潮汐对秋茄叶表型塑造及叶经济谱的影响*

黄贝佳 朱 静 何晨阳 李伟煌 陈志为 樊 月 洪 滔

(福建农林大学林学院 福州 350002)

红树林是生长在热带、亚热带海岸滩涂的唯一木本植物群落(王文卿等， 2007)，被认为是世界上最具生产力的生态系统之一(朱耀军等， 2016)。在红树植物中，秋茄(Kandeliaobovata)适应性强，其叶片碳氮含量(王文卿等， 2001)、光合能力(Kaoetal.， 2004)、活性氧代谢(雍石泉等， 2011)等指标均高于其他红树植物种，是最为耐寒的红树树种(陈鹭真等， 2010)，也是我国向北引种至浙江的唯一红树树种(陈鹭真等， 2017)，已成为我国东南沿海省份海岸防护林主要建群种，在我国海岸防护及岸线生态修复中起重要作用。

红树林与潮汐之间的主要交互集中于海水浸泡的高度与时间2个因素(刘亮等， 2012)。随着全球气候变化，海平面上升导致满潮线逐年提高，秋茄受淹高度及时间增加，对秋茄防护林的生存状况及其营建、管理都提出新的挑战。早期研究认为红树林只能生长于平均海面以上潮滩(张乔民等， 1997)，但后期研究发现红树植物可以在平均海面以下滩涂生长(温远光等， 2002)，且证实秋茄满潮线上、下层叶片因受潮汐及低温影响在耐寒性、生长状况等方面有所差异(史小芳等， 2016)。绝大部分植物地上器官对淹没敏感，浸淹严重降低气体扩散速率，降低叶片光合与呼吸能力，阻碍光合作用，致使植物能量短缺； 另一方面，水淹解除后，适应了低光、低氧环境的叶片再次暴露于空气中，可能因氧化胁迫导致脱水现象(Yeungetal.， 2018)。因此推测满潮线以下的秋茄叶片长期处于水气交替的复杂生境，可能会导致满潮线上、下层叶片在外部形态和内部生理结构上存在表型差异，并产生不同的叶经济谱选择。

叶经济谱(leaf economics spectrum，LES)总结了植物在环境扰动下叶性状的变化规律及其相互关系，是植物根据生境条件对自身资源进行配置、补偿和平衡从而减轻环境对其消极影响的表现，量化了植物的资源利用能力及权衡策略(trade-off)(Wrightetal.， 2004)。由于同种植物在不同生境中的叶经济谱也可能完全不同，表现为快速投资-收益型和缓慢投资-收益型的区别，受其影响的叶表型特征与环境之间关系成为探索植物环境适应性机制的突破点(熊静等， 2019)。国际上大部分生态系统已存在叶经济谱数据库，但国内相关研究仍不完整(陈莹婷等， 2014)，尤其是缺少位处特殊生境的红树林案例。目前，秋茄相关研究基本在人工模拟条件下针对幼苗开展(廖宝文等， 2009； 谭芳林等， 2014)，对于自然生境中的秋茄成熟林涉及较少，潮汐生境中秋茄叶表型特征与经济谱研究尚未见报道。因此，本研究通过测定、对比满潮线上、下层秋茄叶的表型性状差别，从生理生态角度揭示秋茄叶对潮淹生境的适应性表现与叶经济谱选择，明晰秋茄冠层叶部趋异适应机制，为红树林的造林、保护及可持续经营管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

福州市罗源湾位于福建省东北部，东濒东海，总面积为113.33 hm2。中亚热带海洋性季风气候，年平均气温19 ℃，平均降水量1 645 mm。湾区为强潮型海湾，呈葫芦状，海岸线曲折，潮汐为正规半日潮，最大潮差达8.14 m。试验地位于罗源湾西南侧的罗源县松山镇北山村与巽屿村之间(27°26′N，119°35′E)。

1.2 研究材料

在罗源湾秋茄分布区内设置3个平行于岸线、间隔10 m的样带(长100 m、宽10 m)： 林内缘(靠岸侧)、林中和林外缘(靠海侧)，满潮时3个样带秋茄冠层均处于半浸淹状态。于2019年3月10日至27日从高潮位开始落潮时立即进行叶片光合生理指标测定和叶片样品采集，采样天气均为晴天。3个样带中均间隔10 m选取1株健康样株，每样带选取9株，共计27株。测定秋茄样株光合特性，选取满潮线上、下层西南、东北、东南3个方向健康叶片各1片，每样株测定6片，总计162片。测定后即采集所测叶片(162片)，并清洁、标记、装袋置于冰桶，带回全部用于叶形态性状及气孔特性等内业测定。罗源湾秋茄林(7年生)受海潮浸淹后，满潮线上层叶片暴露于空气，下层叶片浸泡于海水中(图1)。

图1 罗源湾秋茄受潮汐浸淹前后状况Fig. 1 Kandelia obovata in Luoyuan Bay before and after tidal inundation

1.3 研究方法

1.3.1 叶形态性状测定 使用扫描仪扫描后用Image-Pro Plus 6.0图像处理软件测定叶形态性状(叶长、叶宽、叶面积、叶周长)(李永华等， 2012)，用游标卡尺测量叶厚、叶柄长、叶柄厚； 采样时清洁叶片后即称量叶鲜质量(FW)并装袋置于冰桶，叶片带回置于85 ℃烘干至恒质量，测定叶干质量(DW)； 其余叶形态性状依计算获得： 比叶面积(SLA) =叶面积/叶干质量(LA/DW)； 叶形指数(LSI)=叶长/叶宽(LL/LW)； 本文定义叶干物质含量为叶干质量与自然状态下叶鲜质量之比(张林等， 2008)： 叶片干物质含量(LDMC) =叶干质量/叶鲜质量(DW/FW)。

1.3.3 叶光合特性参数测定 使用Li-6400便携式光合仪(LI-COR Inc. Lincoln, Nebraska, USA) 测定净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等气体交换参数； 其余光合相关参数通过计算获得： 水分利用效率(WUE)=Pn/Tr； 羧化速率(CE)=Pn/Ci。

1.4 数据处理方法

使用Excel分析数据及制作图表。使用SPSS17.0进行数据统计分析，计算各叶性状均值及标准差，采用均数差异显著性检验分析各叶性状值在满潮线上、下环境中的差异显著性，Pearson相关性检验叶片性状之间的相互关系。

2 结果与分析

2.1 潮汐生境对秋茄叶表型的影响

2.1.1 潮汐生境对叶形态性状的影响 满潮线上、下层秋茄叶片形态性状的分析结果(表1)显示，差异环境中秋茄叶形态性状差异明显。与满潮线上层叶片相比，满潮线下层叶片鲜质量较大而干质量小(P<0.01)； 叶偏薄，叶柄较短(P<0.01)，呈现出薄而大的趋势； 同时，下层叶片比叶面积较大(P<0.01)，叶干物质含量(P<0.01)和叶形指数(P<0.05)均较小。

表1 满潮线上、下层秋茄叶片的形态性状(平均值±标准差)①Tab.1 Morphological characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

2.1.2 潮汐生境对叶气孔特性的影响 满潮线上、下层的秋茄叶片气孔特性差异明显(表2)。下层叶气孔的长度、宽度、面积和周长，以及气孔开口的长度、宽度(气孔开度)、面积和周长均大于上层叶，但气孔长宽比和气孔开口长宽比低于上层叶(P<0.01)。可见下层叶多项气孔指标在环境胁迫下均受秋茄生存策略调控，但气孔面积指数和气孔形状指数在满潮线上、下层叶片中差异不显著。

表2 满潮线上、下层秋茄叶的气孔特征(平均值±标准差)Tab.2 Stomatal characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

2.1.3 潮汐生境对叶光合功能的影响 秋茄叶片作为光合作用最主要的器官，其满潮线上、下层叶光合生产和转换的能力明显不同(表3)。相较上层叶片，下层叶片的净光合速率降低(P<0.01)、蒸腾速率下降(P<0.01)、羧化速率下降(P<0.01)及气孔导度降低(P<0.05)，而胞间CO2浓度上升(P<0.01)，但上、下层叶片水分利用效率差异不显著。

2.2 秋茄叶表型之间的关系

2.2.1 叶形态性状与气孔特征之间的关系 植物可以通过控制气孔的开合对环境变化做出快速反应，因此气孔的形态特征反映了植物对环境的适应结果(Haworthetal.， 2011)。满潮线上层与下层秋茄叶及其气孔的形态性状为适应差异生境，表现出趋异特征。淹水环境下，下层叶的比叶面积与气孔长度、气孔面积、气孔开口长度呈显著负相关，叶鲜质量、干质量与气孔面积呈显著正相关，叶鲜质量、叶长、叶面积与气孔开口面积呈显著正相关，叶形指数与气孔面积指数呈极显著正相关； 而上层叶的比叶面积与气孔宽度、气孔面积呈极显著负相关，叶形指数与气孔密度呈显著负相关(表4)。总体而言，下层叶的形态性状与气孔特性之间联系更紧密。

2.2.2 叶形态性状与光合特性之间的关系 浸淹环境中，满潮线下层秋茄叶面临着光强下降等外部条件变化，其光合指标与叶形态性状之间存在相互协调。下层叶的水分利用效率与叶柄长、叶形指数呈极显著正相关，而上层叶的水分利用效率则与叶厚呈显著负相关。净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、羧化速率等光合作用主要指标与叶形态指标未发生密切关联(表5)。

表3 满潮线上、下层秋茄叶的光合特性(平均值±标准差)Tab.3 Photosynthetic characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line (Mean±SD)

表4 满潮线上层与下层秋茄叶形态性状与气孔特征间的Pearson相关系数①Tab.4 Pearson correlation coefficients between morphological characteristics and stomatal characteristics of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

表5 满潮线上层与下层秋茄叶形态性状与光合特性间的Pearson相关系数Tab.5 Pearson correlation coefficients between morphological characteristics and photosynthetic parameters of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

2.2.3 气孔特征与光合特性之间关系 气孔是叶片光合、蒸腾和呼吸作用中与外界气体交换的通道，影响着叶基本功能的运行。满潮线下层秋茄叶片的气孔密度与胞间CO2浓度存在极显著负相关性，气孔密度与叶水分利用效率呈显著正相关关系，但上层叶片的气孔密度与胞间CO2浓度和叶水分利用效率不存在明显相关性。上层叶片的净光合速率与气孔面积、气孔开度、气孔开口面积均表现出显著负相关关系，其胞间CO2浓度与气孔宽度、气孔开度呈极显著正相关，上层叶的羧化速率与气孔宽度、气孔开度和气孔开口面积呈极显著负相关，与气孔面积为显著负相关关系(表6)。总体而言，满潮线上层叶气孔特性与光合功能之间联系更为紧密。

2.3 潮汐生境下的秋茄叶经济谱

秋茄在潮汐生境中存在差异化的生存策略权衡。结合秋茄满潮线上、下层叶形态性状、气孔特征和光合特性的研究结果及叶经济谱方法分析(图2)，认为： 下层叶片具有较大的比叶面积、气孔面积、气孔开度，较小的叶干物质含量、气孔密度和低净光合速率，在全球叶经济谱中趋于“缓慢投资-收益型”。其较低的叶干物质含量说明下层叶对养分存储较少，尽可能将更多的营养物质投入对光能的索取，其较大的气孔面积、气孔开度保证了较低气孔密度条件下叶片对CO2的摄取，以此维持较高胞间CO2浓度，为水淹环境下光合能力的补充提供充足的CO2。满潮线上层叶片则具有较小的比叶面积、气孔面积、气孔开度，较大的叶干物质含量、气孔密度、高净光合速率和高水分利用效率等，其叶表型大体朝与下层叶片反方向发展，低的比叶面积促使叶片水分利用效率提高(赵新风等， 2014)，较小的气孔面积、气孔开度以及较大的叶干物质含量都保证了海水以上叶片能够抵御高盐、高蒸腾的海岸环境，在全球叶经济谱中属于“快速投资-收益型”。

表6 满潮线上层与下层秋茄叶气孔特征与光合特性间的Pearson相关系数Tab.6 Pearson correlation coefficients between stomatal characteristics and photosynthetic parameters of Kandelia obovata leaves above and under high tide line

图2 秋茄叶经济谱示意Fig. 2 Illustration of leaf economics spectrum of Kandelia obovata 图形结构参考陈莹婷等(2014)和朱济友等(2018； 2019)。Figure structure references to Chen Yingting et al. (2014) and Zhu Jiyou et al. (2018; 2019).

3 讨论

3.1 潮汐生境对秋茄叶表型塑造

3.1.1 满潮线上、下层秋茄叶表型差异 叶片是植物对环境较敏感、可塑性较大的器官，迫于不同的压力具有各种适应类型与表型性状(陈燕等， 2014)。为适应潮汐生境，秋茄叶通过低氧回避反应(low oxygen escape syndrome, LOES)改变结构和表型以适应浸淹环境(Yeungetal.， 2018)。

比叶面积和叶干物质含量反映了植物对环境资源的获取及利用情况(Cornelissenetal.， 2003)。本研究中秋茄满潮线下层叶片比叶面积显著大于上层叶片，而叶干物质含量显著小于上层叶片(表1)。植物树冠上层叶片往往具有较低的比叶面积和较高的叶干物质含量，这主要由光照条件以及植物自身水力分配情况共同决定(Garnieretal.， 2001； 李凯等， 2011)。秋茄下层叶为应对海水浸淹的低光条件，通过增加叶单位质量面积(即比叶面积)来提高自身捕光能力，以尽量获取更多光照资源； 而上层叶片比叶面积减小、干物质含量增大可增加叶片内部水分向叶表扩散的距离和阻力，以降低上层叶片水分散失(刘贵峰等， 2017)。

叶柄是叶与茎之间的物质运输通道，也是叶片的支持系统，对叶片的生长发育起重要作用(黄文娟等， 2017)。较大的叶片通常通过较长的叶柄来防止叶片互相簇拥遮挡(柴中林等， 2009)，但秋茄下层叶较上层叶的叶面积更大，叶柄却更短。潮汐淹水环境中，更大的叶面积虽增加了叶片受光面，却也承受更大的海浪压力，短叶柄保证了叶片在此环境中不易折损。可见，满潮线下层秋茄叶片在基-顶轴方向的生长受到一定限制，这与低光及淹水环境存在密切关联(梁哲军等， 2009)。

气孔形态(大小、密度)对高等植物水气交换具有重大意义(Fanourakisetal.， 2015)。秋茄满潮线下层叶片气孔长度、宽度、面积、开度、开口面积都明显大于上层叶，但气孔密度小于上层叶(表2)。当环境湿度越大，所受光照越少，则气孔越大，密度越小(Nejadetal.， 2006； Zhangetal.， 2015)。而淹水造成的低氧或缺氧等次生胁迫可导致植物气孔开度下降(张斌斌等， 2013； Irfanetal.， 2010)，但满潮线下层秋茄叶片气孔开度和气孔开口面积显著大于上层叶，证明周期性潮汐并未损害下层秋茄叶片气孔，反而促进了其气孔开合功能。

红树植物光合特性因淹水而受到影响，表现为光合速率和羧化速率降低，蒸腾速率及气孔导度随淹水变化而变化，但水分利用效率所受影响不显著(陈鹭真等， 2006)。因长期受周期性潮汐浸淹影响，满潮线下层秋茄叶片较低的羧化速率导致叶水分利用效率下降，叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著下降，但水分利用效率与上层叶片差异不显著(表3)。但满潮线下层叶片胞间CO2浓度显著大于上层叶片，这可能是淹水时叶片光合作用消耗CO2较上层叶片少所导致(杨泽粟等， 2014)，也可能是叶片在出露期能够提高CO2同化能力以维持自身在下一次浸淹时的正常代谢(揭胜麟等， 2012)。

3.1.2 秋茄叶表型性状间关系 除了改变表型性状，植物还通过调节各性状间的相互关系来应对环境变化(王玉平等， 2012)。比叶面积与叶干物质含量通常呈现负相关关系(Rivaetal.， 2016)。研究结果显示，秋茄下层叶的比叶面积(61.39±10.31 cm2·g-1)明显高于上层叶(49.28±6.72 cm2·g-1)，而下层叶的干物质含量只有上层叶的34%左右(表1)，说明下层秋茄叶的比叶面积与叶干物质含量之间关系对环境响应的灵敏度较高，与杉木(Cunninghamialanceolata)(彭曦等， 2018)表现出相似规律。

叶干物质含量为叶片干质量与鲜质量之比，可反映叶片自然含水率，与叶片水分利用效率关系密切(Cornelissenetal.， 2003)，但满潮线下层秋茄叶水分利用效率与叶形态性状中的叶柄长和叶形指数呈极显著正相关(表5)，与气孔密度和气孔面积指数呈显著正相关关系(表6)。相比上层叶，秋茄下层叶的叶柄较短，气孔长度较大。下层叶较短的叶柄可减少茎叶间水分运输阻力，而较大的气孔和较高的气孔密度可增强叶片蒸腾速率而使得水分利用效率降低(曹小勇等， 2000)。研究结果表明秋茄叶柄长与气孔长度、气孔密度之间存在关联权衡策略。

满潮线下层秋茄叶净光合速率显著下降，而气孔开度增加，胞间CO2浓度升高，说明其净光合速率降低主要受非气孔因素限制(胡旭光等， 2018)。大量研究表明，植物光合作用常受到气孔开放程度影响(Hetheringtonetal.， 2003)，重度淹没下植物能够利用短暂的出露期加大气孔开放程度，增强光合作用，以应对下一次淹水期，叶片气孔开放程度大于微度淹没带植物(揭胜麟等， 2012； 黄端等， 2017)。满潮线下层的生境条件使秋茄叶片具有类似机制，在暴露于空气时增大气孔开度，尽可能地进行水气交换以弥补淹水时期光合作用的不足。

研究还发现满潮线上层秋茄叶对气孔特性的生理调控机制主要与光合功能相关(表6)，而在下层叶中主要与叶形态性状有关(表4)。叶片功能与性状之间产生联系是植物趋同进化的一种体现(Wrightetal.， 2001)。本研究中满潮线上层秋茄叶光合功能性状与气孔特性相关性高，叶片较大的气孔密度保证气孔CO2通量充足以支持光合作用正常运行，表明气孔特性与叶光合功能趋同适应，达到气孔结构-光合功能平衡。满潮线下层秋茄叶片在光合功能下降时胞间CO2浓度增大，表明下层叶形态性状主要与储存、维持等功能有关(Zhangetal.， 2012)。叶形态性状良好的储存和维持功能使得下层叶片能够储存足够CO2以维持浸淹下的光合作用，而较大的气孔面积及气孔开度可在出露期为叶片补充更多CO2，为下一次浸淹期做准备。这意味着秋茄下层叶气孔特性与叶形态性状趋同进化以适应满潮线下层周期性浸淹环境。

3.2 潮汐生境下秋茄叶经济谱选择

水淹环境下的秋茄叶表型特征之间的相关关系与全球尺度的叶经济谱规律(Wrightetal.， 2004)基本吻合(图2)。满潮线上层光照条件充足，但海岸的高盐及大风环境导致红树植物叶片出现生理干旱现象(牟美蓉等， 2007)，满潮线下层秋茄叶片受周期性浸淹，因海水反射等原因导致光照资源不足，但淹水可在一定程度上减轻恶劣环境因子对叶片的影响(史小芳等， 2016)。不同生境的塑造使秋茄上、下层叶片产生表型差异及不同的叶经济谱选择(图2)。研究结果显示，下层秋茄叶片具有更高的比叶面积、气孔面积、气孔开度，更低的叶干物质含量、气孔密度和净光合速率，趋向于缓慢投资-收益型； 上层叶片反之，其资源分配策略偏向于快速投资-收益型。这种叶经济谱的异化调整能力是秋茄适应环境的重要原因之一，秋茄倾向于投资获取限制性资源的器官，减少非限制资源相关器官的能量分配以适应潮汐生境，通过改变满潮线下层叶片比叶面积与叶干物质含量关系、气孔密度与气孔面积的关系等途径达到复杂生境下的机体平衡。因此，全球叶经济谱在海陆过渡的潮间带环境也同样存在，在较为极端的差异化环境下同时具有快速投资-收益和缓慢投资-收益的特征。

4 结论

受周期性潮汐浸淹影响，罗源湾秋茄满潮线上层与下层叶片的形态性状、气孔特性和光合功能具有差异化适应策略。上层叶气孔特性与光合功能趋同适应，而下层叶气孔特性与叶形态性状协同进化。满潮线上、下层叶片形态差异大，下层叶气孔适应性更强。秋茄的这一趋异适应机制揭示了其特殊的叶经济谱策略，即满潮线上层叶快速投资-收益型和下层叶缓慢投资-收益型的叶经济谱模式，这种异化的资源分配策略是秋茄适应潮汐生境的重要因素。秋茄林面临的生境特殊而复杂，为缓解潮汐生境影响其发挥海岸生态服务价值，有必要对其受淹深度极值范围进行深入研究。