王樹(shù)森, 孟凡旭, 趙波, 閆潔, 程冀文,馬迎梅, 郭宇, 何英志, 鐵英, 張波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010018; 2.億利資源集團(tuán), 北京 100031; 3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010018; 4.內(nèi)蒙古和盛生態(tài)育林有限公司, 呼和浩特 011517;5.內(nèi)蒙古和盛生態(tài)科技研究院有限公司, 呼和浩特 011517)

干旱是抑制植物生長(zhǎng)和恢復(fù)的環(huán)境因素之一[1]，不僅影響植物各營(yíng)養(yǎng)器官的形態(tài)特征，而且影響植物生長(zhǎng)的生理特征。干旱環(huán)境下植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然選擇，形成豐富的耐旱形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)。葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征是反映植物對(duì)干旱生境適應(yīng)能力的一個(gè)非常重要的方面，是樹(shù)木抗旱性綜合評(píng)定必不可少的一部分。

在適應(yīng)外界環(huán)境過(guò)程中，葉片是植物暴露在地面環(huán)境中最多的器官，是高等植物進(jìn)行光合作用的重要器官，對(duì)環(huán)境因子的變化非常敏感，具有較大的變異性和可塑性[2-3]，其結(jié)構(gòu)和特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子對(duì)植物的影響或植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性[4-5]。植物抗旱性表現(xiàn)為葉面積明顯縮小[6-7]或葉片表皮密被各種表皮毛[8]。植物葉片抗旱性解剖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為細(xì)胞體積減小、單位面積的氣孔數(shù)目增加、柵欄組織更加發(fā)達(dá)、海綿組織較不發(fā)達(dá)[9]，表皮厚度對(duì)水分蒸發(fā)有著重要影響[10-11]。葉片厚度、角質(zhì)層厚度和木質(zhì)部面積是影響植物水分保存的重要結(jié)構(gòu)，柵欄組織與海綿組織影響著植物的光合作用[12]。植物葉脈表現(xiàn)為具有比較密集的維管束，且維管組織發(fā)達(dá)以增強(qiáng)植物的疏導(dǎo)能力和支撐能力；另外，主脈寬度決定著植物水分輸送，增加葉片主脈厚度、導(dǎo)管直徑以及導(dǎo)管密度，提高疏導(dǎo)水分的能力，從而提高植物對(duì)干旱的抵御和適應(yīng)能力[13]。

對(duì)比單個(gè)植物不同時(shí)段解剖結(jié)構(gòu)的抗旱性往往存在差異性[4]，同時(shí)開(kāi)展多個(gè)植物間抗旱結(jié)構(gòu)的差異性對(duì)比及多指標(biāo)綜合分析植物抗旱性，不僅能夠反映該地區(qū)群體植物抗旱性，而且是避免這種差異性的重要方式。因此，本研究通過(guò)對(duì)內(nèi)蒙古大青山陽(yáng)坡5種灌木葉片形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，從葉片的結(jié)構(gòu)特征角度對(duì)樹(shù)種的抗旱性、生態(tài)適應(yīng)性進(jìn)行系統(tǒng)研究和評(píng)價(jià)，并采用隸屬函數(shù)法對(duì)各植物的抗旱性進(jìn)行分析，以期為研究大青山陽(yáng)坡植物的抗旱機(jī)制提供解剖學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大青山位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市一線(xiàn)以北。地勢(shì)西高東低，北緩南陡，東西長(zhǎng)300 km，南北寬約40 km。該區(qū)屬典型中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)是冬季寒冷且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，夏季溫?zé)崆页掷m(xù)時(shí)間短，春季干旱且大風(fēng)天氣出現(xiàn)頻繁，秋季日光充足。年降水量在350～500 mm之間，主要集中在7、8月份。蒸發(fā)量是降水量的4倍左右[14]。大青山的土壤成垂直帶譜分布，從下到上為山地栗鈣土-山地典型棕褐土-山地淋溶褐土-山地草甸土。大青山的森林覆蓋率大，有喬木12科40種、灌木22科87種、草本65科731種。

1.2 試驗(yàn)及檢測(cè)方法

試驗(yàn)材料于2017年7月采集于內(nèi)蒙古大青山陽(yáng)坡(東經(jīng)110°46′～111°28′，北緯40°42′～40°56′)，選取虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黃刺玫(Rosaxanthina)、柄扁桃(Prunuspedunculate)、小葉鼠李(Rhamnusparvifolia)、灌木鐵線(xiàn)蓮(Clematisfruticosa)5種灌木樹(shù)種。每種植物選取長(zhǎng)勢(shì)相近的3株，每株取樹(shù)冠中上部南向生長(zhǎng)正常且無(wú)病蟲(chóng)害的植株葉片20片，分別切取包含主脈0.25 cm2(0.5 cm×0.5 cm)小塊，蒸餾水清洗，F(xiàn)AA 固定、乙醇梯度脫水、二甲苯透明、石蠟包埋、切片、烘干、脫蠟、梯度復(fù)水、染色封片[15-16]。每種植物選取5個(gè)各形態(tài)指標(biāo)保存較好的切片在MOTICEB-81BF光學(xué)顯微鏡(廈門(mén)麥克奧迪銷(xiāo)售有限公司)數(shù)碼顯微拍照。用Motic Images Plus 2.0(廈門(mén)麥克奧迪銷(xiāo)售有限公司)測(cè)定植物葉片厚度、角質(zhì)層厚度、上表皮厚度、上表皮細(xì)胞長(zhǎng)和寬、下表皮厚度、下表皮細(xì)胞長(zhǎng)和寬、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、柵海比、葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度、葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度13個(gè)指標(biāo)數(shù)值，所有數(shù)據(jù)均為每個(gè)切片中5個(gè)視野的平均值，5次重復(fù)。

柵海比=柵欄組織厚度/海綿組織厚度

葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度(CTR)=柵欄組織厚度/葉片厚度×100%

葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度(SR)=海綿組織厚度/葉片厚度×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel 2007進(jìn)行整理和分析。并利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法[17]對(duì)大青山陽(yáng)坡5種灌木抗旱性強(qiáng)弱進(jìn)行比較，當(dāng)指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)時(shí)，隸屬函數(shù)公式如式(1)；當(dāng)指標(biāo)與抗旱性成負(fù)相關(guān)時(shí)，隸屬函數(shù)公式為式(2)。

U(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

U(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中,U(Xi)為某樹(shù)種某一耐旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，Xi為該項(xiàng)抗旱指標(biāo)值，Xmax和Xmin分別為5個(gè)樹(shù)種間該項(xiàng)抗旱指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 五種灌木葉片厚度和表皮厚度

葉片厚度在一定程度上能反應(yīng)出植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，葉片越厚貯藏水分能力越強(qiáng)[18]。由表1可知，灌木鐵線(xiàn)蓮的葉片厚度最大，為319.30 μm，虎榛子、小葉鼠李、柄扁桃、黃刺玫的葉片厚度分別為灌木鐵線(xiàn)蓮的71.10%、68.25%、64.27%、42.08%。發(fā)達(dá)的角質(zhì)層可以減少葉片的蒸騰作用，減少葉片水分的流失，角質(zhì)層還可以反射強(qiáng)光[4]。5種植物角質(zhì)層厚度小葉鼠李最大，為5.06 μm，灌木鐵線(xiàn)蓮、柄扁桃、黃刺玫、虎榛子分別是小葉鼠李的93.87%、79.64%、65.22%、27.67%。5種植物的上下表皮均由一層表皮細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞之間排列都很緊密，上表皮厚度最大為柄扁桃，數(shù)值為28.11 μm，灌木鐵線(xiàn)蓮、虎榛子、小葉鼠李、黃刺玫分別是柄扁桃的92.89%、89.93%、61.65%、54.11%。下表皮厚度最大為虎榛子數(shù)值為21.48 μm，灌木鐵線(xiàn)蓮、柄扁桃、黃刺玫、小葉鼠李分別是虎榛子的98.56%、80.73%、67.69%、64.53%。

表1 5種灌木葉片保護(hù)組織厚度Table 1 Thickness of protective tissues in 5 shrubs leaves μm

2.2 五種灌木葉片葉肉組織結(jié)構(gòu)

5種植物的葉肉組織均由柵欄組織和海綿組織構(gòu)成，由表2可知，灌木鐵線(xiàn)蓮的柵欄組織厚度最大，為83.70 μm，小葉鼠李、虎榛子、柄扁桃、黃刺玫分別為灌木鐵線(xiàn)蓮的95.94%、81.35%、75.32%、45.48%；海綿組織厚度小葉鼠李最大，為128.73 μm，灌木鐵線(xiàn)蓮、虎榛子、柄扁桃、黃刺玫分別是小葉鼠李的97.50%、78.14%、57.75%、35.73%。柵海比是評(píng)價(jià)植物抗旱性的重要指標(biāo)之一，柵海比越大，則說(shuō)明植物抗旱性越好[11]。柵海比最大的是黃刺玫，數(shù)值為1.06 μm，柄扁桃、虎榛子、小葉鼠李、灌木鐵線(xiàn)蓮，分別是黃刺玫的81.13%、64.15%、56.60%、52.83%。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度和疏松度表示葉片柵欄組織、海綿組織相對(duì)于葉片厚度的重要指標(biāo)，對(duì)抗旱性也有重要的意義，葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度越大，柵欄組織占整體葉片厚度的百分比就越大，抗旱性越強(qiáng)；葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度越小，表明海綿組織整體葉片厚度的百分比越小，同樣也表現(xiàn)出優(yōu)越的抗旱性[19]。葉片組織結(jié)構(gòu)緊密度最大為柄扁桃，值為30.97%，虎榛子、黃刺玫、小葉鼠李、灌木鐵線(xiàn)蓮，分別是柄扁桃的97.09%、95.22%、92.15%、85.15%。葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度最大為小葉鼠李，為47.38%，虎榛子、灌木鐵線(xiàn)蓮、柄扁桃、黃刺玫分別為小葉鼠李的93.7%、82.8%、76.92%、65.62%?？傮w來(lái)看，黃刺玫的海綿組織厚度和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度最低，而柵海比最高，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗旱特性。

表2 5種灌木葉片葉肉組織解剖結(jié)構(gòu)特征Table 2 Anatomical features of mesophyll of 5 shrubs leaves

2.3 五種灌木葉片維管組織

發(fā)達(dá)的主脈具有良好的水分、養(yǎng)分輸送功能和保水，貯水作用，主脈越厚植物抗旱性越強(qiáng)[10]。由表3可知，主脈寬度最大為虎榛子，為244.58 μm，小葉鼠李、黃刺玫、柄扁桃、灌木鐵線(xiàn)蓮分別是虎榛子的68.27%、52.99%、41.92%、29.99%。導(dǎo)管越寬輸導(dǎo)水分的能力就會(huì)越好，植物對(duì)干旱的抵抗和適應(yīng)能力越強(qiáng)[17]。導(dǎo)管孔徑最大為灌木鐵線(xiàn)蓮，為9.66 μm，小葉鼠李、虎榛子、黃刺玫、柄扁桃分別是灌木鐵線(xiàn)蓮的95.65%、73.40%、62.53%、57.87%。韌皮部面積黃刺玫最大，值為2 063.30 μm2，小葉鼠李、虎榛子、灌木鐵線(xiàn)蓮、柄扁桃分別是黃刺玫的93.41%、76.86%、34.74%、9.26%。木質(zhì)部面積最大為虎榛子，值為3 662.03 μm2，柄扁桃、黃刺玫、小葉鼠李、灌木鐵線(xiàn)蓮分別是虎榛子的37.88%、30.19%、18.22%、8.88%。由以上分析可知，虎榛子在主脈寬度和木質(zhì)部面積方面表現(xiàn)突出，而灌木鐵線(xiàn)蓮、小葉鼠李導(dǎo)管孔徑較大，表明3種植物輸水效率較高。

2.4 五種植物抗旱性綜合評(píng)價(jià)

綜合楊小玉[17]和潘昕等[18]的研究發(fā)現(xiàn)葉片厚度、角質(zhì)層厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度、主脈寬度、木質(zhì)部面積6個(gè)指標(biāo)常被用于植物抗旱性評(píng)價(jià)。其中，葉片厚度越厚，植物葉片的儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，抗旱性也就越強(qiáng)；5種植物中灌木鐵線(xiàn)

表3 5種灌木葉片維管組織解剖結(jié)構(gòu)特征Table 3 Anatomical features of leaf vascular tissues of 5 shrubs

蓮的葉片厚度值最高，為319.30 μm，與其他4種植物存在顯著差異，說(shuō)明灌木鐵線(xiàn)蓮葉片的蓄水能力要遠(yuǎn)大于另外4種植物。角質(zhì)層越厚，角質(zhì)層阻止葉片的蒸騰作用越明顯，葉片水分流失變慢；小葉鼠李角質(zhì)層厚度為5.06 μm，在4種植物中阻止蒸騰的作用最強(qiáng)。柵欄組織越厚，植物水分的蒸騰作用會(huì)減慢，而光合作用會(huì)加強(qiáng)；灌木鐵線(xiàn)蓮柵欄組織厚度達(dá)到83.70 μm，較厚的柵欄組織可以使灌木鐵線(xiàn)蓮具有較強(qiáng)的光合作用。海綿組織越厚，抗旱性越差；而小葉鼠李海綿組織較厚，值為128.73 μm，在此方面表現(xiàn)較差。主脈越寬，植物越容易進(jìn)行養(yǎng)分輸送和保水；各植物中虎榛子主脈寬度可達(dá)244.58 μm，輸水保水能力最強(qiáng)。木質(zhì)部面積越大，植物的保水能力越強(qiáng)；虎榛子木質(zhì)部面積最大，值為3 662.03 μm2。進(jìn)一步說(shuō)明其具有較好的保水能力。綜上可知，5種灌木的各項(xiàng)指標(biāo)排序的變化不是一致的，這反映了植物對(duì)干旱脅迫的多種適應(yīng)途徑。因此，選取試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)定的5種灌木的6個(gè)抗旱指標(biāo)，運(yùn)用隸屬函數(shù)值法對(duì)5種灌木進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，以反映每個(gè)物種的綜合抗旱能力。

根據(jù)表4評(píng)價(jià)結(jié)果可知：5種灌木的抗旱能力由強(qiáng)到弱依次為：虎榛子(0.64)>灌木鐵線(xiàn)蓮(0.56)>小葉鼠李(0.51)>柄扁桃(0.46)>黃刺玫(0.36)。根據(jù)分析結(jié)果可知，從葉片解剖結(jié)構(gòu)方面比較 5種灌木中虎榛子的抗旱性最強(qiáng)，黃刺玫最弱。

表4 5種灌木葉片隸屬函數(shù)值Table 4 Values of membership functions of 5 shrubs leaves

3 討論

大青山陽(yáng)坡干旱少雨，蒸發(fā)量大。坡面的植物已經(jīng)適應(yīng)這種干旱脅迫的環(huán)境，形成了抵抗干旱脅迫的形態(tài)及生理特征。葉片是植物暴露在地面環(huán)境中最多的器官，也是植物進(jìn)化中對(duì)環(huán)境變化敏感性與可塑性較大的器官，其結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)出植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性[19-20]，因此，解析葉片的解剖結(jié)構(gòu)特征是綜合評(píng)價(jià)樹(shù)木抗旱性必不可少的一部分[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，5種灌木葉片形態(tài)具有相似的旱生結(jié)構(gòu)。灌木鐵線(xiàn)蓮的葉片厚度和小葉鼠李的角質(zhì)層厚度均高于其他植物，兩種植物在此方面抗旱性表現(xiàn)優(yōu)異。葉片厚度增加利于減少葉片蒸騰面積以提高抗旱性。李春陽(yáng)等[22]也研究得出旱生植物具有機(jī)械組織較為發(fā)達(dá)、表皮往往有多層細(xì)胞等特征以減少水分散失的結(jié)論。

干旱地區(qū)植物葉片上表皮厚度、下表皮厚度與其他降雨量相對(duì)較大地區(qū)相比[10-11,23]有明顯變厚的現(xiàn)象。本研究發(fā)現(xiàn)黃刺玫的海綿組織厚度和葉片組織結(jié)構(gòu)疏松度最低，而柵海比最高，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗旱特性。但是，在使用隸屬函數(shù)對(duì)葉片抗旱性綜合評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)，黃刺玫在所研究的5種灌木中，抗旱性能最差，這說(shuō)明大青山陽(yáng)坡地區(qū)主要灌木樹(shù)種均有一定的抗旱性結(jié)構(gòu)，而黃刺玫的抗旱性結(jié)構(gòu)僅表現(xiàn)在較薄的海綿組織厚度上。薛智德等[9]和王勝琪[12]在對(duì)延安燕溝黃刺玫葉片解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)黃刺玫的上表皮和下表皮厚度與本研究結(jié)果相似，而海綿組織厚度明顯大于本研究結(jié)果。通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)多年平均降水量為563.5 mm，略大于大青山陽(yáng)坡地區(qū)，這說(shuō)明不同降雨條件下黃刺玫葉片表皮厚度的變化不是很明顯，黃刺玫是通過(guò)減少海綿組織的厚度來(lái)達(dá)到增強(qiáng)抗旱性能的。

柵欄組織、主脈發(fā)達(dá)[11,13,24]，光合作用強(qiáng)，水分與養(yǎng)分輸送能力強(qiáng)，有利于適應(yīng)干旱環(huán)境[22]。5種植物的維管組織比較發(fā)現(xiàn)虎榛子在主脈寬度和木質(zhì)部面積方面表現(xiàn)突出，而灌木鐵線(xiàn)蓮、小葉鼠李導(dǎo)管孔徑較大，表明3種植物通過(guò)提高維管組織輸水效率而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。王怡[8]對(duì)青海地區(qū)虎榛子葉片解剖結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)其角質(zhì)層要略大于本研究的結(jié)果，而上表皮、下表皮厚度小于本研究結(jié)果，說(shuō)明可能由于青海地區(qū)特殊的地理環(huán)境，虎榛子葉片表皮結(jié)構(gòu)抗旱性更強(qiáng)。王勝琪[12]在對(duì)黃土高原鄉(xiāng)土樹(shù)種葉片抗旱性形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)特征的研究中發(fā)現(xiàn)虎榛子的薄壁細(xì)胞排列成2～3層，周?chē)c柵欄細(xì)胞緊密連接。而在本研究中發(fā)現(xiàn)，大青山陽(yáng)坡地區(qū)虎榛子薄壁細(xì)胞為一層，并且薄壁細(xì)胞排列緊密。表明由于黃土高原地區(qū)降雨量少土質(zhì)差，導(dǎo)致虎榛子抗旱性更為優(yōu)異。田英等[11]在研究西北地區(qū)灌木的抗旱性時(shí)，發(fā)現(xiàn)柄扁桃的葉肉組織主要由柵欄組織構(gòu)成，柵欄組織厚約71.56 μm，占葉片厚度的50.86%，海綿組織所占比例很小。與本研究結(jié)果(柵欄組織占葉片厚度的30.97%、海綿組織占葉片厚度的36.47%)有差距，說(shuō)明該地區(qū)的柄扁桃相較于大青山地區(qū)柄扁桃在葉片組織結(jié)構(gòu)方面抗旱性更強(qiáng)。但是，西北地區(qū)柄扁桃的上下表皮厚度明顯小于本研究結(jié)果，這也說(shuō)明不同地區(qū)同一物種對(duì)干旱的適應(yīng)方式也是多樣的；同時(shí)，在分析植物的旱生結(jié)構(gòu)時(shí)，不能只根據(jù)某一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)判，而應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮和分析。本研究根據(jù)隸屬函數(shù)值得出5種植物抗旱性排序?yàn)椋夯㈤蛔?灌木鐵線(xiàn)蓮>小葉鼠李>柄扁桃>黃刺玫。研究結(jié)果為研究大青山陽(yáng)坡植物的抗旱機(jī)制提供解剖學(xué)依據(jù)。