将所使用的植物种类多样化，使其发挥应有的生态效益和景观效益。本研究对8种在屋顶绿化条件下生长的落叶乔木的抗旱性进行了初步评价，对屋顶绿化植物种类的筛选起到了积极的作用。

［1］ 冷宇，张卫国，严秀珍，等.屋顶绿化植物研究综述［J］.黑龙江农业科学，2008(2):145－147.

［2］ 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］.植物学通报，2005，22(增刊):118－127.

［3］ 潘存娥，田丽萍，李贞贞，等.5种杨树无性系叶片解剖结构的抗旱性研究［J］.中国农学通报，2011，27(2):21－25.

［4］ 徐振华.屋顶绿化树种叶片形态特征及耐旱性比较［J］.林业科技开发，2012，26(4):68－72.

［5］ 朱栗琼，李吉跃，招礼军.六种阔叶树叶片解剖结构特征及其耐旱性比较［J］.广西植物，2007，27(3):431－434.

［6］ 韩刚，李少雄，徐鹏，等.6种灌木叶片解剖结构的抗旱性分析［J］.西北林学院学报，2006，21(4):43－46.

［7］ 严明建，黄文章，胡景涛，等.应用隶属函数法鉴定水稻的抗旱性［J］.杂交水稻，2009，24(5):76－79.

［8］ 章英才，闫天珍.花花柴叶片解剖结构与生态环境关系的研究［J］.宁夏农学院学报，2003，24(1):31－33.

［9］ 王怡.三种抗旱植物叶片解剖结构的对比观察［J］.四川林业科技，2003，24(1):64－67.