研究概要
本研究由清华大学地球系统科学系的白建坤、孟宇辰、苟瑞坤，以及清华大学深圳国际研究生院的戴政、海南大学的朱小山和清华大学地球系统科学系与深圳国际研究生院的林光辉共同完成。该原创研究成果于2023年4月27日发表在国际学术期刊《Frontiers in Marine Science》上，论文标题为《气孔生理性状与外来红树物种拉关木（*Laguncularia racemosa*）在新领地快速扩张之间的关联》。
一、研究的学术背景
红树林是地球上碳储量最丰富的生态系统之一。然而，在过去半个世纪中，由于人类活动和气候变化，全球红树林面积丧失了约三分之一。海南岛拥有中国最高的红树林多样性和碳储量，但其红树林面积在1950至2010年间也锐减了60%。为恢复红树林生境，引种造林项目引入了一些外来物种，尤其是快速生长的物种。其中，原产于西非和美洲东海岸的拉关木（*Laguncularia racemosa*）于1999年从墨西哥拉帕斯海岸被引入中国海南，并因其高环境适应性和快速生长的特性而成为造林中广泛使用的外来红树物种。然而，越来越多的野外观察表明，拉关木的生长速度超过了本地红树物种，甚至比另一种快速生长的红树物种无瓣海桑（*Sonneratia apetala*）更具侵略性。
尽管已有研究从叶片构建成本、盐度和光照等因素探讨了拉关木的生长优势，但其快速扩张的生理机制，尤其是气孔层面的微观机制，尚不明确。气孔作为植物叶片表面的孔隙，通过调控气孔导度（stomatal conductance, gs）和蒸腾作用（transpiration, e），对植物生长和生产力产生重大影响，决定了植物与周围环境之间的碳、水、养分循环。因此，本研究旨在通过比较外来种拉关木与本地红树物种的气孔性状、气体交换参数、稳定同位素分馏以及碳氮分配等生理特征，揭示拉关木快速扩张的微观生理机制，并回答两个核心问题：第一，外来种与相邻本地种在气孔性状和气体交换特征上有何差异？第二，气孔性状如何影响外来红树的生理过程，从而导致其比本地红树生长更快？
二、研究的详细工作流程
本研究在海南岛的两个地点进行：位于北部的海口东寨港红树林自然保护区和位于南部的三亚青梅港红树林自然保护区。整个研究流程主要包括野外叶片气体交换参数测定、叶片气孔性状采集与测量、植物样品稳定同位素和碳氮含量分析，以及综合数据统计分析四个主要环节。
在第一个环节，研究人员选取了外来种拉关木和四种相邻的本地红树物种，包括白骨壤（*Avicennia marina*）、桐花树（*Aegiceras corniculatum*）、木榄（*Bruguiera gymnorhiza*）和秋茄（*Kandelia obovata*），所有植株树龄均约为两年。所有气体交换参数的测定均在夏季的上午9点至下午3点之间完成。研究者使用LI-6400便携式光合作用测量系统（LI-COR Inc., USA）对成熟叶片进行测量。测量时，叶室内的二氧化碳浓度维持在约400 ppm（接近当地环境CO2浓度），光合有效辐射设定为1000 µmol photons m⁻² s⁻¹，气流速率为500 mmol s⁻¹。待稳定约30分钟后，记录同化速率（assimilation rate, A）、气孔导度（gs）、蒸腾速率（e）和胞间CO2浓度（intercellular CO2 concentration, Ci），并根据A/e的比值计算瞬时水分利用效率（instantaneous water use efficiency, WUEi）。每个物种测量3至5株个体作为重复。
在第二个环节，研究人员在同一环境下采集各物种成熟完整的叶片用于气孔性状测量。为了获取叶片表皮，他们使用刀片轻轻刮去叶脉和叶肉组织，用去离子水冲洗干净后，将表皮切成小段，滴染后置于载玻片上。在荧光显微镜（Nikon Eclipse Ci-L）400倍放大下，测量保卫细胞长度（guard cell length），并以每个视野内的气孔数量计算气孔密度（stomatal density, D）。每个叶片取样三个视野，每个物种测量3至5片叶片。特别值得注意的是，此方法不仅观察了叶片下表皮，还观察了上表皮的气孔分布情况。
在第三个环节，气体交换测量结束后，研究人员同步收集了外来种和相邻本地种的植物样品。他们将每株植物的根、茎、叶分离，置于烘箱中70℃干燥48小时至恒重，然后用研磨仪粉碎并过60目筛。样品的碳氮稳定同位素比值（δ¹³C 和 δ¹⁵N）使用同位素比值质谱仪（IRMS, Delta V Advantage, Thermo Fisher Scientific）进行测定，而碳（C）和氮（N）含量则通过元素分析仪（Flash 2000 EA-HT, Thermo Finnigan）测得。δ¹³C值被用来计算碳同位素分辨（Δleaf）并反演长期水分利用效率。
在第四个环节，研究人员运用了多种统计分析方法。他们使用线性和非线性回归检验气孔密度与大小之间的相关性，用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD多重比较评估不同物种间气体交换参数的差异。此外，还创建了多元线性回归模型和斯皮尔曼相关热图（Spearman correlation heatmap），以探索气孔性状与光合特征之间的关系。这些分析主要通过R语言（版本4.0.5）中的“ggplot2”和“ggcor”包以及Origin 2019b软件实现。
三、研究的主要结果
研究结果揭示了外来种与本地种在气孔分布、形态及生理功能上的显著差异，并系统地阐明了这些差异间的逻辑联系。
首先，在气孔分布与形态关系上，研究发现本地红树秋茄（*K. obovata*）的气孔仅分布于叶片下表皮，而外来种拉关木的气孔则同时分布于上下表皮，且上表皮的气孔密度高于下表皮。对所有研究物种而言，气孔密度与保卫细胞长度之间存在一个可由负幂函数高度拟合的负相关关系（R²=0.66, P<0.001）。拉关木处于这个关系的极端位置：它具有所有物种中最高的气孔密度和最小的气孔尺寸。
其次，在气体交换参数上，拉关木表现出了显著的差异性。其叶片CO₂同化速率（A）、气孔导度（gs）和蒸腾速率（e）均显著高于所有本地红树物种。然而，其瞬时水分利用效率（WUEi）与木榄无显著差异，但低于其他本地物种。这一结果初步揭示了拉关木“高光合、高蒸腾、低水效”的生理策略。进一步的斯皮尔曼相关分析量化了这一关系：气孔密度与光合速率（A）、蒸腾速率（e）、气孔导度（gs）呈显著正相关，而气孔大小与这些参数呈负相关。值得注意的是，这些关系是非线性的。例如，随着气孔密度的增加，导度起初迅速上升，随后趋于平稳，同时驱动光合速率和蒸腾速率的增加，但蒸腾速率的增幅在高密度样本中更为明显，导致了水分利用效率的急剧下降。
再次，稳定同位素数据为上述发现提供了更深层次的证据。无论是在海口还是三亚样地，拉关木的根、茎、叶δ¹³C值均显著低于本地红树，而其叶片碳同位素分辨（Δleaf）则显著更高。根据碳同位素分馏模型，更负的δ¹³C值（或更高的Δleaf）直接表明其长期水分利用效率（WUE）较低。同时，拉关木具有更高的氮含量和更低的碳氮比（C:N），这表明其拥有更高的氮吸收效率和光合氮利用效率（photosynthetic nitrogen use efficiency, NUE）。此外，δ¹³C和δ¹⁵N值还存在空间格局：相比于高盐的三亚样地，低盐的海口样地红树林具有更低的δ¹³C分辨（即更高的WUE）和更高的δ¹⁵N值，表明其受氮限制的程度更低。
四、研究结论与价值
本研究综合以上结果，提炼出了一个关于拉关木快速扩张的微观生理机制模型。研究者得出结论：气孔性状是驱动拉关木快速生长的核心因素。首先，拉关木叶片上下表皮均有的高密度、小尺寸气孔，显著增强了气孔导度。这不仅为羧化作用提供了更多的CO₂和H₂O，还因为上表皮气孔靠近叶绿体分布区域，缩短了CO₂的扩散路径，从而大幅提高了光合速率。其次，尽管高导度导致的高蒸腾作用降低了瞬时和长期水分利用效率，但研究者推测这对拉关木的限制较小，因为它具有发达的盐腺和贮水组织，能够高效泌盐和维持水分平衡。更重要的是，增强的蒸腾作用加速了植物体内的水分运输，从根部驱动了更多的养分（如氮素）吸收，以满足其快速生长的需求，这一点从其较高的叶片氮含量得以证实。
这项研究的科学价值在于，它首次从气孔形态学和生理学的微观角度，系统解释了外来红树物种拉关木相较于本地种快速扩张的机制，填补了该领域的认知空白。其应用价值在于，这些发现暗示拉关木在本地红树林生境中具有明确的入侵潜力。因此，研究者强调，在进行红树林恢复项目时，应审慎引入拉关木，以避免其对本地生态系统造成潜在的负面影响。同时，研究还推测，在全球大气CO₂浓度升高和沿海水体富营养化的背景下，拉关木因其独特的高光合-低水效策略，可能获得更大的生长优势，进一步加速其扩张，这为未来红树林保护提供了重要的预警方向。
五、研究亮点
本研究的亮点之一在于其研究视角的新颖性，将气孔层面的微观形态、生理性状与宏观的物种扩张现象进行了直接关联和机制解析。亮点之二是发现了拉关木上下表皮均有气孔且上表皮密度更高的独特分布模式，并揭示了这种模式如何通过缩短CO₂扩散路径来直接增强光合作用。第三个亮点是研究方法的综合性和证据链的完整性，通过将瞬时气体交换数据（gs, A, E）与能反映长期生理状态的稳定同位素（δ¹³C, δ¹⁵N）及碳氮分配数据相结合，从多维度、跨时间尺度的层面有力地支撑了研究结论，使得关于水分利用、养分吸收和光合效率的推论更为坚实可靠。