滇西北不同海拔梯度下急尖長苞冷杉葉片的生態(tài)解剖結(jié)構(gòu)特性研究

唐 探，姜永雷，馮程程，程小毛，黃曉霞

(西南林業(yè)大學 園林學院，云南 昆明 650224)

海拔是環(huán)境因子的綜合體現(xiàn)，各種環(huán)境因子在海拔梯度上表現(xiàn)出不同的變化，這為研究植物生理形態(tài)對環(huán)境的響應(yīng)提供了良好的條件［1］。在海拔梯度上，各種環(huán)境因子如溫度、空氣濕度、氧分壓、水分狀況和光照強度等均發(fā)生了不同程度上的變化［2］。這些環(huán)境因子的改變會對植物葉片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。有研究表明，在植物的進化過程中，植物葉片是對環(huán)境變化較為敏感的器官，隨著環(huán)境的變化，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子與植物的協(xié)同進化［3］。而針葉植物葉型特殊，有特殊的解剖結(jié)構(gòu)，更能體現(xiàn)出環(huán)境因子與植物的協(xié)同進化［4］。因此，通過對葉片結(jié)構(gòu)特征的研究，分析其在不同海拔梯度上的差異性，是研究植物對長期環(huán)境變化適應(yīng)能力的重要途徑。

急尖長苞冷杉(Abies georgei Orr var．Smithii(Viguie et Gaussen)Cheng et L．)又名烏蒙冷杉，是松科(Pinaceae)冷杉屬(Abies)長苞冷杉(Abies georgei)的變種，為中國特有植物。據(jù)文獻報道，急尖長苞冷杉分布于滇西北、川西南、藏東南的海拔2 500～4 000 m的高山地帶，模式標本采自云南麗江的玉龍雪山［5］。關(guān)于急尖長苞冷杉的研究從20世紀90年代才開始，其研究主要集中在急尖長苞冷杉的群落特征［6］、林隙更新［7］、林隙灌木植被特征［8］、養(yǎng)分循環(huán)［9］、樹干養(yǎng)分元素含量［10］以及水文特征［11］等方面。而有關(guān)海拔梯度對急尖長苞冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)特征影響的研究少見報道。本文選取了滇西北麗江玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)的急尖長苞冷杉天然林作為試驗材料，通過比較分析不同海拔高度上急尖長苞冷杉葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征，探究不同海拔高度上急尖長苞冷杉葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)機制，進而對認識和保護高海拔脆弱的生態(tài)系統(tǒng)有一定的借鑒意義，并對揭示高山植物與環(huán)境相互作用的復雜關(guān)系以及人類通過科學保護和持續(xù)利用高山植物資源具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1．1 研究地區(qū)概況

玉龍雪山位于云南省麗江市玉龍縣境內(nèi)(北緯 27°03′20″～27°40′，東經(jīng) 100°04′10″～100°16′30″)，是中國緯度最南的一座雪山。玉龍雪山南北長約35 km，東西寬約20 km，大小山峰約70余座，主峰扇子陡海拔5 596 m。玉龍雪山自然保護區(qū)東界麗鳴公路，西臨虎跳峽，南起玉湖，北至大具下虎跳峽口，總面積約26萬hm2，天然林面積約7 663 hm2［12］。研究區(qū)域位于玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)，其河谷到山頂?shù)母卟顟沂?，氣候垂直差異大，海拔每上?00 m，其平均氣溫降低約0．86℃。在整個垂直區(qū)域內(nèi)，由谷到峰頂依次出現(xiàn)暖性、暖濕性、溫涼性、北亞熱帶和寒溫性等山地垂直氣候帶。急尖長苞冷杉分布在海拔3 100～3 800 m，隨著海拔的升高，其在群落中的重要值的比重也逐漸增大。在海拔高度超過3 550 m時，急尖長苞冷杉成為優(yōu)勢種群，而少有其他種類。

1．2 研究材料

急尖長苞冷杉葉片采自麗江玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)的不同海拔(A:3 100 m;B:3 250 m;C:3 400 m;D:3 550 m;E:3 700 m)梯度上。2 013年5月，根據(jù)急尖長苞冷杉在玉龍雪山自然保護區(qū)內(nèi)的分布區(qū)域，在玉龍雪山3 100～3 800 m 的海拔內(nèi)，每隔150 m設(shè) A(3 100 m)、B(3 250 m)、C(3 400 m)、D(3 550 m)、E(3 700 m)5個海拔梯度。每個海拔梯度隨機選取5個大小為3 m×3 m的樣地，樣地選擇在陽坡和相近坡度，且物種組成及土壤環(huán)境條件基本一致，每樣地選取胸徑大小及長勢相近的無病蟲害的成年樹1株，每海拔梯度共5株進行葉片取樣。取樣過程中，每株選取樹冠下部東、南、西、北4個方向上一年生枝條上的成熟葉片等量若干，且應(yīng)盡量縮小觀察、取樣的空間和時間上的差異。取樣結(jié)束后，立即用0．1 mol/L的磷酸緩沖液(pH 6．8)輕輕除去表面的污物，F(xiàn)AA(50%乙醇∶甲醛38%∶冰醋酸99．5%=90∶5∶5)野外固定并保存。記錄相關(guān)采樣地的詳細信息，并帶回實驗室進行切片制作及葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定。

1．3 研究方法

1．3．1 切片制作和葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定 切片制作方法參考李芳蘭的方法［13］。在光學顯微鏡(Nikon ECLIPSE Ti-S，LEICA DM 2000)下觀測葉片表皮角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度，柵欄組織細胞的長短徑、葉片的長短徑、韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度、轉(zhuǎn)輸組織厚度、等11項指標，每項指標重復測量5次，取其平均值。

1．3．2 統(tǒng)計分析 所有的數(shù)據(jù)計算分析都采用SPSS 11．5統(tǒng)計分析軟件進行一元方差分析(one-way ANOVA)，分析海拔梯度上葉片特征參數(shù)的差異，平均數(shù)間的多重比較采用 Ducan’s檢驗方法。0．01≤P≤0．05時為差異顯著，P≤0．01 時為極顯著。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同海拔梯度下急尖長苞冷杉葉片解剖形態(tài)比較

圖1是各個海拔梯度上急尖長苞冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)圖的比較。切片觀察表明，急尖長苞冷杉葉片的結(jié)構(gòu)由表皮組織、葉肉組織和葉脈組織3部分組成。圖中可以看出，急尖長苞冷杉葉片上表皮由2層細胞組成，且排列緊密;表皮細胞外壁覆蓋著一層角質(zhì)層，圖中海拔3 550 m處的葉片角質(zhì)層較為明顯(較厚些)，位于近上表皮細胞部位的柵欄組織細胞呈長柱形，總體排列緊密;但海拔3 100 m和3 400 m處的葉片柵欄組織細胞排列較為疏松且相對較薄;相對于其他海拔梯度上的葉片葉脈組織厚度而言，海拔3 550 m處的葉片葉脈組織稍厚些。因此可以看出，各海拔梯度上復雜的環(huán)境因子的差異使得急尖長苞冷杉葉片各形態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的差異，需結(jié)合不同海拔葉片解剖結(jié)構(gòu)具體參數(shù)(圖2、圖3、表1)進行更深入的比較，分析其葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)機制。

圖1 不同海拔急尖長苞冷杉葉片解剖形態(tài)比較Fig．1 A comparative study on anatomic form at gradient elevation of Abies georgei var．smithii leaves

2．2 海拔梯度對急尖長苞冷杉葉片表皮組織結(jié)構(gòu)的影響

通過對不同海拔下急尖長苞冷杉葉片表皮組織結(jié)構(gòu)參數(shù)(圖2)比較發(fā)現(xiàn)，葉片表皮角質(zhì)層厚度的變化范圍在(7．52±1．29)～(8．57±0．6)μm。隨著海拔的升高，葉片表皮角質(zhì)層的厚度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并且在海拔3 550 m附近達到最大值(8．57±0．61)μm。但是在各個海拔梯度上的差異并不顯著;在海拔3 550 m以下時，葉片上表皮厚度呈現(xiàn)出增大的趨勢，海拔平均每升高150 m，其葉片上表皮厚度平均增加5．06μm，且在海拔3 550m處增厚顯著，達到(44．14±4．35)μm。當海拔超過3 550 m時，其上表皮厚度顯著降低。在各海拔梯度上，急尖長苞冷杉葉片的上表皮厚度最大相差 1．5 倍。

圖2 不同海拔急尖長苞冷杉葉片表皮組織結(jié)構(gòu)參數(shù)比較Fig．2 A comparative study on epidermal tissues at gradient elevation of Abies georgei var．smithii leaves

圖3 不同海拔急尖長苞冷杉葉片葉肉組織結(jié)構(gòu)參數(shù)比較Fig．3 A comparative study on mesophyll tissues at gradient elevation of Abies georgei var．smithii leaves

2．3 海拔梯度對急尖長苞冷杉葉片葉肉組織結(jié)構(gòu)的影響

圖3顯示了急尖長苞冷杉葉片葉肉組織結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同海拔梯度下的差異，通過比較發(fā)現(xiàn)，葉肉組織中柵欄組織和海綿組織的厚度分別在(158．68±14．32)～ (212．03±3．72)μm 與(157．60±5．95)～(186．90±9．90)μm，并且，隨著海拔的上升，兩者的厚度呈現(xiàn)出相似的變化。在海拔3 550 m附近，柵欄組織和海綿組織的厚度分別達到最大值。在各海拔梯度間，柵欄組織厚度的變化呈現(xiàn)出顯著的差異，而海綿組織厚度的變化不顯著，這可能是由于柵欄組織對海拔梯度上環(huán)境因子的變化更加敏感造成的。在海拔上升的的過程中，柵欄組織與海綿組織厚度的比值(柵欄系數(shù))總體上呈上升的趨勢，且當海拔超過3 400 m時，其比值顯著上升;圖3中，柵欄組織細胞長短徑均隨著海拔的上升而呈現(xiàn)出增大的趨勢，其中柵欄組織細胞長徑在海拔3 250～3 400 m時變化明顯，而其短徑在整個海拔梯度上的變化都比較顯著。柵欄組織細胞長短徑的比值(柵欄細胞系數(shù))總體上呈上升趨勢，在海拔3 400 m時，比值上升顯著，而在海拔3 400 m以上的情況下，則無明顯變化。

2．4 海拔梯度對急尖長苞冷杉葉片葉脈組織結(jié)構(gòu)及長短徑比值的影響

表1是不同海拔下急尖長苞冷杉葉片葉脈組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較。在整個海拔梯度上，隨著海拔的上升，韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度和轉(zhuǎn)輸組織厚度的變化趨勢相似，總體上呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并在海拔3 550 m 附近達到最大值，其厚度分別為:(51．07±3．37)μm、(46．09±4．09)μm、(69．04±5．32)μm。在海拔3 550 m以下，海拔平均每升高150 m，韌皮部、木質(zhì)部和轉(zhuǎn)輸組織厚度相應(yīng)增大7．81%、14．44%和3．24%。在相鄰的海拔梯度上，韌皮部和木質(zhì)部的厚度變化總體上差異顯著，而轉(zhuǎn)輸組織的厚度變化不明顯。

在海拔3 400 m以上，葉片長短徑的比值隨著海拔的上升而增大(表1)，且在3 700 m處顯著增大。這可能是因為海拔升高導致溫度迅速下降，使得細胞原生質(zhì)透水性降低，葉片長短徑比值的增大，有利于葉綠體垂直葉表排列和充分采集光照，大大提高了光合效率以及植物對水分的利用率［14］。

表1 不同海拔急尖長苞冷杉葉片葉脈組織結(jié)構(gòu)參數(shù)及長短徑比值的比較Tab．1 A comparative study on vein tissues and leaf length/w idth at gradient elevation of Abies georgei var．smithii leaves

3 討論與結(jié)論

植物在生長發(fā)育過程中受到內(nèi)在因子和外在環(huán)境的影響，同一種植物在不同的環(huán)境中生長，也會表現(xiàn)出很大的差異性。在不同的海拔高度上，其環(huán)境因子會發(fā)生不同程度上的變化。隨著海拔的升高，溫度和水分會逐漸限制植物的生長發(fā)育，尤其是葉片對環(huán)境的變化反應(yīng)更為敏感［15］。當環(huán)境中溫度、水分、光照強度等環(huán)境因子發(fā)生變化時，葉片的外部形態(tài)和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生細微的差異［16］。長期生長在玉龍雪山上的急尖長苞冷杉，其葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)與所在海拔的環(huán)境之間往往表現(xiàn)出高度的統(tǒng)一。

植物葉片的表皮細胞和表皮角質(zhì)層具有防止水分過度蒸騰，抵抗外界風雨和病蟲侵害的作用［17］。當海拔在3 550 m以下時，急尖長苞冷杉表皮角質(zhì)層厚度和上表皮厚度與海拔高度呈正相關(guān)，這可能是由于海拔上升，晝夜溫差就會逐步加大，氧氣和二氧化碳分壓降低，葉片表皮角質(zhì)層和上表皮厚度的增大，可以提高葉片表面的結(jié)構(gòu)強度，抵御高海拔氣流變化和強輻射造成的傷害［18］。在海拔超過3 550 m時，葉片的上表皮厚度顯著減小，且角質(zhì)層厚度也有減小的趨勢，這說明急尖長苞冷杉種群分布的正面影響逐漸減弱。

葉肉是植物葉片光合作用的主要部位，植物的光合作用效率會受到柵欄組織和海綿組織厚度、柵欄細胞形態(tài)等各方面變化的影響［19］。急尖長苞冷杉葉片的柵欄組織和海綿組織厚度總體上呈先增大后減小的趨勢，但柵欄組織厚度的變化較海綿組織更為顯著。這說明柵欄組織對海拔梯度上環(huán)境因子的變化更為敏感，這與李芳蘭［20］關(guān)于四川黃櫨(Cotinus szechuanensis)葉片的生態(tài)解剖研究結(jié)果類似。在海拔3 550 m以下，隨著海拔的升高，柵欄組織和海綿組織的厚度總體呈增大的趨勢，說明海拔上升時，溫度下降而降水量增加，良好的水分條件促使葉片的生長和厚度的增大，使得植物能夠適應(yīng)濕冷的環(huán)境并起到保溫效果，而且可以有效抵御強輻射給葉肉細胞帶來的傷害。柵欄組織厚度的明顯增大，可以增加光合作用，提高光合效率，彌補葉片狹小帶來的負面效應(yīng)［21］。柵欄組織和海綿組織厚度比值(柵欄系數(shù))與海拔梯度呈正相關(guān)，說明高海拔上急尖長苞冷杉葉片已經(jīng)形成了防止水分過多散失的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)特征，李杰等［22］對不同海拔高度胡枝子(Lespedeza bicolor)葉片解剖結(jié)構(gòu)特征的研究中也得出了相似的結(jié)論。Cald等［23］認為，當海拔升高時，短波輻射會不斷增強，使得葉片柵欄組織細胞產(chǎn)生保護性的穩(wěn)定遺傳結(jié)構(gòu)，能夠防止葉面溫度升高引起的組織灼傷。本研究中，高海拔的急尖長苞冷杉葉片柵欄細胞系數(shù)(柵欄組織細胞長短徑比)較大，說明葉片柵欄細胞建立起了葉肉細胞與外界環(huán)境的一道屏障，抵御短波輻射帶來的傷害。這在戴怡齡等［24］的橘黃罌粟(Papaver croceum)葉片結(jié)構(gòu)特征研究和安黎哲等［25］的火絨草(Leontopodium leontopodiodes)葉片結(jié)構(gòu)特征研究中也有所報道。但與陳曉莉［26］關(guān)于祁連圓柏(Sabina przewalskii)葉片的研究結(jié)果相反，這可能是由于祁連圓柏特殊的生物學特性和關(guān)鍵性限制因子的差異造成的。

葉脈作為葉的輸導組織和支撐結(jié)構(gòu)，可以為葉片提供水分和無機鹽、輸出光合產(chǎn)物等，保證葉的生理功能順利進行。急尖長苞冷杉葉片葉脈中的韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度和轉(zhuǎn)輸組織厚度隨著海拔梯度的上升而呈現(xiàn)出先增大而減小的趨勢，當海拔高度超過3 550 m時，韌皮部和木質(zhì)部厚度下降明顯，這可能是因為高海拔低溫條件下，植物葉片的生長季節(jié)縮短，細胞生長緩慢，導致光合作用的產(chǎn)物消耗較少，使得輸送有機質(zhì)的韌皮部厚度和輸送無機鹽和水分的木質(zhì)部厚度變?。?7］。

綜合分析表明，由于玉龍雪山不同海拔梯度上環(huán)境因子的改變，導致了急尖長苞冷杉葉片解剖結(jié)構(gòu)不同程度上的差異性，充分體現(xiàn)出其適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的多樣性。表現(xiàn)為:當海拔在3 550 m以下時，急尖長苞冷杉葉片表皮角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵欄組織細胞長短徑、柵欄系數(shù)、柵欄細胞系數(shù)、韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度及轉(zhuǎn)輸組織厚度隨著海拔的升高，總體上呈增加趨勢，并逐漸進入適合生長的區(qū)域。3 550 m海拔附近為玉龍雪山中急尖長苞冷杉生長最適宜的環(huán)境。當海拔高于3 550 m時，急尖長苞冷杉葉片表皮角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度及轉(zhuǎn)輸組織厚度明顯減小，體現(xiàn)了急尖長苞冷杉對高海拔地區(qū)生存環(huán)境的適應(yīng)，以延長和保存生命。

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