張子荷，龔吉蕊，晏欣，黃永梅，安然，祁瑜，張梓瑜，劉敏

(北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875)

放牧是干擾草地生態(tài)系統(tǒng)的主要因素之一，同時(shí)，植物個(gè)體也會(huì)產(chǎn)生一系列避牧和耐牧機(jī)制來抵御不良環(huán)境的影響[5-6]。隨放牧強(qiáng)度增加，植物的葉片生物量、分蘗數(shù)目、植株高度等形態(tài)學(xué)指標(biāo)都有所降低[7]。植物個(gè)體也會(huì)通過改變光合作用、蒸騰、暗呼吸等生理學(xué)指標(biāo)，使植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行再分配，促進(jìn)再生長(zhǎng)，進(jìn)一步提高其耐牧性[8-9]。放牧干擾直接影響了牧草的凈光合速率(Pn，net photosynthetic rate)和水分關(guān)系，牲畜啃食葉片后，植物的光合器官受損，葉面積指數(shù)(LAI，leaf area index)減小，導(dǎo)致Pn下降[10]。牲畜的踩踏改變土壤的水分含量及理化性質(zhì)，導(dǎo)致植物可利用水分含量下降，水分利用效率(WUE，water use efficiency)降低[8]。葉片啃食后刺激了植物的補(bǔ)償效應(yīng)，也會(huì)使Pn提高[11-12]。也有研究發(fā)現(xiàn)，放牧對(duì)植物Pn沒有顯著影響[13]。目前許多研究主要關(guān)注放牧干擾對(duì)植物光合表觀特性的影響，而植物的光合表觀特性取決于內(nèi)部的光合機(jī)理，但對(duì)植物光合機(jī)理對(duì)放牧干擾的響應(yīng)的研究還存在不足。

放牧干擾不僅改變植物的光合表觀特性，還會(huì)進(jìn)一步影響植物的內(nèi)部生理特性。水分是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子之一。當(dāng)受到水分脅迫時(shí)，植物會(huì)改變體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(如可溶性糖、可溶性蛋白等)調(diào)節(jié)滲透勢(shì)來維持膨壓，調(diào)節(jié)氣孔開閉，影響Pn[14]。當(dāng)植物受到光照脅迫時(shí)，植物光合色素(如葉綠素a、b)合成受阻或者色素加速分解；植物體吸收過多光能時(shí)，以熱耗散和葉綠素?zé)晒獾确绞结尫胚^多的光能避免光合器官損傷[15]。葉綠素?zé)晒饽軌蚍从持参飳?duì)光能的處理、適應(yīng)調(diào)整能力，也能反映植物內(nèi)部的光能利用與分配方式[16]。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, RUBPCase， Rubisco)是C3植物中的3C化合物還原的關(guān)鍵酶，參與了多種光合生理過程，其活性可以用于評(píng)價(jià)植物的光合能力[17-18]。氮(N)和磷(P)是限制植物光合生產(chǎn)力的主要營(yíng)養(yǎng)元素，N元素是葉綠素的組成部分之一，P元素是ATP和ADP生成以及Rubisco形成和輸出所需要的元素，因此植物光合N、P利用效率(PNUE、PPUE，photosynthetic nitrogen and phosphorus utilization efficiency)可用于評(píng)估植物的光合能力[19-20]。因此，非常有必要把光合表觀特性和內(nèi)部生理機(jī)制結(jié)合起來探討放牧對(duì)植物的光合特性的影響。

草地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵種是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中扮演著重要的角色。呼倫貝爾草甸草原的優(yōu)勢(shì)種主要有羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)等。羊草為多年生根莖型禾草，抗旱、抗寒、抗鹽堿脅迫，適口性強(qiáng)，是優(yōu)良的牧草種類。近年來，關(guān)于放牧干擾對(duì)羊草的影響研究主要包括物種多樣性、形態(tài)特性、莖葉功能性狀、氣體交換特性、資源分配、葉片解剖結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)等方面[10, 21-26]。但目前對(duì)放牧干擾下草甸草原優(yōu)勢(shì)種羊草的生理生態(tài)特性的變化與響應(yīng)機(jī)制并不完善。通過研究中度放牧干擾下，內(nèi)蒙古草甸草原優(yōu)勢(shì)種羊草的水分關(guān)系、氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒馓匦浴⑷~綠素含量、光合N、P利用效率、光合酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等相關(guān)參數(shù)，從羊草的表觀和內(nèi)在光合特性研究羊草對(duì)放牧干擾的響應(yīng)機(jī)理，進(jìn)一步為呼倫貝爾草甸草原退化草地的治理和生產(chǎn)力的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi)的貝加爾針茅草甸草原圍封樣地(1997年圍封)和放牧樣地，地處119°56′-119°57′ E、49°19′-49°20′ N，海拔627～649 m，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，年平均降水350～400 mm，主要集中在植物生長(zhǎng)季。年均氣溫-5～-2 ℃，大于10 ℃年積溫1580～1800 ℃，無霜期110 d左右。年均降水量366 mm。土壤為黑鈣土或栗鈣土。選擇放牧樣地(中度)和圍封樣地(1997年圍封)作為實(shí)驗(yàn)樣地，放牧強(qiáng)度為4.2羊單位·hm-2。 兩種處理的植物群落結(jié)構(gòu)組成具體見表1。

樣品采集和實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間為2011年生長(zhǎng)季8月。選擇樣地中3～5株長(zhǎng)勢(shì)較好、健康的羊草進(jìn)行樣品采集和實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定時(shí)標(biāo)記位置，保證測(cè)量部位一致。樣地的植物特性見表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集

1.2.1氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 氣體交換和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定時(shí)間選擇2011年8月初羊草生長(zhǎng)旺盛期，選擇晴朗無風(fēng)的天氣，利用LI-6400光合測(cè)定系統(tǒng)(LI-COR, Lincoln,USA)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)間上午8點(diǎn)到下午6點(diǎn)，每次測(cè)量間隔2 h。選擇3～5株生長(zhǎng)良好的羊草進(jìn)行測(cè)定，每株測(cè)定3～5個(gè)部位基本一致、生長(zhǎng)狀況相似的葉片，每次測(cè)定9個(gè)重復(fù)。每次測(cè)定葉片熒光參數(shù)前，待測(cè)葉片都進(jìn)行了暗適應(yīng)處理。經(jīng)過測(cè)定，獲得凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr，transpiration rate)、氣孔導(dǎo)度(Gs，stomatal conductance)、胞間CO2濃度(Ci，intercellular CO2concentration)等氣體交換參數(shù)和最小熒光(Fo，minimal fluorescence)、最大熒光(Fm，maximum fluorescence)、光下穩(wěn)定熒光(Fs，steady-state fluorescence)、光下最小熒光(Fo′，minimal fluorescence under light)和光下最大熒光(Fm′， maximum fluorescence under light)等熒光參數(shù)。通過計(jì)算得到PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm，maximum quantum efficiency of PSⅡ)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率(Fv′/Fm′，photochemical efficiency of PSⅡ in the light)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ，effective quantum yield of PSⅡ)、電子傳遞速率(ETR， electron transport rate)、光化學(xué)猝滅(qP，photochemical quenching)、非光化學(xué)猝滅(NPQ，non-photochemical quenching)、氣孔限制值(Ls，limiting value of stomata)[27]。通過計(jì)算凈光合速率與蒸騰速率的比值得到水分利用效率(WUE，water use efficiency)[8]。

表2 樣地植物群落特征Table 2 The characteristics of plant community of fenced and grazing plots

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different small letters in the same column indicate significant differences at theP<0.05 level.

1.2.2葉片水勢(shì)和含水量的測(cè)定 利用LI-COR WP4露點(diǎn)水勢(shì)儀(Decagon Devices, Pullman, USA)測(cè)定葉片水勢(shì)，選取健康的羊草葉片，在早上6點(diǎn)至下午6點(diǎn)每隔2 h進(jìn)行測(cè)定，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)。在測(cè)定葉片水勢(shì)的相同部位剪取一定量葉片，稱取葉片鮮重后烘干至恒重(65 ℃)，稱取干重，根據(jù)公式計(jì)算葉片含水量[28]：

當(dāng)前，電氣自動(dòng)化已經(jīng)滲透到了生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，為生產(chǎn)力的提高與人民生活的改善做出了巨大的貢獻(xiàn)。本文從以下三個(gè)方面介紹電氣自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀：

葉片含水量=(葉片鮮重-葉片干重)/葉片鮮重×100%

(1)

1.2.3土壤含水量的測(cè)定 利用環(huán)刀法測(cè)定圍封和放牧樣地內(nèi)的土壤含水量。采用環(huán)刀截取4個(gè)土層的土壤(0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm)，稱取土壤濕重后烘干至恒重(65 ℃)，再稱取土壤干重和環(huán)刀重量，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)，根據(jù)公式計(jì)算土壤含水量[29]：

土壤含水量=(土壤濕重-土壤干重)/土壤干重×100%

(2)

1.2.4生化指標(biāo)的測(cè)定 將羊草測(cè)定氣體交換參數(shù)同一部位葉片進(jìn)行采集后，迅速保存在液氮中，用于生化指標(biāo)的測(cè)定，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)。采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[29]。采用丙酮法測(cè)定葉片葉綠素含量[30-31]。采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白含量[32]。按照Racker的方法(略有改進(jìn))制備RuBPCase提取液，在紫外分光光度計(jì)340 nm處測(cè)定Rubisco酶活性[33]。

1.2.5葉比重和光合氮、磷利用率的測(cè)定 將用于測(cè)定氣體交換和熒光參數(shù)的葉片進(jìn)行葉面積的測(cè)定(LI-3000, LI-COR, Lincoln, USA)，然后在65 ℃烘干至恒重，稱量干重，計(jì)算葉比重(SLW，specific leaf weight)(g·m-2)[34]：

葉比重 (SLW)=葉片干重/葉面積

(3)

采用凱氏定氮法測(cè)定葉片氮含量(Nmass，leaf nitrogen content)[34]，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)，根據(jù)公式計(jì)算光合氮利用率(PNUE，photosynthetic nitrogen utilization efficiency)[34]：

PNUE=Pn/Nmass

(4)

在ICP-MS(ICPS-7510, Shimadzu Co., Kyoto, Japan)上測(cè)定單位質(zhì)量葉磷含量(Pmass，leaf phosphorus content)[35]，每次測(cè)定3個(gè)重復(fù)，根據(jù)公式計(jì)算光合磷利用率(PPUE,photosynthetic phosphorus utilization efficiency)：

PPUE=Pn/Pmass

(5)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2013和SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)圍封和放牧樣地之間的羊草氣體交換參數(shù)、熒光參數(shù)、葉片水勢(shì)、葉片含水量、葉綠素含量、葉比重、生化指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA單因素方差分析。對(duì)葉片PNUE、PPUE與葉比重之間進(jìn)行相關(guān)性分析。統(tǒng)計(jì)顯著水平為P=0.05。采用Origin 8.5 軟件制圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 羊草水分關(guān)系變化

圍封樣地和放牧樣地的土壤含水量存在顯著差異，放牧樣地各土層土壤含水量都低于圍封樣地(表3，P<0.05)。兩種樣地中羊草葉片水勢(shì)、葉片含水量都呈先下降后上升趨勢(shì)，放牧樣地水勢(shì)值在12:00和14:00低于圍封樣地(P<0.05)；放牧樣地葉片含水量高于圍封處理(圖1A、B)。兩種樣地中羊草的蒸騰速率呈“雙峰型”曲線，在光照脅迫較強(qiáng)時(shí)，放牧樣地羊草Tr低于圍封樣地(圖1D，P<0.05)，WUE高于圍封樣地，且兩種樣地的水分利用效率變化趨勢(shì)基本一致(圖1C)。

2.2 羊草氣體交換參數(shù)變化

表3 圍封和放牧樣地的土壤含水量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，n=4)Table 3 The soil water content of the fenced and grazing plots (mean±SE, n=4)(%)

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different small letters in the same row indicate significant differences at theP<0.05 level.

圍封和放牧樣地中，羊草的Pn日變化動(dòng)態(tài)規(guī)律呈“雙峰型”，且放牧樣地Pn高于圍封樣地(圖2A，P<0.05)。Gs都呈先上升后下降趨勢(shì)，放牧樣地Gs在16:00時(shí)有躍升(圖2B)。除8:00和12:00，放牧樣地Ci值都顯著高于圍封樣地，且變化趨勢(shì)隨Pn增加而下降(圖2C，P<0.05)。圍封樣地羊草的Ci值變化規(guī)律符合Pn變化趨勢(shì)(圖2C)。圍封樣地氣孔限制值(Ls，limiting value of stomata)與Pn變化趨勢(shì)基本一致，放牧樣地Ls在強(qiáng)光照脅迫時(shí)較高，在光照適宜時(shí)較低(圖2D)。

圖1 圍封和放牧處理下羊草水分關(guān)系變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.1 Changes of water relations of L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

圖2 圍封和放牧處理下羊草氣體交換參數(shù)變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.2 Changes of gas exchange characteristics of L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

2.3 羊草葉綠素?zé)晒庾兓?/h3>

圍封和放牧樣地中，羊草的Fv/Fm呈先下降后上升趨勢(shì)，在光照輻射強(qiáng)度最大時(shí)達(dá)到最低值(圖3A)。兩種草地類型中羊草的qP總體變化趨勢(shì)一致，都呈上升趨勢(shì)(圖3C)。放牧樣地羊草NPQ呈“雙峰型”，圍封樣地變化不大(圖3D)。圍封和放牧樣地的ETR差異顯著，圍封樣地中ETR先上升后降低；放牧樣地中，ETR在10:00和16:00時(shí)較高，而在12:00時(shí)最低(圖3E，P<0.05)。羊草ΦPSⅡ在兩種草地類型中也呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，都與其qP值變化規(guī)律相一致(圖3F)。

圖3 圍封和放牧處理下羊草的熒光特性變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.3 Changes of fluorescence characteristics of L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

2.4 羊草生理生化指標(biāo)變化

羊草Chl a、Chl b、Chl a+b和Chl a/b的值在圍封和放牧樣地中呈相似的變化趨勢(shì)，且放牧樣地高于圍封樣地(圖4A～D，P<0.05)。圍封樣地中可溶性糖含量逐漸上升，放牧樣地中變化趨勢(shì)平緩，無明顯變化(圖4E)。兩種樣地中羊草可溶性蛋白含量存在顯著差異，但日變化趨勢(shì)基本一致(圖4F，P<0.05)。兩種樣地中羊草的PNUE、PPUE和Rubisco酶活性的變化趨勢(shì)基本一致，在12:00達(dá)到最低；圍封樣地羊草SLW顯著高于放牧樣地，其中圍封樣地在16:00達(dá)到峰值，放牧樣地在12:00達(dá)到峰值(圖5A～D，P<0.05)。

圖4 圍封和放牧處理下羊草葉綠素含量、可溶性糖及可溶性蛋白含量變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.4 Changes of chlorophyll content, soluble sugar and soluble protein contents of L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

2.5 羊草氣體交換參數(shù)的相關(guān)性

圍封處理下，羊草的Pn與Gs和Tr呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與胞間CO2濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與WUE和土壤含水量關(guān)系不顯著(表4)。WUE與Tr為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤含水量極顯著相關(guān)(P<0.01)。放牧處理下，Pn與Gs、Tr和WUE都顯著相關(guān)；WUE與Tr和土壤含水量存在一定的相關(guān)性，但不顯著。

圖5 圍封和放牧處理下羊草光合氮、磷利用率、Rubisco酶活性和葉比重變化(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig.5 Changes of PNUE, PPUE, Rubisco activity and SLW in L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

處理Plots參數(shù)Characteristics胞間CO2濃度Ci氣孔導(dǎo)度Gs蒸騰速率Tr水分利用效率WUE土壤含水量SWC圍封Fenced凈光合速率 Pn-0.740**0.910**0.644**-0.140-0.192胞間CO2濃度 Ci-0.483*-0.640**0.506*0.694**氣孔導(dǎo)度 Gs0.659**-0.1510.004蒸騰速率 Tr-0.738**0.620水分利用效率 WUE0.849**放牧Grazing凈光合速率 Pn-0.2990.700**0.489*0.721**0.203胞間CO2濃度 Ci0.1820.190-0.2870.711**氣孔導(dǎo)度 Gs0.883**0.1930.458蒸騰速率 Tr-0.1900.129水分利用效率 WUE0.569

注：*表示差異顯著(P<0.05)， **表示差異極顯著(P<0.01)。下同。SWC：Soil water content.

Note: * indicates significant difference (P<0.05), ** indicates extremely significant difference (P<0.01). The same below.

2.6 羊草Pn與PNUE、PPUE、SLW的相關(guān)性

圍封和放牧處理下，羊草Pn與PNUE、PPUE都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，表5)，但都與SLW之間存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但未達(dá)到顯著水平。兩種處理羊草的PNUE與PPUE之間為極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；PPUE與SLW之間存在一定相關(guān)關(guān)系，但并不顯著。放牧處理下，羊草PNUE與SLW呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表5 圍封和放牧樣地羊草Pn和PNUE、PPUE、SLW的相關(guān)性Table 5 Correlations between Pn and PNUE, PPUE, SLW of L. chinensis in fenced and grazing plots

3 討論

3.1 放牧干擾對(duì)羊草水分關(guān)系的影響

水分是限制植物生長(zhǎng)的重要因素之一，植物的水勢(shì)是表征植物水分關(guān)系的一個(gè)重要參數(shù)，可以反映植物水分的供求關(guān)系和受水分脅迫的程度[36]。兩種樣地羊草的水勢(shì)日變化趨勢(shì)一致，但在10:00至12:00階段，溫度升高，大氣濕度下降，放牧樣地羊草的水勢(shì)急速下降，Tr最低值出現(xiàn)在12:00，說明當(dāng)干旱脅迫的初期時(shí)段，放牧地羊草已經(jīng)開始減少蒸騰來減少水分耗散，羊草能夠快速對(duì)水分脅迫進(jìn)行調(diào)整和適應(yīng)[37-38]。放牧樣地羊草的水勢(shì)和蒸騰速率均低于圍封草地，說明在水分虧缺比較嚴(yán)重時(shí)，羊草通過降低水勢(shì)、減少蒸騰等方式適應(yīng)干旱環(huán)境[39]。植物的WUE指植物消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量，取決于Pn與Tr的比值，實(shí)質(zhì)上反映了植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，是評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)[40]。放牧樣地羊草的WUE高于圍封樣地，Pn高于圍封樣地，Tr低于圍封樣地，相關(guān)分析也表明，放牧處理下羊草的Pn和WUE呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明羊草通過增加Pn和降低Tr來提高WUE以適應(yīng)中度放牧脅迫[9, 41]。放牧樣地土壤含水量顯著低于圍封樣地，由于牲畜的踐踏作用，土壤孔隙減少，土壤容重增加，滲透阻力加大，因此土壤的保水能力下降[42]。放牧樣地羊草的Pn與土壤含水量存在一定的相關(guān)性，說明在水分不足條件下，羊草Pn主要受到內(nèi)部光合機(jī)理(如Rubisco酶，PNUE等)的調(diào)節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著放牧強(qiáng)度增加，多年生禾草WUE降低，說明經(jīng)過多年的放牧干擾，多年生禾草通過提高植物的耐受性應(yīng)對(duì)放牧干擾，減少水分利用，維持生存[8, 43]。由此可見，中度放牧干擾下羊草對(duì)水分脅迫更為敏感，通過降低Tr，減少水分消耗，提高WUE以適應(yīng)放牧脅迫。

3.2 放牧干擾對(duì)羊草氣體交換參數(shù)及葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

植物的光合作用是植物生長(zhǎng)和繁殖的重要過程，同時(shí)也會(huì)受到干旱、高溫等因素的影響[15]。本研究中放牧處理下羊草Pn高于圍封處理，可能是放牧的啃食和踩踏作用促進(jìn)羊草根莖節(jié)上枝條生長(zhǎng)，進(jìn)而出現(xiàn)補(bǔ)償生長(zhǎng)[44]。有研究表明，中度放牧干擾下大針茅(Stipagrandis)通過提高光合速率促進(jìn)同化物積累和補(bǔ)償生長(zhǎng)適應(yīng)放牧干擾[34]。在過度放牧下，植物減少葉面積，降低Pn，光合作用補(bǔ)償點(diǎn)增大，飽和點(diǎn)降低，Tr和Gs降低，光合能力顯著下降[45]。說明適度放牧后，羊草的分蘗、萌芽數(shù)量等增加，導(dǎo)致羊草超補(bǔ)償生長(zhǎng)，進(jìn)一步導(dǎo)致Pn增加[23]。日變化曲線大致分為兩種類型，一種是其最大凈光合速率出現(xiàn)在上午(或下午)，稱為單峰型；另一種其光合速率分別在上午和下午時(shí)段出現(xiàn)峰值，稱為雙峰型，兩峰值之間光合速率較低，即為“光合午休”[46]。兩種樣地羊草的凈光合速率日變化呈“雙峰型”，這與前人研究一致[47]。由于中午光照強(qiáng)、溫度高，羊草通過氣孔部分關(guān)閉或光化學(xué)效率降低來避免水分過度損失和光合機(jī)構(gòu)破壞，這是植物在長(zhǎng)期演化過程中形成的應(yīng)對(duì)環(huán)境脅迫的一種方法[48]。

導(dǎo)致光合“午休”現(xiàn)象的因素主要分為氣孔因素和非氣孔因素[49]。通常根據(jù)Ls和Ci的相對(duì)變化的趨勢(shì)來分析導(dǎo)致光合速率下降的原因[50]。在導(dǎo)致光合午休的非氣孔限制因素中，Rubisco酶活性下降是導(dǎo)致Pn下降的原因之一[51]。兩種樣地羊草均在正午12:00出現(xiàn)光合午休現(xiàn)象，此時(shí)，Gs、Ls和Rubisco酶活性都有所下降，可見，氣孔因素和非氣孔因素共同作用下導(dǎo)致羊草Pn下降。羊草通過關(guān)閉氣孔、減少Tr、降低水分散失適應(yīng)高溫和光照脅迫，同時(shí)改變能量分配、Rubisco酶活性等影響光合作用能力[52-53]。ETR也是非氣孔因素之一，并與Rubisco酶活性之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系[54]。ETR主要流向有RuBP的氧化作用和C同化，放牧草地羊草在12:00時(shí)降低ETR，表明羊草可能改變電子傳遞方向和增加環(huán)式電子流抵御強(qiáng)光和高溫脅迫[55]。但圍封草地中羊草PSⅡ活性與光照強(qiáng)度變化趨勢(shì)較為一致，表明其ETR隨光照變化而較為穩(wěn)定。由此可見，放牧干擾下，羊草光系統(tǒng)的光化學(xué)活性發(fā)生改變，對(duì)光合速率的調(diào)節(jié)方式更為多樣化，增強(qiáng)了對(duì)強(qiáng)光等不利環(huán)境因素的防御能力。

光合機(jī)構(gòu)吸收的光能有3個(gè)可能的去向：一是用于反應(yīng)中心葉綠素分子的光化學(xué)反應(yīng)；二是以熱的形式耗散損失；三是葉綠素?zé)晒獾男问?，三者之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系[48]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm表示光合反應(yīng)中心的開放程度，能夠快速、敏感地反映植物受到強(qiáng)光脅迫的程度[56]。隨著溫度升高、光照增強(qiáng)，放牧樣地和圍封樣地中羊草Fv/Fm值逐漸下降，且低于0.75，表明羊草產(chǎn)生了光抑制現(xiàn)象[57]。隨后，兩種樣地羊草Fv/Fm值逐漸恢復(fù)，表明溫度和光照的脅迫并沒有導(dǎo)致光合機(jī)構(gòu)不可逆的破壞，羊草可能會(huì)通過增加NPQ來緩解光抑制[58]。放牧樣地羊草光化學(xué)猝滅(qP)逐漸升高，NPQ在光照脅迫較為嚴(yán)重的時(shí)刻較高而ETR較低，說明光照脅迫較強(qiáng)時(shí)羊草類囊體膜無法利用更多的光量子，通過增加NPQ將多余的光量子以熱耗散的形式散發(fā)出去保護(hù)光合機(jī)構(gòu)不受強(qiáng)光脅迫的損傷[59]。Fv′/Fm′值反映了PSⅡ反應(yīng)中心吸收光量子的效率[27]。放牧樣地Fv′/Fm′隨時(shí)間升高且高于圍封樣地，表明放牧處理刺激羊草PSⅡ反應(yīng)中心吸收更多的光量子提高Pn。放牧干擾下羊草對(duì)光照條件形成了一定的生理適應(yīng)，在光照適宜時(shí)增加光化學(xué)反應(yīng)，在光照脅迫較為嚴(yán)重時(shí)增加非光化學(xué)反應(yīng)來降低脅迫，增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，羊草對(duì)光能的分配利用較圍封處理更為迅速靈敏[60]。

3.3 放牧干擾對(duì)羊草光合生理的影響

葉綠素含量被認(rèn)為是影響光合速率的重要因素之一，并且易受多種因素影響[61]。Chl a更是直接與光合速率有關(guān)，Chl b是聚光色素蛋白的重要組分，所以其含量與植物葉片對(duì)光照強(qiáng)度的適應(yīng)性相關(guān)[62]。放牧樣地羊草Chl a、Chl b含量都高于圍封樣地，且兩種樣地的變化趨勢(shì)基本一致。兩種樣地在14:00時(shí)Chl a、Chl b和Chl a+b含量都達(dá)到最低，表明植物此時(shí)受到強(qiáng)光、水分、溫度等環(huán)境因素的脅迫，導(dǎo)致葉綠素有一定程度的降解[63]。隨后16:00時(shí)，Chl a、Chl b逐漸恢復(fù)。其中，兩種草地中羊草在經(jīng)歷水分脅迫較為嚴(yán)重的14:00后，Chl b都有一個(gè)明顯躍升，之前對(duì)木龍葵(Solanumsuffruticosum)的研究表明，水分虧缺能夠誘導(dǎo)植物葉片葉綠素的合成，尤其是Chl b[64]。滲透調(diào)節(jié)是植物受到水分脅迫時(shí)，為了保持植物細(xì)胞活性和水分吸收而維持植物細(xì)胞膨壓的一種主要手段[65]。大量研究表明植物體內(nèi)的可溶性糖和可溶性蛋白在水分脅迫下，會(huì)大量累積以增加滲透勢(shì)，從而降低水勢(shì)通過分析其含量變化方式，可以了解植物抗旱性強(qiáng)弱[14]。兩種樣地羊草可溶性蛋白含量變化趨勢(shì)一致且與水勢(shì)變化相似，大體呈先下降后上升趨勢(shì)。已有研究表明，植物受到脅迫時(shí)，可溶性蛋白含量增加[66]。但本研究中光照脅迫最強(qiáng)時(shí)，可溶性蛋白含量達(dá)到最低值，隨后又升高，推測(cè)是羊草的可溶性蛋白含量對(duì)光照脅迫的響應(yīng)存在滯后。圍封樣地羊草可溶性糖含量隨水勢(shì)降低而升高，放牧樣地可溶性糖含量沒有顯著變化，表明圍封樣地羊草通過增加可溶性糖含量抵御正午高溫、干旱等不利條件的影響[67-68]。

N、P元素是限制植物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素[69]。PNUE和PPUE可以反映植物葉片養(yǎng)分含量與生理特性的關(guān)系[35]。兩種樣地羊草PNUE和PPUE變化趨勢(shì)基本一致，且放牧樣地低于圍封樣地。有研究發(fā)現(xiàn)，植物被啃食后，提高PNUE獲取更多的N元素恢復(fù)光合能力[70]。但本研究中放牧處理后羊草PNUE低于圍封處理，原因可能是羊草在長(zhǎng)期的放牧干擾下，會(huì)優(yōu)先將能量分配到防御物質(zhì)而不是恢復(fù)光合速率，但放牧后羊草Pn高于圍封，表明羊草能夠保持一定的碳同化能力同時(shí)吸收較多的N，這是羊草適應(yīng)長(zhǎng)期放牧的一種生存策略[16,71]。N元素在植物體內(nèi)的循環(huán)與分配需要消耗大量能量，使得單位面積葉片同化物的累積減少，從而導(dǎo)致SLW下降；另一方面，N元素在植物體內(nèi)的分配和循環(huán)方式非常靈活，其中最為典型的就是N元素在光合蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白中的動(dòng)態(tài)分配，為使植物細(xì)胞獲得更多的機(jī)械保護(hù)，大量的N元素會(huì)流向植物細(xì)胞壁上，使SLW升高，分配到Rubisco、捕光色素蛋白的N元素減少，使得植物PNUE下降[72]。放牧樣地羊草PNUE與SLW呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，且PNUE與Pn呈顯著正相關(guān)，這與之前的研究結(jié)論一致[73]。放牧樣地中羊草在一天當(dāng)中SLW波動(dòng)幅度明顯，說明在維持植物體內(nèi)C、N兩種元素的動(dòng)態(tài)分配過程中較靈敏，表明放牧干擾提升了羊草平衡體內(nèi)C、N元素的能力。

P是陸地生態(tài)系統(tǒng)中限制植被第一生產(chǎn)力的重要營(yíng)養(yǎng)元素[74]。植物個(gè)體對(duì)P元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化成為探究植物生態(tài)適應(yīng)性的重要方面[75]。在土壤中P元素虧缺時(shí)，植物葉片P元素也相應(yīng)降低，作為對(duì)土壤中P元素虧缺的一種適應(yīng)機(jī)制[76]。當(dāng)流向結(jié)構(gòu)途徑的P元素較高時(shí)，SLW也隨之升高，SLW升高使得CO2在葉片中的擴(kuò)散更為受阻，從而使Pn下降，PPUE也隨之下降，使得植物PPUE與SLW呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[19,77]。放牧樣地中羊草的Pn高于圍封樣地，但放牧樣地PPUE低于圍封樣地，說明在放牧樣地中，羊草積累了大量P元素。相關(guān)性分析表明，羊草體內(nèi)P元素與Pn之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與之前的研究相一致[78]。這同樣解釋了放牧地羊草在Rubisco酶、ETR都比圍封草地較弱的情形下，Pn較高的現(xiàn)象，且羊草Pn也與PPUE呈極顯著正相關(guān)，表明中度放牧干擾增強(qiáng)了羊草對(duì)P元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

4 結(jié)論

羊草作為我國(guó)草甸草原優(yōu)勢(shì)種植物，對(duì)長(zhǎng)期放牧干擾有著較強(qiáng)的適應(yīng)能力。中度放牧干擾下，羊草光合速率有所提升，可以根據(jù)脅迫程度的變化改變光能利用方式和光合色素含量，增加熱耗散以維持較高的光合能力，促進(jìn)積累有機(jī)物。羊草也會(huì)改變滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)適應(yīng)放牧和光照強(qiáng)度帶來的干旱脅迫。同時(shí)，中度放牧干擾下，羊草的電子傳遞速率提高，PSⅡ活性增強(qiáng)，利于光合產(chǎn)物積累，促進(jìn)對(duì)N、P元素的吸收。因此，中度放牧處理有利于牧草的補(bǔ)償生長(zhǎng)，能夠保持一定的牧草生物量，利于維持較高的草地生產(chǎn)力，從而為草地生產(chǎn)力的恢復(fù)和放牧強(qiáng)度的選擇提供一定的理論依據(jù)。

致謝：感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站在野外工作中提供的幫助。