叶片不但是植物进行光合作用的主要场所, 也是整株植物的水力瓶颈, 作为安全阀门适时应对植物可能发生的灾难性水力失调^[1]；叶水势作为叶片水力性状的重要指标, 代表植物水分运动的能量水平, 反映植物的各种生理活动在生长季节受环境水分条件的制约程度^[2], 叶片可以通过调节其水势的变化来适应外在环境的改变^[1]。叶脉密度在很大程度上影响了整个叶片的水分供应以及叶脉系统对叶片的支撑效率, 并与叶片的光合速率、水分运输以及水的传导等有密切关系, 反映了叶片蒸腾成本与光合收益之间的权衡^[3-5]；位于叶片中央大而明显的中脉(也称一级脉)决定了进入叶片的水量, 承担着主要的水分运输和支撑功能；中脉密度通过对叶片水分、养分供给和支撑功能的发挥, 很大程度上决定了叶大小的形成^[6-7], 中脉直径表征叶片的水分运输能力, 中脉直径越大, 水分运输能力越强^[8]。干旱条件下植物吸水困难, 植株往往采取降低叶水势的策略来增强自身的吸水能力^{[1, 9]}, 同时叶片选择降低中脉直径并增加中脉密度来保证对自身充足的水分供应^{[4, 10]}。因而, 叶水势与中脉性状的协同变异关系很可能体现了植物叶片吸水能力和水分供应需求间的相互匹配。

湿地环境中, 土壤含水量的梯度变化显著影响着植物分布和物种多样性, 进而影响到植物的功能性状^[11]。植物个体基本性状的改变及权衡资源分配是植物最易采取的、最经济的环境适应和风险规避对策^[12], 植株往往会通过适时调节叶片水势、叶脉特征、光合特性等获取更多有效资源数量以提高其光合能力并保证水分供需间的平衡。因此从土壤含水量变化的角度研究植物叶水势与中脉性状间的变化规律及其成因, 对于揭示湿地植物叶片主要性状间的资源配置策略具有重要的理论意义。

旱柳(Salix matsudana)是杨柳科柳属的落叶乔木, 根系发达、抗风能力强、生长快、易繁殖、耐寒旱, 具有防风固沙和保持水土等生态功能, 广泛分布于河滩、湖泊堤岸、渠道及道路边, 已成为中国北方道路防护林、沙荒造林及盐碱湿地植被恢复的主要树种^[13], 在生态屏障建设中发挥着重要作用^[14]。近年来, 学术界对干旱胁迫下植物茎叶水势的日变化特征^[15], 不同耕作方式影响下植物水势与环境因子的关系^[16-17], 叶脉密度与叶大小^[18-19]、光合特性^{[8, 20]}的关系及叶脉直径对环境因子的响应^[21-22]等方面有较多研究, 解释了植物适应特定环境的性状塑造, 而对水分影响下植物叶水势与中脉性状关联性的机理研究尚不深入。鉴于此, 本研究以黑河中游张掖段泛洪平原湿地的天然旱柳林为研究对象, 通过研究旱柳在水分梯度上叶水势与中脉性状的关系, 试图明晰：(1) 不同水分条件下旱柳叶水势与中脉密度及中脉直径存在何种生长关系？(2) 导致这种生长关系存在的主要原因有哪些？旨在丰富对湿地植物叶性状建成的种群适应性策略的认识和理解。

1 材料和方法 1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省黑河流域中游张掖市甘州区西城驿的洪泛平原湿地, 地理位置为38°59′22.3″ N, 100°24′33.9″ E, 海拔1482.7 m, 属温带大陆性气候, 年平均气温7.8℃, ≥0℃积温为2734℃, 年均降水量132.6mm, 主要集中在6—9月, 年均蒸发量1986.5mm, 年日照时数3077h。位于祁连山洪积扇前缘和黑河古河道及泛滥平原的潜水溢出地带, 是由河流、草本沼泽、湿草甸等天然湿地组成的复合湿地生态系统, 土壤以砾石土、灰棕荒漠土和草甸土为主, 植被分布具有明显的水平分异特征, 以湿生植物、盐生植物与陆生乔灌林木为主。主要植物有：旱柳、宽苞水柏枝(Myricaria bracteata)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、沙枣(Elaeagnus angustifolia)、苦豆子(Sophora alopecuroides)、芨芨草(Achnatherum splendens)、冰草(Agropyron cristatum)、芦草(Phragmites australis)、节节草(Equisetum ramosissimum)等。该研究区位于张掖黑河国家湿地保护区核心区, 不存在家畜放牧和人类活动等干扰因素。

1.2 实验设置

黑河干流从莺落峡进入河西走廊, 沿河流两岸形成广阔的倾斜平原, 受季节性洪水和地下潜水的影响, 在河岸边缘发育了大片由旱柳、沙枣等乔木和芦草、芨芨草等草本为主要植被的洪泛平原湿地, 受地下水埋深的影响, 植被呈现明显的带状分布特征。在实地考察观测的基础上, 选择一处从河岸边到湿地与荒漠交界处长约210m且以旱柳为建群种的湿地进行实验。首先进行水分梯度的划分, 从黑河沿岸以垂直于河岸线的方向间隔100m依次布置3条宽20m、长210m的平行样带, 进行地下水埋深的测量(在每条样带上从近河岸开始每间隔10m用铁铲挖至地下水流出, 待水位稳定后测量地下水埋深)。根据地下水埋深变化规律, 在3条平行样带上从河岸边向湿地边缘依次设置3个70m×260m的样地(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)(图 1), 分别为：1) 样地Ⅰ位于近水区, 地下水埋深0.5—1.2m, 该地段季节性淹水, 土壤水分一年中大部分时间处于饱和状态；2) 样地Ⅱ位于中水区, 地下水埋深1.2—2.0m, 该地段一般不会淹水, 土壤水分季节性饱和；3) 样地Ⅲ位于远水区, 地下水埋深2.0—2.5m, 土壤受河流水位影响极小, 土壤含水量不能完全满足植物生长。

1.3 湿地群落学调查

每个样地中设置12个20m×20m的样方, 样方与样方之间间隔20m。对各样方内胸径≥1cm的每木个体进行群落学特征调查, 记录其种名、株高、胸径、冠幅等指标, 同时测定各样方的群落密度和郁闭度。最后进行土壤水分采样, 每个样方用土钻(直径5cm)在0—100cm分5层间隔20cm取土样, 重复3次, 剔除样品中明显的植物根段和枯落物等杂质, 装入编号的铝盒中, 带回实验室经均匀混合后在105℃的烘箱内烘24h, 称重并计算各样地0—50cm土层平均土壤质量含水量。

1.4 植物采样和测量 1.4.1 植物采样

在每个样地的4个顶点及对角线交叉处各选择1棵长势良好的旱柳作为供试植株(选择点处没有旱柳植株的在周边选取), 进行旱柳叶取样。选取冠中部外层4个方位枝条各1枝, 在每个枝条上选取5片生长良好的叶片做好标记进行以下步骤(所有工作借助人字梯来完成)：

(1) 用手持光量子计(3415F, Walz, Plainfield, USA)对3个水分梯度内所有供试植株进行光合有效辐射(photosynthetically active radiation, PAR)测定, 测定位置分别在每个植株上选取的4个枝条向外5cm处。

(2) 植物光合参数测定。选择晴朗天气的9:00—12:00进行气体交换参数的测定。光合测定使用GFS-3000便携式光合测量系统(Heinz Walz GmbH, Bavaria, Germany), 测量过程中使用人工红蓝光源, 光合有效辐射(PAR)为1200 μmol m^-2s^-1, CO₂浓度约为340 μmol/mol, 相对湿度(RH)保持在50%—60%, 流速设定为750 μmol/s, 叶室面积为8 cm², 对做好标记的每个叶片记录3组数据用于统计分析, 分别测定叶片的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、叶片温度(T_leaf)等参数^[23-24], 对于不能充满叶室的叶片, 则保存于湿润的封口袋中, 带回实验室, 用便携式激光叶面积仪(CI-202, Walz, Camas, USA)测定叶面积, 进而计算Pn和Tr。

(3) 用高枝剪获取标记好的小枝, 摘下测量过光合参数的叶片, 立即用便携式植物水势压力室(3115, Walz, Santa Barbara, USA)测量叶水势, 测量结束后连同母枝放入塑封袋, 编号后带回实验室。

1.4.2 叶性状的测量

在实验室摘除小枝上其余的叶片, 小枝以备其他分析：

(1) 中脉密度的测定用便携式激光叶面积仪(CI-202, Walz, Camas, USA)对小枝上的每个叶片进行扫描, 得到叶面积、叶长度等参数, 中脉密度利用叶长度除以叶面积得出；

(2) 中脉直径的测定选取每个小枝上已标记过的5片叶片, 先用福尔马林-乙酸溶液固定(37%甲醛溶液, 50%乙醇, 和13%冰醋酸溶液)。然后用5%NaOH的乙醇进行化学清理, 再用番红-固绿染色^[25], 用水包埋呈透明薄膜状在体视显微镜(SMZ168-BL, Motic, Hong Kong, China)下用于中脉性状的观测。在每个叶片的两端及中间部位(均包含中脉)选择3个视野进行拍照, 用Motic Images Plus 2.0软件获得各个照片中的中脉直径, 3张照片中得出的平均值即为该叶片的中脉直径。

(3) 叶绿素的测定用便携式叶绿素仪(SPAD-502Plus, Walz, New Jersey, USA)测量每个叶片上中下3个部位的叶绿素值, 最后求出3次测量的平均值作为单个叶片的叶绿素含量；

(4) 比叶面积的测定将叶片放在80℃的烘箱中烘干48h至恒重, 用电子天平(精度为0.0001 g)称取, 记录叶干质量, 比叶面积利用叶面积除以叶干质量得出。

1.5 数据分析

数据分析主要运用标准化主轴估计(standardized major axis estimation, SMA)的方法^[26]对旱柳叶水势和中脉性状间的关系进行分析, 采用Excel软件和SPSS 16.0统计分析软件对数据进行相关分析和方差分析, 显著性水平设为0.05, 方差分析前对所有数据进行方差齐性检验和正态分布检验。

2 结果分析 2.1 不同样地土壤平均含水量及旱柳林群落特征

不同样地旱柳林群落的平均高度、郁闭度均存在显著差异(P＜0.05, 表 1)。随着样地Ⅰ向样地Ⅱ、Ⅲ的逐渐过渡, 土壤含水量减少, 旱柳林样地群落的平均高度、郁闭度均呈现逐渐减小趋势, 平均土壤含水量减少49.05%, 群落平均高度减少21.13%, 郁闭度降低了59.15%, 密度降低了66.67%。表明在3个样地中, 样地Ⅰ生境条件(土壤含水量处于65%—75%)更适宜旱柳植株的生长。

2.2 不同样地旱柳叶性状特征

如表 2所示, 随着土壤水分含量的减少, 旱柳叶水势、中脉直径、比叶面积和叶绿素含量呈减小趋势, 从样地Ⅰ到样地Ⅲ分别减少了53.42%、33.33%、29.14%和23.23%；旱柳中脉密度、T_leaf、Pn及Tr则均呈增大趋势, 从样地Ⅰ到样地Ⅲ分别增加了27.97%、7.50%、77.81%及55.65%。

2.3 不同样地旱柳叶水势与中脉密度的关联性分析

Pearson相关性分析表明, 样地Ⅰ和样地Ⅲ旱柳叶水势和中脉密度间均存在极显著的线性负相关关系(P＜0.01), 而样地Ⅱ存在显著的线性负相关关系(P＜0.05), 相关系数分别为-0.6855、-0.5903和-1.7052。在水分梯度上, 随着旱柳叶水势的降低, 中脉密度均呈增加趋势, 表明旱柳叶水势和中脉密度之间存在相互制约的权衡关系(图 2)。

2.4 不同样地旱柳叶水势与中脉直径的关联性分析

Pearson相关性分析表明, 3个样地中旱柳叶水势和中脉直径间均存在显著的线性正相关关系(P＜0.05), 相关系数分别为0.2494、0.2929和0.4360。在水分梯度上, 随着旱柳叶水势的降低, 中脉密度均呈减小趋势, 表明旱柳叶水势和中脉密度之间存在一定的协调性(图 3)。

3 讨论

植物叶片构型构建与植物生理功能所需的光照、碳投入和水分运输的投资收益相契合, 是植物提高光合效率的生活史策略^[27-28]。叶片性状特征与植物的资源获得能力和利用效率密切相关, 叶水势与中脉性状的关联关系可以表征植物各种生理活动受环境水分条件的制约程度和叶片中水分、养分等的传输和利用效率, 是植物环境适应能力的综合体现。本研究发现, 旱柳叶水势与中脉密度间呈显著线性负相关关系(P＜0.05), 与中脉直径呈显著线性正相关关系(P＜0.05), 在3个土壤水分梯度样地这种相关性存在差异。在湿地生境中, 水分条件在很大程度上影响着其他生物环境因子的组合与变异, 进而引起湿地群落环境发生分异, 生活在异质性的植株会适时调整自身茎叶功能性状间的资源配置模式以提高限制性资源的利用效率和种间、种内竞争力。

3.1 不同样地旱柳叶水势与中脉密度的关联性分析

生长在特定环境中的植物为了达到和平衡“生存、生长、繁殖之三大目的”, 会通过调整、转换或补偿自身功能, 最终表现在植物器官的组织结构及其生理性状上^[29-31]。本研究发现, 3个实验样地旱柳叶水势与中脉密度均呈线性负相关关系, 叶水势越大, 中脉密度越小；生长在样地Ⅰ和样地Ⅲ的旱柳叶水势与中脉密度呈极显著负相关关系(P＜0.01), 在样地Ⅱ两者之间呈显著负相关关系(P＜0.05)。旱柳叶水势与中脉密度间相关关系的水分依赖性, 可能与植物为了应对环境胁迫在叶片结构和功能性状间所形成的资源分配策略有关。1) 样地Ⅰ位于河岸边, 在水资源丰沛的环境中旱柳表现出了繁茂生长的景象, 该样地旱柳群落的高度和郁闭度最大(表 1), 造成了强烈的邻体干扰, 致使枝叶间严重遮蔽, 不仅改变了群落内部的光照强度, 而且减少了中下层枝叶可接收的有效光资源数量, 光照条件成为限制植物生存和发育的主要生境因子。在相对阴暗的条件下, 为了保证有限光环境中叶片自身最大的碳同化速率和光合能力, 旱柳通过增大比叶面积来增加叶片内捕光表面积数量(表 2), 以提高其捕光能力, 在资源有限性约束下, 影响了中脉密度的构建^[32]；同时, 光照受限使得水蒸气进出叶片表皮的阻力增大, 蒸腾作用较弱(表 2), 减少了植物体内水分的进一步损失, 形成了较高的叶水势(表 2)。2) 样地Ⅱ位于研究区的中水区, 地下水埋深和土壤含水量适中(表 1), 湿地群落的高度和郁闭度较样地Ⅰ显著下降(表 1), 实验过程中发现旱柳种群的聚集强度下降, 植株间的间隙增多, 地被层草本植物的分布范围增大, 湿地群落乔木之间的邻体干扰强度减弱, 旱柳枝叶间的遮阴现象减少。一方面相对开阔的群落环境使得更多的光资源到达叶片表面, 致使叶片蒸腾作用加强, 较强的蒸腾拉力加速了水分的传导, 叶片吸水能力增强, 水势较样地Ⅰ下降；另一方面中脉密度也是表征叶脉系统机械支撑能力的主要指标^{[4, 33]}, 群落环境中光照的增强促使旱柳产生大的中脉密度来对处于不利生境中的叶片起着良好的支撑作用。3) 样地Ⅲ位于湿地与荒漠的过渡带, 湿地群落的高度和郁闭度居于较低水平, 土壤含水量已经为研究区中最低, 旱柳林处于随机分布状态, 林间距逐步拉大, 遮阴现象完全消失群落高度和郁闭度最小, 植物所接受到的光合有效辐射最大, 伴随着较高的净光合速率和蒸腾速率(表 2), 为了弥补蒸腾作用的增强导致的叶片失水, 旱柳采取降低自身叶片水势的策略来调节其体内的水势梯度, 从而增加旱柳叶片的吸水能力^[34-35]；同时水分的减少致使旱柳投入较多的资源用于构建和维持发达的中脉和维管束组织, 应对水分缺失给植物供水平衡带来的风险, 满足缺水生境中植物的基本生理需求。旱柳在选择降低中脉密度的同时, 选择快速增大叶水势, 以节约资源的消耗, 同时也是旱柳适应特定水分生境、提升竞争能力和空间拓展能力的一种叶性状构建策略。

3.2 不同样地旱柳叶水势与中脉直径的关联性分析

植物的生态策略和适应性、响应性功能要通过一系列紧密联系的性状来实现, 其形态特征和生理特征会随着环境因子的变化而改变, 异质生境下植物通过改变自身的性状特征以克服环境资源的胁迫^[36]。生长在特定环境中的植物为了满足生存适应的需求, 往往会形成不同的形态结构和特定的水分供应策略^[37]。叶片是植物进行蒸腾作用的主要器官, 其产生的蒸腾拉力也是根系向地上部运输水分的主要动力^[38]。本研究发现, 随着水分样地Ⅰ向样地Ⅱ、Ⅲ的逐渐过渡, 旱柳叶水势减小, 中脉直径也逐渐减小, 叶水势与中脉直径间呈显著正相关关系(P＜0.05) (表 2, 图 3)。主要成因如下：1) 样地Ⅰ土壤水分含量高, 植物体内供水充足, 叶片吸水能力变弱, 水势升高；中脉作为叶片中水分运输的首要通道, 决定了进入叶片的水量^[39], 在水分供应充足的条件下, 叶片需要构建大的中脉直径来保证其水分运输和蒸腾作用间的协调。2) 样地Ⅲ群落郁闭度最小(表 2), 群落植株可接收到的有效光资源增加, 光合有效辐射大(表 2), 周围环境中的水分损失强度增大, 叶片长期处于热、干、高光的环境下, 使得叶片表面温度升高(表 2), 叶片为了散热不得不提高蒸腾速率来确保自身的安全, 因此选择降低叶水势以便增强自身的吸水能力, 从而应对强蒸腾作用下直接导致的叶片失水；同时该样地旱柳叶片叶绿素含量低(表 2), 致使叶片的光合效率降低, 导致光合产物减少, 比叶面积变小(表 2), 光合组织密度减小, 叶片需水量减少, 较小的中脉直径亦能满足对整个叶片的水分运输任务, 因此叶片减少对中脉直径的投资来实现资源的最佳配置。3) 样地Ⅱ的植被群落高度、郁闭度及土壤水分均介于样地Ⅰ和Ⅲ之间, 旱柳叶水势和中脉直径的变化采取相似的资源最优化的配置策略, 即选择折中光合需求和水分供需平衡间的稳步投资, 兼顾了植株的光截取和水分输送等功能需求。因此, 旱柳叶水势与中脉直径的关联关系可能是多种环境因子综合影响的结果。

4 结论

叶水势与中脉性状作为植物基本的功能性状, 影响着植物个体水平的水分利用效率。本研究发现, 随着土壤含水量降低, 旱柳叶水势、中脉直径呈下降趋势, 而中脉密度呈增加趋势, 叶水势与中脉密度呈线性负相关关系, 与中脉直径呈线性正相关关系, 反映了泛洪平原湿地旱柳植株应对光照环境和土壤水分供给水平, 适时调节叶片生理生态特性, 优化叶水势和中脉密度、中脉直径之间的资源配置模式, 实现资源最大化利用效率的生活史对策。土壤水分梯度下, 旱柳主要叶性状的分异格局和关联关系反映了湿地植物的微生境依赖规律, 体现异质性生境中植物“趋利避害”的叶片结构与功能性状的环境适应性机制。植物叶性状的资源分配模式除叶水势与中脉性状的相关性关系外, 还有其他结构性状与功能性状之间的权衡等内容, 可以从更多的角度继续研究旱柳种群的生长策略。此外, 土壤盐分也作为重要的土壤基本特性之一, 更能够直接地改变群落组成与演替。