刘远瞻，徐 晓，刘 浩，李 博，聂 明

(复旦大学 生命科学学院 生物多样性与生态工程教育部重点实验室，上海 200438)

植物个体能够通过改变自身的形态或某些性状来适应环境条件的变化，这种能影响生态系统功能的植物形态、生理或物候特征称为功能性状[1-2].功能性状简单易测，能够将植物个体、环境因子和生态系统过程与功能紧密联系起来[3]，有研究指出叶片功能性状之间的联系和协同变化能够反映植物资源的权衡策略[4].其中叶面积作为典型的功能性状，能够直接影响植物利用光合固碳的能力，同时反映植物的形态特征和生物量[5]；比叶面积则与叶片厚度和干物质含量有关，一般而言比叶面积和干物质含量负相关[6]，它们与资源获取和叶片寿命有较强的联系[7-8]；叶片的碳氮磷含量能反映叶片生理功能和利用资源的偏向性[9].这些叶片功能性状及其相互关系能体现植物应对环境变化的策略和利用资源的能力[10].

研究叶片功能性状的空间变异规律有助于揭示植物种群或群落环境的适应机制.已有研究多关注叶片功能性状在不同空间尺度下的差异性，来探讨其主要驱动因素.比如，对天山云杉叶片功能性状沿海拔梯度变化的研究，证实了其主要驱动因子是土壤含水量和氮含量[11].同时，研究功能性状在时间尺度上如何响应环境变化也成为揭示植物环境适应机制的重要途径.比如，一项鼎湖山的森林群落研究表明，演替早期群落水平的物种平均光合速率显著高于演替晚期[12].此外，也有部分研究从生理生态学角度研究叶片功能性状适应环境变化的机制，比如探讨全日照条件下盆栽植物叶片光合可塑性的生理学机制[13].这些局域尺度的研究对探讨单个物种响应环境变化的机制和物种保护具有重要作用，但不同植被功能区系和生态系统的气候和土壤条件往往差别较大，小尺度的研究很难反映植物叶片功能性状响应环境变化的一般规律.因此，叶片功能性状在较大地理尺度上响应环境变化的研究也逐渐展开[14-16]，比如，一项全球尺度的研究指出，植物叶氮和叶磷含量随温度的降低而增加[15].另外，也有研究探讨全球范围内叶片氮、磷含量和比叶面积与土壤因子的关系等[16].研究叶片功能性状在大尺度的空间变异规律可能有利于深入了解植物与环境间的关系.

滨海盐沼(以下简称“盐沼”)是一类处于海陆过渡区的潮间带湿地生态系统，其被认为是单位面积生态服务价值最高的生态系统之一[17]，为人类提供了重要的生态系统服务功能，如消浪促淤、水质净化以及碳汇等[18].中国东海岸盐沼广泛分布着芦苇等土著植物，这些土著植物对维持生物多样性和生态系统功能具有重要作用[19-20].然而近40年来，外来物种互花米草的入侵逐渐限制芦苇等土著植物的生长，并且快速扩散成为广泛分布于整个中国东海岸盐沼的重要单优势种群[21-22].互花米草入侵改变了底栖动物和鸟类的栖息地[23]，影响了盐沼的生态系统过程和格局，削弱了滨海湿地的生态服务功能[24-26].已有研究表明，中国东海岸典型盐沼(芦苇和互花米草)生产力的单峰纬度格局主要由外源养分驱动形成，而且外源养分对互花米草的促进作用更强，从而加速其在中国东海岸的进一步入侵[27].此外，有研究表明植物入侵是一系列功能性状和环境因子相互作用的结果[28].通过对入侵种的生物地理学研究及其与本地种的比较研究有望揭示影响植物入侵性的功能性状[29].当前，地理尺度的植物功能性状研究多关注互花米草[30]，较少关注土著植物，使得无法进行入侵种和土著种功能性状纬度变异的对比，制约了我们对入侵相关功能性状响应环境变化的认识.相比海三棱藨草和碱蓬等其他土著植物，芦苇在中国滨海盐沼的优势程度更高，南北分布范围更广，更适合进行纬度变异研究.因此，我们沿中国东海岸进行了互花米草和芦苇的取样调查，对比研究了土著植物芦苇和入侵植物互花米草叶片关键功能性状(叶面积、比叶面积、干物质含量以及碳氮磷含量)的纬度变异规律，以期解释互花米草成功入侵的可能机制.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

在2016年植物生长旺季于中国东海岸10个典型盐沼湿地进行了跨地理区域的野外采样，横跨约20个纬度(21°～40° N)，年均温变化范围为9.2～23.2℃(表1).在所有10个盐沼中，互花米草均有分布，包括雷州、北海、云霄、福州、温州、崇明、盐城、东营、天津及盘锦；而芦苇只分布在除雷州和天津外的其他8个盐沼(图1)，采样点间的潮差没有显著性差异[27].

图1 中国东海岸盐沼采样点示意图Fig.1 Map of sampling locations along the coastal saltmarshes of China

表1 中国东海岸盐沼的样点与年均温信息Tab.1 Sampling information and mean annual temperature along the coastal saltmarshes of China

1.2 样方设置和样品采集

在每个典型盐沼中，随机选取3～5个相距300～500m的样点，具体样点个数见表1.互花米草的样点均位于高程相似的低潮滩，而芦苇样点则位于中潮滩或高潮滩，并保证采样地没有其他土著植物.若在斑块状盐沼中设置采样点，则斑块直径应大于10m.在每个样点，随机布设3个相距3～5m的50cm×50cm 的样方.

在每个样方内，随机挑选10株成熟个体分株，每株选取3片成熟、健康的叶片置于4℃冰盒防止卷曲，带回室内进行叶片功能性状的分析(包括叶面积、比叶面积、干物质含量以及碳氮磷含量).然后用土钻随机采集4份0～30cm的沉积物样品，用于理化性质分析(包括土壤盐度、水分、无机氮以及有效磷).取样结束后，尽快将样品运送至实验室于-20℃冰箱保存.

1.3 叶片功能性状的测定及估算

将每个样方的新鲜叶片(n=30)擦净后，用扫描仪(U610，BenQ，中国)和Image J软件估算叶面积[31].随后称量并记录叶片鲜重，60℃烘干至恒重后，称量并记录干重.再据此计算其他指标，比叶面积用样方叶片总面积除以总干重获得，干物质含量为叶片干重除以叶片鲜重获得.同时将烘干叶片磨粉过0.2mm 筛，采用元素分析仪(vario MACRO cube，Elementar， Germany)测定叶片碳、氮含量，用钒钼黄法测定叶磷含量[32].

1.4 环境因子的测定

1.5 数据分析

在统计分析以前，所有功能性状数据均进行正态和方差齐性检验，采样回归分析揭示各功能性状指标与纬度的关系，筛选出回归系数最高的函数，并通过方差分析进行显著性检验；同时利用多元逐步回归分析植物功能性状和环境因子的关系；使用Pearson相关系数分析植物叶片功能性状之间的相关性.所有的统计分析均用SPSS 20.0完成.

2 结 果

2.1 叶片功能性状的纬度变异

互花米草和芦苇叶片功能性状的纬度变异规律如图2(见第384页)所示.互花米草和芦苇的叶面积、比叶面积以及叶磷含量均呈现出显著的纬度变异规律(图2(a,b,f)；所有P<0.05)，其中仅叶面积的变异规律相似(即随纬度增加先升高后降低).互花米草的比叶面积和叶磷含量均随纬度增加先降低后升高；而芦苇的比叶面积随纬度增加单调递减，叶磷含量随纬度增加先升高后降低.芦苇的叶氮含量及干物质含量也均随纬度增加先升高后降低(图2(c,e)；所有P<0.01)，而互花米草的叶氮含量及干物质含量无显著的纬度变异规律(图2(c,e)).另外，互花米草和芦苇的叶碳含量也均没有显著的纬度变异规律(图2(d)).

图2 中国东海岸互花米草和芦苇叶片功能性状的纬度变异规律Fig.2 The latitudinal pattern of leaf functional traits in S. alterniflora and P. australis along the coast of ChinaSA:互花米草；PA:芦苇；图中实线(互花米草)和虚线(芦苇)代表结果显著.

2.2 叶片功能性状与环境因子的关系

两种植物的叶片功能性状的纬度变异规律见图3(第384页)，逐步回归分析的结果表明(表2，见第385页)，驱动互花米草和芦苇叶片功能性状纬度变异的环境因子存在差异.互花米草和芦苇的叶面积均与盐度显著负相关，与土壤含水量显著正相关(图3(a,b)；所有P<0.05)；互花米草的叶面积与土壤无机氮显著正相关，而芦苇叶面积则与土壤无机氮不相关(图3(c)；P<0.001).互花米草的比叶面积与土壤无机氮显著负相关，而芦苇的比叶面积则与土壤有效磷显著正相关(图3(d,e)；所有P<0.01)，干物质含量与土壤无机氮显著负相关(图3(f)；P<0.001).此外，芦苇的叶氮、磷含量均随温度增加先升高后降低(图3(g,h)；所有P<0.01)，互花米草的叶磷含量随温度增加先降低后升高(图3(h)；P<0.001).

表2 叶功能性状与环境因子的逐步回归分析Tab.2 Stepwise regression analyses between leaf functional traits and environmental factors

图3 互花米草和芦苇叶片功能性状与环境因子的回归分析Fig.3 The regression analysis between environmental factors and leaf functional traits in S.alterniflora and P.australisSA:互花米草；PA:芦苇；图中实线(互花米草)和虚线(芦苇)代表结果显著.

2.3 功能性状间的相关性

Pearson相关性分析结果表明，互花米草功能性状间的相关性较芦苇更紧密(表3).对互花米草而言，叶面积与比叶面积、干物质含量以及叶磷含量均显著负相关；比叶面积与叶片氮、磷含量均显著正相关；叶片干物质含量与叶片碳含量显著正相关，与叶氮含量显著负相关；叶氮含量与叶碳含量显著负相关，与叶磷含量显著正相关.对芦苇而言，叶面积与叶片氮、磷含量均显著正相关；比叶面积与叶片干物质含量显著负相关；叶氮含量与叶磷含量显著正相关.

表3 叶功能性状指标间的相关性分析Tab.3 The correlation analysis between leaf functional traits

3 讨 论

本研究发现互花米草和芦苇的叶面积均随纬度增加先升高后降低，即在中等纬度具有更大的叶面积(图2(a)).叶面积与光资源的捕获有关，决定了能量获取和水分散失的权衡关系[35].在低纬度地区，温度较高，较大的叶面积会增加植物呼吸和蒸腾作用，不利于光合作用获取最大的生物质能，因而植物通过减小叶面积来应对较高的温度[36]；然而，高纬度地区气温较低，植物资源利用和能量合成的效率较低，通常会减小叶片面积来降低能量消耗[37].此外，影响互花米草和芦苇叶面积的主要环境因子也有较强的一致性:它们均受到土壤盐度和含水量的显著调节，其中叶面积随盐度的增加而降低(图3(a))，盐度抑制了叶片大小，表明植物在盐生环境中的保守性.但互花米草能够提高体内保护酶的活性，增加可溶性糖和游离脯氨酸的含量来响应盐浓度的变化[38]，使得其叶面积随盐度增加有缓慢的下降趋势(图3(a,b)).而芦苇叶面积随盐度和含水量变化的斜率都高于互花米草(图3(a,b))，可见其更易受到水盐波动的影响.同时互花米草叶面积随土壤无机氮的增加而增加表明营养的输入能够促进植物叶片的生长(图3(c)).因此，相比于芦苇，互花米草更强的耐盐性和养分吸收能力增强了其在盐沼环境中的竞争力，可能导致其成功入侵.

比叶面积和干物质含量是指示植物资源利用策略的重要指标[39].我们的结果表明，高纬度地区的芦苇比叶面积较低，干物质含量较高(图2(b,c)).一般来说，比叶面积越低，叶片就越厚，水分从叶片内部扩散的阻力更大，能够防止水分散失，在寒冷干旱的环境中更具优势[8,40]；而适应恶劣环境的植物通常也具有较高的干物质含量来增强抗压能力和对养分元素的保持能力[41].可见，芦苇通过降低比叶面积，提高叶干物质含量来适应高纬度的不利环境，这与大部分植物叶片功能性状的研究一致[6,11,42-43].同时，芦苇叶片氮、磷受到温度调控，在高纬度地区含量较低(图2(e,f))，表明芦苇通过减少叶片的营养输入，增加叶片寿命，选择相对保守的资源利用策略来适应寒冷的环境.而高纬度地区的互花米草具有较高的比叶面积和叶磷含量(图2(b,f))，这使得叶片厚度变小，光捕获面积变大，植物具有较高的相对生长速率[44]，同时较高的叶磷含量保证了多种辅酶的原料来源，能参与氧化磷酸化和光合磷酸化[11].可以看出，互花米草通过增加比叶面积和叶磷分配来提高能量合成的能力，以相对激进的资源利用策略来适应高纬度环境.其次，芦苇比叶面积与土壤磷显著正相关、干物质含量与无机氮显著负相关(图3(e,f))，表明土壤营养元素含量较低时芦苇叶片将变得厚重、对养分的保持能力增强，这与大多数植物适应低营养环境的策略一致[45-46]；与之相反，互花米草比叶面积与无机氮显著负相关(图3(d))，表明土壤氮含量较低时，其叶片面积增大、厚度降低[47]，可以促进光合能力，加快植物生长，以相对激进的策略来适应养分的不足.可见互花米草和芦苇利用资源的策略与土壤营养有效性密切相关.这种资源利用策略的差异性可能是造成两种植物在中国东海岸分布差异的重要原因之一.整体来看，芦苇有5种叶片功能性状存在显著纬度格局，互花米草只有3种，这表明芦苇可能具有更强的表型可塑性.此外，遗传分化也是植物适应不同环境的重要策略，有研究表明遗传分化可能是互花米草快速入侵的重要原因之一[48]，但目前还不清楚两种植物是如何通过遗传分化来适应中国海岸带环境变化的，尚需进一步研究.

植物功能性状间的相关性是普遍存在的，但由于不同物种生长发育和形成适应机制的差异，各物种之间表现出不同的生态策略[49].本研究中的互花米草和芦苇就表现出不同的叶片功能性状相关性(表3).互花米草的比叶面积与叶片氮磷含量显著的正相关关系也符合一般的叶片经济谱规律[4].芦苇比叶面积和干物质含量呈显著负相关，这与大多数研究结果一致[6,44,50].综合来看，相比芦苇而言，互花米草的叶片功能性状具有更复杂的相关性，呈现协同发展的趋势.尽管在面对环境变化时，性状之间一定程度的独立性使得植物调整功能具有更强灵活性，能够允许更多的变异[51-52].但高度关联的性状往往有利于植物组织之间的资源获取和有效利用[53]，互花米草功能性状之间更高的关联性可能也是其成功入侵的关键因素.植物功能性状与生态系统功能息息相关，因此本研究揭示的中国滨海盐沼互花米草和芦苇叶片功能性状的纬度变异，为进一步认识滨海湿地生态系统功能与过程[54]，如草食作用与分解作用，将起到推动作用.