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全球气候变化引发降水模式改变和气温升高,导致极端事件变得更加频繁、强烈和持续时间更长[1]。干旱区是全球生态系统最脆弱的区域之一,也是响应气候变化的敏感区域,因此植物的生理特征、形态结构、生物量等功能性状极易受到环境改变的影响,因此,评估干旱区植物功能性状的变化有助于了解植物对干旱环境变化的响应以及资源的利用策略[2-3]。由于长时间暴露在不断变化的自然环境之中,固着生长的植物可通过表型、生理和遗传等方面的有效进化以适应环境因子的改变[4-6]。大量研究表明,植物功能性状是全球生态系统对气候变化的可度量特征,植物可以通过其自身功能性状的改变来适应外界环境波动的影响[7],这对研究生态系统功能响应环境变化具有重要意义[8-9]。叶片是植物光合作用的主要器官,是生态系统中主要物质的能量转换器[10-11],促进大气-植物系统的能量交换[12]。叶片性状通过影响植物生长、繁殖和存活而间接影响植物适应性的形态、生理和物候特征[13],可作为连接植物与环境的纽带 [14],通常被用于解析植物与植物之间、植物与环境之间的相互作用[15-16]。已有研究表明株高(H)、叶面积(LA)、比叶面积(SLA)、叶片干物质含量(LDMC)、叶片氮含量(N)等功能性状的改变能够直观地反映物种对气候变化的响应,有效减缓或者遏制环境因素造成的不利影响[17-20]。
中间锦鸡儿(Caragana intermedia Kuang et H. C. Fu)根系发达、叶片小且多具被毛,有良好的保水作用和较强的适应性和抗逆性,是我国北方干旱半干旱地区植被恢复、防风固沙和水土保持的先锋树种。同时,该物种也是优良的饲料植物,生态和经济价值突出[21-23]。目前关于该物种的研究主要集中在生长特性[24]、形态解剖[25]、遗传多样性[26]、非生物胁迫相关基因功能验证和根际间微生物的功能多样性[27]等方面。有研究发现,随着中间锦鸡儿种植年限的增加,生态系统功能会受到功能性状的影响,其中基径、单株枝干质量、单株叶干质量对地上生物量均具有重要响应[28]。但关于不同种植年限中间锦鸡儿叶片形态与结构功能性状的研究报道较少,基于此,本研究以4个不同种植年限中间锦鸡儿人工林为研究对象,通过解析中间锦鸡儿叶片形态与结构性状随着种植年限增加的变化特征及规律,探究各叶片功能性状之间的组合与权衡,为探明中间锦鸡儿响应环境变化的生存策略提供理论依据。
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由表1可知,25 a中间锦鸡儿LL显著高于16、34、46 a(p<0.05),34 a中间锦鸡儿LL显著高于16、46 a,而16 a与46 a中间锦鸡儿LL并无显著差异(P<0.05)。25 a和34 a中间锦鸡儿LW显著高于16 a与46 a(P<0.05)。25 a中间锦鸡儿LFW、LDW显著高于16 a与46 a,与34 a中间锦鸡儿LFW、LDW并无显著差异(P<0.05)。25 a中间锦鸡儿LA显著高于16、34、46 a(P<0.05)。25 a中间锦鸡儿的SLA显著高于16、34 a,与46 a之间并无显著差异(P<0.05)。46 a中间锦鸡儿LDMC显著高于16、25、34 a,但16、25、34 a之间LDMC并无显著差异(P<0.05)。随着种植年限的增加,LL、LW、LFW、LDW、LA均呈现出先升高后降低的趋势,整体表现出25 a>34 a>16 a>46 a的生长趋势。
叶片形态性状
Leaf morphological traits种植年限 Planting years/a 16 25 34 46 叶长 LL/cm 0.89 ± 0.18 c(20.64%) 1.36 ± 0.19 a(13.64%) 1.08 ± 0.14 b(13.32%) 0.84 ± 0.15 c(17.64%) 叶宽 LW/cm 0.35 ± 0.08 b(23.40%) 0.52 ± 0.11 a(21.47%) 0.45 ± 0.08 a(18.59%) 0.30 ± 0.03 b(8.75%) 鲜质量 LFW/g 2.39 ± 0.95 b(39.63%) 3.78 ± 1.67 a(44.27%) 2.92 ± 0.94 ab(32.05%) 1.13 ± 0.33 c(29.44%) 干质量 LDW/g 1.13 ± 0.44 c(38.73%) 1.75 ± 0.82 a(46.98%) 1.48 ± 0.42 ab(28.59%) 0.71 ± 0.21 c(29.53%) 叶面积 LA/cm2 51.74 ± 19.70 c(38.09%) 108.10 ± 31.95 a(29.56%) 72.93 ± 18.11 b(24.83%) 39.78 ± 8.56 c(21.53%) 比叶面积 SLA/(cm2·g−1) 50.25 ± 19.90 b(39.61%) 66.50 ± 12.63 a(18.99%) 50.24 ± 7.03 b(14.00%) 59.37 ± 15.95 ab(26.87%) 叶片干物质含量 LDMC/(g·g−1) 0.48 ± 0.04 b(7.57%) 0.46 ± 0.05 b(10.79%) 0.51 ± 0.04 b(7.85%) 0.63 ± 0.10 a(15.76%) 注:数据为均值 ± 标准误(变异系数),每组数据重复5次;不同小写字母代表不同种植年间性状差异显著性(P<0.05)。
Note: The data are mean ± standard error(coefficient of variation), repeat each data set 5 times; different lowercase letters indicate significant differences among different planting years(P<0.05).LL,leaf length.LW,leaf width.LFW,leaf fresh weight.LDW,leaf dry weight.LA,leaf area.SLA,specific leaf area.LDMC,leaf dry matter content.Table 1. Morphological traits of Caragana intermedia leaves in different planting years
不同种植年限中间锦鸡儿叶片形态性状存在一定程度的变异特征。LFW、LDW和LA的变异系数明显高于其他叶片性状。16 a中间锦鸡儿叶片形态的总功能性状变异系数明显大于25、34、46 a,其中16 a中间锦鸡儿的LFW、LDW、LA和SLA为强变异(38.09%~39.63%),25 a中间锦鸡儿的LFW、LDW为强变异(44.27%~46.98%),LL、LW、LDMC均为弱变异或中等变异。
由表2和图2可知,LT、PT/ST、UEH、LEH、US、LS、LSA之间均无显著差异(P<0.05)。34 a中间锦鸡儿VB显著高于46 a(P<0.05),而与16、25 a之间无显著差异(P<0.05)。34 a中间锦鸡儿叶片的USA显著高于16 a与46 a,而与25 a之间并无显著差异(P<0.05)。
叶片结构性状
Leaf structural traits种植年限 Planting years/a 16 25 34 46 叶片厚度LT/mm 0.21 ± 0.03(14.58%) 0.22 ± 0.03(13.34%) 0.20 ± 0.02(11.73%) 0.22 ± 0.03(13.34%) 栏海比PT/ST 2.98 ± 0.80(29.97%) 2.02 ± 0.28(13.77%) 2.07 ± 0.61(26.31%) 2.84 ± 1.03(36.35%) 主脉维管组织宽VB/mm 0.16 ± 0.05ab(29.75%) 0.18 ± 0.03ab(15.66%) 0.21 ± 0.02a(7.53%) 0.16 ± 0.03b(19.01%) 上层表皮毛密度UEH/(个·mm−2) 270.80 ± 38.62(14.26%) 302.00 ± 73.83(24.45%) 280.00 ± 26.32(9.40%) 302.00 ± 39.54(13.09%) 下层表皮毛密度LEH/(个·mm−2) 232.60 ± 26.35(11.33%) 242.60 ± 78.89(32.52%) 175.60 ± 63.11(35.94%) 257.60 ± 58.26(22.62%) 上层表皮气孔密US/(个·mm−2) 161.00 ± 124.65(77.42%) 135.80 ± 49.19(36.22%) 164.60 ± 44.94(27.30%) 203.40 ± 109.29(53.73%) 下层表皮气孔密LS/(个·mm−2) 174.60 ± 137.95(79.01%) 116.00 ± 27.71(23.89%) 115.60 ± 60.26(52.13%) 176.00 ± 96.01(54.55%) 上层表皮气孔面积USA/μm2 172.93 ± 23.78b(13.75%) 183.31 ± 10.77ab(5.87%) 211.35 ± 23.01a(10.89%) 163.23 ± 30.34b(18.59%) 下层表皮气孔面积LSA/μm2 201.46 ± 29.05(14.42%) 212.39 ± 23.11(10.88%) 231.91 ± 51.23(22.09%) 207.77 ± 28.80(13.86%) 注:数据为均值 ± 标准误(变异系数),每组数据重复5次;不同小写字母代表不同种植年间性状差异显著性(P<0.05)。 Note: The data are mean ± standard error (coefficient of variation) , repeat each data set 5 times; different lowercase letters indicate significant differences among different planting years(P<0.05).LT,leaf thickness.PT/ST,palisade tissue/sponge tissue.VB,wide of vascular bundles.UEH,upper epidermal hair.LEH,lower epidermal hair.US,upper stomatal.LS,lower stomatal.USA,upper stomatal area.LSA,lower stomatal area. Table 2. Structural traits of Caragana intermedia leaves in different planting years
不同种植年限中间锦鸡儿叶片结构性状存在一定程度的变异特征。US和LS的变异系数显著高于其他叶片性状。16 a中间锦鸡儿各项叶片结构功能性状变异系数明显大于25、34、46 a,其中16 a和46 a中间锦鸡儿叶片的US、LS为强变异,分别为77.42%~79.01%和53.73%~54.55%,25 a中间锦鸡儿叶片的US为强变异(36.22%),34 a的LEH、LS为强变异(35.94%、52.13%),其余LT、PT/ST、VB、UEH、USA和LSA均为弱变异或中等变异。
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叶片形态性状间存在显著的相关性,且各形态性状之间联系紧密。由图3可知,LL、LW、LFW、LDW、LA两两间呈极显著正相关(P<0.01); SLA与LL呈显著正相关(P<0.05), SLA与LDW之间呈显著负相关(P<0.05),与其他性状之间不存在显著相关关系;LDMC与LL、LFW、LA呈极显著负相关(P<0.01),与LW、LDW呈显著负相关(P<0.05),与SLA之间不存在显著相关关系。
Figure 3. Correlation between leaf morphological and structural traits of Caragana intermedia in different planting years
叶片结构性状间存在显著的相关性,但各结构性状之间联系不紧密。由图3 可知,PT/ST与UEH呈显著负相关(P<0.05);UEH与LEH呈极显著正相关(P<0.01),与US显著正相关(P<0.05);US与LS呈极显著正相关(P<0.01)。LEH与LSA呈极显著负相关(P<0.01)。
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在植物叶片功能性状的主成分分析中(表3、4),不同种植年限中间锦鸡儿叶片形态性状指标与结构性状指标存在不同的表现,由表3可知,叶片形态形状的PCA分析得到3个主成分特征值大于1,累计方差贡献率达95.752%,说明这3个主成分能够反映7个指标的绝大部分信息。PC1贡献率为64.55%,贡献较大的为LL、LW、LFW和LDW,PC2贡献率为20.341%,贡献较大的为SLA,PC3贡献率为10.861%,贡献较大的为LDMC。
指标
Indices主成分1
Principal component 1主成分2
Principal component 2主成分3
Principal component 3叶长 LL 4.966 0.683 0.228 叶宽 LW 4.998 0.276 0.567 鲜质量 LFW 5.291 0.400 0.491 干质量 LDW 5.095 −0.812 −0.250 叶面积 LA 4.923 −1.050 0.193 比叶面积 SLA 0.268 2.431 0.308 叶片干物质含量 LDMC −2.977 −0.592 2.124 特征值 Eigenvalue 4.519 1.424 0.760 贡献率 Contribution rate/% 64.550 20.341 10.861 累计贡献率 Accumulative contribution rate/% 64.550 84.891 95.752 Table 3. Leaf morphological traits principal component factor loading, coefficient eigenvalues and variance contribution rates
由表4可知,叶片结构形状的PCA分析得到3个主成分特征值大于1,累计方差贡献率达72.488%,说明3个主成分能够反映9个指标的绝大部分信息。PC1贡献率为29.669%,贡献较大的为LEH,PC2贡献率为25.712%,贡献较大的为US和LS,PC3贡献率为17.107%,贡献较大的为UEH。
指标
Indices主成分1
Principal component 1主成分2
Principal component 2主成分3
Principal component 3叶片厚度 LT 0.657 −3.615 0.904 栏海比 PT/ST 1.099 −1.664 −3.273 主脉维管组织宽 VB −2.967 −0.266 2.162 上层表皮毛密度 UEH 2.351 1.376 2.885 下层表皮毛密度 LEH 3.799 −0.719 1.386 上层表皮气孔密度 US 1.952 3.837 −0.047 下层表皮气孔密度 LS 2.223 3.088 −1.700 上层表皮气孔面积 USA −3.244 2.501 0.702 下层表皮气孔面积 LSA −3.612 0.921 −0.975 特征值 Eigenvalue 2.670 2.314 1.540 贡献率 Contribution rate/% 29.669 25.712 17.107 累计贡献率 Accumulative contribution rate/% 29.669 55.381 72.488 Table 4. Leaf structure traits principal component factor loading, coefficient eigenvalues and variance contribution rates
Differences in Leaf Functional Traits of Caragana intermedia Planted in Different Years
- Received Date: 2023-03-03
- Accepted Date: 2023-04-03
- Available Online: 2023-08-20
Abstract: