西鄂爾多斯沙冬青葉片功能性狀和水分利用特征

王 茹，樊 華，李錦榮，羅祥英，李映坤，崔萬(wàn)新

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011； 2. 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120； 3. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

植物葉片作為植物體獲取資源的重要器官，是植物進(jìn)行生命活動(dòng)的主要部位，一方面葉片是植物光合作用和物質(zhì)生產(chǎn)的主要器官，是生態(tài)系統(tǒng)中初級(jí)生產(chǎn)者的能量轉(zhuǎn)換器；另一方面植物葉片是植物與大氣環(huán)境交換水氣的主要器官，是大氣-植物系統(tǒng)能量交換的基本單元[1]。葉片功能性狀會(huì)影響植物的基本行為和功能，它是與植物資源利用、生物量和生態(tài)系統(tǒng)功能相關(guān)的主要性狀，如葉片含水量、葉干重、葉面積、比葉面積、葉厚度、葉干物質(zhì)含量等，這些性狀易于量化且可以很好地反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成的生存適應(yīng)策略，植物的生長(zhǎng)狀況和生態(tài)系統(tǒng)的功能都會(huì)隨著葉片性狀的變化而改變[2-3]。因此，通過分析葉片性狀之間的關(guān)系，有助于了解植物各生理活動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)能力之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而深入地了解植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)潛力。其中，關(guān)于葉面積的測(cè)量方法有很多，如方格計(jì)數(shù)法、紙樣稱重法、打孔稱重法、回歸方程法、數(shù)字圖像處理技術(shù)法等，而本研究選擇精密度高、操作簡(jiǎn)單快捷的數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)量[4]。

近年來，穩(wěn)定同位素已廣泛應(yīng)用于生態(tài)學(xué)研究的許多領(lǐng)域，通過分析穩(wěn)定氫氧同位素組成已成為調(diào)查植物水分利用來源的一個(gè)非常有效的方法。而植物莖木質(zhì)部水分的氫氧同位素組成能反映植物利用的不同水源穩(wěn)定氫氧同位素的信息[5]。不同來源的水中穩(wěn)定氫氧同位素組成不一樣，絕大多數(shù)植物根系吸收水分后，植物體莖木質(zhì)部水分中穩(wěn)定氫氧同位素的組成一般不會(huì)發(fā)生變化，仍保持近似水源的穩(wěn)定性同位素特征[6]。在干旱地區(qū)，隨著時(shí)間的推移，個(gè)體植物的水源可能發(fā)生很大變化。在烏蘭布和沙漠中，沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)在夏初和秋末分別利用30～60 cm和60～90 cm土壤深度的水分[7]。黑河下游的胡楊(Populuseuphratica)幼齡林主要依賴0～50 cm土壤水，很少利用地下水，而胡楊成熟林主要利用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顯著，是荒漠地區(qū)優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物種之一[9]，對(duì)高溫、干旱、嚴(yán)寒、鹽堿化和冰凍的脅迫表現(xiàn)出較高的耐受性。西鄂爾多斯草原化荒漠區(qū)是我國(guó)荒漠生態(tài)系統(tǒng)重要保護(hù)地點(diǎn)，雖然地域狹窄，但集中保存著一系列的古老殘遺物種，而沙冬青就是其中比較原始的種[10]。

本文以西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)具有代表性的荒漠灌木沙冬青為研究對(duì)象，通過測(cè)定沙冬青的氫氧穩(wěn)定同位素及葉片功能性狀特征，研究植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)以及環(huán)境對(duì)植物的影響，這將有助于植物在水資源極其缺乏的干旱地區(qū)最大限度地利用水分；探討西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沙冬青葉片性狀之間的關(guān)系以及其對(duì)相對(duì)貧瘠與干旱環(huán)境的適應(yīng)能力，這對(duì)研究沙冬青天然種群的生境適應(yīng)性具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為西鄂爾多斯國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，是以保護(hù)古老孑遺瀕危植物為主要對(duì)象的自然保護(hù)區(qū)，位于鄂爾多斯高原西緣至黃河?xùn)|岸的狹長(zhǎng)地帶，屬于草原向荒漠過渡的生態(tài)系統(tǒng)植被帶[11]。自然保護(hù)區(qū)的地理坐標(biāo)為39°14′—40°11′N，106°45′—107°43′E，平均海拔 1 091.6 m。氣候類型屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫 10.4 ℃，年均降水量 162.4 mm，主要以偏西北風(fēng)為主[12]。該區(qū)具有晝夜溫差大、干旱少雨、日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、風(fēng)大沙多等特點(diǎn)。土壤類型以棕鈣土和灰鈣土為主。研究區(qū)內(nèi)植被類型多為強(qiáng)旱生植物，主要優(yōu)勢(shì)灌木為沙冬青、四合木(Tetraenamongolica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、白刺(Nitrariasibirica)，伴生灌木有綿刺(Potaniniamongolica)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂(Reaumuriasongarica)等。

2 研究方法

2.1 植物葉片取樣與處理

2020年8—9月，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置4個(gè)300 m × 300 m樣地(A～D)，每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)100 m × 100 m的樣方。每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)大致相同的標(biāo)準(zhǔn)沙冬青植株，測(cè)量并記錄株高和冠幅，每個(gè)樣地選取9株，共計(jì)36株。研究區(qū)沙冬青形態(tài)特征及其蓋度與密度見表1。在每株沙冬青灌叢中選擇相同方向枝條頂端完全伸展、生長(zhǎng)成熟、未被遮光的植株枝條，放入保溫箱內(nèi)并立即帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)稱量所剪取的枝條上所有葉子的總鮮重(除去葉柄)，然后進(jìn)行掃描，將掃描后的葉片置于60 ℃下烘干48 h至恒重，稱取干重，換算成單個(gè)葉片干重。

2.2 葉面積數(shù)據(jù)獲取

如圖1所示，將獲取鮮重后的一個(gè)枝條上所有的沙冬青葉片(除去葉柄)平鋪于掃描儀(EPSON，型號(hào)為V39)面板上，避免葉重疊，以規(guī)格為B5坐標(biāo)紙作為背景。在掃描的過程中輕輕按壓掃描儀上蓋使葉片完全平鋪，掃描得到JPG格式圖像，分辨率為300 dpi。

使用Image J軟件對(duì)沙冬青葉片圖像進(jìn)行處理與分析，通過掃描圖像上的已知長(zhǎng)度設(shè)定比例尺、圖像灰度(8-bit)，設(shè)置閾值后二值化，提取葉面積范圍，計(jì)算葉面積。通過對(duì)大量樣本進(jìn)行處理得知沙冬青葉片的閾值范圍為142～144，由上述操作可得到葉片總個(gè)數(shù)、總?cè)~面積，并計(jì)算單個(gè)葉片葉面積平均值。

表1 研究區(qū)沙冬青形態(tài)特征及其蓋度與密度Tab.1 Morphological characteristics of Ammopiptanthus mongolicus and its coverage and density in the study area

注：A為灰度圖像；B為閾值設(shè)置；C為由Image J軟件得出來的結(jié)果 。

2.3 土壤和植物基莖取樣

選取采集葉片的植物體主干，將距離植物根部3～4 cm的主莖截取下來，迅速去除主莖的外表皮和韌皮部，只保留主莖的木質(zhì)部，將修剪好的枝條迅速裝進(jìn)玻璃瓶中，每個(gè)植物體取3個(gè)重復(fù)樣品，瓶身標(biāo)注編號(hào)及采樣時(shí)間，密封保存于帶有冰袋的恒溫箱中并帶回實(shí)驗(yàn)室。在采集葉片的植物體下方挖取土壤剖面，土壤采樣深度分別為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm，每層土壤取3瓶重復(fù)樣品，保證提取到足夠的土壤用于測(cè)量，用封口膜封口，瓶身標(biāo)注采樣時(shí)間、土壤深度等，恒溫箱放冰袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室恒溫冷藏。全自動(dòng)超低壓真空冷凝抽提法抽提水，使用液態(tài)水同位素分析儀(美國(guó)LGR公司)測(cè)定氫氧穩(wěn)定同位素。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

對(duì)所測(cè)定的數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2017作圖。將植物莖木質(zhì)部水和土壤水的氫氧穩(wěn)定同位素值輸入Iso Source模型中計(jì)算各個(gè)潛在水源對(duì)植物水分的貢獻(xiàn)率。葉片含水量、比葉面積、比葉重的計(jì)算公式如下：

葉片含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%

(1)

比葉面積=葉面積/干重

(2)

比葉重=干重/葉面積

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 沙冬青葉片功能性狀特征

沙冬青葉片功能性狀特征及其變化范圍和變異系數(shù)見表2。研究區(qū)沙冬青單個(gè)葉片干重 0.091～0.097 g，平均 0.095 ± 0.004 g；葉面積 2.798～3.167 cm2，平均 2.953 ± 0.102 cm2；比葉重 0.029～0.035 g·cm-2，平均 0.033 ± 0.002 g·cm-2；比葉面積 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1；葉片含水量 47.515%～49.094%，平均 48.944% ± 2.482%。不同葉功能性狀變異系數(shù)具有明顯差異，比葉面積的變異系數(shù)最大，為 7.018%，葉干重和比葉重的變異系數(shù)最小，分別為 0.045% 和 0.040%，而葉面積和葉片含水量的變異系數(shù)處于中間位置，分別為 3.447% 和 5.070%。說明比葉面積受環(huán)境的影響最大，而葉干重和比葉重則相對(duì)較為穩(wěn)定。

3.2 沙冬青葉片功能性狀之間的相關(guān)性

從表3可以看出，株高與葉干重、比葉面積呈顯著正相關(guān)，與葉面積呈極顯著正相關(guān)，與葉片含水量呈顯著負(fù)相關(guān)。葉干重與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與葉面積、比葉重呈顯著正相關(guān)。葉面積與株高、比葉面積呈極顯著正相關(guān)，但與比葉重呈極顯著負(fù)相關(guān)。比葉重與葉干重呈顯著正相關(guān)，與葉面積、比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)。比葉面積與株高呈顯著正相關(guān)，與葉面積呈極顯著正相關(guān)，但與葉干重、比葉重呈極顯著負(fù)相關(guān)。葉片含水量與株高呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)沙冬青葉片功能性狀及其變異特征Tab.2 Leaf functional traits and variation characteristics of Ammopiptanthus mongolicus in West Ordos Nature Reserve

表3 西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)沙冬青葉片功能性狀Pearson相關(guān)分析Tab.3 Pearson correlation analysis of leaf functional traits of Ammopiptanthus mongolicus in West Ordos Nature Reserves

3.3 沙冬青莖木質(zhì)部和土壤水分的穩(wěn)定同位素分析

由圖2可知，4個(gè)樣地的整體趨勢(shì)大致相同，土層深度對(duì)植物水分的最大貢獻(xiàn)率主要保持在40～60 cm的范圍內(nèi)，平均貢獻(xiàn)率為 31.73%，表明沙冬青在生長(zhǎng)季的水分主要來源于40～60 cm范圍內(nèi)的土壤水。這是因?yàn)檫M(jìn)入8、9月份土壤水分經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間消耗，淺層土壤水無(wú)法滿足其需水量，沙冬青選擇利用根系吸收40～60 cm的較深層土壤水。A、B、C樣地的土壤水分對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)率在0～80 cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，在0～60 cm的范圍內(nèi)土壤水分對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì)，A樣地在0～40 cm范圍內(nèi)上升的趨勢(shì)比B、C樣地較緩，但在40～60 cm范圍內(nèi)上升的趨勢(shì)較B、C樣地快；在60～80 cm的范圍內(nèi)土壤水分對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)率呈下降趨勢(shì)，A樣地的下降速度比B、C樣地的較快。D樣地的土壤水分對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)率在0～80 cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出先降后升再降的趨勢(shì)，在0～40 cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，由 22.52% 下降到 20.58%；在40～60 cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)且上升速度較其他3個(gè)樣地快，在60～80 cm的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，由 34.93% 下降到 22.04%。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因是D樣地的植被蓋度最大，樣地內(nèi)沙冬青的蓋度最小(9.15%)，霸王的蓋度最大(18.04%)，約為沙冬青蓋度的2倍。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，霸王主要利用20～40 cm的土壤水，該層次的土壤水對(duì)其貢獻(xiàn)率為 31.74% (圖3)，表明在該樣地霸王對(duì)20～40 cm范圍內(nèi)土壤水分的利用與沙冬青對(duì)20～40 cm范圍內(nèi)土壤水分的利用存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

圖2 4個(gè)樣地內(nèi)不同深度的土壤水分對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)率Fig.2 Contribution rate of soil moisture at different depths to the moisture of Ammopiptanthus mongolicus in four sample plots

圖3 D樣地內(nèi)不同深度的土壤水分對(duì)沙冬青、 霸王水分的貢獻(xiàn)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 討論

4.1 沙冬青葉片功能性狀

比葉面積是一個(gè)重要的葉功能性狀，能反映植物對(duì)不同生境的適應(yīng)特征，在一定程度上代表了植物對(duì)環(huán)境資源的利用方式和能力，是研究植物功能生態(tài)學(xué)的首選指標(biāo)[13]。比葉面積較高的植物能適應(yīng)資源豐富的環(huán)境，較低的比葉面積可以使植物更能適應(yīng)貧瘠的環(huán)境，這樣可以最大限度地利用有限的養(yǎng)分，增加植物發(fā)揮其生長(zhǎng)潛力的機(jī)會(huì)[14]。本研究發(fā)現(xiàn)西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沙冬青的比葉面積變化范圍在 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1，變異系數(shù)為 7.018%。與其他的研究結(jié)果相比，相對(duì)較小。董雪等[15]在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市杭錦旗研究了沙冬青葉性狀，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)沙冬青的比葉面積為 35.88 ± 4.26 cm2·g-1，變異系數(shù)為 10.530%。西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)是荒漠草原向荒漠過渡地帶的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)較脆弱，土壤相對(duì)貧瘠，可供植物利用的資源相對(duì)較少，在這種生境中沙冬青葉片通過降低比葉面積來提高養(yǎng)分保持能力和減少水分喪失[16]。較低的比葉面積是沙冬青長(zhǎng)期適應(yīng)西鄂爾多斯保護(hù)區(qū)干旱貧瘠環(huán)境的結(jié)果，同時(shí)也是在干旱環(huán)境中生存的一種策略。

水分是干旱、半干旱地區(qū)植物賴以生存的主導(dǎo)因子。植物體內(nèi)的水分狀況一定程度上反映了植物與環(huán)境之間的水分關(guān)系，尤其是在自然環(huán)境中，可以反映出植物對(duì)外界干旱脅迫的抵御及適應(yīng)能力。植物葉片含水量是反映植物葉片組織水分狀況的重要指標(biāo)，是植物正常生理活動(dòng)的重要因素，隨著自然環(huán)境中干旱程度的增加，土壤水分缺失嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植物的葉片含水量也隨之減少[17]。本研究中沙冬青的葉片含水量均在 50% 以下，平均含水量為 48.944% ± 2.482%，變異系數(shù)為 5.070%。這與其他人的研究結(jié)果相比偏小，蔡超[18]在2002年6—8月選擇了內(nèi)蒙古西鄂爾多斯烏海鐵路植被防護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的沙冬青作為研究對(duì)象研究其生態(tài)適應(yīng)性，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的沙冬青葉片平均含水量為 51.52%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的生態(tài)環(huán)境變化，西鄂爾多斯荒漠生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性、自然環(huán)境的惡化、氣候變化、人類干擾增多，降雨減少，綜合反映了植物利用資源的能力以及適應(yīng)環(huán)境的生存對(duì)策，體現(xiàn)了沙冬青能很好地適應(yīng)西鄂爾多斯貧瘠環(huán)境的結(jié)果。

4.2 沙冬青利用土壤水分的變化

植物從不同深度的土壤中吸收水分供其生長(zhǎng)發(fā)育，所以長(zhǎng)期穩(wěn)定的水源是影響植物存活的一個(gè)重要因素。利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)能有效地研究植物水分來源，比較不同土壤深度對(duì)植物水分的貢獻(xiàn)率，更好地探究植物的水分利用策略[19]。通過研究西鄂爾多斯自然保護(hù)區(qū)內(nèi)沙冬青的水分利用深度發(fā)現(xiàn)，其水分貢獻(xiàn)率主要分布在40～60 cm的土壤深度，該層對(duì)沙冬青水分的平均貢獻(xiàn)率為 31.73%。這與朱雅娟等[7]的研究結(jié)果較相似，朱雅娟等研究結(jié)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，并指出利用較深層土壤水分的植物個(gè)體比只依靠表層土壤水分的個(gè)體更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。根系作為植物吸收土壤水分的主要器官，對(duì)干旱區(qū)的植物生存和生長(zhǎng)都至關(guān)重要。沙冬青的主根粗壯，側(cè)根發(fā)達(dá)，有利于植物吸收較深層次的土壤水分。研究區(qū)內(nèi)的沙冬青灌叢側(cè)根的生物量分布深度在20～110 cm范圍內(nèi)，表層0～20 cm沒有側(cè)根分布[20]。不同植物根系分布在不同的范圍內(nèi)，利用不同土壤深度的水分。已有研究表明，毛烏素沙地檸條(Caraganakorshinskii)的根系主要分布在30～60 cm的土層范圍內(nèi)，其根量占總根量的 58.79%，在對(duì)土壤水分的利用中，40～80 cm為最主要的范圍，占總貢獻(xiàn)率的 35.34%；沙柳(Salixpsammophila)的根系主要分布在0～30 cm的土層范圍內(nèi)，根量占總根量的 53.99%，更傾向于利用0～60 cm土壤深度的水分，占總貢獻(xiàn)率的 64.28%[21-22]。利用氫氧穩(wěn)定同位素技術(shù)研究植物對(duì)不同層次土壤水分的利用有助于確保植物在水資源缺乏的干旱、半干旱地區(qū)最大限度地利用有限的水分，從而加強(qiáng)對(duì)珍稀瀕危植物的保護(hù)，并為干旱地區(qū)的植被恢復(fù)和管理、維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡提供重要理論依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)沙冬青單個(gè)葉片干重 0.091～0.097 g，平均 0.095 ± 0.004 g；葉面積 2.798～3.167 cm2，平均 2.953 ± 0.102 cm2；比葉重 0.029～0.035 g·cm-2，平均 0.033 ± 0.002 g·cm-2；比葉面積 28.871～34.804 cm2·g-1，平均 31.183 ± 2.189 cm2·g-1；葉片含水量 47.515%～49.094%，平均 48.944% ± 2.482%。株高與葉面積呈極顯著正相關(guān)。葉干重與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與葉面積、比葉重呈顯著正相關(guān)。葉面積與株高、比葉面積呈極顯著正相關(guān)，但與比葉重呈極顯著負(fù)相關(guān)。比葉重與葉干重呈顯著正相關(guān)，與葉面積、比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)。比葉面積與葉面積呈極顯著正相關(guān)，但與葉干重、比葉重呈極顯著負(fù)相關(guān)。葉片含水量與株高呈顯著負(fù)相關(guān)。

(2)研究區(qū)內(nèi)沙冬青對(duì)土壤水分利用的整體趨勢(shì)大致相同，土壤深度對(duì)沙冬青水分的貢獻(xiàn)基本保持在40～60 cm的范圍內(nèi)，平均貢獻(xiàn)率為 31.73%。D樣地在0～40 cm范圍內(nèi)的趨勢(shì)與其他3個(gè)樣地不一致，主要是因?yàn)樵摌拥氐钠渌参锓N與沙冬青產(chǎn)生了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，導(dǎo)致20～40 cm的土壤水分對(duì)沙冬青的貢獻(xiàn)率低于其他3個(gè)樣地。