金沙江干热河谷同一群落不同生活型植物叶片解剖结构差异分析

许云蕾 蒲文彩 余志祥 杨永琼 马焕成

(1.西南林业大学西南地区生物多样性保育国家林业局重点实验室，云南 昆明 650224；2.四川攀枝花苏铁国家级自然保护区管理局，四川 攀枝花 617000)

金沙江干热河谷是长江上游生态环境最脆弱、水土流失最严重的区域之一，金沙江干热河谷日照充足，光能资源丰富，由于焚风作用，气温高于同纬度地区，年均温多为17.7～21.9 ℃，≥10 ℃积温多为6 100～7 985.0 ℃，降水量少而集中，雨季降水量占年总降水量的90%以上，旱季降水量不足10%，蒸发量是降水量的3～6倍，气候垂直分异明显[1-2]。干旱是限制植物生长的重要非生物因素之一[3]，在干旱胁迫下，树木通过改变叶片和根系的形态结构来适应或抵抗不良环境。叶片与环境的关系比较密切，在干旱的生态环境中，演化成多种抗旱性的形态适应特征，如叶片变厚，细胞壁增厚，出现叶毛，角质层加厚、脂类组织含量升高栅栏组织发达而海绵组织叶肉发育不明显，气孔沉陷更深，细胞间隙变小等[4]。叶片组织结构紧密度越大、栅栏组织越发达，植物进行光合作用的能力越高，海绵组织厚度则与抗旱性呈负相关[5]。叶片组织结构直接决定了叶片的功能，影响叶片形态[6]。因此，叶片结构是最能反映植物在逆境的适应性特征。近年来，已有不少关于植物叶片解剖结构和利用模糊数学隶属函数值法评定抗旱性研究[7-10]。赵高卷等[11]对干热河谷3种木棉科植物根茎叶的解剖结构进行了研究，探究了影响水分传输结构与生态适应性关系。葛娈等[12]对干热河谷不同立地条件坡柳 (Dodonaeaviscosa) 叶片解剖结构的研究，突出环境影响结构，结构适应环境。张建等[13]以叶柄解剖结构分析与聚类分析相结合对润楠属植物分类进行研究。但在植物种类和宽度上，以干热河谷环境为背景的研究都仍然不足。因此，本实验以金沙江干热河谷的17种旱生植物为材料，研究其叶片解剖结构特征，并以聚类分析的综合评定方法分析评价植物解剖结构的差异性。从不同演替阶段的植物旱生结构来理解期抵干旱机理，以及在干热河谷分布规律、适应关系，从而阐述不同种在干热河谷有差异共存的解剖学基础。为干热河谷地区植被恢复演替及抗旱树种的筛选及其生态适应性研究提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样地点为四川省攀枝花市西区的攀枝花苏铁国家级自然保护区(东经101°32′15″，北纬26°36′31″)，地处横断山脉的金沙江河谷中段。在攀枝花苏铁国家级自然保护区管理站后山立地条件和植被基本一致的阳坡划分出1块800 m × 800 m的采样区，区内植物种类大多为旱生树种,为稀树灌丛植被类型，包含攀枝花苏铁 (Cycaspanzhihuaensis) 等古老的裸子植物，云南梧桐 (Hildegardiamajor) 等国家重点保护物种。由于保护措施得当，原来以灌木为主的植被，乔木树种的比例和高度出现明显增加的趋势。

1.2 样品采集

随机采集长势良好且分布较多代表性植物样本17种，每个树种3棵，每棵树种选取枝条成熟叶片10片，用毛笔轻轻拂去灰尘，立即投入FAA固定液固定待用。17种样本分别为山蚂蟥 (Desmodiumyunnanese)、黄荆 (Vitexnegundo)、铁橡栎 (Quercusbaronii)、岩桑 (Moruscathayana)、云南梧桐 (Hildegardiamajor)、滇榄仁 (Terminaliafranchetii)、三叶梣 (Fraxinustrifoliolata)、粗壮女贞 (Ligustrumrobustum)、岩柿 (Diospyrosdumetorum)、攀枝花苏铁 (Cycaspanzhihuaensis)、短柄铜钱树 (Paliurusorientalis)、野漆 (Toxicodendronsuccedaneum)、栎叶枇杷 (Eriobotryaprinoides)、山槐 (Albiziakalkora)、沙针 (Osyriswightiana)、假烟叶树 (Solanumerianthum)、黄葛树 (Ficusvirens)。

1.3 叶片组织结构观察

将采集的叶片从FAA固定液取出，沿主脉切成长1 cm、宽约为5 mm的小片，后经抽真空处理→不同等级乙醇脱水→二甲苯透明浸蜡→石蜡包埋→用旋转式手摇切片机进行切片、粘片 (切片厚度为8～15 μm烘干)→脱蜡→番红-固绿染色→中性树胶封片[14]。制作完成的切片烘干后于倒置荧光显微镜下观察，选择完整、典型的切片，使用AxioVision Rel 4.8软件对切片进行拍照和测量，分别记录不同演替阶段植物叶片横切面的特征，测量叶片厚度、上下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度、角质层厚度等指标，观察测量3个视野，每项指标记录10组数据，共30组重复，求其平均值作为性状指标值。如公式 (1)～(3) 计算栅海比、叶片组织结构紧密度 (CTR)、叶片组织结构疏松度 (SR)。

(1)

(2)

(3)

1.4 数据分析

运用Excel对数据进行统计处理，计算每组数据的平均值及标准差，SPSS 13.0对已标准化的数据进行聚类分析，聚类分析在以上9个性状下不同树种的相似性。

2 结果与分析

2.1 叶片解剖结构特征比较

17个树种的叶片解剖特征见图1，结构特征数据见表1。

2.1.1表皮特征

由图1可知，17个树种中除铁橡栎外，其他树种的上表皮均比下表皮厚，沙针的上下表皮差异不明显，山蚂蝗、岩桑、攀枝花苏铁的上表皮细胞有2层排列紧密的细胞组成，即具有复表皮。由表1可知，上表皮细胞厚度变化为6.34～66.61 μm，下表皮细胞厚度变化为8.69～36.50 μm。其中，上表皮细胞最厚的为攀枝花苏铁，最薄的为铁橡栎，有山蚂蝗、岩桑、云南梧桐等9个树种的上表皮厚度大于20.00 μm。下表皮细胞最厚的为攀枝花苏铁，最薄的为云南梧桐。云南梧桐的上下表皮厚度差异最大，达到35.97 μm，沙针上下表皮厚度最为接近。所有树种的上下表皮厚度的变异系数分别为60.38%和47.81%。其中攀枝花苏铁的角质层最厚，其次是岩柿、山槐，短柄桐钱树的角质层最薄。所有树种的角质层厚度变异系数为48.81%。此外部分树种还具有表皮毛，黄荆、假烟叶树表皮毛分布于上下表皮，且多，下表皮多于上表皮；云南梧桐于下表皮分布表皮毛，且较多；铁橡栎、三叶梣、岩柿、短柄桐钱树等有少量分布于下表皮。叶片表皮外壁强烈角化，形成角质层和表皮毛，防止水分过度散失和病虫侵入，角质层越厚表明抗旱能力越强，攀枝花苏铁、沙针和山槐等适应能力较强。表皮特征中，上表皮细胞厚度变异系数较大表明不同树种间上表皮细胞厚度的变异程度大。

2.1.2叶片厚度

由表1可知，各树种的叶片厚度变化为120.18～592.78 μm，其中攀枝花苏铁的叶片最厚，其次是沙针、云南梧桐和栎叶枇杷，有7个树种达到200 μm以上。叶片最薄的为岩桑和假烟叶树。所有树种的叶片厚度的变异系数为51.32%。叶片厚度通常被认为是一个比较关键的性状，在干旱地区的植物常常发育成较厚的叶片来减小水分丧失以对抗环境压力，攀枝花苏铁、沙针、云南梧桐、栎叶枇杷等适应性较强。不同树种间叶片厚度的变异程度较大。

2.1.3叶肉特征

由图1可知，17种树种根据叶肉细胞的分化情况分为3个类型：1) 等面叶，即叶肉组织无海绵组织的分化，或者只分布在叶的两面，如攀枝花苏铁和沙针 (图1-j,图1-o)；2) 过渡型叶，即叶肉细胞有海绵组织和栅栏组织的分化，且组织结构分布表现出不等的性质，但其中海绵组织的形态趋向于栅栏组织状，如黄荆、山槐、黄葛树 (图1-b,图1-n,图1-q)；3) 异面叶，即海绵组织与栅栏组织分化明显。如山蚂蝗、滇榄仁等 (图1-a,图1-f)。而在等面叶类型中，攀枝花苏铁属于环栅型，沙针则应属于全栅型。

a.山蚂蟥；b.黄荆；c.铁橡栎；d.岩桑；e.云南梧桐；f.滇榄仁；g.三叶梣；h.粗壮女贞；i.岩柿；j.攀枝花苏铁；k.短柄铜钱树；l.野漆；m.栎叶枇杷；n.山槐；o.沙针；p.假烟叶树；q.黄葛树。

图117个树种的叶片解剖特征
Fig.1 Leaf anatomical features of 17 tree species

表1 17个种树叶片解剖结构特征Table 1 Leaf anatomical structure characteristics of 17 tree species

注：“/”表示无海绵组织分化，无海绵组织值。

本实验中，17个树种的的栅栏组织、海绵组织厚度差异较大且有部分树种的海绵组织比栅栏组织厚。栅栏组织厚度变化为32.19～292.66 μm，海绵组织厚度变化为33.57～90.15 μm。其中，沙针的栅栏组织与攀枝花苏铁接近为最厚，岩桑最薄。栎叶枇杷的海绵组织最厚，三叶梣最薄。所有树种的栅栏组织与海绵组织厚度的变异系数分别为69.90%和49.44%。17个树种中山槐栅海比最大，岩桑和岩柿，野漆和假烟叶树栅海比小于1.00。所有树种的栅海比的变异系数为41.91%。沙针的CTR最大，岩桑最小，其余树种中黄荆、铁橡栎、滇榄仁、粗壮女贞、攀枝花苏铁、山槐和黄葛树等7个树种的CTR也超过50%。而岩柿的SR最大，山槐最小，此外只有山槐的SR低于20.00%。所有树种的CTR与SR的变异系数分别为32.09%和46.97%。细胞密集度大，栅栏组织发达及CTR高体现树种的较强适应性，攀枝花苏铁、沙针、山槐等适应性更强。叶肉特征中，栅栏组织厚度与海绵组织厚度变异系数较大也表明是更加适应物种演替的性状。

2.2 叶片解剖结构特征的聚类分析

由图2可知，17个树种在14.091的距离下可分为4大类群，第Ⅰ类群为攀枝花苏铁，第Ⅱ类群为沙针，第Ⅲ类群为山蚂蝗、岩桑、岩柿、野漆和假烟叶树，第Ⅳ类群为黄荆、铁橡栎、云南梧桐、滇榄仁、三叶梣、粗壮女贞、短柄铜钱树、栎叶枇杷、山槐和黄葛树。由叶肉细胞分化情况可得攀枝花苏铁、沙针的叶型为等面叶且二者的叶片厚度远大于其他树种，因此其与其他树种聚类距离较远。黄荆、山槐和黄葛树为过渡型叶，3者的聚类距离短且聚为同一类群。山蚂蝗、岩桑、岩柿，野漆和假烟叶树栅海比小于1且均低于其他树种，综合其他指标聚为一类。

由表2可知，第Ⅰ类群为攀枝花苏铁，无海绵组织分化，叶片厚度与上下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度平均值最大；第Ⅱ类群为沙针，无海绵组织分化，叶片厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度平均值较大；第Ⅲ类群的叶片厚度、栅栏组织厚度、CTR平均值则在4个类群中最小；第Ⅳ类群叶片厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度等较小。

1.山蚂蟥；2.黄荆；3.铁橡栎；4.岩桑；5.云南梧桐；6.滇榄仁；7.三叶梣；8.粗壮女贞；9.岩柿；10.攀枝花苏铁；11.短柄铜钱树；12.野漆；13.栎叶枇杷；14.山槐；15.沙针；16.假烟叶树；17.黄葛树。

图217个树种叶片解剖结构特征的平方欧式距离聚类图
Fig.2 Squared euclidean distance cluster of leaf anatomical characteristics of 17 tree species

表2 17个树种叶片解剖结构特征聚类结果Table 2 Clustering results of leaf anatomical characteristics in 17 tree species

3 结论与讨论

叶片是植物对干旱胁迫下反应最敏锐的部分，在长期适应环境的过程中形成会特殊的组织结构和功能。干热河谷的极端高温干旱，蒸发量远远大于降水量，气候干热，植物极易受到生理性干旱的胁迫，其叶片会形成适应环境变化的形态结构。

叶片性状的变异系数能够反映叶片结构的可塑性，具有较高变异系数的植物性状对环境有强的潜在的适应能力[15]，是植物为更好适应环境而在叶片形态上发生的改变。对于叶片解剖结构性状而言，变异系数较小的认为是较稳定的系统演化性状，变异系数大的性状则被认为是生态适应性状，生态适应性状长期发展也会转变为系统演替性状[16]。本研究中上表皮细胞厚度、叶片厚度、栅栏组织厚度的变异系数大于50%，海绵组织厚度和角质层厚度变异系数分别为49.44%和48.81%，略小于50%，可以认为是生态适应性状；而下表皮细胞厚度、栅海比、CTR和SR等性状的变异系数均为30%～48%，可以被认为是系统演化性状。

叶片厚度是反映植物抗旱的一个重要指标，抗旱性强的植物往往其叶片较厚。攀枝花苏铁的叶片厚度最大且与其他树种差异大，沙针、云南梧桐、栎叶枇杷次之，在竞争中可以处于优势地位，随环境变化其抗旱性会进一步增强。角质层可以防止植物体内水分的过度散失，抵御病菌入侵、防止强光伤害等[17]。选取角质层厚度作为植物抗旱能力的体现是可行的，本研究中17种树种均具有角质层，攀枝花苏铁与沙针的角质层厚度较其他植物种更大，抗旱性较其他植物更强。

在干旱少雨的环境中，随着干旱程度的不断加大，叶片一般会出现从两面叶-过渡型-环栅型-全栅型的适应性过渡变化[18]。17种植物种中黄荆、山槐、黄葛树属于过渡型叶。攀枝花苏铁属于环栅型叶，沙针则应属于全栅型叶。其余树种属于异面型叶。海绵组织与栅栏组织的分化情况也反映出植物生长环境的水分状态以及植物对该环境水分条件适应性情况。相比较而言，沙针与攀枝花苏铁的栅栏组织高度发达，其海绵组织退化，说明其水分失散率应该较低。栅海比大的植物耐旱性强，而且栅海比大于1的植物通常认为是典型的的抗旱性植物[19]。从解剖结构来看，山槐的栅海比值最大，山蚂蝗的栅海比值大小接近1，岩桑、岩柿、野漆和假烟叶树栅海比小于1，从栅海比值来分析，此5种树种的抗旱性较低于其他植物种。植物栅栏组织越厚，CTR越大，表明其对光能的利用效率越高，对水分的利用效率也越高，也说明了其耐旱性越强。沙针与粗壮女贞、黄荆的CTR较大，对光能利用效率高，抗旱性强。

Callaway等[20]指出，对相同生境同一群落中的物种具有相似的适应性。干旱地区植物群落的组成由于所处的地理环境和生活史原因而具有明显的差异，长期生活在相同的气候或其他环境之中，通过变异选择适应，在形态器官方面表现相似，呈现出植物类群的趋同适应现象。本研究表明，尽管17个树种叶片解剖结构存在一定的差异，也表现出一定的趋同适应现象。在叶片结构上，植物对于干旱不同的适应对策主要有2方面：一方面Hlwatika等[21]认为叶片适应干旱主要是提高叶片的光合效率，有试验证明上表皮和角质层的增厚，是与强光相适应的特征[22]。叶片越厚，栅栏组织越发达，光合作用越强，光合活性也越强则叶绿体密度大且叶绿素含量高，进入一个良性循环[23]。攀枝花苏铁在叶片厚度、上表皮细胞、栅栏组织厚度和角质层厚度等指标上均较大，因此对强光适应能力极强。在林下环境，具有较小的上表皮细胞厚度、叶片厚度和较大的海绵组织厚度，叶片变薄有利于植物利用等量的干物质制造更大的叶面积，从而提高植株光能截获和碳积累能力[24]。另一方面De Micco等[25]认为叶片适应干旱也是向着降低蒸腾、增强储水性发展，较厚的角质层与密集的表皮毛可降低水分蒸发，达到储水作用。植物叶片越厚、表皮细胞越厚储水能力越强，同样可以增强水分的调节能力[26]。

经系统聚类分析，17份试材聚为4类，第Ⅰ类群为攀枝花苏铁，无海绵组织分化，叶片厚度与上下表皮细胞厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度平均值最大，适应干热河谷地区的强光能力强；第Ⅱ类群为沙针，无海绵组织分化，叶片厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度平均值较大，表明其适应强光的能力也较强，仅次于攀枝花苏铁；第Ⅲ类群的叶片厚度、栅栏组织厚度、CTR平均值则在4个类群中最小，岩桑和岩柿，野漆和假烟叶树栅海比小于1，山蚂蝗的栅海比值大小接近1，此类树种栅栏组织仅有1层，且海绵组织排列大多较紧密，海绵组织发达，表明此类树种更好适应林下较弱光环境；第Ⅳ类群包含高位芽植物如铁橡栎、滇榄仁等，叶片厚度、栅栏组织厚度、角质层厚度平均值处于居中水平，大部分树种栅栏组织排列较紧密，层数为2层，栅海比值均大于1。杨志松[27]在四川攀枝花苏铁保护区的考察报告中指出群落以小高位芽植物居多与地面芽植物，与周立江等[28]的分析结果不同，说明近30年的自然植被演替，群落外貌在变化，在向高的方向演替。地面芽植物比重任然比较大，这是与干热河谷的干旱季节相适应的特征。本实验结果与这一观点相符合。沙针和攀枝花苏铁属于残存植被类型[29-32]，野漆、岩桑、岩柿、假烟叶树、山蚂蝗等属于稀树灌草丛，黄荆、三叶梣、铁橡栎、滇榄仁、黄葛树、短柄桐钱树、山槐、粗壮女贞、栎叶枇杷、云南梧属于硬叶阔叶林。管中天[33]预言历史上的植被类型适合于苏铁植物的生活型及其生态习性，如加以封闭保护任由植被自然发展，则势必形成所谓“干性常绿阔叶林”。对保护区内的17个树种的分析表明，在严格保护的情况下该地区干热河谷植被有可能朝着正向演替的方向发展，这也证明多年的保护措施对该地区的生态环境起到重要的修复作用。