近年来，叶功能生态学受到越来越多的关注，尤其是量化与环境相关的叶性状之间的关系(Poorter et al., 2009; Liu et al., 2010; Römermann et al., 2016; 许洺山等, 2016)。植物功能性状在不同资源环境下的差异不仅反映了植物对资源获取和资源保存间的权衡，也反映了植物对环境的适应和响应策略。比叶面积(specific leaf area, SLA)是重要的叶形态学性状，反映植物的光合作用能力以及对环境资源变化的适应能力(White et al., 2006; Thomas, 2010; 许洺山等, 2015), 调控植物的许多生理过程如光资源的捕获、植物增长率、生存策略等(Wilson et al., 1999; Kenzo et al., 2006; Poorter et al., 2009; Boucher et al., 2017)。深入了解SLA及其决定因素对探讨植物的碳同化、叶寿命以及植物生长速率等至关重要(张林等, 2004; Griffith et al., 2016; 刘明秀等, 2016)。

白桦(Betula platyphylla)是温带森林典型先锋树种，一般认比耐阴性树种具有更高的环境适应性及资源利用效率(Valladares et al., 2000)。而生长在阔叶红松(Pinus koraiensis)林中的白桦由于整个生长过程中植株年龄、生长阶段及冠层高度的不同，叶片所处环境具有高度异质性(Nouvellon et al., 2010; Kenzo et al., 2015)，植株一般通过改变叶性状以适应环境(特别是光环境)变化(Rozendaal et al., 2006)，这是白桦在阔叶红松林中存活、生长及与其他物种共存具有重要策略。植株年龄(或植株大小)是影响植株叶性状特别是SLA的主要因素。Liu等(2010)研究表明，幼树的SLA高于成年树，Greenwood等(2008)也得到相同的结论。然而Day等(2002)和Karavin(2014)的研究认为，不同胸径(DBH)大小树木的SLA无显著差异。通常来讲，温带地区的落叶植物叶片从6—9月经历着从生长到衰老的变化，而温度、降水及太阳辐射的变化都可能是引起SLA改变(徐振锋等, 2009; Nouvellon et al., 2010; 宋立宁等, 2012; Rossatto et al., 2013)。Nouvellon等(2010)研究结果表明，SLA在不同月份变化较大，Rossatto等(2013)对Savanna草原树种和巴西中部森林树种研究时也得到相同结论。此外，冠层高度也是影响植物光资源获取的主要原因之一。随着冠层的降低，植物获取的光资源不断减少，植物通过薄且比叶面积高的叶片增加其光捕捉效率(Marshall et al., 2003; Kenzo et al., 2015)，而这种变化一般认为是植物对光环境或对树高、枝长引起的水分胁迫的适应(Kenzo et al., 2006; Koch et al., 2004)。

植物还可通过改变叶厚度(leaf thickness, LT)或干物质含量(leaf dry matter content, LDMC)来调节SLA(Filbin et al., 1983; Poorter et al., 2009; Fellner et al., 2016)，如LT对光的利用效率及叶肉细胞导度有影响，进而导致光合效率改变(Muir et al., 2014)。LT是引起SLA变化的主要原因(Poorter et al., 2009; Villar et al., 2013; Griffith et al., 2016), 而LDMC与SLA的变化密切相关(Karavin et al., 2014; Römermann et al., 2016)。Wilson等(1999)的研究证明SLA与LT、LDMC均存在负相关关系，性状间的相关关系与植物所处资源环境密切相关。成年树比幼树可接受更多光资源，在给定SLA条件下成年树具有更高的光合作用效率(Liu et al., 2010)。而Thomas等(2002)发现成年树上层林冠叶片比叶重(SLA的倒数)高于幼树，而幼树每单位质量的光合作用能力高于成年树。张林等(2008)对云南松(Pinus yunnanensis)SLA和LDMC随着冠层高度的垂直变化规律进行研究时发现，SLA与LDMC成负相关，但不同年龄树木、不同叶龄SLA和LDMC随冠层高度变化差异不尽相同。叶性状与环境之间相关关系的研究对理解叶经济学本质及植物生存策略具有重要意义(Westoby et al., 2002; Wright et al., 2004)。然而，同时检验植株年龄、生长阶段和冠层高度对性状相关关系是否存在显著影响的研究尚少。

本研究以小兴安岭典型阔叶红松林演替前期树种白桦为研究对象，分别测定不同植株年龄(成年树和幼树)、不同生长阶段(叶生长期、叶稳定期、叶衰落期)和成年树不同冠层高度(上、中和下)叶片的SLA、LT和LDMC。基于此，分析SLA、LT和LDMC在不同植株年龄，生长阶段和冠层高度的变异情况；探讨不同植株年龄、生长阶段和冠层高度条件下SLA、LT和LDMC之间的相关关系，并揭示植株年龄、生长阶段和冠层高度对性状间的相关关系是否存在显著影响，为阐明资源环境对性状的影响机制提供科学依据。

1 材料和方法 1.1 研究区域概况

野外调查在黑龙江凉水国家级自然保护区(47°10′50″N，128°53′20″E)典型阔叶红松林内进行。保护区位于黑龙江省伊春市带岭区，地处小兴安岭南部达里带领支脉的东坡，地形比较复杂，海拔280~707 m，山地坡度一般在10°~15°之间，地带性土壤为暗棕壤。气候类型为大陆性季风气候，年平均气温-0.3 ℃，年均最高气温7.5 ℃，年均最低气温-6.6 ℃；正值积温在2 200~2 600 ℃之间；年均降水量676 mm，集中在6—8月，占全年降水的60%以上。年积雪期130~150天，年无霜期100~120天。

1.2 数据采集

于2015年6、7和9月(代表叶片从生长到衰老的3个生长阶段)，在典型阔叶红松林样地内随机选取长势良好的6株白桦样树：包括成年树和幼树各3株，其中成年树的DBH范围为25~28 cm，平均树龄为55年(利用生长锥测定)，幼树的DBH范围为1.5~3.0 cm。成年树每株样树的冠层分为上、中和下3部分，每层随机采集20片健康、平整的样叶，每株样树采集60片样叶，每个时期采集180片样叶，共采集540片样叶。幼树每株样树随机采集40片健康、平整的样叶，每个时期采集120片样叶，共采集360片样叶。采集的所有样叶均装入封口袋，并贴好标签带回实验室进行室内测量。利用游标卡尺(精度为0.01 mm)测量靠近主脉但避开主脉和较大次级叶脉的叶片前、中和末端的叶厚(LT)，3个厚度值的平均值即为叶片的LT。叶面积通过扫描仪获得样叶的数字图像，再结合Photoshop软件(Photoshop CS 8.01, Adobe Systems Inc, USA)进行处理，通过计算获得各样叶的叶面积(精度为0.01 cm²)；将扫描后的样叶置于去离子水中，浸泡12 h后，利用滤纸吸干表面水分后测定饱和湿质量；最后将样叶置于65 ℃的烘箱内烘干至恒质量后测定叶干质量(精度为0.000 1 g)。利用叶面积和叶干质量的比值可获得SLA(cm²·g^-1)，利用叶干质量与饱和鲜质量的比值可获得LDMC (g·g^-1)，叶片性状信息见表 1。

1.3 统计分析

利用单因素方差分析(one-way ANOVA, α=0.05)对不同植株年龄、生长阶段、冠层高度叶性状间的均值进行差异显著性分析；利用线性回归法分析不同植株年龄、生长阶段和冠层高度下LT、LDMC及二者乘积(LT×LDMC)与SLA的相关关系。为检验植株年龄、生长阶段和冠层高度对SLA与LT、LDMC之间相关关系是否存在显著影响，首先对其进行偏相关分析，并利用标准化主轴估计法(standardized major axis, SMA)检验斜率的差异显著性，若斜率间存在显著差异，说明不同资源环境对性状相关关系存在显著影响。完成(Falster, 2006)。采用SPSS 16.0软件对试验数据进行处理分析，用SigmaPlot 10.0和Excel软件绘图。

2 结果与分析 2.1 SLA、LT和LDMC在不同植株年龄、生长阶段、冠层高度的变异

白桦成年树平均SLA显著大于幼树，而平均LT、LDMC则均显著小于幼树(P＜0.05, 表 1)。但在不同生长阶段白桦成年树和幼树的SLA、LT和LDMC随生长阶段变化均存在显著变异：成年树和幼树SLA随生长阶段变化均显著下降，但成年树仅6月SLA高于幼树(P＜0.05, 图 1A)；LT随生长阶段变化先增大后减小(P＜0.05, 图 1B)；而LDMC随生长阶段变化显著增加(P＜0.05, 图 1C)。成年树的SLA、LT和LDMC在不同冠层高度间也存在显著变异，如SLA随冠层高度的下降显著升高(P＜0.05, 图 1D)，而LT和LDMC均显著下降(P＜0.05, 图 1E, F)。

2.2 LT、LDMC和LT×LDMC与SLA的关系

LT、LDMC及LT×LDMC对SLA的解释程度在同一植株年龄但不同生长阶段存在明显差异(表 2)。对于成年树，7月3个参数对SLA变异的解释程度最大，SLA变异的61.4%(表 2)，6月的解释程度最低为24.0%。在6月，3个参数与SLA均不存在显著相关；在7月和9月LT和LT×LDMC与SLA显著相关。对于幼树，3个参数对SLA变异的解释程度在6、7和9月差异较小，分别为61.3%、49.3%和53.9%；且在6和7月，LT、LDMC与SLA均显著相关，但在9月未得到相同结论。此外，同一生长阶段不同植株年龄间，3个参数与SLA的相关性也存在明显差异，如在6月，对于成年树LT、LDMC与SLA均不存在显著相关性，但对于幼树却得到相反的结论(表 2)。

LT、LDMC及LT×LDMC对成年树SLA的解释程度在不同冠层高度也存在差异(表 3)。对于中层林冠，3个参数对SLA变异的解释程度最大，为66.8%(表 3)，而上层林冠的解释程度最低为62%(表 3)；且SLA和LDMC在上层和下层林冠均显著相关，其他参数均不相关；而中层林冠结果相反，除LDMC与SLA不相关外，其余参数均与SLA显著相关(表 3)。

2.3 植株年龄、生长阶段、冠层高度对SLA与LT和LDMC之间相关关系的影响

对于不同植株年龄，SLA-LT及SLA-LDMC均显著负相关，且成年树与幼树斜率间均存在显著差异(P=0.001, 图 2A、B)。成年树SLA-LT及SLA-LDMC斜率均大于幼树。对于不同生长阶段，SLA-LT及SLA-LDMC也显著负相关，斜率间存在显著差异(P=0.001, 图 2C、D)，且SLA随LT的变异速率顺序为6月＞9月＞7月，SLA随LDMC的变异速率顺序为6月＞7月＞9月。对于成年树不同冠层高度，SLA-LT及SLA-LDMC均显著负相关，斜率间存在显著差异(P=0.001, 图 2E、F)，且SLA随LT的变异速率顺序为中层＞下层＞上层，SLA随LDMC的变异速率顺序为下层＞中层＞上层。

3 讨论 3.1 SLA在不同植株年龄、生长阶段以及冠层高度的变异

植株年龄对SLA存在显著影响，且成年树的SLA小于幼树(Thomas et al., 2002; Greenwood et al., 2008; Liu et al., 2010)。成年树SLA变小，光合作用能力下降，可能是受内在遗传调节，随着年龄增长而造成分生活力衰退而引起(Day et al., 2002)。相对于幼树，成年树DBH和树高的增加使树木所受水分胁迫变大，叶片上表皮组织、栅栏组织、海绵组织增厚，LT显著增加，SLA减小(刘明秀等, 2016)；同时可利用性光增加，可利用性营养元素减少以及气孔导度变大等，这些都可能是成年树SLA小于幼树的原因(Rijkers et al., 2000; Thomas et al., 2002; Greenwood et al., 2008; Li et al., 2017)。以往大部分研究以叶茂盛期(7—8月)的植物叶片为研究对象，本研究在7月和9月也得到相同的结论，但在6月，成年树的SLA明显高于幼树，可能主要源于在生长初期(6月)，成年树更大、更薄的叶片用于生长初期积累更多的光合产物(胡启鹏等, 2008)，这对白桦在阔叶红松林中与其他物种共存也具有重要意义。这些研究结果表明，处于不同植株年龄的树木在不同生长阶段体现不同的生活策略。

本研究结果表明，SLA随生长阶段变化呈逐渐减小的趋势(图 1A)，这与Simioni等(2004)和Coble等(2016)在温带落叶林的研究结果相符。在生长初期，随着叶片细胞分裂和膨胀速度的改变，导致非结构性碳水化合物形式的LDMC在细胞中逐渐积累(Römermann et al., 2016)；且由于此时树木叶片刚刚展开或展开时间较短，林冠开放度较大，植物光资源丰富，叶片较薄，这些都容易导致生长初期SLA较高。在叶稳定期，树木生长旺盛有机物迅速大量积累，且该段时期降水丰富，土壤水分供应充足，随着叶片的生长，林冠开放度降低，树木可利用性光资源减少，LT增加以提高叶片光合作用能力等导致SLA降低(Bucci et al., 2005; Turner et al., 2008; Nouvellon et al., 2010)。在叶衰落期，叶片逐渐衰老，失水，营养元素也发生转移，从而导致SLA降低(Misson et al., 2006)。

SLA随着冠层高度的降低呈增加趋势(Nagel et al., 2001; Xiao et al., 2006; 张林等, 2008)，与本研究结果相符(图 1F)。冠层高度显著影响叶片所处光环境，光资源丰富时(上层)，植物增加LT，减小SLA，以提高曝光在太阳辐射下的生物量以及提高叶片投资回报率；光资源减少时，中层和下层叶片为了捕捉更多的光能创造更大的受光面积，且控制叶片内水分散失的平衡，减小LT，以便缩小叶片气孔与表面的距离，减小叶片光合作用中的水分输送阻力，同时提高SLA，以加快叶片水分，营养物质等的周转速度，保证光合收益的最大化(Wright et al., 2004)；同时冠层高度的增加会引起水分限制增加(Marshall et al., 2003; 张林等, 2008; Kenzo et al., 2015; Fellner et al., 2016)，在水分胁迫下，叶片细胞变小同时更加紧凑，叶片矿质养分更多的用于构建保卫构造，同时脯氨酸或蔗糖等可溶性化合物积累增加，LDMC增加，导致SLA降低(郑淑霞等, 2007; Poorter et al., 2009)。

3.2 LT、LDMC和LT×LDMC与SLA的关系

同一生长阶段不同植株年龄引起SLA变化的原因有所差异(表 2)。成年树9月LT和LT×LDMC显著影响SLA的变异；而幼树9月仅LDMC显著影响SLA的变异。Liu等(2010)认为树木在不同植株年龄间SLA存在显著差异的原因是植物生长过程中环境条件及植物形态的改变造成具有遗传效应影响的叶性状及叶性状相关关系的改变所引起的。成年树根的数量及深度均大于幼树，这使成年树能够吸收更多的水分、营养物质等提供叶片生长(Thomas et al., 2002)，且成年树处于森林林冠上层，接受光辐射范围大于幼树，而LT与叶片经济学(叶片光捕捉方面)密切相关(Griffith et al., 2016)，这可能是9月成年树SLA的变异主要受到LT影响的主要原因；而幼树受到成年树的遮蔽光资源较少，但其所受到水分、营养物质等胁迫要小于成年树(Liu et al., 2010; Martin et al., 2013)，这可能是9月幼树SLA的变异主要受到LDMC影响的主要原因。

相同植株年龄不同生长阶段引起SLA变化的原因有所差异(表 2)。幼树6、7月LT、LDMC均对SLA的变化存在显著影响，而9月仅LDMC对SLA存在显著影响(表 2)。其主要原因可能是在生长季叶片生长所处林冠郁闭度增加(Martinez et al., 2018)，随着光强的降低叶片单位干质量叶面积增加，叶片光资源捕捉能力提高；同时叶片叶绿素含量提高，以最大限度保证光合碳积累(胡启鹏等, 2008)。这有利于白桦在有限的生长季节较常绿树种(如红松)积累更多的光合产物，对增强其在阔叶红林中的竞争力具有重要意义。而9月，植株叶片进入衰落期，植株开始落叶，林冠光环境增强，但树木水分、营养物质缺乏，叶片通过重新分配营养物质在叶片、根等的分布使树木适应环境的改变(Misson et al., 2006)，这可能是叶衰落期只有LDMC显著影响SLA的原因。

白桦成年树的上层和下层林冠LDMC显著影响SLA的变异，而中层LT、LT×LDMC显著影响SLA的变异(表 3)。对于上层林冠的高光强环境，叶片的光合产物主要用于保护结构从而防止高温损伤及过度失水，同时上层林冠受到水分胁迫更大，叶片重新分配光合产物在根等部位增加水分吸收能力；而对于下层林冠，随着光环境的降低叶片更多的光能用于生存消耗中(Marshall et al., 2003; 胡启鹏等, 2008)。这可能是上层林冠SLA主要受LDMC影响的主要原因，同时对成年白桦在阔叶红松林中更好的利用资源以良好生存具有重要意义；而中层林冠在生长初期光环境丰富，随着叶片的生长，叶片间互相遮蔽，光资源减少，叶片通过调整LT改变SLA以增加叶片光合作用效率，且LT相较于LDMC而言，具有更好的易变性，影响SLA的变化，可以消耗更少的叶片资源，叶片选择更符合叶片经济学的LT来改变SLA(Marshall et al., 2003; Griffith et al., 2016)。

3.3 不同植株年龄、生长阶段、冠层高度对SLA与LT、LDMC之间相关关系的影响

不同植株年龄对SLA-LT及SLA-LDMC的相关关系存在显著影响(P=0.001, 图 2A、B)，这与以往的研究结果相符，如Karavin(2014)研究表明SLA与LDMC之间存在显著负相关关系，且随树木DBH的变化SLA和LDMC均存在显著差异。对于不同年龄的植株而言，处于林冠上层的成年树相比于幼树光资源丰富，叶片含N量较高，LT较厚，光合作用能力较强(Liu et al., 2010)；树木树高和DBH均发生改变，树木生长所需水分、营养物质等的运输路径变长，成年树分生组织活性降低，叶片LDMC消耗减少(Day et al., 2002; Liu et al., 2010)；成年树所处环境风速较高，叶片受到更多机械损伤，叶片需建造更多的保卫组织及防御化合物(如木质化、丹宁酸、酚类)等以提高叶片抗损伤能力(Thomas et al., 2002)。这些可能是植株年龄对叶片性状间相关性产生影响的主要原因。

不同生长阶段对SLA-LT及SLA-LDMC的相关关系存在显著影响(P=0.001, 图 2C、D)。对于成年树和幼树来说，叶生长期叶片迅速展叶以增加叶面积提高光资源获取能力(Martinez et al., 2018)；在叶稳定期，树木受到其他植株及自身叶片遮挡，光资源减少，同时更多的光合产物用于叶片构建以应对越来越复杂的生活环境；叶衰落期叶片光合作用能力下降，营养物质转移，同时随着生长阶段的变化，森林降水频率及凋落物分解速率增大，土壤含水率提高，营养元素含量增加(Martinez et al., 2018; Misson et al., 2006)。这些可能都是生长阶段对叶片性状间相关性产生影响的主要原因。

不同冠层高度对SLA-LT及SLA-LDMC的相关关系存在显著影响(P =0.001, 图 2E、F)。这与以往的研究结果相符，如England等(2006)研究结果表明冠层高度对SLA和LT具有显著影响，SLA随冠层高度的增加而减小，LT则相反。对于成年树不同冠层高度而言，随着冠层高度的降低，林冠开放度逐渐减小，光照有效性降低(White et al., 2006)，冠层生长速率减慢，叶伸展成本降低；冠层高度的增加会引起水分和营养物质胁迫增加(Marshall et al., 2003; 张林等, 2008; Kenzo et al., 2015; Fellner et al., 2016)；上层林冠风速较大，叶片需更多LDMC构建保卫组织(Niinemets, 2007; Nouvellon et al., 2010)，这可能是SLA随LDMC的变异速率顺序为下层＞中层＞上层的主要原因。

4 结论

本研究分析资源环境对性状变异及性状间相关关系的影响，结果表明，不同植株年龄白桦比叶面积均随生长阶段的变化显著下降，随冠层高度的降低显著增加；叶厚度和干物质含量对比叶面积的影响程度随植株年龄、生长阶段和冠层高度的变化有所差异，且植株年龄、生长阶段和冠层高度对性状间的相关关系存在显著影响。因此，资源环境对性状变异及性状间相关关系具有显著的调控作用。