小苏干湖湿地典型泌盐植物海乳草叶性状和光合特性对淹水的响应

李子琴, 赵成章, 赵夏纬, 李 群, 苟芳珍, 任 杰, 马俊逸

西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃省湿地资源保护与产业发展工程研究中心, 兰州 730070

植物是一个功能和结构平衡的生命体[1- 2],为了提高自身的生境适合度,植物往往通过权衡叶片各功能性状间的资源分配策略,形成了与环境相适应的叶片构型及其光合特性[3]。叶片是植物能量和物质转化的重要场所,叶片功能性状能够反映植物在不同生境下植株生长的调整策略以及对所吸收光能的利用水平,体现了植物在叶片光截获、碳同化和水分利用等方面的生态策略[4- 6]。叶面积作为衡量叶片光合能力大小的重要指标[7],影响植物与外界环境气体、能量等的交换[4]；叶厚度在植物生长方面扮演着重要角色,通过调控叶肉细胞中栅栏组织和气孔的构建模式,影响着植物的碳同化产物生产和积累效率[8]。有研究表明植物叶片面积、厚度与叶片光合效率关系十分密切,叶片可以通过权衡叶面积、叶厚度之间的生物量分配机制,实现不同环境条件下植物基础功能的有效发挥和植物光合作用的正常进行[3]。蒸腾速率和净光合速率作为衡量光合能力的重要指标,不仅能反应植物通过调节自身水分损耗适应不同环境的能力[9],而且可反映特定生境中植物的资源利用效率[10]。植物能够通过叶片功能性状在形态和结构上的可塑性,改变叶片的光合生理特征实现植物叶片光合效率的最大化,反映了植物与环境协同适应的生存策略[10-12]。淹水条件是内陆盐沼湿地植物最常见的逆境胁迫因子,季节性淹水所引起的土壤水盐含量空间分异格局,能够营造差异化的群落环境,迫使植物调整叶面积、叶厚度等叶片功能性状间的资源分配模式,差异化地调控叶片净光合速率、蒸腾作用等生理生态功能,最大限度地适应外界环境因子的变化,维持植物的正常生理代谢水平,增强植物种群的生长发育速度和更新能力[13-15]。因此,研究盐沼湿地植物光合特性与叶性状在不同淹水生境下的响应变化,有助于理解内陆盐沼湿地植物叶片功能性状对异质性生境的响应机制。

海乳草(GlauxmaritimaL)属报春花科多年生草本植物,喜生于土壤潮湿或地势低洼积水的生境,以及土壤轻中度盐渍化的低湿草甸、荒漠、盐碱地和沼泽草甸等,是典型的湿生泌盐植物。目前学术界围绕植物光合特性与环境因子的关系[16-17]、各生态型植物的耐盐差异性[18]、盐胁迫对光合指标的影响[19]、不同水盐梯度对植物光合特性的影响[20-21]以及湿地植物功能性状[22]等问题展开了广泛研究,有关海乳草在不同盐浓度环境中的叶片形态结构特征[23]和叶片形态解剖学特征[24]也得到了一定重视,但是有关水盐空间异质条件下湿地泌盐植物海乳草叶性状与光合生理特性的变化规律还尚不明确。鉴于此,本研究以甘肃省小苏干湖湿地的海乳草为研究对象,通过分析3种淹水梯度下海乳草光合特征与叶性状的响应变化,试图明晰：(1)不同淹水梯度下的叶性状与光合特性是否存在差异性？(2)形成这种差异性的原因有哪些？旨在揭示植物在不同生境条件下的光合作用过程及生态适应机制。

1 材料与方法

1.1 研究区和样地概况

研究区位于阿克塞小苏干湖自然保护区,处于青藏高原柴达木盆地北缘阿尔金山、党河南山、塞什腾山和吐尔根达坂山之间的花海子高原盆地,地理位置为39°01′25″—39°05′32″N,94°10′33″—94°14′43″E,海拔2807—2808 m,属典型的内陆高寒半干旱气候,年均气温< -0.4℃,1月份平均气温为-14℃,7月份平均气温为13.8℃,年均降水量77.6 mm,蒸发量1964.8 mm,年日照时数3100—3500 h,干燥度30,无霜期90 d左右。苏干湖水系属柴达木内流河水系,土壤主要以草甸土、草甸沼泽土和盐土为主,植被在应对寒冷、干旱和土壤盐渍化等生境条件,形成了植株矮小、根系发达且具深根性和泌盐功能的区域性生态特征,主要植物有珠芽蓼(Polygonumviviparum)、海乳草(Glauxmaritima)、碱蓬(Suaedaglauca)、芦苇(Phragmitesaustralis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、赖草(Leymussecalinus)、海韭菜(Triglochinpalustre)、草地早熟禾(Poapratensis)、水麦冬(Triglochinmaritimum)、盐角草(Salicorniaeuropaea)等。

1.2 实验方法

小苏干湖是一个具有出口的微咸水湖,苏干湖周围盐沼湿地的水淹频率每年一次,每年11月至次年4月湿地表面有静水持留,5月回归,其它时间湿地暴露在空气中,根据自然保护区20多年来的水文记录,湖水泛滥区宽度650—715 m左右。为便于实验的调查研究,2018年8月中下旬,在小苏干湖北边地势平缓区域从湖岸边缘向多年的潮水线末端设置1条宽50 m,长350 m的平行样带,该样带海乳草为湿地群落的主要植物；依据历年小苏干湖洪水泛滥和退水痕迹,测算的盐沼湿地淹水时长,将该样带划分为3个样地(I、II和III),分别如下：(1)样地I为轻度淹水区,离湖岸220—350 m,静水持留时间：当年11月下旬—次年2月上旬,60—90 d,土壤盐渍化严重,海乳草植株矮小,茎呈匍匐状,叶片肉质化,碱地风毛菊和早熟禾为共同优势种,海乳草、盐角草伴生呈片状分布；(2)样地II为中度淹水区,离湖岸50—220 m,静水持留时间：当年11月下旬—次年4月上旬,90—150 d,土壤盐渍化较轻,叶片轻度肉质化,海乳草为群落优势种,碱地风毛菊和盐角草零星分布；(3)样地III为重度淹水区,离湖岸0—50 m,静水持留时间：当年11月下旬—次年6月上旬,淹水150—210 d,以泥炭土为主,土壤盐渍化程度低,植被覆盖度较高,海乳草茎秆直立,叶片肉质化不明显,海乳草和早熟禾为群落的共同优势种。在每个样地内设置2个10 m×10 m的实验样方,共计6个固定实验样方。

(1)湿地群落学调查：在每个实验样方内用交叉对角线法选取6个1 m×1 m的小样方,分别测量样方内全部植物的高度、盖度、密度和地上生物量；每个样方内随机选取6株海乳草,齐地剪取放入信封袋中带回实验室进行其他数据测量。

(2)光合特征值测定：在天气晴朗的上午10:00—11:00测定海乳草的光合特征,使用GFS- 3000便携式光合测量系统(Heinz Walz GmbH, Bavaria, Germany),测量时使用人工红蓝光源,将光合有效辐射(Photosynthetically active radiation, PAR)、CO2浓度、流速和相对湿度(Relative humidity,RH)分别设置为1200 μmol m-2s-1、340 μmol/mol、750 μmol/s和40%—50%,从样地随机选取5株海乳草,在每个植株上选取4片健康成熟的叶片分别测定净光合速率、蒸腾速率等参数,并计算水分利用效率(Water use efficiency, WUE=Pn/Tr)。

(3)叶性状测定：使用100分度游标卡尺避开叶脉,在10片供试叶片不同部位测量5次,取平均值为该植株叶厚度。将采集的每株海乳草从茎基部向上随机选取10片健康的叶片,擦干净后用便携式激光叶面积仪(CI- 202, Walz, Camas, USA)测定每片叶子的面积并记录,取平均值为该植株的单叶叶面积,将测完叶面积的叶片装入信封放入烘箱80℃烘干,48 h以后取出秤重,并计算比叶面积。

(4)叶绿素测定：使用叶绿素计(SPAD- 502, Minolta, Japan),测量时尽量避开叶片叶脉部分,在每个叶片的不同部位测量5次,取平均值作为该个体的叶绿素含量。

(5)光合有效辐射测定：选择晴朗无云的天气,于9:00—11:00对3个生境中的海乳草植株上方、中层和地表,用手持光量子计(3415F, Walz, Plainfield, USA)进行光合有效辐射测定。

(6)土壤含水量测定：在湿地群落学调查样方内随机挖掘1 m×1 m×0.5 m土壤剖面,用环刀(200 cm3)分5层间隔10 cm采取土样,重复3次,现场编号、各土层均匀混合称鲜质量,然后带回实验室在105 ℃的烘箱内烘12 h,取出称质量,计算出各样地0—50 cm土层土壤质量含水量。

(7)土壤盐分和电导率测定：在每个采样点用土钻(内径35 mm)以10 cm为间隔分3层采集地下30 cm土样(每份土样湿重不少于600 g),除去地上凋谢物和石块等杂质后带回室内,用电导法测定土壤含盐量[25]。

1.3 数据处理

不同样地海乳草叶面积、叶厚度、净光合速率和蒸腾速率进行以10为底的对数转换,使之符合正态分布后采用线性回归方法分析(Regression Analysis),采用单因素方差分析(ANOVA)比较不同梯度间海乳草的叶面积、叶厚度和叶绿素等功能性状,实验数据采用SPSS 22.0软件进行处理分析,用Excel 2013软件绘图。

2 结果分析

2.1 不同样地的群落生物学特征和土壤理化性质

受淹水时间长短的影响,3个样地的土壤含水量和电导率均呈现出显著的差异性(P< 0.05, 表1)。样地(I)土壤含水量最小、电导率和PAR最大,植物受干旱与盐碱胁迫的影响盖度和密度处于较低水平,高度和地上生物量呈适中状态；样地(III)土壤含水量最大、电导率最小,群落光照充足,植物具有充足的水源供给,土壤盐碱化程度较弱以泥炭土为主,湿度群落的高度处于最高水平比样地(II)增加了309.44%,其盖度、密度和地上生物量也均达到最高水平,分别比样地(I)增加了32.97%、21.08%和132.01%；样地(II)处于过渡带,土壤含水量和电导率,湿地群落的密度和盖度都呈适中状态,高度和地上生物量则达到最低水平。

表1 不同湿地群落的生物学特征和土壤特性(数值为平均值±标准误差)

2.2 海乳草叶性状分析

不同生境下海乳草的叶性状的变化如表2所示。随着土壤含水量的增加和含盐量的降低,海乳草叶片的叶面积、比叶面积呈逐渐增大的趋势,样地III比样地I分别增加了40.77%、45.36%,样地II与样地I无显著差异(P>0.05)；海乳草的叶厚度则呈逐渐减小的趋势,从样地I到样地III减小了24.01%,样地II与样地I也无显著差异(P>0.05)；海乳草的叶干重呈先增大后减小的趋势,极大值为样地II,但样地I,II,III之间无显著差异(P>0.05)；海乳草的叶绿素呈逐渐减小的趋势,由样地(I)到样地(III)减小了48.62%。

表2 不同样地海乳草叶性状特征(数值为平均值±标准误差)

2.3 海乳草光合特征分析

不同生境下海乳草的光合特征变化如表3所示。随着叶面积增大、叶厚度减小,海乳草叶片的净光合速率、气孔导度和水分利用效率呈减小趋势,从样地I到样地III分别减小了65.05%、64%和60%,不同生境下海乳草叶片的净光合速率、气孔导度和水分利用效率均存在显著差异(P<0.05)；海乳草的蒸腾速率呈减小趋势,从样地I到样地III减小了4.23%,但样地I,II,III之间无显著差异(P>0.05)。

表3 不同样地海乳草光合生理参数特征(数值为平均值±标准误差)

2.4 海乳草Pn和叶性状的相关性分析

通过分析发现不同静水持留条件下海乳草净光合速率(Pn)与叶面积(LA)、叶厚度(LT)之间均存在显著差异(P< 0.05)。海乳草叶片净光合速率和叶面积在样地(I)和样地(III)均呈极显著负相关关系(yⅠ=-0.4135x+0.6037,R2=0.7211,P< 0.01；yⅢ=-1.1882x-0.1609,R2=0.7267,P<0.01,图1),在样地(II),二者呈显著负相关关系(yⅡ=-1.0409x-4E-05,R2=0.4795,P< 0.05,图1)；叶片净光合速率和叶厚度在样地(I)和样地(III)均呈极显著正相关关系(yⅠ=1.3922x+2.3610,R2=0.7083,P< 0.01；yⅢ=1.2043x+1.8597,R2=0.7419,P<0.01,图1),在样地(II),二者呈显著正相关关系(yⅡ=0.8652x+1.5256,R2=0.5048,P< 0.05,图1)。表明静水持留时间较长和较短的生境中海乳草的叶性状和净光合速率呈显著的权衡关系。

图1 不同样地海乳草净光合速率(Pn)与叶面积(LA)、叶厚度(LT)之间关系Fig.1 Relationship between net photosynthetic rate and leaf area, leaf thickness of Glaux maritima among different plots

2.5 海乳草Tr和叶性状的相关性分析

Pearson相关性分析表明,不同静水持留条件下海乳草蒸腾速率(Tr)与叶面积(LA)、叶厚度(LT)之间存在着显著差异(P<0.05,图2)。海乳草叶片蒸腾速率和叶面积在样地(I)和样地(II)均呈极显著负相关关系(yⅠ=-0.0469x+0.2982,R2=0.8383,P< 0.01；yⅡ=-1.3338x-0.4362,R2=0.8036,P<0.01,图2),在样地(III),二者呈显著负相关关系(yⅢ=-0.9837x-0.1683,R2=0.5856,P< 0.05,图2)；叶片蒸腾速率和叶厚度在样地(I)和样地(II)均呈极显著正相关关系(yⅠ=0.1628x+0.5028,R2=0.8766,P< 0.01；yⅡ=1.0806x+1.4882,R2=0.8038,P<0.01,图2),在样地(III),二者呈显著正相关关系(yⅢ=1.0064x+1.5157,R2=0.6045,P< 0.05,图2)。表明随着静水持留时间的逐渐增长,海乳草的Tr逐渐减小,叶片叶面积逐渐增大、叶厚度逐渐减小。

图2 不同样地海乳草蒸腾速率(Tr)与叶面积(LA)、叶厚度(LT)之间关系Fig.2 Relationship between transpiration rate and leaf area, leaf thickness of Glaux maritima among different plots

3 讨论

3.1 不同静水持留时间下海乳草群落及叶功能性状的响应变化

植物在受到水盐胁迫时,能积累渗透调节物质,从而提高渗透势和调节能力,以适应生存环境[26-27]。通过研究发现,随着样地静水持留时间的变长,湿地群落的平均盖度、平均密度和土壤含水量逐渐增大,土壤电导率逐渐减小,群落的高度与地上生物量则呈先减小后增大的变化趋势(表1)；海乳草叶片叶面积和比叶面积呈增加趋势,而叶厚度呈下降趋势(表2),形成这种变化的主要原因是：(1)样地I的静水持留时间最短,地表盐碱累积时间较长,盐渍化程度严重(表1),耐盐和泌盐植物大量生长,加之样地I土壤含水量最低(表1),因此该生境的密度和盖度处于较低水平(表1),植株间邻体干扰和光照资源的竞争不明显,高盐胁迫和水分供给成为影响海乳草的主要因素,海乳草为更好适应水盐胁迫的生境,叶片肉质化,将更多的干物质用于构建保卫组织和叶肉细胞密度[28],并在栅栏组织之间分化出贮水组织应对生理干旱,根据任昱坤[23]的研究可知,贮水组织中含有多糖物质,该物质可以提高叶片的渗透压和植物对水分的吸收能力,减少叶片水分亏缺,促使植物具有较强的耐旱能力[23]；同时在资源有限的条件下,植物为降低阳光对叶片的直射范围,避免细胞水势和膨压的降低[29],以及容纳更多的叶绿体,选择发育了小而厚的叶片以及较低的比叶面积(表2)；(2)样地II的静水持留时间中等,是盐渍化程度和土壤含水量的过渡区域(表1),水盐胁迫比样地I相对减弱,海乳草成群落优势种,为满足植物贮水的需要,维持正常的生理代谢,海乳草选择了叶面积与叶厚度均衡生长的策略(表2),形成适中的叶绿体和比叶面积(表2),促使植物更好的发展地上生物资源(表1),扩大生存空间,减少生态位重叠,避免了种群内不必要的资源竞争[29]；(3)样地III的静水持留时间最长,盐渍化程度较其它样地最低(表1),耐水淹植物大量发育,植株生长态势较好,因此群落内植物密度、高度和盖度最大(表1),植株间邻体干扰和生存空间、光照资源的竞争激烈,密度制约和邻体干扰条件成为影响海乳草生长的主要因素。在群落中海乳草邻体遮阴严重,为使叶片尽可能多的接收有限的光资源,提高叶片的光捕捉面积[28],叶片将更多物质用于叶表面积的建设(表2),减少“防御性”的投入,使得叶片栅栏组织细胞层数减少,叶肉细胞排列较疏松,植物单位面积叶片分配的生物量减少,以及叶干重和叶绿素的相应减少,形成了大而薄的叶片以及较大的比叶面积(表2)。表明随着静水持留时间的变化,海乳草通过调整自身叶片构型和内在生理生态功能以适应特殊生境,体现了内陆盐沼湿地植物在严酷环境下较强的环境耐受性和抗逆性。

3.2 不同静水持留时间下海乳草光合性状的响应变化

叶片光合特性易受环境的影响,植物通过叶片结构性状和功能性状的组合和权衡,形成了能够契合外部环境的形态、生理及物候属性[30-31]。通过实验发现,随着静水持留时间的增加,叶片的净光合速率、水分利用效率和气孔导度均呈下降趋势,但蒸腾速率差异不明显(表3)。主要原因是：(1)样地I海乳草受水盐胁迫的影响,形成了高度肉质化的厚叶片,能够容纳更多的叶绿体(表2),提高叶肉细胞的光合能力；同时,海乳草叶面积和比叶面积的减小(表2),增加了叶片内部水分向叶片表面扩散的路径长度,减少了水分的蒸腾散失[1,32],提高了植物的光能利用效率和水分利用效率(表3),促进了植物体内水分和盐分的运输[23,33],植物因此获得了较大的蒸腾速率和净光合速率(表3),促使其叶厚度与净光合速率、蒸腾速率均呈极显著正相关关系(P<0.01,图1, 2),其叶面积与净光合速率、蒸腾速率均呈极显著负相关关系(P<0.01,图1, 2)；(2)样地II处于样地I和样地III过渡区,在资源有限的情况下,海乳草形成适中的叶面积、叶厚度和比叶面积(表2),既能满足植物贮水的需要,维持正常的生理代谢,又能构建足够的保护组织防止植物蒸腾失水,实现了叶片对光能利用和截获能力的最大化,促使净光合速率和叶面积呈显著负相关关系,与叶厚度呈显著正相关关系(P<0.05,图1)；蒸腾速率则和叶面积呈极显著负相关关系,与叶厚度呈极显著正相关关系(P<0.01,图2)；(3)样地III土壤含水量较大,耐水淹湿地植物的大量发育,引起群落中植被间的遮阴加剧,使海乳草种群植株间产生强烈的光竞争,叶片叶绿素含量大幅度减少(表2),叶肉细胞光合能力受到抑制；同时大而薄的叶片能够使CO2和水分等从气孔到达叶绿体的路径缩短,有利于光的透过和光能的吸收[34],相较于高盐环境该生境的比叶面积较大(表2),植物生长速率高,养分元素保有能力降低,较小的叶厚度造成了叶脉中维管束极不发达和贮水组织的逐渐退化,促使植物叶水势的降低,盐分输送效率的减小[23],气孔的部分关闭以及该群落严重的遮阴降低了叶片的蒸腾速率,造成了叶片水分利用效率较低(表3),植物因此获得了较低的净光合速率,促使其净光合速率分别与叶面积、叶厚度呈极显著负相关和极显著正相关关系(P<0.01,图1)；蒸腾速率则分别与叶面积、叶厚度呈显著负相关和显著正相关关系(P<0.05,图2)。因此,在各样地之间净光合速率、蒸腾速率与叶面积、叶厚度存在着显著差异(P<0.05,图1, 2),表明随着生境的改变,海乳草叶片积极调整各构件的光合碳同化产物权衡分配机制,体现了植物叶片在不同生境下为规避环境压力所选择的生态策略。

4 结论

植物叶片形态和光合生理特征在不同生境之间差异性,显示了植物在外在形态和内在生理方面的协同变异性,这是植物长期适应环境的结果。本研究发现：当海乳草面临水盐双重胁迫的生境时,植株选择减小叶面积增大叶厚度的生长策略,提高净光合速率,以实现植物自身碳同化产物权衡分配；在水分供给充足的生境,海乳草叶片选择增大叶面积减小叶厚度,提高了叶面积的资源分配和光合效应,实现植物正常的生长繁殖。本文仅从静水持留时间影响下叶性状与光合特性的变化规律进行了分析,叶绿素荧光、光谱等也与叶性状变化有密切关系,对这些方面的研究是今后关注的重点。