胡杨(Populus euphratica)是杨柳科(Salicaceae)杨属落叶乔木，主要分布在亚洲中西部、北非和欧洲南部干旱荒漠地区，是典型的潜水旱中生至中生植物，对温度大幅度变化的适应能力很强，是重要的荒漠河岸林树种(王世绩等，1995)。由于长期适应极端干旱的大陆性气候，造成叶形多变，在幼苗、幼树和成年树下部萌生条上呈线状披针形、狭披针形或披针形；成年树上不仅存在披针形叶片，而且出现了卵状菱形、卵圆形、锯齿卵圆形或肾形等形状的叶片(苏培玺等，2003)。移植于北京地区的胡杨与分布在西部荒漠化地区敦煌的胡杨叶形均呈现从披针形到锯齿卵圆形的规律性变化，这种变化与其生态适应性相关(Li et al., 2005)。

国内外针对胡杨的抗逆性从形态解剖、细胞、生理生态、生化、遗传与分子生物学等方面开展了较多的研究工作(Zhang et al.，2004；Gu et al., 2004; Chen et al., 2003; Saito et al., 2002; Watanabe et al., 2000; Rottenberg et al., 2000; Fay et al., 1999; 马挺军等，2003；曾会明等，2004；陈少良等，2003；马焕成等，1998；李志军等，1996)。对胡杨多形叶特性研究相对较少，陈庆诚等(1961)曾对胡杨的披针形叶和宽卵形叶的光学显微结构进行了比较；Wang等(1997)对胡杨阔卵圆形和披针形叶的解剖结构、Δ¹³ C、气孔和光合特性等进行了研究；苏培玺等(2003)研究了胡杨卵圆形和披针形叶的光合特性、水分利用率及其对加富CO₂的响应；杨树德等(2004)对胡杨披针形叶和宽卵形叶的渗透调节能力进行了研究；Li等(2005)探讨了胡杨锯齿卵圆形、卵圆形和披针形3种典型叶的解剖结构特征及其生态适应性。为揭示胡杨多形叶发育的生态适应生理生化机制，本文对移植在北京地区的胡杨幼树叶和成年树的锯齿卵圆形、卵圆形和披针形3种典型叶进行气孔及光合特性方面的测定，分析比较了叶片气孔特性、光合速率以及叶绿素a荧光动力学参数变化等。

1 材料与方法 1.1 试验材料

测定所用成年胡杨选自北京林业大学苗圃。测定所用胡杨幼树是从敦煌榆林窟区引种的2年生盆栽苗，在20 L容器中土培，人工控制灌水量，在生长旺盛的时期进行测定。选择校园内锯齿卵圆形叶的加杨(Populus canadensis)和披针形叶的旱柳(Salix matsudana)进行气孔密度比较。

1.2 方法 1.2.1 气孔密度观测

主要参考李志英(1994)方法，用光学显微镜观察。

1.2.2 气孔开放率、大小以及气孔指数测定

采样时间与光合速率日变化观测点一致，参考曹五七等(1995)方法固定材料，在中国科学院微生物研究所用FEI QUANTA 200扫描电镜进行观测并拍照，每个样品至少获取3个不同视野的照片，取其中3个进行统计分析(照片以图版Ⅰ-2为例)，分别观察和测定气孔开放率及气孔表面结构等。气孔大小用保卫细胞的长度代替；气孔指数SI=[S/(E+S)]×100，式中，S为单位叶面积气孔数，E为相同叶面积表皮细胞数(李寒冰等，2002)。

1.2.3 光合速率测定

采用英国PP-SYSTEM公司Ciras-2型光合测定仪测定叶片的光合速率。光合速率日变化测定是在生长季选晴朗天气，自5：00—19：00每隔2 h采集1次数据。选择树冠同侧不同形态的功能叶各3片，将树枝拉至同一高度活体测定，每片叶测定3次。光响应曲线和CO₂响应曲线按仪器给定程序设定，光响应曲线的光照强度为0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 200、1 400、1 500 μmol·m^-2s^-1；设定CO₂响应曲线的固定光强为800 μmol·m^-2s^-1，CO₂浓度设定为0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 μL· L ^-1。

1.2.4 叶绿素a荧光动力学参数测定

采用PAM2100调制式荧光仪，选择生长季的晴朗天气，在上午9：00—10：00进行测定，叶片选择方法同1.2.3。

2 结果 2.1 多形叶的变化规律

北京地区成年胡杨的叶形变化与敦煌地区相似，呈现从披针形到卵圆形再到锯齿卵圆形的规律性变化(图版Ⅰ-1)。披针形叶叶形(图版Ⅰ-1A)接近柳树叶，锯齿卵圆形叶叶形(图版Ⅰ-1C)接近杨树叶，卵圆形叶(图版Ⅰ-1B)为披针形叶到锯齿卵圆形叶的过渡态之一。胡杨幼苗及成年树体下部的萌生条上均为披针形叶，随着树体高度和枝条发育年龄的增长，叶片形态逐步从披针形过渡到锯齿卵圆形和卵圆形，与其他学者(陈庆诚等，19 61；Wang et al., 1997；苏培玺等，2003；杨树德等，2004；Li et al., 2005)在胡杨自然分布区观察到的结果一致。

2.2 气孔密度的变化

将各种叶片的气孔密度测定结果统计于表 1。可以看出，胡杨的气孔密度明显低于加杨和旱柳，而且近轴面和远轴面的气孔密度差异较小；胡杨幼树的叶片近似于柳形叶，气孔数目较少，近轴面的气孔密度与旱柳相近。成年胡杨的锯齿卵圆形叶的气孔密度最大，披针形叶的最小，表现出向旱生性过渡的特性，该结果与王世绩等(1995)的结论一致。

2.3 气孔大小、指数及其下陷程度的变化

植物叶片气孔的大小、气孔指数的高低及气孔的下陷程度都能反映植物的生态生物学特性。根据电镜图片(图版Ⅰ-2)分析和测量了胡杨3种形态叶的气孔大小和气孔指数，结果统计于表 2。表明3种形态叶的气孔大小和气孔指数存在着显著的差异，锯齿卵圆形和卵圆形叶的气孔大于披针形叶；锯齿卵圆形叶的气孔指数较大。

根据电镜图像中气孔下方细胞结构的可见度推测，3种形态叶均具有孔下室，如图版Ⅰ-4的气孔下方颜色较深，看不到叶肉细胞结构，表明气孔下方叶肉细胞间隙较大；图版Ⅰ-6的气孔下方颜色较深，可见叶肉细胞结构，表明叶肉细胞间隙较小；依此类推，3种形态叶的孔下室大小从披针形、卵圆形到锯齿卵圆形依次递增。根据大视野图像(以图版Ⅰ-2为例)和保卫细胞图像(图版Ⅰ-3~8)推测气孔的下陷程度，可以清晰地看到，气孔下陷程度也呈规律性变化，其中在叶片远轴面的均比近轴面的深；在相同叶表面上，锯齿卵圆形叶和卵圆形叶的气孔下陷较披针形的深。结果与Li等(2005)采用解剖学方法观察的一致。气孔下陷和具有孔下室(李志军等，1996；黄振英等，1995)、气孔的大小变化(李志英，1994)均是植物耐旱性特征。胡杨多形叶在细胞和组织解剖方面也发生着向一般干旱沙生植物特征的变异，这种变异是长期对环境适应的反映。

2.4 气孔开放率的变化

利用图片分析和统计叶片近轴面和远轴面的气孔开放率，其平均值列于表 3。结果表明，胡杨叶片的气孔在白天并不是完全开放的，有一部分是关闭的，属于非均匀性开闭(许大全，1995)。3种形态叶气孔开放呈现午时较大、清早和傍晚较低的变化规律，但是变动的幅度存在差异，锯齿卵圆形叶和卵圆形叶的变化幅度小，而披针形叶的变化幅度大。从气孔开放率的日平均值来看，卵圆形叶较大，披针形叶的最小。许大全(1995)认为缺水、低湿、强光和高CO₂浓度等多种因素都可以诱发气孔的非均匀开闭，胡杨多形叶气孔开放率的变异也正反映了其对干旱和强光环境的适应特性。

2.5 光合速率的变化

从2002—2004年对栽种在北京地区胡杨多形叶的光合速率日进程进行测定，变化规律与马焕成等(1998)的研究结果一致，胡杨3种形态叶的光合速率日变化均为单峰曲线。但是，它们的光合速率日均值存在明显差异。表 4是历年测定数据的统计结果，锯齿卵圆形和卵圆形叶的光合速率日均值明显高于披针形叶，表明前两者的光能利用率高，具有较强的生存能力。

2.6 光合速率对光强和CO₂浓度的响应

胡杨3种形态叶光合速率对光和CO₂的响应曲线如图 1所示。分析表明，胡杨的CO₂饱和点较高；在相同的测定条件下，锯齿卵圆形叶、卵圆形叶和披针形叶的光饱和点存在差异，分别是932、1 025和881 μmol·m^-2s^-1；而光补偿点差别不明显，大致在50 μmol·m^-2s^-1左右。在相同光照强度和相同CO₂浓度条件下，卵圆形叶的光合速率均比其他2种形态叶高，与气孔开放率的变化一致。表明卵圆形叶的光能利用率较高，适生能力更强。

2.7 叶绿素a荧光动力学参数

采用PAM2100测得胡杨3种形态叶的叶绿素a荧光动力学参数(表 5)。表中F₀为初始荧光，F_m为最大荧光，可变荧光F_v＝F_m－F₀，ETR代表表观光合电子传递速率(张守仁，1999)。可见，胡杨3种形态叶的荧光动力学参数存在着显著的差异, 锯齿卵圆形叶的初始荧光(F₀)、最大荧光(F_m)和可变荧光(F_v)值均最大，卵圆形叶表观光合电子传递速率(ETR)最大，披针形叶最小，表明胡杨多形叶在光合作用生化机制方面也存在变异。

3 讨论 3.1 胡杨叶形变化与其生态适应性

植物多形叶现象比较常见，如棉花(Gossypium hirsutum)、银杏(Ginkgo biloba)、桉树(Eucalyptus)、圆柏(Sabina chinensis)、沙地柏(Sabina vulgaris)和构树(Broussonetia papyrifera)等，这是叶片发育过程中基因在时空上调控表达的结果。基因的这种调控表达与环境因素有关，如蒲公英(Taraxacum mongolicum)的叶片在干旱条件下发育为锯齿形；菱(Trapa)的叶片在特殊环境中分别发育成浮水叶和沉水叶；而胡杨为河岸林树种，起源于水源充足之地，随着其生长地域环境的变迁，如干旱和沙漠化，其同化器官的形态发生了相应的改变，在同一株树体上出现了多种形态的叶。栽植在北京地区的胡杨与自然分布区的相同，幼苗的叶均为披针形，成年胡杨树体下部的萌生条上也均为披针形叶；随着树体高度和枝条发育年龄的增长，叶片形态逐步从披针形过渡到锯齿卵圆形(图版Ⅰ-1)，这种变化与叶片的水分供应直接相关。幼树和大树底部叶片因水分条件好而发育成披针形叶；上部叶片受到强光照射，蒸腾失水大于供水而处于水分胁迫状态，因此发育成耐旱的卵圆形和锯齿卵圆形叶。Li等(2005)证明从披针形、卵圆形到锯齿卵形叶，叶片的栅栏组织趋于发达，海绵组织减少，角质层加厚，气孔下陷；线粒体逐渐增多，叶绿体的形状由规则的纺锤形逐渐变为不规则的圆形或椭圆形，明显趋于旱生结构。杨树德等(2004)报道宽卵形叶的渗透调节能力比披针形叶强，表明其耐旱性也强于披针形叶。移植到北京的胡杨，虽然整体水分状况比西部地区的有所改善，但远不及其起源的条件，北京地区夏季高温对于树体上部造成的水分胁迫依然存在，因此成年胡杨依然保留了多形叶的特性。

3.2 多形叶气孔特性与其生态适应性

一般中生植物叶片排列方向一致，气孔密度为远轴面大于近轴面。而胡杨为避免强光灼伤或充分利用散射光，叶片排列方向不同，叶两面的气孔密度相当，并且远轴面气孔较近轴面下陷更深。这意味着胡杨增大了进行光合作用的表面积，叶片两面可同时进行较高效率的光合作用，同时又减少了蒸腾，提高了水分利用效率，这是胡杨在干旱和高光强环境下生存的另一种能力。

从披针形到锯齿卵圆形叶，其气孔密度变化为从小到大，也表现为向旱生性过渡的特性。下陷的气孔和较大的孔下室也是植物适应干旱环境的特征，较大的孔下室，可造成较湿的小环境，从而抑制叶肉细胞蒸腾水分；气孔下陷，在减少光线辐射和水分散失方面有积极的作用(黄振英等，1997)。与披针形叶相比，锯齿卵圆形叶和卵圆形叶的气孔密度、下陷深度及孔下室均较大，这种解剖结构上的差异赋予了胡杨锯齿卵圆形叶和卵圆形叶更强的忍耐缺水和强光环境的功能，这有利于胡杨在干旱环境中长期生存，与沙地柏的叶形变化机制相同(何维明等，2001)。

胡杨气孔属于非均匀性开闭，植物这种性状与长期生存在水分和强光胁迫的环境下有关(许大全，1995)。3种形态叶气孔开放率存在差异，卵圆形叶较大，披针形叶最小，这种变异也反映了其对干旱和强光环境的适应特性。

3.3 多形叶光合特性与其生态适应性

胡杨3种形态叶的光合速率从披针形到锯齿卵圆形再到卵圆形呈递增趋势。锯齿卵圆形叶和卵圆形叶占据在较有利的位置上，以较大的叶表面积进行光合作用，生存能力较强；披针形叶光合速率较低，处于一种维持生长的状态。一般情况下，沙生或旱生植物会通过减小叶片面积来保持水分，叶片小可以减少植物水分的蒸腾，如梭梭(Haloxylon ammodendron)等(黄振英等，1995；1997)，但胡杨例外。随着胡杨树体的进一步生长，披针形叶提供的营养难以维持其生长，则出现了具有耐干旱或强保水性结构的、光合表面积较大的卵圆形叶和锯齿卵圆形叶，这样不仅提高了光合效率，也提高了水分利用效率，有利于植株在恶劣生境下的生长和繁殖。

冯建灿等(2002)认为叶绿素荧光动力学参数与“表观性”的气体交换指标相比，更具有反映“内在性”的特点，如水分胁迫可以引起F₀的上升和F_v的下降，其变化程度可以用来鉴别植物抵抗或忍耐干旱的能力。本文研究结果表明，胡杨3种形态叶中锯齿卵圆形叶的F₀最小和F_v最大，说明锯齿卵圆形叶片更加耐旱。3种形态叶的光合速率(P_n)和表观光合电子传递速率(ETR)的测定结果表明，光合速率的大小顺序和光合电子传递速率相一致，均为卵圆形>锯齿卵圆形>披针形。本文测得锯齿卵圆形叶的F_v/F_m和F_m/F₀值明显高于另2种类型叶，而F_v/F_m值常用于度量植物叶片PSⅡ原初光能转换效率，F_v/F₀值度量PSⅡ潜在活性(张守仁，1999)。由此推测锯齿卵圆形叶PSⅡ原初光能转换效率高，PSⅡ潜在活性较大。

综上所述，胡杨叶片在发育过程中从形态、解剖和光合特性上均发生了变异，以适应其生态环境的干旱荒漠化变迁。