叶片性状是植物长期适应环境而进化形成的结果, 并随环境的变化而变化, 反映植物适应环境的变化^[1], 并具体影响和体现植物的基本功能和行为^[2]。林木细根 (≤2mm) 是根系中重要的组成部分^[3], 对环境胁迫的响应也较敏感, 细根动态对环境变化具有重要的指示作用, 可反映树木或生态系统水平的健康状况^[4]。研究林木叶片特征及细根垂直分布沿环境梯度的变化可以更好地认识植物对环境的适应机制。由于在高海拔山体中气温、气压、CO₂浓度等环境因子随海拔升高而降低, 而光照强度则随海拔升高而增加, 为此高海拔山体是研究植物及其群落对环境的响应提供了很好的场所^[5]。众多研究显示, 随海拔升高, 许多植物叶面积 (LA) 减小, 但也有增大和先增大后减小的现象。叶绿素含量 (Ch1C) 随海拔升高呈下降趋势^[6], 但有的变化不明显^[7]。关于不同海拔梯度上细根生物量、空间变化、季节动态已经有了初步的结果^[8-11], 但因地理条件的限制, 研究多为不同海拔的不同植物群落, 针对不同海拔梯度上同一树种细根特征的研究较少, 对色季拉山林线冷杉细根对海拔的响应研究更是相对缺乏。

急尖长苞冷杉 (Abies georgei var.smithii) 是青藏高原东南缘亚高山暗针叶林的主要组成树种之一, 主要分布在西藏东南部山地, 是构成藏东南阴坡林线群落的优势树种^[12]。林线植被群落环境的异质性反映了林线与气候变化相互作用的机制^[2]。本文以色季拉山林线树种急尖长苞冷杉为研究对象, 研究目的为：(1) 色季拉山林线树种叶片基本形态特征、叶绿素含量、比叶重等叶片性状在3800—4400m海拔梯度的变化规律；(2) 色季拉山林线树种细根各指标在不同海拔上的变化规律；(3) 揭示藏东南主要建群林线树种在适应高山极端环境的生理生态机制。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

色季拉山位于藏东南雅鲁藏布江大拐弯西北侧, 念青唐古拉山与喜马拉雅山脉接合处工布自然保护区林芝县境内, 属念青唐古拉山向南延伸的余脉 (E93°12′—95°35′, N29°10′—30°15′)。地处藏东南湿润气候区与半湿润气候区的分界面上, 气候冬温夏凉、干湿季分明。年均气温-0.73℃, 最高月 (7月份) 平均气温9.23℃, 最低月 (1月份) 平均气温-13.98℃。年均日照时数1150.6h, 年均相对湿度78.8%。年均降水量1134.1mm, 蒸发量544.0mm, 6—9月份为雨季, 占全年降水的75%—82%。土壤以酸性棕壤为主^[13]。

色季拉山地带性森林植被是以亚高山暗针叶林为优势种和建群种的群落类型。主要森林植被类型为山地温带暗针叶林, 以急尖长苞冷杉 (Abies georgei var.smithii) 为建群种, 并有林芝云杉 (Picea likiangensis var.linzhiensis) 林、林芝云杉与急尖长苞冷杉混交林以及急尖长苞冷杉与方枝柏 (Sabina saltuaria) 的混交林等。其阴坡是以急尖长苞冷杉为建群种的群落类型, 海拔4300m左右为森林线 (郁闭林上限), 此线以上, 乔木能够正常生长, 但不能成林。海拔4400m左右为树线, 此线以上, 树木生长困难。阴坡林线群落交错区垂直宽度为70m。研究区域植被群落类型的基本特征见表 1^[14]。

1.2 样品采集及处理

调查样地的确定试验于2013年9月进行, 在色季拉山急尖长苞冷杉分布海拔3800m到4400m范围内, 每100m为1个海拔梯度, 共设定7个典型样地, 样地面积30×30m。根据各海拔梯度样地内急尖长苞冷杉的平均高度和胸径选择3棵标准木进行取样。不同海拔梯度样方内急尖长苞冷杉基本形态特征见表 2。

叶片取样在每株已选定的标准木树冠中部外围东、西、南、北4个方向进行取样, 各方向分别取四年生成熟叶片80片, 每株共取320片。将采下的叶片装入自封袋后, 放置于有冰袋的便携式保温箱内, 带回实验室测定各指标。

根系取样采用土钻法取样, 土钻内径10cm, 高10cm。在每株标准木树冠边缘与其树干基部连线的1/2处, 分东、西、南、北4个方向打下土钻, 按照0—20cm、20—40cm、40—60cm进行分层取样, 每个海拔梯度各土层分别取样12个, 共36个样品, 将4个方向的样品按照同一土层进行混合后处理。根系样品浸泡1天后, 用筛孔为0.8mm的筛子反复淘洗使根系与绝大部分的土壤、有机质残渣以及杂质分离。洗净后将根系放入培养皿中, 用镊子捡取所有活的根系 (依据根系颜色、外形、弹性等特征区分)。将获得的活根系装入自封袋依次标记后放入冰箱内保存直至根系扫描时取出。

1.3 各项指标的测定 1.3.1 叶片基本特征及叶绿素含量测定

各海拔分东、西、南、北四个方向选择大小均匀的叶片20片, 用精度为0.02mm的游标卡尺测量叶片长度、宽度、厚度, 求平均值。叶面积测定时各海拔分方向用Epson perfection V700 photo扫描仪扫描叶片后, 通过Leaf Auto Compute软件计算取平均值, 之后将叶片烘干, 称取干重计算比叶重。叶绿体色素含量测定时各海拔分方向将叶片剪碎等量混合均匀, 用丙酮提取后采用分光光度计法测定。

1.3.2 细根形态指标测定

参考国内外的根系分类标准^[15-16], 在本研究中将直径≤2mm的根系归为细根。扫描前, 将各根样按照直径≤2 mm与直径>2mm进行分级处理, 而后应用Epson perfection V700 photo根系扫描系统和WinRhizo根系图像分析系统对直径≤2mm根系进行细根长度、表面积和体积的测定分析。待全部根样扫描完成之后, 将各根样置于烘箱以80℃的温度烘干至恒重, 测定各根样的生物量 (mg/cm³)。将各根样的细根长度、表面积和体积除以取样土体体积即可算出单位土体内各根样的根长密度 (cm/cm³)、表面积 (cm²/cm³) 和体积 (mm³/cm³)；将各根样的细根长度除以其生物量即可算出各根样的比根长 (cm/g)。

1.4 数据分析

用Excel2003软件完成试验数据的计算和图表绘制。采用SPSS 10.0统计软件对各项指标进行单因素方差分析 (One-way ANOVA)。

2 结果与分析 2.1 不同海拔叶片的基本特征

在3800—4400m 7个海拔梯度中, 叶片长度的变异较显著, 在3900—4400m海拔范围内叶片长度除4200m处略有上升, 总体呈逐渐下降的趋势。3900 m处的叶片长度最大 (25.1±0.3) mm, 比最小值 (海拔4400m) 高出40.6%。叶片宽度在3900m处达到最大值2.72mm, 其次为4200m海拔, 其余海拔梯度间叶片宽度的差异不显著。叶片厚度在3800—4200m沿海拔升高呈较为明显的递增趋势, 4200m以上随海拔升高叶片厚度差异不显著。叶片面积从3900—4400m范围内除4200m处略有增加外随海拔增加呈减小趋势, 在3900m时达到最大值 (69.27±2.3) mm², 4400m时叶片面积最小, 仅约为3900m的一半。比叶重随海拔升高存在显著增大的趋势, 在3800—4400m海拔, 比叶重的变化范围为347.96—563.62g/m², 4400m处比叶重最大。

2.2 不同海拔叶片叶绿素含量的变化

在海拔3800—4400m范围内, 急尖长苞冷杉在不同海拔梯度上叶绿素总量和叶绿素a呈现出基本一致的变化趋势, 即上升-下降-上升-下降的变化趋势, 其中在海拔3900m和4200m时出现了两次峰值, 4200m处叶绿素总量和叶绿素a含量均达到最大值。叶绿素b含量在海拔3800—4300m差异不显著, 4400m时叶绿素b含量显著低于其他海拔, 仅为3800m处的1/5。在4200—4400m的海拔梯度内, 急尖长苞冷杉叶绿素a含量和叶绿素b含量随海拔上升逐渐降低, 均在4400m处达到最小值。叶绿素a/b的比值在所测定的海拔范围随海拔上升呈逐渐增加趋势, 其中4400m处二者比值为5.19, 达到最大值。

2.3 不同海拔细根生物量的变异特征

随海拔梯度的增加细根生物量在3900m和4200m处出现两次峰值, 3900m处细根生物量达到最大值, 4400m处冷杉细根生物量显著少于其他海拔。同一土层在不同海拔间其细根生物量变化不同, 且差异显著 (图 3)。0—20cm土层细根生物量随海拔梯度的增加呈现增加-减少-增加-减少的变化趋势, 在3900m和4200m处出现两次峰值, 3900m处细根生物量达到最大值711mg/cm³, 4400m处, 冷杉细根生物量显著少于其他海拔。20—40cm土层细根生物量在4200m处达到最大值, 其次为3900m和4300m, 4400m时该土层的细根生物量不到4200m处的1/10。40—60cm土层的细根生物量在不同海拔间仍差异显著, 3800m和4400m处的细根生物量仅为4000m处的39.3%和17.2%。

同一海拔不同土层的细根生物量随土层深度的增加均呈现出较为明显的减少趋势, 除4400m海拔外, 其余海拔梯度上不同土层的细根生物量均差异显著 (P＜0.05)。4400m海拔处, 20—40cm和40—60cm土层的细根生物量之间差异不显著, 0—20cm土层的细根生物量仍显著大于其余2个土层。各海拔3个土层的细根生物量所占的比例差异较大, 0—20cm土层为急尖长苞冷杉细根的主要分布区, 如3900m处0—20cm细根生物量占3层总量的74.5%。20—40cm和40—60cm土层的细根生物量急剧减少, 4400m处分别仅占3层总量的8.1%和4.7%。

2.4 不同海拔根长密度的变异特征

细根根长密度在海拔3900、4200、4300海拔较高, 三者之间差异不显著, 但显著高于其余海拔梯度, 4400m海拔梯度下细根根长密度均最小。同一土层的细根根长密度在不同海拔间存在差异, 且各土层在不同海拔间的变化趋势趋于一致 (图 4)。0—20cm土层时3900、4200、4300海拔细根根长密度较高, 三者之间差异不显著。20—40cm土层时细根的根长密度分别在3900m处达到最大值, 在4200m处出现第二个峰值。40—60cm土层时细根根长密度同样在4200m处达到峰值。4400m海拔梯度下3个土层的细根根长密度均最小。

不同土层细根根长密度的变化存在差异, 在3800m和4100m海拔处3个土层间差异显著 (P＜0.05), 在其余海拔梯度上表现为一致的变化趋势, 即在0—20cm和20—40cm土层间差异不显著, 而与40—60cm土层存在显著差异。

2.5 不同海拔细根表面积的变异特征

细根表面积在3900m海拔处达到最大值, 显著高于其他海拔, 4200m和4300m次之, 3800、4000m和4400m海拔下细根的表面积相对较小。同一土层的细根表面积在不同海拔间存在差异, 且各土层在不同海拔间的变化趋势基本趋于一致 (图 5)。0—20cm土层时3900m海拔处细根表面积达到最大值, 其次为4200m, 4400m海拔下细根表面积最小。20—40cm土层时细根表面积同样在3900m处达到最大值, 4200m和4300m次之, 4000m时该土层的细根表面积最小。40—60cm土层时急尖长苞冷杉细根表面积在4300m处达到最大值, 其次为3900、4100m和4200m, 该土层在3800、4000m和4400m海拔下细根的表面积相对较小。

各海拔梯度的不同土层上, 细根表面积的变化存在差异, 其中4300m海拔处3个土层间无显著差异, 3800、3900、4200m和4400m海拔时, 0—20cm和20—40cm土层间差异不显著, 而均与40—60cm土层差异显著。4000m和4100m海拔下0—20cm土层细根的表面积与其余2个土层间差异显著 (P＜0.05)。

2.6 不同海拔细根体积的变异特征

测定海拔范围内, 急尖长苞冷杉细根体积在3900m和4200m处出现两次峰值, 4200m处细根体积达到最大值, 4400m处细根体积最小。同一土层在不同海拔梯度上其细根体积变化不同, 且各土层在不同海拔间差异显著 (图 6)。0—20cm土层细根体积随海拔梯度的增加呈现增加-减少-增加-减少的变化趋势, 在3900m和4200m处出现两次拐点, 4200m处细根体积达到最大值0.454mm³/cm³, 4400m处, 冷杉细根体积显著小于其他海拔。20—40cm土层细根体积同样在4200m处达到最大值, 其次为3900、4100m和4300m, 4400m时该土层的细根体积约为4200m处的12.8%。40—60cm土层的细根体积在不同海拔间仍存在差异, 4400m处的细根体积仅为0.022 mm³/cm³。

同一海拔不同土层的细根体积随土层深度的增加均呈现出较为明显的减少趋势, 各海拔梯度上不同土层的细根生物量差异显著 (P＜0.05)。各海拔梯度上不同土层的细根体积呈现出一致的变化趋势, 均为：0—20cm＞20—40cm＞40—60cm。其中0—20cm土层细根体积约占到3层总量的一半, 40—60cm土层细根体积仅为3层总量的10—20%之间。

2.7 不同海拔细根比根长的变异特征

从图 7可以看出, 4400m处细根比根长达到最大值, 同一土层在不同海拔梯度上其细根比根长变化不同, 且各土层在不同海拔间差异显著 (P＜0.05)。0—20cm土层细根比根长在4400m处达到最大值, 在3900m处最小。20—40cm土层细根比根长同样在4400m处达到最大值, 相比较来说, 3900m和4200m海拔时细根比根长较小。40—60cm土层各个海拔的细根比根长均为各自海拔的最大值, 其中3800m处细根比根长最大。

同一海拔不同土层的细根比根长随土层深度的增加均呈现为增加趋势 (图 7)。除4400m海拔外, 其余各海拔40—60cm土层的细根比根长显著高于0—20cm和20—40cm 2个土层, 而后两者间无显著差异。4400m海拔下40—60cm和20—40cm土层间无明显差异, 二者与0—20cm土层间差异显著 (P＜0.05)。

3 结论与讨论 3.1 不同海拔树木叶片的变异

研究地区随海拔梯度的升高, 急尖长苞冷杉叶片叶面积减小、叶片厚度增加、叶绿素含量逐渐降低、比叶重递增。叶片小而厚是植物对干旱和强辐射 (包括UV-B) 胁迫的一种响应, UV-B辐射影响细胞分裂和细胞壁发生, 从而形成较小的细胞, 制约了叶面积的发展^[17-20]。在高海拔地区较小的叶面积和较厚的叶片, 光合能力一般较低, 但可以抵御或避免恶劣环境的胁迫^[21-22]。海拔3900m处急尖长苞冷杉叶片长度、宽度、面积均显著大于其他海拔。随海拔升高叶片厚度和比叶重均表现出增大的趋势。可见, 在高海拔生境恶劣, 可以供给植物利用的资源相对较少, 生长于此环境中的植物比叶重相应的较高, 这样利于植物对高海拔生境的适应, 而在低海拔处植物的叶片较薄, 有利于光的透过和吸收更多的光能, 植物则通过增加叶面积来保持较高的光合能力。高海拔处太阳总辐射和紫外线辐射均增强, 较低的叶绿素含量可减少叶片对光能的吸收^[23], 使植物免受强辐射的损伤^[24]。叶绿素含量随海拔升高而下降, 特别是叶绿素a的含量明显下降, 可见高海拔地区的强辐射、低温等不利环境因子使得植物体内的酶活性等相对较低, 从而降低植物光合作用转化光能的速率, 而高海拔辐射增强, 叶绿素a含量的降低可以减少植物体内叶绿素对光能的吸收以降低光合作用的压力, 从而避免潜在的光抑制和过氧化^[25]。

3.2 不同海拔细根的变异

在海拔梯度上急尖长苞冷杉的细根生物量和根系体积在3900m出现峰值, 4200m处出现第二峰值, 结合其叶片特征分析认为在3900m处急尖长苞冷杉叶面积最大, 叶绿素含量较高, 植物具有较高的光合作用, 必然需要更好的根系生长以吸收水分、养分进而为光合作用提供物质保证。海拔4200m林分向林线过渡, 郁闭度下降, 灌丛发达, 群落结构为杜鹃冷杉林, 盖度达到80%^[26], 由于盖度较高导致土壤温湿度等条件相对有所改善。细根根长密度、表面积在20—40cm和40—60cm显著提高。细根比根长在同一海拔不同土层间随土层深度的增加呈现明显的增加趋势。各海拔40—60cm土层的细根比根长显著高于20—40cm和0—20cm 2个土层。由于青藏高原土壤发育年轻, 研究区域土层较薄, 所以根系生物量集中分布在0—20cm土层。20cm以下由于石砾含量增加, 根系盘结, 导致其根长密度和根系表面积明显增加。随土层厚度的增加, 7个海拔梯度下急尖长苞冷杉的细跟生物量和根系体积在0—60cm土层范围内均逐渐减小。这与有关细根的诸多研究相一致^[27-32]。其原因可能是林地内表土层土壤温度、水分等条件适宜^[33], 加之表层腐殖质的存在是的土壤养分丰富而充足所致^[34]。可见土壤资源有效性是导致冷杉细根表现出明显的垂直分布。

高山地区海拔梯度造成的温度、水分、光照、土壤等环境异质性对植物的叶片、根系在形态和生理特征上产生着很大影响。国内外众多研究显示其与海拔之间存在着各种线性和非线性的关系^[35-37]。这些研究对进一步认识森林植被与海拔、气候之间的相互关系, 评估气候变化对森林树种分布影响具有重要的意义。本研究中色季拉山急尖长苞冷杉叶片和根系的各指标, 在海拔梯度3800—4400m范围内, 3900m和4200m海拔处急尖长苞冷杉生长较好, 3900m处生长最旺盛。另在海拔4200—4400m, 根系活力随着海拔上升而减弱, 在4400m处最低。结合环境温度、光照、林分条件等因素分析认为3900m海拔时的条件最适宜急尖长苞冷杉的生长。