长白山6种阔叶树测定树木叶面积的最适叶片数量1)

刘颖 刘琪璟 宋超杰 钱尼澎 秦立厚

(北京林业大学,北京,100083) (国家林业和草原局调查规划设计院)

叶片是与大气环境接触面积最大的植物器官,叶片形态性状的差异能反映植物对环境的适应性[1],叶片大小(叶面积,叶片表面的单侧投影面积)在叶片形态性状中与生态功能紧密相关。叶面积大小反映植物对光的拦截能力,直接影响了植物光合作用和呼吸作用;叶面积大小也会影响叶片温度,从而影响植物的蒸腾作用[2-3]。叶面积能揭示植物面对环境胁迫、干扰时的生态策略(除系统发育外),是分析植物生长和预测产量的重要指标[4-6]。由叶面积可间接获得叶面积指数,被定义为每单位水平地面表面积总叶面积的一半,是林木冠层结构的一个关键参数。因此,准确、快速地获取植物叶面积平均大小,对植物的形态特征及生态系统特征与功能的研究都有重要意义。

叶面积的测量方法分为方格法、叶形纸称质量法、打孔称质量法、数字图像处理法,其中数字图像处理法由于其精度高、人力成本低的优点被普遍推广。在所有叶面积测量方法中,对取样数量通常是选择10株生长状况正常的树木,在每株树选取 4片健康无病害的叶片,在野外样地某一树种数量稀少的情况下至少也应该选择5株生长状况正常的树木,保证25片的最低取样数量[7]。但是,由于受植物的系统发育和环境影响,植物叶片大小存在种间差异和种内变异,所以简单取样25～40片叶片并不能代表植物自身叶面积的平均水平;而关于叶片最适取样数量的相关研究较少[8]。

为此,本研究于2019年7—8月份,在长白山阔叶红松林中选取假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、色木槭(Acermono)、蒙古栎(Quercusmongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、糠椴(Tiliamandshurica)、拧筋槭(Acertriflorum)6个阔叶树种为研究对象,在采集叶片前将树木大小划分为3个径级,每个等级选择3～4棵样树,每个树种选取10株;针对选取的样树、新鲜倒木,将树冠划分为上、中、下3部分,应用高枝剪等工具在树冠中部的东、西、南、北4个方位以及树冠底部、树冠上部2个方位,共6个方位,分别选取生长状况良好的叶片,作为抽样总体。应用Excel进行数据基础分析,获取6个树种、3个胸径等级、6个取样方位的叶面积平均值和标准误差;应用R 4.2.3中的单因素方差分析法(ANOVA)对6个树种的叶面积进行方差分析,并通过多重比较法(Tukey HSD法)分析不同树种之间叶面积的差异性;应用t.test函数计算不同胸径等级、不同取样方位的差异性,分析不同树种在区分胸径等级和取样方位时叶面积均值与总体叶面积均值的差异;应用t检验法和随机抽样法,分析不同树种确定树木叶面积的最适叶片取样数量、6个树种在区分胸径和取样方位时确定树木叶面积的最适取样数量。旨在为野外工作采取叶片时提供参考。

1 研究区概况

研究区为长白山国家级自然保护区,位于吉林省东南部(127°42′55″～128°16′48″E、4l°41′49″～42°25′18″N),是我国最重要的天然森林生态系统之一。年均气温5 ℃,年降水量700～1 400 mm,夏季为主要雨季,降水占全年降水量的一半以上,无霜期占全年的三分之一左右,年日照时间不足2 300 h。该地区受季风影响,是温带大陆性山地气候,具有明显的垂直气候带,可划分中温带、寒温带、高山亚寒带3个气候带。植被类型也随着气候有着明显的垂直分布,在海拔700～1 100 m,主要植被类型为阔叶红松林;海拔1 100～1 700 m,主要植被类型为云冷杉林;海拔1 700～2 000 m,主要植被类型为岳桦(Betulaermanii)林;海拔2 000 m以上,主要植被类型为高山苔原。红松阔叶林是长白山地区典型的地带性植被类型,垂直结构明显,主林层主要树种有红松(Pinuskoraiensis)、春榆(Ulmusjaponica)、蒙古栎(Quercusmongolica)、色木槭(Acermono)、紫椴(Tiliaamurensis)、拧筋槭(Acertriflorum)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、糠椴(Tiliamandshurica)等树种,此外还分布有山杨(Populusdavidiana)、大青杨(Populusussuriensis)、白桦(Betulaplatyphylla)等少量先锋树种。亚林层中主要有假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、水榆花楸(Sorbusalnifolia)、青楷槭(Acertegmentosum)、黑樱桃(Cerasusmaximowiczii)等树种。

2 研究方法

在长白山阔叶红松林内采集样品。选取6个阔叶树种作为研究对象,分别为假色槭(Acerpseudo-sieboldianum)、色木槭(Acermono)、蒙古栎(Quercusmongolica)、紫椴(Tiliaamurensis)、糠椴(Tiliamandshurica)、拧筋槭(Acertriflorum)。在采集叶片前将树木大小划分为3个径级(D),小径树木(D1)、中径树木(D2)、大径树木(D3)。由于6种阔叶树的性状差异,树木大小3个等级对应的胸径大小不一致,其中:假色槭,D≤10 cm为D1、10 cm15 cm为D3;拧筋槭,D≤10 cm为D1、10 cm20 cm为D3;其余4个树种,D≤15 cm为D1、15 cm30 cm为D3。取样时间为2019年7—8月份,各树种的叶片展叶期基本结束,叶片大小处于比较稳定的时期。每个等级选择3～4棵样树,每个树种选取10株。针对选取的样树、新鲜倒木,将树冠划分为上、中、下3部分,应用高枝剪等工具在树冠中部的东、西、南、北4个方位以及树冠底部、树冠上部2个方位,共6个方位,分别选取生长状况良好的叶片20片,每株树共计选取120片叶片;编号后装入密封袋,并放入冷藏箱。6个树种共采集叶片7 165片(假色槭1 193片、糠椴1 162片、蒙古栎1 139片、拧筋槭1 216片、色木槭1 311片、紫椴1 144片),作为抽样总体。通过扫描仪获取叶片图像,叶面积计算通过MATLAB程序计算。

应用Excel进行数据基础分析,获取6个树种、3个胸径等级、6个取样方位的叶面积平均值和标准误差。应用R 4.2.3中的单因素方差分析法(ANOVA)对6个树种的叶面积进行方差分析,并通过多重比较法(Tukey HSD法)分析不同树种之间叶面积的差异性;应用t.test函数计算不同胸径等级、不同取样方位的差异性,分析不同树种在区分胸径等级和取样方位时叶面积均值与总体叶面积均值的差异;应用Sample程序包对每个树种所有叶面积样本以及在区分胸径等级和取样方位时的叶面积样本,进行有放回的随机抽样,将每次随机抽样得到的目标样本与抽样总体进行独立样本t检验,直至目标样本与抽样总体之间的差异不显著时,此时的取样数量为能代表整体的最小取样数量。

3 结果与分析

3.1 叶面积特征

由正态性检验可知,6个树种的抽样总体叶面积都符合正态分布。由表1可见:紫椴与色木槭的叶面积之间没有显著性差异,其余各树种的叶面积大小之间均存在显著差异。其中叶面积最小的树种是拧筋槭(11.77 cm2),同时也是叶面积变幅最小的树种,介于1.02～29.77 cm2之间;叶面积最大的树种是糠椴(79.56 cm2),同时是叶面积变幅最大的树种,介于25.13～198.88 cm2之间。

表1 6个树种的抽样总体叶面积

由图1可见:在叶面积与树木胸径的相关性分析中,糠椴、紫椴、色木槭的叶面积,与胸径之间呈现较显著的负相关;蒙古栎的叶面积,与胸径之间呈现极不显著的负相关;而假色槭、拧筋槭的叶面积,与胸径之间呈现为极不显著的正相关。

图1 6个树种胸径与叶面积的相关性分析结果

由图2可见:在叶面积与树木冠层位置的相关性分析中,糠椴、假色槭的叶面积,与树木冠层位置呈现极不显著的正相关;而蒙古栎、色木槭、拧筋槭的叶面积,与树木冠层位置表现为极不显著的负相关;紫椴的叶面积,与树木冠层位置表现为显著负相关。

图2 6个树种冠层位置与叶面积的相关性分析结果

3.2 叶面积在不同胸径等级时与不同取样方位时的差异

由独立样本t检验的结果可见,6个树种在不同胸径等级时,与抽样总体叶面积均值的差异不同(见表2)。蒙古栎,在3个不同胸径等级时的叶面积均值,与总体叶面积均值均没有显著性差异,表明在确定蒙古栎单叶叶面积大小时,胸径大小对其没有显著的影响。色木槭、糠椴、紫椴,在3个胸径等级时的叶面积,均表现为与总体叶面积均值存在显著差异。假色槭,在D1、D3胸径等级时的叶面积,与总体叶面积有显著的差异;在D2胸径等级时的叶面积均值,与总体不存在显著的差异,表明D2胸径等级时的假色槭叶面积均值能够代表该树种的平均叶面积大小。拧筋槭的叶面积均值,仅在D1胸径等级时与总体叶面积均值存在显著性差异;在D2、D3胸径等级时的叶面积均值,与总体叶面积均值均无显著性差异。由图3可见,6个树种均表现为在D2胸径等级时的叶面积均值与总体叶面积均值的差异更小、更稳定。

表2 6个树种不同胸径等级时的叶面积(t检验)

横坐标数据的负数,表示不同胸径等级时叶面积均值小于总体叶面积均值;横坐标数据的正数,表示不同胸径等级时叶面积均值大于总体叶面积均值。

拧筋槭、色木槭、蒙古栎在6个方位时的叶面积均值,与总体叶面积均值之间的相关性,经t检验结果表明(见表3):3个树种不同方位时的叶面积与抽样总体叶面积之间没有显著差异;假色槭在南方位的叶面积均值,与抽样总体叶面积之间存在显著差异,其余5个方位均未表现出显著差异;糠椴在北方位、东方位的叶面积均值,与抽样总体叶面积之间存在显著差异,其余4个方位均未表现出显著差异;紫椴在东方位、上方位、下方位的叶面积均值,与抽样总体叶面积之间有显著差异,而其余3个方位均未表现出显著差异。

表3 6个树种不同取样方位时的叶面积(t检验)

6个树种在不同方位时的叶面积与总体叶面积均值的差异不同(见图4);假色槭北方位、拧筋槭上方位、色木槭东方位、蒙古栎北方位、糠椴上方位、紫椴西方位的叶面积,与各自总体叶面积均值的差异更小、更稳定;6个树种中,仅有紫椴在下方位取样与总体有显著性差异,说明在野外取样时其余5个树种可以选择下方位的叶片,降低野外取样难度。

横坐标数据的负数,表示不同取样方位时叶面积均值小于总体叶面积均值;横坐标数据的正数,表示不同取样方位时叶面积均值大于总体叶面积均值。

3.3 叶片取样数量的界定

以6个树种的抽样总体为基础进行随机抽样与检验表明,随着随机抽样数量的增加,平均值趋于稳定,置信区间的变幅也变小(见图5);叶片随机抽样数量,假色槭大于644片、色木槭大于750片、蒙古栎大于677片、糠椴大于648片、紫椴大于697片、拧筋槭大于701片时,所获得的目标样本与抽样总体无显著差异。因此,在不考虑胸径等级和方位时,以上叶片数为6个树种的叶片最小取样数量;在考虑胸径等级和方位时,选取紫椴D2等级西方位的叶片进行随机抽样,其余5个树种均选取D2等级下方位的叶片进行随机抽样。

由图6可见:紫椴39片、色木槭46片、拧筋槭66片、蒙古栎17片、糠椴65片、假色槭30片,为最小取样叶片数量。

图6 6个树种在区分胸径和取样方位后叶面积的随机抽样均值和95%置信区间及其差异性检验结果

由图7可见:在不考虑胸径等级和方位时,6个树种的叶片最小取样数量与变异系数之间呈现极显著正相关。表明不同树种的最适叶片取样数量不同,与种内的叶片变异系数密切相关。

图7 6个树种最小取样数量与变异系数的相关性

4 讨论

4.1 叶片的种间变异和种内变异

关于植物性状的研究中,依据种间变异和种内变异,最少或最适采样数量的确定,对叶片物候的估计[9]、叶片对称性的判定[10]、细根性状参数估计[11]等都能提高结果精度;而叶面积的变异由种间变异和种内变异共同驱动,因此,对于不同树种、不同生境时,应该存在相应的叶片采样数量。本研究中,6个树种叶面积也存在显著的种间变异;种间变异是自然群落中物种共存的基础,有研究表明不同物种间的性状变异概率可达75%[12]。在叶片采样时,对于同一物种的叶片大小,不同个体或同一个体内也会发生变异,这与树木年龄、经纬度、海拔、温度、光照、水分等因素有关[12-15]。

4.2 叶片取样数量与树种的关系

对于不同树种确定平均叶面积应须有相应的叶片取样数量[16]。本研究中,6种阔叶树的最适取样数量不同;因此在取样时不应使用固定的25～40片的取样数量,而需要根据树种确定取样数量。本研究表明,6个树种的最小取样数量均远大于40片,说明采样25～40片叶片远远不能满足精度需要。Alves-Silva et al.[17]研究表明,相比于约定俗成的采样数量,选择有针对性的采样数量,能更为准确地描述叶片形态特征。最适取样数量与总体样本中的变异系数密切相关,Petruzzellis et al.[18]在分析叶面积、叶片干质量等指标时表明,拥有不同变异系数的个体,应该选择不同的采样策略和数量,以达到推断试验结果的精度。本研究表明,色木槭的叶面积变异系数最大,所需要的采样数量也是最多的(750片);假色槭的叶面积变异系数最小,所需要的采样数量是最少的(644片)。在已有研究中,森林的垂直结构对植物的功能性状和生理过程都存在一定的影响[19-20]。本研究的6个树种中,只有假色槭是亚乔木树种,生长于阔叶红松林的亚林层,获取光照相对困难,因此叶片大小的种内差异较小,普遍选择相对大的叶片拦截更多的光,这也是假色槭测定树木叶面积需要叶片取样数量最小的原因之一。

4.3 取样数量与胸径、取样方位的关系

树木大小影响叶片大小,树木在不同生长阶段的资源利用策略不总是一致[21],小树为了截取更多的光照以维持自身的生长发育,叶片一般大且薄;大树为了减少蒸腾作用,叶片一般小且厚[22-23]。Desmon et al.[24]研究橡树叶片形状和大小表明,选择适当树木大小并确定取样数量,能够准确反映气候和纬度变化对植物的影响。本研究中,6种阔叶树在D1等级时,叶面积均值比总体叶面积均值基本偏大;在野外采样时,选择中等径级的树木可以准确地得到树木平均叶面积大小,由此避免选择过于高大的树木,降低采样难度。光照也会影响叶片大小,主要表现为所处冠层位置。已有研究表明,叶片大小一般随着冠层高度的增加而降低[25]。本研究中,6种阔叶树中的紫椴、蒙古栎、色木槭、拧筋槭,均存在随着冠层高度增加叶面积减少的趋势,其中紫椴叶面积与冠层高度存在显著负相关,这表明,冠层高度影响叶周边的环境;而叶片为了适应不同的光照环境会改变其形态特征和光合特性[26-27]。已有的研究,较多选择“阳叶”以控制叶片性状变化[28],但在实际情况中,叶子的形状和大小会根据树上的叶子位置而变化[29]。本研究表明,排除其它冠层测定叶面积,不仅会使结果偏小,还会低估叶面积变异系数。因此,本研究建议,在确定取样数量时应考虑取样方位条件,在不影响精度的前提下尽量选择树冠下层叶片。此外,大量研究表明,在光照条件下,枝条的粗细也与叶面积密切相关;一般情况下,较细枝条的叶片大且疏,较粗枝条的叶片小且密[30-31]。因此,在确定最适取样叶片数量时,也可考虑枝条粗细的条件,从而得到更加准确的树木叶面积,此方面的研究仍然比较欠缺。

5 结论

本研究获得了6个阔叶树种在测定树木叶面积时的最适叶片取样数量,分析了叶面积与胸径、冠层位置的关系;认为在确定叶片取样数量时,应该考虑树木胸径、取样方位;获得了6个树种在区分胸径、取样方位时的取样数量,在此条件下能够减少野外工作的盲目性。本研究结果,可为长白山6个阔叶树种的叶面积采样数量提供参考。

致谢：森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)为本研究提供实验条件;吉林省长白山国家级自然保护区管理局为本研究开展野外工作提供方便。