不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构研究

任尚福，吕光辉

(1.喀什大学 生命与地理科学学院，新疆 喀什 844000；2.新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；3.新疆帕米尔高原生物资源与生态重点实验室，新疆 喀什 844000)

土壤盐渍化已成为土壤退化的三大主因(土壤盐渍化、有机物减少和土壤污染)之一，中国盐渍化土壤面积较大，达2×108hm2，约占总耕地面积的10%[1]，且面积逐年扩大。南疆幅员辽阔，干旱少雨，盐渍化程度严重，盐渍土地面积广，占可利用土地面积的22.36%，严重影响南疆农业发展和绿洲生态建设，并且南疆由于滥用水土资源，已经造成了生态环境的日益恶化，植被覆盖度急剧下降，沙尘暴频发，这是亟需解决的一个重要生态环境问题。由于盐碱土壤不适合绝大多数植物生长，因此选育适合当地生长的耐盐植物，开发具有经济价值的耐盐植物资源改良土壤，可以长久有效地提高土地利用率[2]，随着科技发展，盐碱地改良已经逐渐向种植耐盐植物方向发展[3]。因此选育适合当地荒漠生境下生长的用于改良盐碱土壤的盐生植物，具有极为重要的生态学意义。

白刺属(NitrariaL.)植物在分类上原属于蒺藜科(Zygophyllaceae)植物，随着植物科学的发展，《Flora of China》第11卷对该科植物的系统关系进行了重新划分，将白刺属列入单属科白刺科(Nitariaceae)，约6～10种，我国5～6种[4-5]，属多分枝耐盐碱低矮灌木，根系发达，萌蘖力强，在抗风，截流、固沙、水土保持以及涵养水源中起着重要作用[6]。白刺科植物是优良的固沙灌木植物，是荒漠、半荒漠和盐碱地等地区的重要建群种和优势种，对干旱盐碱生境具有较强的适应能力。因此在南疆荒漠盐渍土种植适应当地生境的白刺科植物，既可以改良盐碱土壤，又可利用盐渍土发挥巨大的生态效益和经济效益。

叶片是植物与外界环境进行物质与能量交换的主要器官，是植物获取能量的最重要的组织结构，受水分、温度、光照、降水量、海拔等环境因子的影响显著[7-8]。本研究选取南疆不同生境的优势种植物西伯利亚白刺(N.sibiricaPall.)，探讨其叶片的形态解剖结构特征对不同生境的生态响应及适应策略。

1 研究区概况

南疆属典型的大陆性气候，干旱少雨，年降水量仅20～100 mm，且蒸发较强烈，年蒸发量达到2500 mm以上，日照时间长，平均日照为2 600～3 000 h，昼夜温差比较大，年平均气温为10～13℃，无霜期约为180～251 d。南疆荒漠区除了西伯利亚白刺之外，主要伴生种有骆驼刺、柽柳、野西瓜、罗布麻、甘草、沙棘、沙拐枣等植物。

2 研究方法

2.1 样品采集

采集西伯利亚白刺植物叶片样本时，根据植物所处的经度、纬度和海拔等不同的生境选取3个研究区，在研究区内选择3个3 m×3 m的样方，在每个样方内随机选取3株生长健壮、长势一致的植株(不同生境实验材料的采集具体地理分布及生境信息见表1)。在每棵植株中部取一片发育程度大致相同且正常生长的成熟叶片，用刀片从叶片中脉及周围部位切取3～5 mm的小块叶片，立刻放入装有福尔马林—醋酸—酒精固定液(FAA)瓶中密封并编号，用注射器抽取瓶中空气。

表1 各研究区域基本气候特征

表2 叶片采集地点

2.2 研究方法

2.2.1 石蜡切片制备

从不同生境西伯利亚白刺叶片样本中选取3个材料，采用改良后的石蜡切片法[9]制片，从FAA固定液中取出3～5 mm小块叶片，分别采用梯度酒精脱水，二甲苯透明，浸蜡包埋，用手摇石蜡切片机切片，切片厚度为6～8 μm，采用番红-固绿二重染色，中性树胶封片，制成叶片横切面切片。

2.2.2 试验指标测定

每株叶片样本选3张切片，每张切片选取5个观察视野，用DMB5-223I-5图像处理显微镜拍照，并用Arcview3.3软件测定叶片厚度、上角质层厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、下表皮厚度及下角质层厚度，并计算叶片栅海比。

叶片解剖指标：

栅海比=栅栏组织厚度/海绵组织厚度

叶片结构紧密度(CTR)=栅栏组织厚度/叶片厚度×100%

叶片结构疏松度(SR)=海绵组织厚度/叶片厚度×100%

叶片解剖结构可塑性指标：变异系数(CV)=标准偏差(SD)/平均值(MN)[10]

2.3 数据分析

对不同生境西伯利亚植物叶片解剖结构特征采用SPSS17.0软件在P<0.05水平上进行单因素方差分析和聚类分析，字母法标记显著水平。用最小显著差法(LSD)检验各平均值间的差异显著性，环境因子对植物叶片解剖特征的影响采用线性回归进行分析，比较植物对不同生境的生态适应能力采用变异系数进行分析，采用Excel 2010绘制图表。

3 结果与分析

3.1 叶片形态与解剖结构特征

西伯利亚白刺叶近无柄，在嫩枝上4～6片簇生，倒披针形，长6～15 mm，宽2～5 mm，先端锐尖或钝，基部渐变成楔形，无毛或幼时被柔毛。通过对比三种不同生境中的西伯利亚白刺叶片解剖结构(图1 XBC-1-2，XBC-2-2，XBC-3-2)，经单因素方差分析，结果表明不同生境西伯利亚白刺叶片结构中叶片厚度、上角质层厚度、下角质层厚度及海绵组织厚度在三个不同生境中具有极显著差异(P<0.01)(表3)。不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构的变异系数在0.14～0.45之间(表3)，叶片厚度的变异系数最小，下表皮厚度的变异系数最大。测量数据并计算栅海比排列顺序为XBC-1> XBC-2> XBC-3，栅海比相对比较大，均大于1.30，叶片结构紧密度(CTR)排列顺序为XBC-1> XBC-2> XBC-3，其比值都在50%以上，叶片结构疏松度(SR)排列顺序为XBC-3> XBC-2> XBC-1，比值均在30%以上。

表3 不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构性状及变异系数

图1 西伯利亚白刺植物叶片横切面Fig. 1 leaf slice dissects structure of N. sibirica Pall.(E-表皮；P-栅栏组织；S-海绵组织；L-叶脉)XBC-1-2、XBC-2-2、XBC-3-2西伯利亚白刺×400

3.2 叶片解剖特征与环境因子之间的关系

结果表明: 平均气温、平均日照、年降水量与叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度之间存在极显著正相关，与上表皮厚度和下表皮厚度之间存在较弱的负相关。年蒸发量与叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度之间存在极显著正相关，与上表皮厚度、下表皮厚度和下角质层厚度之间存在较弱的负相关。纬度与上角质层厚度、栅栏组织厚度、下表皮厚度、下角质层厚度之间存在极显著的负相关。经度与叶片厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度之间存在极显著正相关，与上表皮厚度、下表皮厚度之间存在极显著负相关。海拔与叶片厚度、上角质层厚度、上表皮厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、下角质层厚度之间存在极显著正相关(表4)。

表4 不同生境西伯利亚白刺植物叶片解剖结构指标与环境因子的线性回归分析

续表4 不同生境西伯利亚白刺植物叶片解剖结构指标与环境因子的线性回归分析

4 结论与讨论

通过对不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构观察与分析，其叶片由表皮、叶肉和叶脉三部分组成，叶片解剖结构基本呈对称形，等面叶(K·伊稍指出在旱生生境中生长的植物叶的两面都有栅栏组织[11])。通过单因素方差分析，不同生境西伯利亚白刺叶片解剖指标具有显著性差异，这表明叶片是植物营养器官中对环境变化最为敏感的器官[12]。张红霞研究浑善达克沙地榆得出，同一种植物由于它们长期处于不同的生境条件下，其叶片解剖结构也相应产生了差异[13]。胡正理研究也得出大致相同的结论：即生长在不同生境的植物，会表现出不同的结构，这是植物对于特殊生境的演化反应[14]。本试验中不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构的变异系数在0.10～0.45之间，按照变异系数的划分等级为中等变异[28]，即研究区域内不同生境对植物的叶片厚度、上角质层厚度、下角质层厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度以及海绵组织厚度影响较小。不同生境西伯利亚白刺叶片解剖结构上没有本质的区别，但叶片各解剖指标的测量值存在一定的差异，这种差异性的存在与分布区的环境因子以及当地气候特征具有较大的关联性。虽然这些叶片解剖指标存在一定的差异，但都属于同种植物，符合表型可塑性的范畴，即一个基因型在不同环境下具有产生不同表型的现象和能力[16]，这些特性对生态系统结构特征具有一定的响应[17]。植物叶片的表现型是基因型与环境因子共同作用的结果，一个生境内植物器官的表型与其生境相一致，说明植物在长期外界生态环境因素影响下，植物器官的形态结构与其生理功能逐渐相适应。陈庆诚研究指出，生长在环境条件差异程度很大的同一种植物，它们在形态与解剖结构上，常表现出明显的趋异现象，生长在不同生境的植物通过各种改变来适宜环境[15]。

西伯利亚白刺植物叶片属于小型叶，一般认为小型叶是抗旱植物的特征，细小的叶型可以减少水分蒸发面积，同时其叶片相对比较厚。研究表明植物叶片面积小厚度大蒸发水分少，耐旱性强[18]，整个叶片厚度的增加减少了水分散失速率，单位叶面积内叶肉组织的表面积增大。叶片表皮外均具有相对较厚的角质层，既可以防止高温下叶片内水分的过度散失，又可以粘附和吸收大气中的凝结水[19]，可以防止强烈的日照对叶内部细胞的灼伤，是旱生植物结构的特征之一。叶片表皮为一层排列紧密的小细胞，细胞形状规则，对叶片既具有保护作用，又能通过改变光量子反射提高叶片光合作用效率。总之，西伯利亚白刺的叶肉组织向提高光合效能的方向发展，分别在上下表皮处有几层长柱形的栅栏组织，细胞排列紧密，发达的栅栏组织既可避免强光对叶肉细胞的灼伤，又可以有效利用衍射光进行光合作用[20]，栅栏组织越厚，细胞越小，排列越紧密，则植物利用光能的效率越高[21]，栅栏组织中包含较多的叶绿体进行光合作用。在叶片栅栏组织之间夹有海绵组织，形状不规则，细胞排列相对疏松，海绵组织不发达，主要起气体交换以及蒸腾作用。栅栏组织与海绵组织的分化程度可以用叶片栅海比(栅栏组织与海绵组织的比值)表示，试验测定其叶片的栅海比均大于1.30，叶片结构紧密度(CTR)均在50%以上，叶片结构疏松度(SR)均在30%以上。栅海比越高的植物，其光合效率越高，并且高栅海比有助于CO2等气体从气孔下室到光合作用场所的传导，提高植物对水分的利用率，从而表现出植物的抗旱适应性[22]。同时，叶片栅栏组织发达、海绵组织排列相对疏松等特征是对强日照生境的适应，这与蔡永立等[23]的研究结果一致，这种特征确保植物在恶劣的自然条件下可以进行正常的生长发育，避免南疆干旱荒漠区强烈的阳光照射对叶肉细胞的灼伤，体现了西伯利亚白刺叶片结构特征对干旱环境条件的高度适应性。不同生境西伯利亚白刺叶片栅海比值与海拔高度呈正相关，这与沈宁东等[24]研究的不同海拔间藏茴香叶片厚度均达到差异显著水平，且不同海拔间上表皮组织的长度和厚度随海拔的升高而逐渐增加的结论相一致。从个体角度观察，叶片适应干旱的特征分散表现在某些类群植物的结构中，是不同类群的植物以特殊的结构适应干旱环境的表现，是从不同的角度对干旱环境适应的结果[25]。

环境对植物的长期作用影响了植物的形态建成，使植物形成了适应环境的形态结构、生理功能与生态特征[26-27]。大量研究表明，植物在外部形态及解剖特征方面均能表现出对环境的适应性，对不同生境西伯利亚白刺叶片的7个解剖指标进行线性回归分析，结果表明: 平均气温、平均日照、年降水量与上表皮厚度和下表皮厚度之间存在较弱的负相关；年蒸发量与上表皮厚度、下表皮厚度和下角质层厚度之间存在较弱的负相关。南疆恶劣的自然生境条件下绝大部分植物不适于生长，但作为荒漠区优势种植物的西伯利亚白刺，其叶片性状可以最大程度地减小环境的不利影响，逐渐形成许多内在生理和外在形态方面的适应对策。在长期进化过程中，不同生境下的西伯利亚白刺逐渐适应其生长环境，形成了与环境因素和气候因素相适应的分布格局，原因可能是由于异速生长造成的，异速生长是生物体适应环境和进化的结果，是植物对其长期生存环境做出的生态对策和进化选择。

探讨不同生境对植物叶片结构的影响，除生境和气候之外还应和土壤环境异质性有关。黄文娟等研究指出叶片解剖结构指标与土壤含水量间无显著相关性，说明土壤含水量对叶片解剖结构建成的影响不大[28]，并且南疆干旱荒漠环境土壤含水量比较低，因此本文没有考虑土壤环境异质性对植物叶片解剖结构指数的影响。不同生境的西伯利亚白刺叶片外部形态及解剖结构的差异，既是对荒漠干旱盐碱环境的响应，又是对不同生境的重要适应策略，并且与植物其它器官结构和生理生化特征共同决定了植物的综合适应能力。