不同海拔梯度对亮叶水青冈叶形态与光合色素的影响
吕佩芟，蒋涵，周敏，刘一念，邓宇晴，刘雄琴,王业社，王灯*（邵阳学院农林生态学院，湖南邵阳422000）
摘要：研究森林建群种对不同海拔环境的适应策略，为预测全球气候变化下该区种群、群落的适应策略和演化趋势提供了理论依据。以湖南南山国家公园森林分布最广的建群种亮叶水青冈为研究对象，分析不同海拔梯度（1250m、1377m、1500m、1750m、1900m）对其叶片形态、光合色素等特征的影响。结果表明，随着海拔的升高，亮叶水青冈的叶长、叶宽、叶面积、叶生物量及比叶面积均表现为下降的趋势，叶厚则表现为上升的趋势；亮叶水青冈的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总含量均随海拔升高而表现为降低的趋势，类胡萝卜素含量则呈上升的趋势。叶面积的可塑性指数最大，其次为叶厚、比叶面积特征，光合色素可塑性也维持了较高的水平。因此，建群种亮叶水青冈可以积极调整叶面积，协同光合色素的调节来长期适应南山国家公园这种高度异质性的海拔环境。
海拔梯度具有较强的环境变异性特点，包含光照、水分、温度、土壤等综合环境要素的剧烈变化。海拔梯度上环境因子的变化相较于在纬度上快1000倍，在较小的范围内即可形成气候的剧烈变化[1-2]。叶片不断受到环境因素、物候周期和生长节律的影响，是树木高度敏感的器官。在不同的压力环境下叶片形成多种可塑性特征，最能反映植物对环境变化的响应以及植物种群、群落对环境的适应与进化，因此，叶片性状是植物生态适应研究的主要指标之一。前人的研究表明，云丘山橿子栎（Quercusbaronii）叶片干重、叶长和叶宽随着海拔升高而下降，叶面积随着海拔升高先增后减[3]；油松（Pinustabuliformis）叶面积、比叶面积随海拔梯度升高呈减少趋势，而叶干物质含量沿海拔梯度升高呈增加趋势，且其各叶性状存在较大的种内变异[4]；另有研究表明，比叶面积随海拔升高呈现先增后减的变化趋势[5]，此外，齐威等[6]研究还发现，叶面积会受到海拔的影响，在高海拔地区的叶片会比较小，比叶面积随着海拔的增高而显著减小，林下植物比叶面积受海拔影响最大，而草地中的植物比叶面积受海拔影响最小。这一结论在王超等[7]的研究也得到了论证，他们推测导致该现象的原因主要是高海拔地区温度较低。因此，植物的叶片性状响应于海拔梯度变化存在较大差异，在很大程度上可能依赖于物种、特定特征和其他环境因素[8]。
湖南南山国家公园位于南岭山脉顶峰区域，是我国南北纵向山脉与东西横向山脉的交会枢纽、华中华东华南植物区系的过渡地带，是湖南省植物种类最富集的地区，具有典型的南岭山地区域特征。该区地势高低悬殊，是位于南岭山脉区域中最为典型的按垂直梯度分布的森林生态系统[9]，也是保存较完整的、对全球气候变化最敏感的森林生态系统之一。在海拔1400m至近山顶处的垂直区域内孕育着湖南面积最大的原生亮叶水青冈（Faguslucida）顶级群落[10]。关于亮叶水青冈作为森林建群种是如何适应这种海拔变化的策略和机制研究较少，尚未涉及气候环境变化对种群和群落结构影响方面的研究。因此，本研究以该区不同海拔范围分布的亮叶水青冈为研究对象，分析其叶片形态、生物量、光合色素等性状对海拔梯度变化的响应，揭示其在海拔梯度变化下的生长与适应策略，为预测全球气候变化下该区种群、群落的适应策略和未来的演化趋势提供了理论依据。
1材料与方法
1.1研究区域概况
湖南南山国家公园（109°59′~110°33′E、26°01′~26°21′N）全域位于“南岭生物多样性保护优先区”，是我国35处生物多样性保护优先区域之一，天然林面积为89111.07hm2。该区地处中亚热带中山山原，属亚热带季风湿润气候，以山地为主，地势高低悬殊（海拔425~1946m），立体气候特点明显，依次为亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林和山顶矮林地带。年平均气温16.1℃，年降雨量1100~1400mm，多集中在5－6月，无霜期271d，相对湿度75%~83%，年日照时数1138h，土壤以红壤、黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤为主。
1.2样地设置和采样
根据亮叶水青冈在南山国家公园森林区内的分布特征，于2022年6月选取南山国家公园内的若干山体组成连续海拔梯度的原生植物群落分布区内5个海拔梯度（1250m、1377m、1500m、1750m、1900m）作为采样点。每个海拔梯度上设置3个自然植被生长状况良好、未受到人为干扰破坏，且具有代表性的水平投影面积为20m×20m的典型样方。在每个样方中选取5株长势均匀、冠幅合适（胸径8~15cm），植株生长健壮、无病虫害的植物，在树冠中层沿东南西北4个方向分别采集一枝无遮光、长势良好的1年生枝条，收集每个枝条上10~20片形态完好、没有虫洞的成熟叶，分装在标记好的塑封袋中，并放入4℃的保温箱内冷藏，于当天或次日带回实验室。
1.3指标测定
将带回实验室的植物叶片先用自来水冲洗干净，待叶片表面水分擦干后，挑选每个方向的叶片3片，每株合计12片，用于以下特征的测定：采用丙酮、乙醇浸提比色法测定叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量，计算叶绿素总含量。采用Yaxin-1241叶面积仪扫描测定叶片长、叶片宽及叶片面积，用电子数显游标卡尺（精度为0.01mm）测定叶柄长度、叶片厚度（避开主叶脉），重复5次，取平均值。采用电子天平（精度为0.001g）对其进行称重，获得叶片的鲜重。分装后105℃杀青30min，在70℃下烘干至恒重，冷却称重，获得叶片干重，计算比叶面积。
1.4数据处理
采用SPSS18.0对每个处理中的形态、生物量和生理特征及其可塑性差异进行One-wayANOVA分析，多重比较采用Duncan法（P＜0.05）。对各特征之间的相关性及主成分分析利用Origin2020进行分析并绘图。可塑性指数（Plasticityindex,PI）评价表型可塑性式中，X1和X2表示某一特征在某一环境下的最大平均值和最小平均值，PI取值为0~1，其值越大代表该特征的表型可塑性越大[11]。
2结果与分析
2.1不同海拔环境对亮叶水青冈叶片形态与生物量的影响
由图1可知，随着海拔的升高，亮叶水青冈的叶长、叶宽、叶面积、叶生物量及比叶面积均表现为下降的趋势，叶片厚度则表现为上升的趋势。在1250m海拔条件下，叶片长、叶宽、叶面积和叶生物量显著高于其他海拔（P＜0.05），叶片厚度与比叶面积在海拔1250m、1377m之间差异不显著。叶片宽在海拔1377m、1500m、1750m和1900m之间差异不显著。叶片长度、叶面积、叶生物量和比叶面积在海拔1500m、1750m之间差异不显著，但均显著高于1900m（P＜0.05）。
2.2不同海拔环境对亮叶水青冈叶片光合色素的影响
由图2可知，随着海拔的升高，叶绿素a和叶绿素b含量表现为降低的趋势，类胡萝卜素含量则呈逐渐上升的趋势，叶绿素总含量则随着海拔的升高，呈显著下降的趋势（P＜0.05）。叶绿素a含量在海拔1377m、1500m之间差异不显著，但均显著低于海拔1250m条件，以及显著高于海拔1750m和1900m条件（P＜0.05）。叶绿素b含量在海拔1250m、1377m条件下差异不显著，显著高于其他海拔条件（P＜0.05）。在海拔1750m条件下的叶绿素b含量与1500m、1900m条件下差异不显著。在海拔1250m条件，类胡萝卜素含量显著低于海拔1500m、1750m和1900m条件（P＜0.05），在相邻的2个海拔条件下，差异均不显著。
2.3不同海拔梯度对亮叶水青冈叶片可塑性指数的影响
由表1可知，亮叶水青冈叶片形态特征、生物量、光合色素特征对海拔梯度变化的可塑性存在较大的差异。在形态、生物量特征中，叶面积的表型可塑性指数最大（0.547），其次为叶厚，叶宽最小，仅为0.165。光合色素特征的可塑性指数相近，变化范围为0.308~0.353。
3结论与讨论
叶片的形态结构和生理生化性状可较好地反映植物对环境的资源利用策略[12]。本研究发现，随着海拔的升高，亮叶水青冈的叶长、叶宽、叶面积、叶生物量及比叶面积等性状整体均表现为下降的趋势，叶片厚度则表现为相反的变化趋势。这与前人的研究结果[13-14]相符，但与Luo等[15]中国东部185种灌木的比叶面积随海拔呈先升高后下降的变化趋势，以及宁朋等[16]川滇高山栎（Quercusaquifolioides）的叶面积、比叶面积随海拔升高均呈先升后降的结论不符，造成这种差异的原因可能受具体的海拔高度、物种、气候等因素的影响。而从南山国家森林公园的群落垂直分布特点（从下往上依次为亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林和山顶矮林地带）来看，可能由于低海拔区域物种多样性指数高，导致种内、种间竞争激烈，亮叶水青冈通过调节叶面积的大小来捕捉更多光能以满足自身生长需求。但在高海拔区域受强紫外线、低温等不利环境因素的影响，可供给植物利用的资源相对稀缺，植物通过减少叶面积、增加叶片厚度来降低叶片蒸腾和呼吸速率，以降低强光辐射对叶片的损害并减少自身能量损耗[17-18]。因此，较小的叶面积、比叶面积指数有助于植物适应高海拔环境。本研究除了叶片厚度，其他形态、生物量性状在海拔为1500m与1750m之间的差异均不显著。这2个海拔区域正处于落叶阔叶林和山顶矮林地带，周边的环境因素变异性不明显，因此，分布在这2个海拔区域的亮叶水青冈群落在外部形态方面比较接近，呈现出相似的生态表现型。
植物生长的重要能量和物质来源是通过光合作用过程来积累和储存的。叶绿素a反映植物对长波光的吸收程度，叶绿素b有利于短波光吸收，参与光能传递，它们的含量变化直接影响光合效率和光合产量。类胡萝卜素作为植物体内非常重要的抗氧化活性物质，对于缓解和消除由低温、强辐射、强风、低压等胁迫环境引起的活性氧伤害发挥直接作用。本研究发现，亮叶水青冈的叶绿素a含量、叶绿素b含量和叶绿素总含量随海拔的升高，呈现下降的变化趋势，而类胡萝卜素含量却呈上升的趋势。
可能是高海拔环境下气温较低、辐射强，并且该区山顶矮林地带无高大乔木遮挡，以及无规律性的自然强风等因素，对植物色素生物合成有明显的抑制作用，导致植物叶绿素的分解[19-20]，而促进类胡萝卜素合成，以减轻光能过剩导致的光氧化对植物的伤害[21]。本试验结果表明，亮叶水青冈叶片的形态特征中，叶面积的可塑性最高，比叶面积及叶厚也维持了较高的指数，这与Montti等[22]对热带竹种Chusquearamosissima凭借较高的叶面积和比叶面积可塑性来适应不断变化的海拔环境的结论相符，同时也说明亮叶水青冈不仅通过调整叶面积大小的策略来适应垂直变化的高山环境，光合色素在维持细胞渗透势、抑制膜脂过氧化等过程中也发挥了极为重要的作用。
