王树森, 孟凡旭, 赵波, 闫洁, 程冀文,马迎梅, 郭宇, 何英志, 铁英, 张波

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院, 内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室, 荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室, 呼和浩特 010018; 2.亿利资源集团, 北京 100031; 3.内蒙古农业大学草原与资源环境学院, 呼和浩特 010018; 4.内蒙古和盛生态育林有限公司, 呼和浩特 011517;5.内蒙古和盛生态科技研究院有限公司, 呼和浩特 011517)

干旱是抑制植物生长和恢复的环境因素之一[1]，不仅影响植物各营养器官的形态特征，而且影响植物生长的生理特征。干旱环境下植物经过长期自然选择，形成丰富的耐旱形态解剖结构。叶片的解剖结构特征是反映植物对干旱生境适应能力的一个非常重要的方面，是树木抗旱性综合评定必不可少的一部分。

在适应外界环境过程中，叶片是植物暴露在地面环境中最多的器官，是高等植物进行光合作用的重要器官，对环境因子的变化非常敏感，具有较大的变异性和可塑性[2-3]，其结构和特征最能体现环境因子对植物的影响或植物对环境的适应性[4-5]。植物抗旱性表现为叶面积明显缩小[6-7]或叶片表皮密被各种表皮毛[8]。植物叶片抗旱性解剖结构表现为细胞体积减小、单位面积的气孔数目增加、栅栏组织更加发达、海绵组织较不发达[9]，表皮厚度对水分蒸发有着重要影响[10-11]。叶片厚度、角质层厚度和木质部面积是影响植物水分保存的重要结构，栅栏组织与海绵组织影响着植物的光合作用[12]。植物叶脉表现为具有比较密集的维管束，且维管组织发达以增强植物的疏导能力和支撑能力；另外，主脉宽度决定着植物水分输送，增加叶片主脉厚度、导管直径以及导管密度，提高疏导水分的能力，从而提高植物对干旱的抵御和适应能力[13]。

对比单个植物不同时段解剖结构的抗旱性往往存在差异性[4]，同时开展多个植物间抗旱结构的差异性对比及多指标综合分析植物抗旱性，不仅能够反映该地区群体植物抗旱性，而且是避免这种差异性的重要方式。因此，本研究通过对内蒙古大青山阳坡5种灌木叶片形态解剖结构进行对比研究，从叶片的结构特征角度对树种的抗旱性、生态适应性进行系统研究和评价，并采用隶属函数法对各植物的抗旱性进行分析，以期为研究大青山阳坡植物的抗旱机制提供解剖学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大青山位于内蒙古自治区中部包头市、呼和浩特市、乌兰察布市一线以北。地势西高东低，北缓南陡，东西长300 km，南北宽约40 km。该区属典型中温带半干旱大陆性季风气候，主要气候特点是冬季寒冷且持续时间长，夏季温热且持续时间短，春季干旱且大风天气出现频繁，秋季日光充足。年降水量在350～500 mm之间，主要集中在7、8月份。蒸发量是降水量的4倍左右[14]。大青山的土壤成垂直带谱分布，从下到上为山地栗钙土-山地典型棕褐土-山地淋溶褐土-山地草甸土。大青山的森林覆盖率大，有乔木12科40种、灌木22科87种、草本65科731种。

1.2 试验及检测方法

试验材料于2017年7月采集于内蒙古大青山阳坡(东经110°46′～111°28′，北纬40°42′～40°56′)，选取虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、黄刺玫(Rosaxanthina)、柄扁桃(Prunuspedunculate)、小叶鼠李(Rhamnusparvifolia)、灌木铁线莲(Clematisfruticosa)5种灌木树种。每种植物选取长势相近的3株，每株取树冠中上部南向生长正常且无病虫害的植株叶片20片，分别切取包含主脉0.25 cm2(0.5 cm×0.5 cm)小块，蒸馏水清洗，FAA 固定、乙醇梯度脱水、二甲苯透明、石蜡包埋、切片、烘干、脱蜡、梯度复水、染色封片[15-16]。每种植物选取5个各形态指标保存较好的切片在MOTICEB-81BF光学显微镜(厦门麦克奥迪销售有限公司)数码显微拍照。用Motic Images Plus 2.0(厦门麦克奥迪销售有限公司)测定植物叶片厚度、角质层厚度、上表皮厚度、上表皮细胞长和宽、下表皮厚度、下表皮细胞长和宽、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅海比、叶片组织结构紧密度、叶片组织结构疏松度13个指标数值，所有数据均为每个切片中5个视野的平均值，5次重复。

栅海比=栅栏组织厚度/海绵组织厚度

叶片组织结构紧密度(CTR)=栅栏组织厚度/叶片厚度×100%

叶片组织结构疏松度(SR)=海绵组织厚度/叶片厚度×100%

1.3 数据处理

数据均采用Microsoft excel 2007进行整理和分析。并利用模糊数学隶属函数值法[17]对大青山阳坡5种灌木抗旱性强弱进行比较，当指标与抗旱性成正相关时，隶属函数公式如式(1)；当指标与抗旱性成负相关时，隶属函数公式为式(2)。

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

(1)

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

(2)

式中,U(Xi)为某树种某一耐旱指标的隶属函数值，Xi为该项抗旱指标值，Xmax和Xmin分别为5个树种间该项抗旱指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 五种灌木叶片厚度和表皮厚度

叶片厚度在一定程度上能反应出植物对环境的适应性，叶片越厚贮藏水分能力越强[18]。由表1可知，灌木铁线莲的叶片厚度最大，为319.30 μm，虎榛子、小叶鼠李、柄扁桃、黄刺玫的叶片厚度分别为灌木铁线莲的71.10%、68.25%、64.27%、42.08%。发达的角质层可以减少叶片的蒸腾作用，减少叶片水分的流失，角质层还可以反射强光[4]。5种植物角质层厚度小叶鼠李最大，为5.06 μm，灌木铁线莲、柄扁桃、黄刺玫、虎榛子分别是小叶鼠李的93.87%、79.64%、65.22%、27.67%。5种植物的上下表皮均由一层表皮细胞构成，细胞之间排列都很紧密，上表皮厚度最大为柄扁桃，数值为28.11 μm，灌木铁线莲、虎榛子、小叶鼠李、黄刺玫分别是柄扁桃的92.89%、89.93%、61.65%、54.11%。下表皮厚度最大为虎榛子数值为21.48 μm，灌木铁线莲、柄扁桃、黄刺玫、小叶鼠李分别是虎榛子的98.56%、80.73%、67.69%、64.53%。

表1 5种灌木叶片保护组织厚度Table 1 Thickness of protective tissues in 5 shrubs leaves μm

2.2 五种灌木叶片叶肉组织结构

5种植物的叶肉组织均由栅栏组织和海绵组织构成，由表2可知，灌木铁线莲的栅栏组织厚度最大，为83.70 μm，小叶鼠李、虎榛子、柄扁桃、黄刺玫分别为灌木铁线莲的95.94%、81.35%、75.32%、45.48%；海绵组织厚度小叶鼠李最大，为128.73 μm，灌木铁线莲、虎榛子、柄扁桃、黄刺玫分别是小叶鼠李的97.50%、78.14%、57.75%、35.73%。栅海比是评价植物抗旱性的重要指标之一，栅海比越大，则说明植物抗旱性越好[11]。栅海比最大的是黄刺玫，数值为1.06 μm，柄扁桃、虎榛子、小叶鼠李、灌木铁线莲，分别是黄刺玫的81.13%、64.15%、56.60%、52.83%。叶片组织结构紧密度和疏松度表示叶片栅栏组织、海绵组织相对于叶片厚度的重要指标，对抗旱性也有重要的意义，叶片组织结构紧密度越大，栅栏组织占整体叶片厚度的百分比就越大，抗旱性越强；叶片组织结构疏松度越小，表明海绵组织整体叶片厚度的百分比越小，同样也表现出优越的抗旱性[19]。叶片组织结构紧密度最大为柄扁桃，值为30.97%，虎榛子、黄刺玫、小叶鼠李、灌木铁线莲，分别是柄扁桃的97.09%、95.22%、92.15%、85.15%。叶片组织结构疏松度最大为小叶鼠李，为47.38%，虎榛子、灌木铁线莲、柄扁桃、黄刺玫分别为小叶鼠李的93.7%、82.8%、76.92%、65.62%。总体来看，黄刺玫的海绵组织厚度和叶片组织结构疏松度最低，而栅海比最高，表现出优异的抗旱特性。

表2 5种灌木叶片叶肉组织解剖结构特征Table 2 Anatomical features of mesophyll of 5 shrubs leaves

2.3 五种灌木叶片维管组织

发达的主脉具有良好的水分、养分输送功能和保水，贮水作用，主脉越厚植物抗旱性越强[10]。由表3可知，主脉宽度最大为虎榛子，为244.58 μm，小叶鼠李、黄刺玫、柄扁桃、灌木铁线莲分别是虎榛子的68.27%、52.99%、41.92%、29.99%。导管越宽输导水分的能力就会越好，植物对干旱的抵抗和适应能力越强[17]。导管孔径最大为灌木铁线莲，为9.66 μm，小叶鼠李、虎榛子、黄刺玫、柄扁桃分别是灌木铁线莲的95.65%、73.40%、62.53%、57.87%。韧皮部面积黄刺玫最大，值为2 063.30 μm2，小叶鼠李、虎榛子、灌木铁线莲、柄扁桃分别是黄刺玫的93.41%、76.86%、34.74%、9.26%。木质部面积最大为虎榛子，值为3 662.03 μm2，柄扁桃、黄刺玫、小叶鼠李、灌木铁线莲分别是虎榛子的37.88%、30.19%、18.22%、8.88%。由以上分析可知，虎榛子在主脉宽度和木质部面积方面表现突出，而灌木铁线莲、小叶鼠李导管孔径较大，表明3种植物输水效率较高。

2.4 五种植物抗旱性综合评价

综合杨小玉[17]和潘昕等[18]的研究发现叶片厚度、角质层厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉宽度、木质部面积6个指标常被用于植物抗旱性评价。其中，叶片厚度越厚，植物叶片的储水能力越强，抗旱性也就越强；5种植物中灌木铁线

表3 5种灌木叶片维管组织解剖结构特征Table 3 Anatomical features of leaf vascular tissues of 5 shrubs

莲的叶片厚度值最高，为319.30 μm，与其他4种植物存在显著差异，说明灌木铁线莲叶片的蓄水能力要远大于另外4种植物。角质层越厚，角质层阻止叶片的蒸腾作用越明显，叶片水分流失变慢；小叶鼠李角质层厚度为5.06 μm，在4种植物中阻止蒸腾的作用最强。栅栏组织越厚，植物水分的蒸腾作用会减慢，而光合作用会加强；灌木铁线莲栅栏组织厚度达到83.70 μm，较厚的栅栏组织可以使灌木铁线莲具有较强的光合作用。海绵组织越厚，抗旱性越差；而小叶鼠李海绵组织较厚，值为128.73 μm，在此方面表现较差。主脉越宽，植物越容易进行养分输送和保水；各植物中虎榛子主脉宽度可达244.58 μm，输水保水能力最强。木质部面积越大，植物的保水能力越强；虎榛子木质部面积最大，值为3 662.03 μm2。进一步说明其具有较好的保水能力。综上可知，5种灌木的各项指标排序的变化不是一致的，这反映了植物对干旱胁迫的多种适应途径。因此，选取试验过程中所测定的5种灌木的6个抗旱指标，运用隶属函数值法对5种灌木进行抗旱性综合评价，以反映每个物种的综合抗旱能力。

根据表4评价结果可知：5种灌木的抗旱能力由强到弱依次为：虎榛子(0.64)>灌木铁线莲(0.56)>小叶鼠李(0.51)>柄扁桃(0.46)>黄刺玫(0.36)。根据分析结果可知，从叶片解剖结构方面比较 5种灌木中虎榛子的抗旱性最强，黄刺玫最弱。

表4 5种灌木叶片隶属函数值Table 4 Values of membership functions of 5 shrubs leaves

3 讨论

大青山阳坡干旱少雨，蒸发量大。坡面的植物已经适应这种干旱胁迫的环境，形成了抵抗干旱胁迫的形态及生理特征。叶片是植物暴露在地面环境中最多的器官，也是植物进化中对环境变化敏感性与可塑性较大的器官，其结构特征最能体现出植物对环境变化的适应性[19-20]，因此，解析叶片的解剖结构特征是综合评价树木抗旱性必不可少的一部分[21]。本研究发现，5种灌木叶片形态具有相似的旱生结构。灌木铁线莲的叶片厚度和小叶鼠李的角质层厚度均高于其他植物，两种植物在此方面抗旱性表现优异。叶片厚度增加利于减少叶片蒸腾面积以提高抗旱性。李春阳等[22]也研究得出旱生植物具有机械组织较为发达、表皮往往有多层细胞等特征以减少水分散失的结论。

干旱地区植物叶片上表皮厚度、下表皮厚度与其他降雨量相对较大地区相比[10-11,23]有明显变厚的现象。本研究发现黄刺玫的海绵组织厚度和叶片组织结构疏松度最低，而栅海比最高，表现出优异的抗旱特性。但是，在使用隶属函数对叶片抗旱性综合评价中发现，黄刺玫在所研究的5种灌木中，抗旱性能最差，这说明大青山阳坡地区主要灌木树种均有一定的抗旱性结构，而黄刺玫的抗旱性结构仅表现在较薄的海绵组织厚度上。薛智德等[9]和王胜琪[12]在对延安燕沟黄刺玫叶片解剖结构进行分析时，发现黄刺玫的上表皮和下表皮厚度与本研究结果相似，而海绵组织厚度明显大于本研究结果。通过查阅文献发现，该地区多年平均降水量为563.5 mm，略大于大青山阳坡地区，这说明不同降雨条件下黄刺玫叶片表皮厚度的变化不是很明显，黄刺玫是通过减少海绵组织的厚度来达到增强抗旱性能的。

栅栏组织、主脉发达[11,13,24]，光合作用强，水分与养分输送能力强，有利于适应干旱环境[22]。5种植物的维管组织比较发现虎榛子在主脉宽度和木质部面积方面表现突出，而灌木铁线莲、小叶鼠李导管孔径较大，表明3种植物通过提高维管组织输水效率而表现出较强的抗旱性。王怡[8]对青海地区虎榛子叶片解剖结构研究发现其角质层要略大于本研究的结果，而上表皮、下表皮厚度小于本研究结果，说明可能由于青海地区特殊的地理环境，虎榛子叶片表皮结构抗旱性更强。王胜琪[12]在对黄土高原乡土树种叶片抗旱性形态及解剖结构特征的研究中发现虎榛子的薄壁细胞排列成2～3层，周围与栅栏细胞紧密连接。而在本研究中发现，大青山阳坡地区虎榛子薄壁细胞为一层，并且薄壁细胞排列紧密。表明由于黄土高原地区降雨量少土质差，导致虎榛子抗旱性更为优异。田英等[11]在研究西北地区灌木的抗旱性时，发现柄扁桃的叶肉组织主要由栅栏组织构成，栅栏组织厚约71.56 μm，占叶片厚度的50.86%，海绵组织所占比例很小。与本研究结果(栅栏组织占叶片厚度的30.97%、海绵组织占叶片厚度的36.47%)有差距，说明该地区的柄扁桃相较于大青山地区柄扁桃在叶片组织结构方面抗旱性更强。但是，西北地区柄扁桃的上下表皮厚度明显小于本研究结果，这也说明不同地区同一物种对干旱的适应方式也是多样的；同时，在分析植物的旱生结构时，不能只根据某一个或少数几个指标来评判，而应对多个指标进行综合考虑和分析。本研究根据隶属函数值得出5种植物抗旱性排序为：虎榛子>灌木铁线莲>小叶鼠李>柄扁桃>黄刺玫。研究结果为研究大青山阳坡植物的抗旱机制提供解剖学依据。