植物叶片性状是植物与环境相互作用的结果, 能够客观反映植物对外部环境变化的响应和适应[1-2], 因此, 研究植物的这些性状的环境驱动机制为预测未来从器官到个体的响应提供可靠的研究手段[3-5]。在过去几十年中, 青藏高原大多数地区降水增加, 特别是在高原东部和南部[6-7]。由于高寒草甸区域属于半干旱半湿润地区[8]。因此, 未来降水格局的变化可能对高寒草甸生态系统带来显著地影响, 这样的影响驱动着青藏高原草甸群落物种叶片性状的变化[9]。然而现有对于高寒草甸对气候变化的响应的研究多从生态系统[10]、群落[11]、种群[8]等层面开展。目前的研究仍然不能确切的回答高寒区植物叶片性状对降水变化的响应过程和机制。

目前对于植物叶片性状耐旱特性的研究较为丰富[12-13], 但是植物叶片性状对干旱的适应机制与植物对湿润生境的适应机制不同[14]。按照植物水分生态类型可将植物分为旱生、中生和湿生植物[15]。这三类植物对干旱的抗性依次减弱, 在水分充裕的环境中其竞争力依次增强[16]。而在相对湿润的高寒草甸, 以中生植物(如矮生嵩草(Kobresia humilis)、高山嵩草(Kobresia pygmaea))为建群种, 同时伴生有旱生的禾本科植物(如紫花针茅(Stipa purpurea)[17]。由于旱生植物通常具有特殊的叶片抗旱结构[18], 所以旱生植物更能适应干旱环境；同时由于湿生植物无需负担适应干旱的叶片结构[19], 所以在湿润环境中的竞争力更高。因此, 不同水分生态类型的植物叶片性状对于降水增减变化的响应可能存在差异。然而此类的研究还很缺乏, 尤其缺乏基于站点的模拟气候变化研究, 难以从器官的响应的角度提供可靠的结论[20]。

叶脉是植物进行水分输送的通道, 叶脉性状可以影响水分的传输效率, 进而影响植物的光合作用[2]。有研究表明植物通过增加其单位面积上的叶脉长度来提高对干旱适应能力[21]。虽然不同叶脉类型植物的叶脉密度比较接近[22], 但是有研究表明平行叶脉植物的叶脉投入远高于羽状叶脉的植物[23-24], 并且不同叶脉类型植物对气候的适应策略存在差异[25]。然而不同叶脉类型的植物叶片性状对降水变化的响应是否存在差异仍然不明确。

植物叶片性状的变异性和可塑性是最大的, 故以植物叶片性状为研究指标, 更能反映出植物对气候变化的响应过程和机制[26], 基于以上认识, 本研究拟讨论高寒草甸不同水分生态类型和不同叶脉类型植物叶片性状对模拟降水变化的响应。

模拟降水实验样地设立在中国科学院海北高寒草甸生态系统定位研究站(简称海北站)的综合观测场(37°29′N, 101°12′E)。该站位于青藏高原的东北隅, 地处祁连山东段北支冷龙岭南麓, 大通河河谷的西北部, 站区以山间滩地和丘陵低山为主, 滩地海拔3200 m。该地区气候为高原大陆性气候, 以适应寒冷湿中生的多年生草本植物群落为主要植被类型[27]。矮生嵩草草甸为站区主要植被类型, 由多年生草本植物组成, 优势种和建群种为矮生嵩草。矮生嵩草草甸植物生长低矮, 但群落总覆盖度较高, 植物种类组成较多, 但群落结构为单层结构, 其植物群落以矮生嵩草、麻花艽(Gentiana straminea)、异针茅(Stipa aliena)、花苜蓿(Medicago ruthenica)、垂穗披碱草(Elymus nutans)等为优势种[27]。土壤为草毡寒冻雏形土[27]。

减水50%的处理采用集雨棚来模拟减水, 4个透明的聚碳酸树脂通道(面积占整个小区面积的50%)以15°固定在距地表160 cm处, 截留的雨水通过管道流入白色聚乙烯塑料雨水采集器内。每次及时将减水处理小区采集器的雨水添加到增水的小区, 以确保达到增水50%的目的。为减少或消除辐射器遮荫或其它因素造成的实验误差, 在相应对照小区上方均设4个虚拟透明的聚碳酸树脂通道, 通道的底部开口, 以实现降水不减少。另外在每个小区四周埋入铁皮以减少地表径流的影响。每个实验小区面积为1.5 m×1.5 m。实验起始于2011年。实验重复3个。

植物叶片样品采集于2013年8月中旬。在不同实验小区选择矮生嵩草、垂穗披碱草、糙喙薹草(Carex scabrirostris)、花苜蓿、麻花艽、异叶米口袋(Gueldenstaedtia diversifolia)、雪白委陵菜(Potentilla nivea)、异针茅8种植物, 每种植物选取3—5株, 采集自植物顶端第二片或第三片成熟叶片, 分别测量叶片的叶脉率、叶脉密度、叶片大小、比叶质量、叶片总有机碳含量、叶片全氮含量、叶片碳同位素相对含量和碳氮比等指标。

叶脉率(Vein mass per leaf mass, VMM)测量选取自顶端第二或三片成熟的植物叶片5片, 分别在60℃下烘干并称重。烘干样品在5%的氢氧化钠溶液中煮沸1—3 min, 直到非常柔软, 但是不能散乱, 然后在放大镜下用镊子小心分离叶脉和叶肉。分离出的叶脉在60℃下烘干并称重, 所用天平为XP6(Balance Mettler-toledo, Bern, Switzerland), 精度为百万分之一克。计算叶脉占叶质量的百分比(%)。尽管细叶脉占叶脉总长度的80%, 但是其质量只占叶脉总质量的4%[28], 所以忽略了在叶脉分离过程中丢失的部分细叶脉的质量。

叶脉密度(Vein length per area, VLA)测量使用Ueno等采用的方法[29], 单位为mm/mm2。叶片大小(Leaf size, LS)测量使用Luo等采用的方法[30], 单位为mm2。比叶质量(Leaf mass per area, LMA)采用Niklas等采用的方法[31], 单位为g/m2。

叶片总有机碳含量(Total organic carbon concentration, TOC))和叶片全氮含量(Total nitrogen concentration, TN)使用碳氮分析仪测量(2400 CHNS/O, Perkin-Elmer, USA), 单位为%。叶片稳定碳同位素千分值(Carbon isotope discrimination, δ13C)采用冯秋红等使用方法[32], 单位为‰。

为比较不同量纲的叶片性状的变化情况, 本文创建“降水敏感性”概念, 即单位降水幅度下, 叶片性状的变化率。每种叶片性状的降水敏感性计算公式如下：

采用一般线性模型(GLM)中的双因素方差分析(Two-way ANOVA)分别检验处理(增水和减水)、物种及其互作效应对某一叶片性状(叶脉率、叶脉密度、叶片大小、比叶质量、叶片总有机碳含量、叶片全氮含量、叶片碳同位素相对含量和碳氮比)的显著性[33], 并使用多重比较(Duncan test)检验不同物种某一叶片性状的差异。

采用一般线性模型(GLM)中的三因素方差分析(three-way ANOVA)检验水分、物种和性状及其互作效应对叶片性状水分敏感性的显著性[33], 并使用多重比较(Duncan test)检验不同物种某一叶片性状和物种的差异。统计分析时用敏感性的绝对值进行比较分析。

采用Pearson法计算所有物种和单一物种叶片性状之间的相关关系。分析软件使用SPSS 18.0, 所有显著性水平都是P < 0.05。

总体而言, 降水变化对植物叶片大小、叶脉密度、稳定碳同位素千分值、总有机碳含量和全氮含量具有显著作用；对叶脉率、比叶质量和碳氮比无显著作用(表 1)。说明高寒区的降水变化对植物叶片性状具有显著影响, 但是不同性状的具体表现存在差异。不同物种之间的叶片性状均有显著差异(表 1)。除了全氮含量和碳氮比以外, 不同物种的同一性状对降水变化的响应均具有显著差异(表 1)。说明降水变化对叶片性状的影响因物种而异, 叶片性状对降水变化的响应并没有普适的规律。

具体而言, 增水显著增加了植物的叶片大小、稳定碳同位素千分值、总有机碳含量、全氮含量, 分别由(516.16±567.68)mm2、(-28.4±1.33)‰、(43.96±3.67)%、(2.4±0.25)%增加到(645.81±551.03)mm2、(-28.15±1.07)‰、(45.95±3.38)%、(2.57±0.29)%；显著降低了叶脉密度, 由(6.03±0.75)降低到(5.83±0.95)mm/mm2；对叶脉率、碳氮比和比叶质量无显著影响, 平均为(26.06±17.82)%、(18.46±2.16)和(98.91±39.17)g/m2(表 2)。减水显著降低了叶片大小、稳定碳同位素千分值, 降低到(430.06±568.65)mm2和(-28.83±1.09)‰；对总有机碳含量、全氮含量、叶脉密度、叶脉率、碳氮比和比叶质量无显著影响(表 2)。植物的叶片大小、稳定碳同位素千分值可以很好的指示降水的增减变化, 而叶脉率、碳氮比和比叶质量对降水变化的响应不明显, 部分叶片性状对降水增减变化不对称。

就具体物种同一性状而言, 增水显著增加了矮生嵩草、花苜蓿、异叶米口袋、雪白委陵菜的叶片大小, 但对糙喙薹草、垂穗披碱草、异针茅和麻花艽的叶片大小无显著作用。增水使得矮生嵩草、花苜蓿、异叶米口袋、雪白委陵菜的叶片大小分别增加了200.3%、258.6%、289.4%和53.3%(图 1)。减水显著减小了垂穗披碱草和异针茅的叶片大小, 但对矮生嵩草、糙喙薹草、花苜蓿、异叶米口袋、麻花艽、雪白委陵菜的叶片大小无显著作用。减水使得垂穗披碱草和异针茅的叶片大小分别减少54.9%和30.7%(图 1)。降水的增减变化, 对不同物种叶片大小的作用存在差异, 部分物种对增加降水的响应更为积极, 表现为叶片大小的增加；而部分物种对降水减少的响应更为积极, 表现为叶片大小的减少。

增水显著增加花苜蓿、异叶米口袋的叶脉密度, 其叶脉密度分别增加了7.8%、4.0%；增水使得矮生嵩草的叶脉密度显著减小了17.5%(图 2)。增水对雪白委陵菜、糙喙薹草、垂穗披碱草、麻花艽和异针茅的叶脉密度无显著作用。减水显著增加了垂穗披碱草和异针茅的叶脉密度, 其叶脉密度分别增加25%和22.4%；减水使得花苜蓿、异叶米口袋、麻花艽和雪白委陵菜的叶脉密度分别显著减少5.5%、2.7%、4.6%和19.7%(图 2)。减水对矮生嵩草和糙喙薹草的叶脉密度无显著作用。降水的增减变化, 对不同物种叶脉密度的作用存在差异, 甚至完全相反, 尤其是不同叶脉类型的植物的响应表现出相反的变化方向, 说明不同植物应对降水变化时, 其叶脉密度的变化策略存在较大差异, 并与植物叶脉类型相关。

增水使得垂穗披碱草的叶脉率显著增加23.6%；增水显著降低异叶米口袋叶脉率, 其叶脉率降低74.4%。增水对雪白委陵菜、糙喙薹草、麻花艽、花苜蓿和异针茅的叶脉率无显著作用(图 3)。减水使得糙喙薹草叶脉率显著增加29.4%。减水对垂穗披碱草、异针茅、矮生嵩草、麻花艽、花苜蓿、异叶米口袋、雪白委陵菜的叶脉率无显著作用(图 3)。与叶脉密度的变化相类似, 当降水发生增减变化时, 不同叶脉类型植物的叶脉率的变化方向表现出较大不同, 甚至完全相反。

增水使得花苜蓿、异叶米口袋、雪白委陵菜的稳定碳同位素千分值分别显著增加2.5%、3.3%和5.4%(图 4)。增水对矮生嵩草、糙喙薹草、垂穗披碱草、麻花艽和异针茅的稳定碳同位素千分值无显著作用。减水使得糙喙薹草和异针茅的稳定碳同位素千分值显著减小3.3%和2.9%(图 4)。减水对垂穗披碱草、矮生嵩草、花苜蓿、异叶米口袋、麻花艽、雪白委陵菜的稳定碳同位素千分值无显著作用。降水的增减变化, 对不同物种稳定碳同位素千分值的作用存在差异, 部分羽状叶脉植物对增加降水的响应更为积极, 表现为稳定碳同位素千分值的增加；而部分平行叶脉植物对降水减少的响应更为积极, 表现为稳定碳同位素千分值的减少。

降水变化、物种和叶片性状及其互作效应显著影响叶片性状响应的敏感性(表 3)。植物叶片性状对增水的敏感性显著大于减水, 约为减水的2倍, 说明本研究所涉及的物种对于降水的增加响应更为积极, 同时对降水减少具有一定的适应性(图 5)；叶片大小的敏感性显著大于其它叶片性状, 约为其它叶片性状10倍, 说明叶片大小的变化可以很好的指示植物对降水变化的响应(图 5)；矮生嵩草、花苜蓿、异叶米口袋的三种植物的敏感性较大, 而糙喙薹草、垂穗披碱草、异针茅、麻花艽和雪白委陵菜敏感性较低(图 5), 说明不同物种叶片性状对降水变化的响应存在较大差异。

比叶质量与叶脉率、稳定碳同位素千分值与叶脉率和比叶质量、总有机碳含量与叶片大小和比叶质量、总有机碳含量与稳定碳同位素千分值、全氮含量与叶脉率和稳定碳同位素千分值、全氮含量与总有机碳含量、碳氮比与叶片大小和总有机碳含量、碳氮比与比叶质量呈显著的正相关(表 4)；叶脉密度与叶片大小和碳氮比与全氮含量呈显著的负相关(表 4)。说明植物叶片性状并非完全独立, 某一性状的变化可能伴随着其它性状的变化。叶脉密度有是限制叶片大小变化的重要因素。

叶片大小直接影响着植物对光的截取和碳获取的能力[34]。本研究的结果表明：增水显著增加了大部分植物的叶片大小；而减水则显著减少了大部分植物的叶片大小(表 2), 这与已往的研究结果一致[35-37]。群落的平均叶片大小与降水直接相关[35]。越干旱, 同一物种叶片越小[36-37]。如马蹄香(Primula siebodii)的叶片大小在水分亏缺时比湿润时更小[38]。澳大利亚东南部的多年生植物的叶宽与降水量呈正相关[39]。这主要是因为大叶需要更多的水分蒸腾来降低温度；而水分供给不足时, 植物通过减少叶片大小来减少水分的消耗, 同时防止叶温过高。叶片大小减少可以改变叶片的气体传导率, 从而降低高蒸发带来的伤害[40], 所以降水的变化直接影响着叶片大小, 进而影响植物的生产力。植物形态要比植物功能更具有可塑性[17, 41]。叶片大小可以很好的指示环境中水分资源的盈亏。

叶脉对光合组织起到支撑和传输的作用[24], 因此叶脉密度的变化表征了光合组织对支撑和传输需求的变化。本研究的结果表明：总体上减水对叶脉密度无显著作用, 而增水显著降低了叶脉密度(表 3)。水分条件的改善可能对传输组织的需求下降, 所以可能是叶脉密度下降的原因；而叶脉密度的增加有利于抗旱能力的提高[42], 可能是减水条件下叶脉密度不变的原因。

水分控制实验已开展3年, 植物叶片发生显著变化。总体上, 本研究监测的8种叶片性状中有5种对降水变化的响应显著。随着叶片大小的变化, 其它叶片性状也有不同程度的改变(表 1)。叶片性状之间的关系表明：叶片大小与总有机碳含量和碳氮比呈显著正相关, 而与叶脉密度呈显著负相关(表 4)。例如：增水显著增加了植物的叶片大小, 同时显著增加了总有机碳含量和显著降低了叶脉密度(表 2)。这表明植物叶片性状之间具有协同变化。不同的叶片性状具有不同的功能[43]。叶片大小的增加可以增加生产力[34], 而总有机碳含量的增加是植物趋于保守的投资策略[44], 同时叶脉密度的降低将减少水分传输的能力, 可能限制光合能力和生产力的进一步增加[24]。这意味着植物在应对降水变化时既有积极的一面也有保守的一面, 不同叶片性状存在协同响应和相互制约的关系。

增水显著增加了矮生嵩草、花苜蓿、异叶米口袋、雪白委陵菜的叶片大小, 分别增加了叶片大小(图 1)。而对糙喙薹草、垂穗披碱草、麻花艽、和异针茅的叶片大小无显著作用。垂穗披碱草和异针茅是属于旱中生植物, 而其它物种属于中生植物[15]。虽然糙喙薹草叶片大小没有显著变化, 但是增水增加其叶片大小的33%(图 1)。显然中生植物比旱中生对湿润条件的适应能力更强。所以增水对中生植物叶片大小的影响较显著, 而对旱中生植物的叶片大小的影响较小。

与增水相反, 减水显著减小垂穗披碱草、异针茅的叶片大小(图 1)。而减水对矮生嵩草、糙喙薹草、花苜蓿、异叶米口袋、麻花艽、雪白委陵菜的叶片大小无显著作用。减水对旱中生植物叶片大小的影响显著, 而对中生植物的叶片大小作用较小。植物通过改变其叶片性状来响应降水的变化, 最大限度地达到其表型与生存环境相一致而利用或缓冲环境对生长和生殖产生的积极或消极影响[45]。所以垂穗披碱草和异针茅旱中生植物可以通过缩小叶片大小对干旱有更强的抗性, 而其它6种中生植物通过增加叶片大小来适应湿润环境。

增水显著减小矮生嵩草的叶脉密度, 对垂穗披碱草和异针茅的叶脉密度无显著作用(图 2)。虽然增水没有显著改变糙喙薹草的叶脉密度, 但其叶脉密度下降了18%(图 2)。减水显著增加垂穗披碱草、异针茅的叶脉密度, 对矮生嵩草和糙喙薹草的叶脉密度无显著作用(图 2)。矮生嵩草和糙喙薹草是中生植物, 而垂穗披碱草和异针茅是旱中生植物[15]。降低叶脉密度可以减少对构建消耗较高的叶脉组织的投入[46], 进而将有限的资源用于其他组织。而增加叶脉密度可以增强对干旱的抗性[42]。所以中生植物可以更好的适应湿润生境；而旱中生植物对干旱的抗性更强。因此表现为不同水分生态类型植物叶脉密度对降水变化响应的差异。

增水使得矮生嵩草等平行叶脉植物的叶脉密度显著降低或不变, 而使得花苜蓿等羽状叶脉植物的叶脉密度显著增加或不变；与此相反, 减水使得垂穗披碱草等平行叶脉植物的叶脉密度显著增加或不变, 而使得花苜蓿等羽状叶脉植物叶脉密度显著减少或不变(图 2)。两类植物的响应存在明显的区别。叶脉投入的多少直接决定着水分的输送能力[47]。本研究结果表明平行叶脉植物的叶脉率是羽状叶脉植物的4倍(表 4)。叶脉率的巨大差异可能是两类植物叶脉密度响应降水变化差异的原因。由于平行叶脉植物起源于中新世干旱环境扩张的情景[48], 所以可能是平行叶脉植物的叶脉率较高的原因。这说明较高的叶脉投入是平行叶脉植物应对干旱适应机制。所以在水分条件改善时, 平行叶脉植物高的叶脉率使其无需继续提高叶脉密度就可以充分利用水分；甚至可能会因叶片增大而降低叶脉密度, 因为叶脉的构建消耗大于叶肉(分别为每克木质素和纤维素11.8和6.5 mmol葡萄糖[46]。由于叶脉率较低, 生产力的提高, 增加了对传输组织的需求[28, 49], 所以羽状叶脉植物需要提高叶脉密度来提高水分的输送能力。

干旱通常导致更低的传输效率和出现栓塞的趋势, 要求植株在传输结构中的投资更高[42], 进而导致叶片支撑结构投资的质量分数增加[50]。当水分条件较差时, 平行叶脉植物提高叶脉密度, 保证水分的供给；而羽状叶脉植物只能通过相对保守的策略, 即通过降低叶脉密度减少叶脉的构建消耗。这表明平行叶脉植物较适应干旱的生境, 而羽状叶脉植物更适应湿润的生境。

稳定碳同位素千分值是评估植物水分适应性的可靠途径[51]。增水使得大部分羽状叶脉植物稳定碳同位素千分值显著增加, 而减水使得大部分平行叶脉植物稳定碳同位素千分值显著减少。以往研究发现在全球尺度上, 稳定碳同位素千分值与年均降水存在显著的负相关性[52]。小尺度(夏威夷)的研究表明, 稳定碳同位素千分值与年平均降水量呈显著负相关关系[47]。对北美Quercus suber的研究也得到同样的结果[53]。较低的稳定碳同位素千分值使得Quercus suber在湿润的年份取得更多的地上生长量[53]。这是因为水分适应性与土壤中可利用水分和植物的生长状况密切相关[54]。由于叶脉率的巨大差异, 平行叶脉植物较适应干旱的生境, 而羽状叶脉植物适应湿润的生境。所以在增水条件下, 羽状叶脉植物表现为有效适应湿润生境, 即增加稳定碳同位素千分值；同理在减水条件下, 平行叶脉植物表现为有效适应干旱生境, 即减少稳定碳同位素千分值。这也进一步证明两类植物应对降水变化的模式不同。

本实验中降水的变幅分别为±50%。从具体物种对两种模拟情形响应的差异来看, 植物对于增水和减水的响应不同(图 5)。部分植物性状对于增水具有显著响应, 而对减水无显著响应；反之亦然。同时, 大部分植物叶片性状对于增水和减水的敏感性不对称(表 3、图 5)。植物叶片性状对降水的敏感性不对称, 对增水的敏感性显著大于减水的敏感性(图 5)。高寒草甸地区虽然年降水近600 mm, 但是相对森林地区当地的降水偏低。所以植物必然存在一系列的抗旱的机制[6-7]。而当增水缓解干旱胁迫时, 植物的生长发育将得到很大的促进[5]。原有用于适应干旱的结构和功能并不能直接用于对增水的适应, 植物叶片对增水和减水的响应不对称。所以未来降水增加可能促进当地植物群落的生长发育；而周期波动中出现的干旱对植物影响较小。

降水的变化对高寒草甸植物叶片性状具有显著的影响, 但是不同性状的具体表现存在差异。植物叶片性状在响应降水变化时, 存在协同变化和相互制约。

不同水分生态类型的植物叶片性状对降水变化的响应相反, 增水显著增加了中生植物叶片大小, 降低其叶脉密度, 矮生嵩草的叶片大小增加了200.3%, 叶脉密度减小了17.5%, 而对旱中生植物的叶片大小和叶脉密度的影响较小；减水显著降低了旱中生植物叶片大小, 增加其叶脉密度, 垂穗披碱草和异针茅的叶片大小分别减少54.9%和30.7%, 其叶脉密度分别增加25%和22.4%, 而对中生植物的叶片大小和叶脉密度作用较小。

羽状叶脉植物表现为有效适应增水环境, 即增加叶脉密度和稳定碳同位素千分值, 花苜蓿、异叶米口袋的叶脉密度的增加了7.8%和4.0%, 稳定碳同位素千分值增加2.5%和3.3%, 但是平行叶脉植物的叶脉密度和稳定碳同位素千分值保持不变或降低；而在减水条件下, 平行叶脉植物表现为有效适应干旱生境, 即增加叶脉密度和降低稳定碳同位素千分值, 异针茅的叶脉密度增加了22.4%, 稳定碳同位素千分值减小2.9%, 而羽状叶脉植物的叶脉密度不变或降低和稳定碳同位素千分值保持不变。

植物叶片性状对降水的敏感性不对称, 对增水的敏感性显著大于减水的敏感性。植物在应对短期降水变化时, 植物形态可塑性的作用凸显, 放大或缩小叶片大小是植物应对降水变化的最有效的途径, 但是不同水分生态类型和叶脉类型植物可塑性的方向存在显著差异。因此, 降水变化可能改变不同植物的竞争能力, 从而改变群落组成, 进而影响生态系统过程。