区域尺度上栓皮栎叶气孔特性变异格局及其与气候因子关系研究

植物叶片气孔特性是植物长期进化过程中对环境因子适应的结果，并对气候因子的变化表现出高度敏感性。栓皮栎（Quercus variabilis）广泛生长于东亚地区，包括中国大陆东部（北起辽宁南至广东、西至四川东至江苏）、台湾岛、朝鲜半岛以及日本中南部地区，分布区横跨温带、亚热带两大气候带。本项目以栓皮栎为模式植物，调查区域尺度上栓皮栎叶片气孔特性变异格局及其与气候因子的关系；研究气孔特性年间变异格局及其与环境因子年间变化的关系；探讨气孔特性变化格局与叶片其它特性变化格局之间的关系；并且，通过共同园圃（common garden）试验，阐明当这些不同地理起源的栓皮栎苗木生长在同样条件下时，气孔特性对气候变化的响应及其机理。该项目研究结果，将填补跨气候带（温带-亚热带）植物气孔特性变化格局研究方面的空白，加深理解植物气孔特性对气候特性变化的响应机理，对气候变化形势下人工林经营具有指导意义。

植物叶气孔特性（气孔密度、气孔大小等）是植物对环境长期适应的结果，与植物叶片的蒸腾及光合作用两大生理过程密切相关。目前，已有大量关于植物叶片气孔特性与温度、水分等环境因子关系的研究，但尚无一致结论。本项研究以泛生性树种—栓皮栎为模式植物，在东亚地区选取44个样地采集栓皮栎叶片样品，研究叶气孔及叶脉、表皮毛等叶片性状沿气候梯度的变异格局及其主要控制因子。同时，建立了含15个不同地理种源的栓皮栎幼苗同质园，通过同质园试验考察栓皮栎叶气孔及叶脉、表皮毛等叶片性状对气候变化的响应。结果表明：野外栓皮栎种群的叶片细脉密度随样地纬度升高而减小（r2 = 0.63, P < 0.001），同质园中不同地理种源的栓皮栎呈现与野外一致的变异格局（r2 = 0.63, P < 0.001）。野外及同质园样地的栓皮栎叶片细脉密度与MAP显著正相关（野外r2 = 0.30, P < 0.001；同质园r2 = 0.29, P = 0.04），与年平均温度（MAT）显著正相关（野外r2 = 0.53, P < 0.001；同质园r2 = 0.35, P = 0.02），其中MAT是影响栓皮栎细脉密度的主要环境因子。野外样地栓皮栎的气孔密度和SOI随样地经度升高而变小（气孔密度, r2 = 0.098, P = 0.039; SOI, r2 = 0.120, P = 0.021），野外及同质园的栓皮栎叶片的表皮毛密度均与样地的地理因子无显著相关性（P = 0.278–0.540）。野外样地的栓皮栎气孔密度、SOI及表皮毛密度与样地的MAP显著负相关（气孔密度，r2 = 0.157, P = 0.008；SOI，r2 = 0.39, P < 0.001；表皮毛密度，r2 = 0.159, P = 0.007），而同质园中不同种群间的气孔密度、SOI及表皮毛密度均不存在显著差异（P = 0.278–0.540）。同时，野外栓皮栎种群的叶表皮毛密度与气孔密度极显著正相关（r2 = 0.510, P < 0.001），表明栓皮栎叶片的表皮毛与气孔可能存在着协同演化关系。上述结果表明，栓皮栎叶片的细脉密度对短期的生长环境条件的改变不敏感，是一种遗传性状，而气孔密度与表皮毛密度则对环境变化敏感，具有较强的可塑性。这些研究结果，对了解植物对气候变化的响应及森林经营实践均具有重要意义。