臺(tái)灣含笑新葉與老葉葉片面積構(gòu)建成本之比較*

郭旭晨，李依蓉，何嘉燕，時(shí)培建

(1.南京林業(yè)大學(xué) 生物與環(huán)境學(xué)院 竹類(lèi)研究所，江蘇 南京，210037;2.上海市醫(yī)藥學(xué)校，上海 200135)

葉片是維管植物主要的采光器官，它能夠通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物能，是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)[1-3]。植物葉片具有許多重要的功能性狀，如葉片生物量(M)、葉片面積(A)、比葉重(單位面積葉片干重LMA)和葉片的寬長(zhǎng)比等，其中葉片生物量可以用干重(DM)或鮮重(FM)來(lái)代表。葉片功能性狀之間存在著緊密的聯(lián)系，它們之間的相互關(guān)系會(huì)影響到植物在群落中的競(jìng)爭(zhēng)力。因?yàn)榇蠖鄶?shù)植物所處生境的資源有限，植物會(huì)根據(jù)生境的資源條件，調(diào)整自身功能，以平衡生存、生長(zhǎng)和繁殖三大目的，并最終將其適應(yīng)環(huán)境的策略表現(xiàn)在植物器官的組織結(jié)構(gòu)和功能性狀上，所以研究葉片功能性狀之間的關(guān)系有利于人們加深對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境的策略和植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)的理解[4-9]。Niklas等[10]發(fā)現(xiàn)葉片生物量和葉片面積遵從“收益遞減規(guī)律”，其公式為M=βAα，其中β是常數(shù)，α是異速生長(zhǎng)指數(shù)。α的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值通常大于1，這意味著單位葉片面積的增加需要越來(lái)越多的干物質(zhì)投入,光的獲取截獲成本也隨之增加。Niklas等[10]對(duì)收益遞減規(guī)律的解釋是，越大的葉片需要更加復(fù)雜高效的運(yùn)輸系統(tǒng)來(lái)輸送營(yíng)養(yǎng)以及更加堅(jiān)固的葉脈結(jié)構(gòu)來(lái)支撐起整個(gè)葉片，這導(dǎo)致單位生物量的投入所獲得面積增加的回報(bào)越來(lái)越少[10-14]。

在先前的研究中，收益遞減規(guī)律無(wú)論在物種的數(shù)目方面還是在物種的類(lèi)群方面都已經(jīng)得到了廣泛的證實(shí)。Niklas等[10]報(bào)告了5個(gè)植物類(lèi)群(蕨類(lèi)、禾本科Gramineae、雜草類(lèi)、灌木和藤本植物)的葉片異速生長(zhǎng)指數(shù)α>1。Milla和Reich[15]報(bào)告了120個(gè)物種的M與A的異速生長(zhǎng)指數(shù)α>1。Zhu等[16]調(diào)查了3個(gè)海拔梯度的常綠闊葉林、針闊葉混交林和落葉林群落類(lèi)型中64種木本植物的葉片質(zhì)量和面積之間的關(guān)系，確認(rèn)了每個(gè)群落類(lèi)型中都存在收益遞減現(xiàn)象。Thakur等[17]在喜馬拉雅西部的高海拔地區(qū)測(cè)量了136種生長(zhǎng)在不同地點(diǎn)、坡向、海拔和棲息地類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)物種，共統(tǒng)計(jì)了9 278片葉片特征，發(fā)現(xiàn)光植物的光截獲成本隨著面積的增加而增加(即α>1)。Huang等[18]報(bào)告101個(gè)竹種中83個(gè)竹類(lèi)分類(lèi)群的葉片干重與面積之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系都遵循收益遞減規(guī)律。由此可知，無(wú)論是雙子葉植物還是單子葉植物、草本還是灌木、針葉樹(shù)種還是闊葉樹(shù)種、常綠樹(shù)種還是落葉樹(shù)種，葉片的收益遞減現(xiàn)象在植物中廣泛存在。

然而，隨著對(duì)植物葉片異速生長(zhǎng)研究的深入，一些研究人員發(fā)現(xiàn)葉片的異速生長(zhǎng)指數(shù)會(huì)受到外界環(huán)境的影響[19-21]。比如，季節(jié)和海拔會(huì)影響葉片的異速生長(zhǎng)。Liu等[19]分別在春季和夏季采集2種落葉樹(shù)種的葉片，比較了葉片干重與面積的異速生長(zhǎng)指數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)季節(jié)α的估計(jì)值存在顯著性差異，生長(zhǎng)期后期的α在數(shù)值上大于生長(zhǎng)季早期；Li等[20]研究了93種溫帶木本植物，發(fā)現(xiàn)葉片干重與面積的異速生長(zhǎng)指數(shù)α隨著海拔梯度的變化表現(xiàn)出顯著差異；Pan等[21]調(diào)查了分布在6個(gè)海拔梯度上的121種亞熱帶維管植物，發(fā)現(xiàn)α的估計(jì)值落在0.859～1.299之間，其值隨著海拔的升高而顯著增加。

由于外界環(huán)境會(huì)對(duì)α產(chǎn)生影響，導(dǎo)致了同一物種α數(shù)值未能統(tǒng)一。然而，目前大多數(shù)有關(guān)收益遞減的研究主要集中在對(duì)不同植物α數(shù)值的比較，但是卻忽略對(duì)同一植物不同年齡葉片的異速生長(zhǎng)指數(shù)α的研究[22]。在比較不同植物的葉片α數(shù)值時(shí)，由于老葉和新葉之間的異速生長(zhǎng)是否存在差異還未可知，不同比例的老葉和新葉組成的葉片樣本可能會(huì)使研究的結(jié)果完全不同，所以探究老葉和新葉之間的異速生長(zhǎng)的差異是對(duì)收益遞減規(guī)律研究的重要發(fā)展與補(bǔ)充。

為研究老葉和新葉的葉片異速生長(zhǎng)之間的差異，選擇臺(tái)灣含笑作為研究植物。臺(tái)灣含笑[Micheliacompressa(Maxim.)Sarg.]為木蘭科(Magnoliaceae)含笑屬(Michelia)常綠喬木，選擇該種作為研究對(duì)象是因?yàn)樗哂兄匾慕?jīng)濟(jì)價(jià)值和觀賞價(jià)值，是重要的用材樹(shù)種[23]。研究臺(tái)灣含笑葉片的異速生長(zhǎng)有利于評(píng)估其光合潛力大小，提高對(duì)它適應(yīng)環(huán)境策略的理解，促進(jìn)臺(tái)灣含笑的推廣種植和栽培繁育。臺(tái)灣含笑在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)引種到南京中山植物園，擁有長(zhǎng)期的嫁接繁殖的研究歷史，并且已經(jīng)適應(yīng)了南京地區(qū)的氣候與環(huán)境[24]。然而，有關(guān)臺(tái)灣含笑葉片植物生理以及葉片功能性狀的研究甚少。本研究比較了新老葉的異速生長(zhǎng)和葉片功能性狀的差異，其中葉片的異速生長(zhǎng)反映了植物葉片對(duì)生物量的投資策略，而葉片功能性狀反映了其對(duì)環(huán)境的適生性和可塑性，對(duì)于后繼研究其適生能力在原產(chǎn)地和引種地之間的異同具有重要意義[25]。

1 材料與方法

1.1 研究地概況與試驗(yàn)材料

葉片采集地位于江蘇省南京市中山植物園(32°03′28″N,118°49′55″E)，在3棵樹(shù)齡50 a的臺(tái)灣含笑的植株上總共采集老葉125片、新葉277片。采集時(shí)間是2019年5月11日，采集位置為植株的林冠中層。為了避免水分損失，葉片采摘下來(lái)后立即用濕報(bào)紙包裹，放入塑料自封袋(28 cm×20 cm)中，并迅速送往南京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行葉片功能性狀的測(cè)定。

1.2 葉片功能性狀的測(cè)量

用電子天平(ME204/02,Mettler-Toledo Company,Greifensee,瑞士;測(cè)量精度0.0001 g)測(cè)量葉片新鮮質(zhì)量。隨后用Aficio mp7502掃描儀(Ricoh,日本東京)掃描每片葉子。使用Adobe Photoshop(版本：9.0)獲得黑白葉邊圖像，并使用600 dpi分辨率保存圖像。使用Shi等[26]和Su等[27]開(kāi)發(fā)的Matlab程序和R腳本對(duì)葉子的黑白圖片進(jìn)行處理，獲得葉片的面積和寬長(zhǎng)比。在80 ℃的通風(fēng)烘箱(XMTD-8222，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)中干燥至少72 h，使用相同的電子天平測(cè)量葉片干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用冪函數(shù)來(lái)擬合葉片鮮重FM、干重DM和面積A中任何兩個(gè)變量之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系：

Y1=βY2α

式中，Y1是因變量，Y2是自變量，β是歸一化常數(shù)，α是標(biāo)度指數(shù)。當(dāng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，此函數(shù)的形式為:

y=γ+αx

式中，y= ln(Y1)，x=ln(Y2)，γ=ln(β)。參數(shù)α和γ將使用減少主軸的方法擬合得出，使用自舉分位點(diǎn)法分別對(duì)老葉和新葉的異速生長(zhǎng)方程中的參數(shù)α和γ進(jìn)行比較。使用均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)來(lái)衡量線性擬合的優(yōu)度，均方根誤差等于平均殘差平方的平方根。在0.05顯著水平下，使用方差分析和Tukey的真實(shí)顯著性差異檢驗(yàn)(HSD)對(duì)老葉和新葉的葉片功能性狀(葉鮮重、葉干重、葉片面積、葉干重/鮮重、比葉重和葉片寬長(zhǎng)比)差異的顯著性進(jìn)行檢測(cè)[28]。所有統(tǒng)計(jì)分析和圖形制作均使用R(4.0.3版)進(jìn)行[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 老葉與新葉的葉片干重與鮮重的異速生長(zhǎng)關(guān)系

臺(tái)灣含笑的老葉和新葉的葉片干重和鮮重、鮮重和面積以及干重和面積的異速生長(zhǎng)指數(shù)α估計(jì)值的置信區(qū)間下限都大于1，這表明無(wú)論對(duì)于老葉還是新葉，其干重和鮮重、鮮重和面積以及干重和面積異速生長(zhǎng)關(guān)系都符合收益遞減規(guī)律(表1和圖1)。在3類(lèi)異速生長(zhǎng)關(guān)系中，老葉和新葉的異速生長(zhǎng)指數(shù)α自舉重復(fù)差值的95%的置信區(qū)間都包括0，說(shuō)明老葉和新葉之間的異速生長(zhǎng)指數(shù)沒(méi)有顯著性差異。γ自舉重復(fù)差值的95%置信區(qū)間都不包含0，且置信區(qū)間的下限均大于0，這說(shuō)明老葉和新葉的異速生長(zhǎng)的截距項(xiàng)存在顯著性差異，且老葉的截距項(xiàng)要大于新葉，意味著當(dāng)ln(Y2)= 0時(shí)，老葉的ln(Y1)要大于新葉的ln(Y1)，即當(dāng)鮮重為1 g時(shí)，老葉的干重大于新葉的干重；面積為1 cm2時(shí)，老葉的鮮重和干重都要大于新葉的鮮重和干重。盡管老葉和新葉的樣本量不同，但是由擬合的均方根誤差(即RMSE)可知，對(duì)于3種異速生長(zhǎng)關(guān)系中的任意一種，老葉的均方根誤差要小于新葉的均方根誤差，這表明老葉的擬合效果優(yōu)于新葉。

表1 老葉和新葉之間不同葉片測(cè)量之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系

圖1 老葉和新葉的3種異速生長(zhǎng)關(guān)系的擬合結(jié)果

2.2 老葉與新葉的一些葉片物理功能性狀的比較

由圖2可知，在葉片的功能性狀中，老葉和新葉的寬長(zhǎng)比差異性不顯著。在葉片干重、葉片面積和比葉重等其余葉片功能性狀中，兩者存在顯著差異，并且老葉的數(shù)值都要大于新葉。其中老葉的葉片干重、葉片鮮重、比葉重都要顯著大于新葉，這與圖1和表1中線性擬合得到的結(jié)果一致。

圖2 老葉和新葉的葉片功能性狀的比較Fig.2 Comparison of leaf functional traits betweenold and new leaves

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 老葉與新葉異速生長(zhǎng)指數(shù)是否一致？

葉片干重與葉片鮮重的異速生長(zhǎng)指數(shù)α可以反映葉片的絕對(duì)含水量的變化趨勢(shì)，若干重與鮮重的異速生長(zhǎng)指數(shù)α數(shù)值等于1，那么葉片鮮重隨著干重的增加而等比例地增加。由于葉片鮮重等于葉片干重+葉片絕對(duì)含水量，所以葉片含水量也將隨著干重的增加等比例地增加[18]。然而，臺(tái)灣含笑的葉片干重與鮮重的異速生長(zhǎng)指數(shù)α大于1，這意味著在干物質(zhì)的積累過(guò)程中，葉片的絕對(duì)含水量是越來(lái)越大。Huang等[30]研究的12種竹子中有6種竹子估計(jì)的干重-鮮重異速生長(zhǎng)指數(shù)95%的置信區(qū)間包括1，研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣含笑的干重-鮮重異速生長(zhǎng)指數(shù)大于1，這可能是植物在不同時(shí)期所采取不同的生長(zhǎng)策略或者由于植物類(lèi)型差異所致[4,7]。Huang等[30]的取樣時(shí)間是從5月末至6月末(最早也在5月末)，研究的材料是常綠的竹類(lèi)植物，葉片相對(duì)較小，發(fā)育較快，植物已經(jīng)基本完成其葉片內(nèi)干物質(zhì)的積累，而本研究的取樣是在5月上旬完成，研究的對(duì)象是木蘭科植物，葉片較大，發(fā)育較為遲緩。臺(tái)灣含笑的老葉和新葉的葉片干鮮重與面積的異速生長(zhǎng)指數(shù)沒(méi)有顯著性差異，且α的數(shù)值都大于1，符合收益遞減規(guī)律[10-11]。由于植物葉片功能性狀之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系與植物適應(yīng)環(huán)境的策略和對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)具有緊密聯(lián)系，臺(tái)灣含笑的新葉與老葉在生長(zhǎng)期早期所采用的生長(zhǎng)策略一致。但是異速生長(zhǎng)指數(shù)會(huì)受到海拔和氣候等環(huán)境因素的影響, 這些環(huán)境因素對(duì)新老葉的影響是否一致、以及新老葉在不同生境之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系是否一致，尚不明確，這需要進(jìn)一步的深入研究[19-21]。此外，在過(guò)去的研究中往往采用干重來(lái)代表葉片質(zhì)量，但是Huang等[31]發(fā)現(xiàn)葉片鮮重與面積的異速生長(zhǎng)關(guān)系的擬合優(yōu)度要大于干重與面積的異速生長(zhǎng)關(guān)系的擬合優(yōu)度，當(dāng)考察葉片質(zhì)量和面積異速生長(zhǎng)關(guān)系時(shí)，采用鮮重來(lái)描述葉片質(zhì)量要更加可靠。在本研究中發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是老葉和新葉，葉片鮮重與面積擬合的均方根誤差都要小于葉片干重與面積擬合的均方根誤差，這與Huang等的研究結(jié)果基本一致。

3.1.2 老葉和新葉功能性狀的差異是否受采樣時(shí)間的影響？

臺(tái)灣含笑的新老葉的異速生長(zhǎng)關(guān)系在截距項(xiàng)存在顯著差異，這主要與新老葉的葉片功能性狀之間的差異有關(guān)。臺(tái)灣含笑在春季開(kāi)始長(zhǎng)出新葉，而本研究的采樣時(shí)間是5月上旬，而臺(tái)灣含笑的萌芽和展葉期一般是在4月中下旬，此時(shí)的新葉尚處于干物質(zhì)快速積累階段，新葉的生長(zhǎng)發(fā)育尚未完成，新葉與老葉的葉片功能性狀存在顯著的差異[24]。在葉片異速生長(zhǎng)的研究中，往往采用不區(qū)分老葉和新葉的方式，所以采樣時(shí)間不宜在生長(zhǎng)季早期，因?yàn)榇藭r(shí)新葉、老葉的葉片功能性狀的差異較大，在擬合線性方程時(shí)不區(qū)分新老葉會(huì)導(dǎo)致對(duì)葉片異速生長(zhǎng)指數(shù)和截距項(xiàng)的錯(cuò)誤估計(jì)，故最佳采樣時(shí)間應(yīng)該在生長(zhǎng)季后期，此時(shí)新葉的生長(zhǎng)基本完成，新葉與老葉的差異也更小。比如，Shi等[32]在生長(zhǎng)期后期采用不區(qū)分老葉和新葉的取樣方法研究了4種箬竹屬(Indocalamus)植物葉片鮮重與葉面積的異速生長(zhǎng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)葉片鮮重與葉面積之間存在很強(qiáng)的對(duì)數(shù)線性關(guān)系，其r2>0.9。Lin等[33]也在生長(zhǎng)期后期采用混合取樣的方法研究了11種竹子葉片鮮重與面積的異速生長(zhǎng)關(guān)系，其對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的葉鮮重和葉面積呈良好的線性關(guān)系(r2= 0.99)。

3.2 結(jié)論

臺(tái)灣含笑的老葉和新葉葉片質(zhì)量與葉片面積的異速生長(zhǎng)指數(shù)α > 1，符合收益遞減規(guī)律。葉片鮮重與葉片干重存在異速生長(zhǎng)關(guān)系，且在生長(zhǎng)季早期葉片的絕對(duì)含水量呈上升的趨勢(shì)。老葉和新葉的葉片功能性狀在生長(zhǎng)季早期存在明顯的差異，在研究葉片異速生長(zhǎng)關(guān)系時(shí)會(huì)使參數(shù)擬合結(jié)果的可靠性降低。因此，如果要研究植物葉片綜合的(不區(qū)分新老葉)異速生長(zhǎng)關(guān)系，建議在植物生長(zhǎng)期末期新葉的干物質(zhì)含量基本穩(wěn)定時(shí)取樣。