西鄂尔多斯沙冬青叶片功能性状和水分利用特征

王 茹，樊 华，李锦荣，罗祥英，李映坤，崔万新

(1. 内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010011； 2. 水利部水利水电规划设计总院，北京 100120； 3. 水利部牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010020)

植物叶片作为植物体获取资源的重要器官，是植物进行生命活动的主要部位，一方面叶片是植物光合作用和物质生产的主要器官，是生态系统中初级生产者的能量转换器；另一方面植物叶片是植物与大气环境交换水气的主要器官，是大气-植物系统能量交换的基本单元[1]。叶片功能性状会影响植物的基本行为和功能，它是与植物资源利用、生物量和生态系统功能相关的主要性状，如叶片含水量、叶干重、叶面积、比叶面积、叶厚度、叶干物质含量等，这些性状易于量化且可以很好地反映植物适应环境变化所形成的生存适应策略，植物的生长状况和生态系统的功能都会随着叶片性状的变化而改变[2-3]。因此，通过分析叶片性状之间的关系，有助于了解植物各生理活动和环境适应能力之间的内在联系，从而深入地了解植物对环境的适应潜力。其中，关于叶面积的测量方法有很多，如方格计数法、纸样称重法、打孔称重法、回归方程法、数字图像处理技术法等，而本研究选择精密度高、操作简单快捷的数字图像处理技术进行测量[4]。

近年来，稳定同位素已广泛应用于生态学研究的许多领域，通过分析稳定氢氧同位素组成已成为调查植物水分利用来源的一个非常有效的方法。而植物茎木质部水分的氢氧同位素组成能反映植物利用的不同水源稳定氢氧同位素的信息[5]。不同来源的水中稳定氢氧同位素组成不一样，绝大多数植物根系吸收水分后，植物体茎木质部水分中稳定氢氧同位素的组成一般不会发生变化，仍保持近似水源的稳定性同位素特征[6]。在干旱地区，随着时间的推移，个体植物的水源可能发生很大变化。在乌兰布和沙漠中，沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)在夏初和秋末分别利用30～60 cm和60～90 cm土壤深度的水分[7]。黑河下游的胡杨(Populuseuphratica)幼龄林主要依赖0～50 cm土壤水，很少利用地下水，而胡杨成熟林主要利用100 cm以下的土壤水和地下水[8]。

沙冬青在水土保持和荒漠化防治方面作用显著，是荒漠地区优良的防风固沙植物种之一[9]，对高温、干旱、严寒、盐碱化和冰冻的胁迫表现出较高的耐受性。西鄂尔多斯草原化荒漠区是我国荒漠生态系统重要保护地点，虽然地域狭窄，但集中保存着一系列的古老残遗物种，而沙冬青就是其中比较原始的种[10]。

本文以西鄂尔多斯自然保护区内具有代表性的荒漠灌木沙冬青为研究对象，通过测定沙冬青的氢氧稳定同位素及叶片功能性状特征，研究植物对环境的适应以及环境对植物的影响，这将有助于植物在水资源极其缺乏的干旱地区最大限度地利用水分；探讨西鄂尔多斯自然保护区内沙冬青叶片性状之间的关系以及其对相对贫瘠与干旱环境的适应能力，这对研究沙冬青天然种群的生境适应性具有重要理论价值和现实意义。

1 研究区概况

研究区为西鄂尔多斯国家级自然保护区，是以保护古老孑遗濒危植物为主要对象的自然保护区，位于鄂尔多斯高原西缘至黄河东岸的狭长地带，属于草原向荒漠过渡的生态系统植被带[11]。自然保护区的地理坐标为39°14′—40°11′N，106°45′—107°43′E，平均海拔 1 091.6 m。气候类型属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温 10.4 ℃，年均降水量 162.4 mm，主要以偏西北风为主[12]。该区具有昼夜温差大、干旱少雨、日照时间长、太阳辐射强、风大沙多等特点。土壤类型以棕钙土和灰钙土为主。研究区内植被类型多为强旱生植物，主要优势灌木为沙冬青、四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、白刺(Nitrariasibirica)，伴生灌木有绵刺(Potaniniamongolica)、珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、红砂(Reaumuriasongarica)等。

2 研究方法

2.1 植物叶片取样与处理

2020年8—9月，在研究区内设置4个300 m × 300 m样地(A～D)，每个样地内设置3个100 m × 100 m的样方。每个样方内随机选取3株长势大致相同的标准沙冬青植株，测量并记录株高和冠幅，每个样地选取9株，共计36株。研究区沙冬青形态特征及其盖度与密度见表1。在每株沙冬青灌丛中选择相同方向枝条顶端完全伸展、生长成熟、未被遮光的植株枝条，放入保温箱内并立即带回实验室。在实验室内称量所剪取的枝条上所有叶子的总鲜重(除去叶柄)，然后进行扫描，将扫描后的叶片置于60 ℃下烘干48 h至恒重，称取干重，换算成单个叶片干重。

2.2 叶面积数据获取

如图1所示，将获取鲜重后的一个枝条上所有的沙冬青叶片(除去叶柄)平铺于扫描仪(EPSON，型号为V39)面板上，避免叶重叠，以规格为B5坐标纸作为背景。在扫描的过程中轻轻按压扫描仪上盖使叶片完全平铺，扫描得到JPG格式图像，分辨率为300 dpi。

使用Image J软件对沙冬青叶片图像进行处理与分析，通过扫描图像上的已知长度设定比例尺、图像灰度(8-bit)，设置阈值后二值化，提取叶面积范围，计算叶面积。通过对大量样本进行处理得知沙冬青叶片的阈值范围为142～144，由上述操作可得到叶片总个数、总叶面积，并计算单个叶片叶面积平均值。

表1 研究区沙冬青形态特征及其盖度与密度Tab.1 Morphological characteristics of Ammopiptanthus mongolicus and its coverage and density in the study area

注：A为灰度图像；B为阈值设置；C为由Image J软件得出来的结果 。

2.3 土壤和植物基茎取样

选取采集叶片的植物体主干，将距离植物根部3～4 cm的主茎截取下来，迅速去除主茎的外表皮和韧皮部，只保留主茎的木质部，将修剪好的枝条迅速装进玻璃瓶中，每个植物体取3个重复样品，瓶身标注编号及采样时间，密封保存于带有冰袋的恒温箱中并带回实验室。在采集叶片的植物体下方挖取土壤剖面，土壤采样深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，每层土壤取3瓶重复样品，保证提取到足够的土壤用于测量，用封口膜封口，瓶身标注采样时间、土壤深度等，恒温箱放冰袋保存，带回实验室恒温冷藏。全自动超低压真空冷凝抽提法抽提水，使用液态水同位素分析仪(美国LGR公司)测定氢氧稳定同位素。

2.4 数据分析方法

对所测定的数据采用SPSS 22.0软件进行数据统计分析，Origin 2017作图。将植物茎木质部水和土壤水的氢氧稳定同位素值输入Iso Source模型中计算各个潜在水源对植物水分的贡献率。叶片含水量、比叶面积、比叶重的计算公式如下：

叶片含水量=(鲜重-干重)/鲜重×100%

(1)

比叶面积=叶面积/干重

(2)

比叶重=干重/叶面积

(3)

3 结果与分析

3.1 沙冬青叶片功能性状特征

沙冬青叶片功能性状特征及其变化范围和变异系数见表2。研究区沙冬青单个叶片干重 0.091～0.097 g，平均 0.095 ± 0.004 g；叶面积 2.798～3.167 cm2，平均 2.953 ± 0.102 cm2；比叶重 0.029～0.035 g·cm-2，平均 0.033 ± 0.002 g·cm-2；比叶面积 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1；叶片含水量 47.515%～49.094%，平均 48.944% ± 2.482%。不同叶功能性状变异系数具有明显差异，比叶面积的变异系数最大，为 7.018%，叶干重和比叶重的变异系数最小，分别为 0.045% 和 0.040%，而叶面积和叶片含水量的变异系数处于中间位置，分别为 3.447% 和 5.070%。说明比叶面积受环境的影响最大，而叶干重和比叶重则相对较为稳定。

3.2 沙冬青叶片功能性状之间的相关性

从表3可以看出，株高与叶干重、比叶面积呈显著正相关，与叶面积呈极显著正相关，与叶片含水量呈显著负相关。叶干重与比叶面积呈极显著负相关，但与叶面积、比叶重呈显著正相关。叶面积与株高、比叶面积呈极显著正相关，但与比叶重呈极显著负相关。比叶重与叶干重呈显著正相关，与叶面积、比叶面积呈极显著负相关。比叶面积与株高呈显著正相关，与叶面积呈极显著正相关，但与叶干重、比叶重呈极显著负相关。叶片含水量与株高呈显著负相关。

表2 西鄂尔多斯自然保护区沙冬青叶片功能性状及其变异特征Tab.2 Leaf functional traits and variation characteristics of Ammopiptanthus mongolicus in West Ordos Nature Reserve

表3 西鄂尔多斯自然保护区沙冬青叶片功能性状Pearson相关分析Tab.3 Pearson correlation analysis of leaf functional traits of Ammopiptanthus mongolicus in West Ordos Nature Reserves

3.3 沙冬青茎木质部和土壤水分的稳定同位素分析

由图2可知，4个样地的整体趋势大致相同，土层深度对植物水分的最大贡献率主要保持在40～60 cm的范围内，平均贡献率为 31.73%，表明沙冬青在生长季的水分主要来源于40～60 cm范围内的土壤水。这是因为进入8、9月份土壤水分经过长时间消耗，浅层土壤水无法满足其需水量，沙冬青选择利用根系吸收40～60 cm的较深层土壤水。A、B、C样地的土壤水分对沙冬青水分的贡献率在0～80 cm的范围内呈现出先升后降的趋势，在0～60 cm的范围内土壤水分对沙冬青水分的贡献率呈上升趋势，A样地在0～40 cm范围内上升的趋势比B、C样地较缓，但在40～60 cm范围内上升的趋势较B、C样地快；在60～80 cm的范围内土壤水分对沙冬青水分的贡献率呈下降趋势，A样地的下降速度比B、C样地的较快。D样地的土壤水分对沙冬青水分的贡献率在0～80 cm的范围内呈现出先降后升再降的趋势，在0～40 cm的范围内呈现出下降的趋势，由 22.52% 下降到 20.58%；在40～60 cm的范围内呈现出上升的趋势且上升速度较其他3个样地快，在60～80 cm的范围内呈现出下降的趋势，由 34.93% 下降到 22.04%。出现这种趋势的原因是D样地的植被盖度最大，样地内沙冬青的盖度最小(9.15%)，霸王的盖度最大(18.04%)，约为沙冬青盖度的2倍。经调查发现，霸王主要利用20～40 cm的土壤水，该层次的土壤水对其贡献率为 31.74% (图3)，表明在该样地霸王对20～40 cm范围内土壤水分的利用与沙冬青对20～40 cm范围内土壤水分的利用存在竞争机制。

图2 4个样地内不同深度的土壤水分对沙冬青水分的贡献率Fig.2 Contribution rate of soil moisture at different depths to the moisture of Ammopiptanthus mongolicus in four sample plots

图3 D样地内不同深度的土壤水分对沙冬青、 霸王水分的贡献率Fig.3 Contribution rate of soil moisture at different depths to the moisture of Ammopiptanthus mongolicus and Zygophyllum xanthoxylum in sample plot D

4 讨论

4.1 沙冬青叶片功能性状

比叶面积是一个重要的叶功能性状，能反映植物对不同生境的适应特征，在一定程度上代表了植物对环境资源的利用方式和能力，是研究植物功能生态学的首选指标[13]。比叶面积较高的植物能适应资源丰富的环境，较低的比叶面积可以使植物更能适应贫瘠的环境，这样可以最大限度地利用有限的养分，增加植物发挥其生长潜力的机会[14]。本研究发现西鄂尔多斯自然保护区内沙冬青的比叶面积变化范围在 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1，变异系数为 7.018%。与其他的研究结果相比，相对较小。董雪等[15]在内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗研究了沙冬青叶性状，发现该地区沙冬青的比叶面积为 35.88 ± 4.26 cm2·g-1，变异系数为 10.530%。西鄂尔多斯自然保护区是荒漠草原向荒漠过渡地带的复合生态系统，生态较脆弱，土壤相对贫瘠，可供植物利用的资源相对较少，在这种生境中沙冬青叶片通过降低比叶面积来提高养分保持能力和减少水分丧失[16]。较低的比叶面积是沙冬青长期适应西鄂尔多斯保护区干旱贫瘠环境的结果，同时也是在干旱环境中生存的一种策略。

水分是干旱、半干旱地区植物赖以生存的主导因子。植物体内的水分状况一定程度上反映了植物与环境之间的水分关系，尤其是在自然环境中，可以反映出植物对外界干旱胁迫的抵御及适应能力。植物叶片含水量是反映植物叶片组织水分状况的重要指标，是植物正常生理活动的重要因素，随着自然环境中干旱程度的增加，土壤水分缺失严重时导致植物的叶片含水量也随之减少[17]。本研究中沙冬青的叶片含水量均在 50% 以下，平均含水量为 48.944% ± 2.482%，变异系数为 5.070%。这与其他人的研究结果相比偏小，蔡超[18]在2002年6—8月选择了内蒙古西鄂尔多斯乌海铁路植被防护系统内的沙冬青作为研究对象研究其生态适应性，发现该地区的沙冬青叶片平均含水量为 51.52%。造成这种现象的原因可能是经过长时间的生态环境变化，西鄂尔多斯荒漠生态系统的脆弱性、自然环境的恶化、气候变化、人类干扰增多，降雨减少，综合反映了植物利用资源的能力以及适应环境的生存对策，体现了沙冬青能很好地适应西鄂尔多斯贫瘠环境的结果。

4.2 沙冬青利用土壤水分的变化

植物从不同深度的土壤中吸收水分供其生长发育，所以长期稳定的水源是影响植物存活的一个重要因素。利用氢氧稳定同位素技术能有效地研究植物水分来源，比较不同土壤深度对植物水分的贡献率，更好地探究植物的水分利用策略[19]。通过研究西鄂尔多斯自然保护区内沙冬青的水分利用深度发现，其水分贡献率主要分布在40～60 cm的土壤深度，该层对沙冬青水分的平均贡献率为 31.73%。这与朱雅娟等[7]的研究结果较相似，朱雅娟等研究结果表明沙冬青在夏季主要利用30～60 cm的土壤水、在秋季主要利用60～90 cm的土壤水，并指出利用较深层土壤水分的植物个体比只依靠表层土壤水分的个体更具有竞争优势。根系作为植物吸收土壤水分的主要器官，对干旱区的植物生存和生长都至关重要。沙冬青的主根粗壮，侧根发达，有利于植物吸收较深层次的土壤水分。研究区内的沙冬青灌丛侧根的生物量分布深度在20～110 cm范围内，表层0～20 cm没有侧根分布[20]。不同植物根系分布在不同的范围内，利用不同土壤深度的水分。已有研究表明，毛乌素沙地柠条(Caraganakorshinskii)的根系主要分布在30～60 cm的土层范围内，其根量占总根量的 58.79%，在对土壤水分的利用中，40～80 cm为最主要的范围，占总贡献率的 35.34%；沙柳(Salixpsammophila)的根系主要分布在0～30 cm的土层范围内，根量占总根量的 53.99%，更倾向于利用0～60 cm土壤深度的水分，占总贡献率的 64.28%[21-22]。利用氢氧稳定同位素技术研究植物对不同层次土壤水分的利用有助于确保植物在水资源缺乏的干旱、半干旱地区最大限度地利用有限的水分，从而加强对珍稀濒危植物的保护，并为干旱地区的植被恢复和管理、维护生态环境平衡提供重要理论依据。

5 结论

(1)研究区沙冬青单个叶片干重 0.091～0.097 g，平均 0.095 ± 0.004 g；叶面积 2.798～3.167 cm2，平均 2.953 ± 0.102 cm2；比叶重 0.029～0.035 g·cm-2，平均 0.033 ± 0.002 g·cm-2；比叶面积 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1；叶片含水量 47.515%～49.094%，平均 48.944% ± 2.482%。株高与叶面积呈极显著正相关。叶干重与比叶面积呈极显著负相关，但与叶面积、比叶重呈显著正相关。叶面积与株高、比叶面积呈极显著正相关，但与比叶重呈极显著负相关。比叶重与叶干重呈显著正相关，与叶面积、比叶面积呈极显著负相关。比叶面积与叶面积呈极显著正相关，但与叶干重、比叶重呈极显著负相关。叶片含水量与株高呈显著负相关。

(2)研究区内沙冬青对土壤水分利用的整体趋势大致相同，土壤深度对沙冬青水分的贡献基本保持在40～60 cm的范围内，平均贡献率为 31.73%。D样地在0～40 cm范围内的趋势与其他3个样地不一致，主要是因为该样地的其他植物种与沙冬青产生了竞争关系，导致20～40 cm的土壤水分对沙冬青的贡献率低于其他3个样地。