侯東杰，郭 柯

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.中國科學院植物研究所，植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093)

草原生態(tài)系統(tǒng)是中國重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，受到人類活動強烈的影響[1]，其中放牧是草原生態(tài)系統(tǒng)最主要的利用方式之一[2]。近幾十年里不斷增加的家畜數(shù)量以及不合理的放牧制度導致許多區(qū)域的草原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的退化[1]，主要表現(xiàn)為土壤理化性質[3-4]和植物群落物種組成發(fā)生改變[5-6]、群落生產(chǎn)力降低等[7-8]。放牧通過踐踏和啃食作用損傷和破壞植物地上組織[9]，還通過改變土壤物理性質[3]、加速枯落物分解和糞尿歸還等生態(tài)過程直接或間接改變養(yǎng)分循環(huán)過程[10-11]。這些變化直接影響植物養(yǎng)分吸收并導致植物養(yǎng)分適應策略的調整[12]。因此，準確掌握放牧過程中植物養(yǎng)分動態(tài)是闡明草原生態(tài)系統(tǒng)退化機制的關鍵之一。

氮(Nitrogen，N)和磷(Phosphorus，P)是植物生長和發(fā)育必須的營養(yǎng)元素，也是草原生態(tài)系統(tǒng)中主要的養(yǎng)分限制元素[13]，化學計量學的興起為研究生態(tài)系統(tǒng)過程中多元素間的動態(tài)平衡提供了有效的工具[14]。生長季放牧是中國草原生態(tài)系統(tǒng)主要的放牧方式之一，長期放牧影響下植物養(yǎng)分特征及養(yǎng)分適應策略的影響也成為當前研究的熱點[12,15-17]。然而植物養(yǎng)分(主要是N和P)對長期放牧的響應仍具有爭議性[18-20]，有研究結果顯示34年放牧后植物N和P濃度顯著提高[19]；也有研究結果指出4年放牧后植物N和P濃度無顯著變化[20]。放牧持續(xù)時間是影響植物養(yǎng)分濃度隨放牧變化的關鍵因子之一[21]，并進一步影響植物對放牧的養(yǎng)分適應策略。與長期放牧相比，在生長季放牧中家畜不斷踐踏損傷和啃食植物莖葉組織[9]。植物通過補償生長作用對放牧具有迅速且敏感的響應[22-23]，在此過程中植物養(yǎng)分動態(tài)及適應策略具有怎樣的特征，目前缺乏系統(tǒng)的研究。闡明生長季放牧過程中植物養(yǎng)分動態(tài)變化有利于揭示植物對短期放牧的養(yǎng)分調整策略，也為進一步理解長期放牧影響下植物養(yǎng)分策略提供理論依據(jù)。

植物在衰老過程中對體內(nèi)養(yǎng)分具有轉移與重吸收能力[24]。放牧過程中家畜的啃食作用也將影響植物養(yǎng)分的轉移與重吸收率，進一步影響植物對放牧的適應性并改變土壤—植物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)[25]。當前部分研究指出放牧可以提高植物的養(yǎng)分重吸收率[25-26]，但也有部分研究得到相反的結果[27]。這些研究結果的差異主要是由于其不同的放牧方式和放牧時間所導致的，也再次表明放牧時間對植物養(yǎng)分適應策略具有重要的影響。

內(nèi)蒙古典型草原地理分布廣闊，是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分，也是遭受過度放牧而產(chǎn)生嚴重退化的草原[28]。本研究以生長季放牧的內(nèi)蒙古典型草原為研究對象，旨在通過對生長季放牧影響下的植物養(yǎng)分動態(tài)進行研究，闡釋在生長季放牧影響下典型草原主要植物對不同放牧強度的適應策略。本研究從養(yǎng)分利用角度為草原放牧的合理管理提供基礎數(shù)據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究依托于中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所的放牧平臺(44°40.66′ N，116°28.32′ E)，該站點位于內(nèi)蒙古錫林郭勒草原內(nèi)，是內(nèi)蒙古典型草原的主要分布區(qū)域。該區(qū)域氣候類型為典型溫帶大陸性季風氣候，年均溫為0.5～1.0℃，年均降水量為280.5 mm，其中80%的降水集中在生長季內(nèi)。研究區(qū)土壤類型為栗鈣土，植被類型為典型草原主要類型—克氏針茅(Stipakrylovii)草原，其它伴生種主要包括：羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、寸草苔(Carexduriuscula)、豬毛菜(Salsolacollina)和刺藜(Chenopodiumaristatum)，其中羊草和糙隱子草的優(yōu)勢度相對較高。研究區(qū)植物生長季從4月下旬開始，到9月中旬為止。

1.2 試驗設計

本試驗站點在2007年前進行自由放牧，從2007—2013年實施禁牧圍封，僅在每年冬季進行打草利用。在2014年生長季開始前建立了12個面積為1.33×106m2的獨立放牧小區(qū)并設置對照處理、輕度放牧、中度放牧和重度放牧4種放牧強度。放牧強度依照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準(NY/T635—2002)設置[29]，計算公式如下：

本研究中使用體重為31 kg的2歲綿羊作為放牧家畜，通過與中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準中標準羊單位(50 kg)進行換算，本研究對照處理、輕度放牧、中度放牧和重度放牧中分別設置0只羊(0標準羊·天·年-1·公頃-1)、4只羊(170標準羊·天·年-1·公頃-1)、8只羊(340標準羊·天·年-1·公頃-1)和16只羊(680標準羊·天·年-1·公頃-1)。每種放牧強度均有3次重復并完全隨機設置于12個放牧小區(qū)中(圖1)。放牧時間于每年6月10日開始，至9月10日為止，放牧期間家畜均持續(xù)處于各小區(qū)中。

圖1 放牧小區(qū)示意圖Fig.1 Diagram of different grazing plots

1.3 樣品采集與測定

于2017年6月20日，8月10日和9月30日分別對各放牧小區(qū)進行植物樣品采集。在各放牧小區(qū)中沿對角線等距離設置5個1 m × 1 m的樣方，隨后在每個樣方中隨機選取克氏針茅、羊草和糙隱子草各5株，最后將同一小區(qū)內(nèi)同種植物(25株)均勻混合后裝入信封袋并帶回實驗室。將植物樣品置于烘箱內(nèi)在65℃的條件下烘干24 h。

在植物養(yǎng)分濃度測定前，先使用混合球磨儀(MM400，Retsch，德國)對植物樣品進行粉碎并通過100目的分樣篩。使用元素分析儀(Vario EL III CHNOS Elemental Analyzer，Elementar Analysensysteme GmbH，德國)對植物C和N濃度進行測定。使用電感耦合等離子質譜儀(ICAP 6300 ICP—OES Spectrometer，Thermo Scientific，美國)對植物P濃度進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

6月20日采集的植物樣品表示受放牧早期影響的植物；8月10日采集的植物樣品表示受放牧中期影響的植物；9月30日的植物樣品表示休牧后的植物。

養(yǎng)分階段轉移率表示休牧后一段時間內(nèi)植物養(yǎng)分的轉移動態(tài)，其中養(yǎng)分階段轉移率越高表明休牧后植物養(yǎng)分由地上向地下轉移速率越快[25]，使用以下公式進行計算：

其中C休牧期使用休牧后植物養(yǎng)分濃度表示；C放牧期使用放牧早期與放牧中期植物養(yǎng)分濃度的平均值表示。

對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性與方差齊性檢驗后，使用單因素方差分析比較相同放牧階段不同放牧強度間植物養(yǎng)分濃度、化學計量關系、養(yǎng)分階段轉移率的差異，其中多重比較方法選擇LSD法。使用一元線性模型檢驗植物N和P階段轉移率與休牧后植物化學計量的定量關系。所有數(shù)據(jù)均使用平均值±標準誤表示，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計性檢驗在0.05水平下進行，統(tǒng)計與分析在IBM SPSS 26.0中進行。

2 結果與分析

2.1 不同放牧階段植物養(yǎng)分動態(tài)特征

在放牧早期階段，除中度放牧和重度放牧羊草P濃度顯著高于輕度放牧和對照處理的外，放牧強度對克氏針茅和糙隱子草的C，N和P濃度及羊草的C和N濃度均無顯著影響。在放牧中期和休牧后，重度放牧下克氏針茅、羊草和糙隱子草的C濃度顯著低于其它放牧強度的(P<0.05)。例如，在放牧中期階段，與對照處理相比，輕度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隱子草的C濃度分別下降了0.7%，3.0%，10.2%。在放牧中期和休牧后，重度放牧下3種植物的N和P濃度顯著高于其它放牧強度的(P<0.05)。例如，在放牧中期階段，與對照處理相比，輕度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隱子草的N和P濃度分別提高了44.4%，63.2%，68.8%和7.6%，16.8%，34.1%(圖2)。

在放牧早期階段，放牧強度對克氏針茅、羊草和糙隱子草的C/N和C/P無顯著影響。在放牧中期和休牧后，隨放牧強度的增加，克氏針茅、羊草和糙隱子草的C/N和C/P總體呈下降趨勢，其中在休牧后尤為明顯(P<0.05)。例如，在休牧后與對照處理相比，輕度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隱子草的C/N和C/P分別下降了25.3%，33.5%，61.4%和22.8%，32.8%，56.9%。此外，在生長季放牧不同階段內(nèi)，隨放牧強度的增加3種植物N/P變化規(guī)律不明顯(圖3)。

2.2 休牧后植物養(yǎng)分轉移特征

受生長季不同放牧強度的影響，休牧后克氏針茅的N階段轉移率隨放牧強度的增加先增加后降低；重度放牧下羊草和糙隱子草的N階段轉移率顯著低于其余放牧強度的(圖4a；P<0.05)。重度放牧下克氏針茅、羊草和糙隱子草的P階段轉移率顯著低于其余放牧強度的(圖4b；P<0.05)?？偠灾?，克氏針茅、羊草和糙隱子草的N和P階段轉移率隨放牧強度的增加總體呈降低趨勢。

在物種水平上，糙隱子草的N和P階段轉移率高于克氏針茅和羊草的(圖4)，其中在重度放牧處理中，糙隱子草的N和P階段轉移率分別為20.3%和19.8%，顯著高于克氏針茅(7.4%和7.0%)和羊草的(6.1%和4.4%)(P<0.05)。

圖2 不同放牧階段植物養(yǎng)分濃度特征Fig.2 Nutrient concentrations of plant species at different grazing periods注：CK、LG、MG和HG分別表示對照處理、輕度放牧、中度放牧和重度放牧；不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)，下同Note:CK,LG,MG,and HG indicate control,light grazing,moderate grazing,and heavy grazing,respectively;different lowercases indicate significant differences at the 0.05 level,the same as below

圖3 不同放牧階段植物化學計量特征Fig.3 Stoichiometry characteristics of plant species at different grazing periods

圖4 休牧后植物N和P階段轉移率特征Fig.4 Periodic resorption of N and P at grazing rest注：不同小寫字母表示在0.05水平下相同物種在不同放牧強度下植物N和P階段轉移率具有顯著差異；不同大寫字母表示在0.05水平下相同放牧強度下不同物種間植物N和P階段轉移率具有顯著差異Note:Different lowercases indicate there are significant differences in periodic resorption of same plant N and P under different grazing intensities at 0.05 level;different majuscules indicate there are significant differences in periodic resorption of different plant N and P under same grazing intensity at 0.05 level.

2.3 植物養(yǎng)分階段轉移率與化學計量的關系

與放牧早期和放牧中期相比，植物養(yǎng)分及其化學計量關系在休牧后隨放牧強度發(fā)生更顯著的變化。通過相關分析發(fā)現(xiàn)，植物C/N和C/P分別與其N和P階段轉移率呈極顯著的正相關關系(圖5；P<0.0001)，表明N和P階段轉移率是影響植物養(yǎng)分策略調整的關鍵。

圖5 休牧后3種植物N和P階段轉移率與植物化學計量的關系Fig.5 Relationships between periodic resorption of N and P in the three species and their stoichiometry at grazing rest注：虛線表示95%置信區(qū)間Note:Dotted lines indicate 95% confidence interval

3 討論

3.1 植物養(yǎng)分對放牧強度的響應

植物不同養(yǎng)分對放牧強度的響應也不一致，即在放牧中期和休牧后，隨放牧強度的增加植物C濃度顯著降低，N和P濃度則顯著增加。前人的研究表明放牧對植物C濃度無顯著影響，并認為C作為結構性物質，在植物體內(nèi)具有支撐作用，對放牧干擾具有較高的穩(wěn)定性[30]。本研究顯示放牧導致植物C濃度顯著降低，可能是由于家畜不間斷啃食植物莖葉組織，將降低植物光合能力，引起植物C同化能力降低，這也與王煒等的研究結果一致[31]。植物在重構受損莖葉組織的過程中也會消耗大量有機物，進一步可能降低植物C含量。與輕度和中度放牧相比，重度放牧中家畜高強度、持續(xù)的啃食使植物C濃度受到更劇烈的影響。N和P是蛋白質、核酸和葉綠體等物質的主要部分，且植物C/N和C/P的顯著降低意味著植物生長速率和養(yǎng)分利用率的提高[14,32]。放牧通過去除植物成熟和衰老組織，提高植物生長速率以促進幼嫩組織的生成，進而導致植物N和P濃度的增加以及C/N和C/P的降低，與前人的研究結果一致[30,33]。此外，放牧導致植物N和P濃度的增加也意味著植物從土壤中吸收更多的N和P，間接加速土壤—植物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)速率并提高養(yǎng)分利用率。

在生長季不同放牧階段，植物養(yǎng)分濃度和化學計量對放牧強度具有不一致的響應。在放牧早期階段，放牧強度對植物養(yǎng)分濃度、C/N和C/P無顯著影響；在放牧中期和休牧階段隨放牧強度的增加植物養(yǎng)分濃度、C/N和C/P發(fā)生顯著變化。樸春河等研究結果表明植物為適應環(huán)境的變化具有可伸縮性地調整營養(yǎng)元素濃度的能力[34]。在本研究生長季持續(xù)放牧過程中植物通過快速調整養(yǎng)分策略的能力以抵御和適應放牧。在放牧早期階段，植物對放牧具有一定的忍耐閾值，并短暫的以維持穩(wěn)定的養(yǎng)分濃度和生長速率保守適應這種干擾，然而隨著放牧時間的延長，植物改變適應策略并以提高養(yǎng)分濃度和加快生長速率的策略積極適應放牧，其中放牧時間和放牧壓力是植物養(yǎng)分策略調整的關鍵[9,21]。王煒和劉鐘齡等曾提出假設當放牧強度達到一定閾值后，將觸發(fā)植物采取優(yōu)化生存策略以有效防衛(wèi)過度放牧，最終引起生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)失調[31,35]，本研究從化學計量學的角度為該假說提供支持。王煒等也提出放牧引起植物發(fā)生小型化且這種狀態(tài)在時間尺度上具有保守性[31]，表明隨著放牧時間的延長，植物可能長期以提高養(yǎng)分濃度的策略適應放牧，但其養(yǎng)分策略調整的轉折點在未來也值得深入研究。

3.2 放牧強度對植物養(yǎng)分轉移的影響

本研究發(fā)現(xiàn)在休牧后植物N和P轉移率隨放牧強度的增加顯著降低，與Lü等的研究結果一致[26]。Zhang等研究表明夏季放牧顯著增加植物養(yǎng)分轉移和重吸收率[25]。這些研究結果的差異表明不同放牧方式對植物養(yǎng)分轉移和重吸收具有不同影響。本研究結果也表明，與對照處理相比重度放牧使植物將更多的養(yǎng)分物質分配到地上部分，以迅速重構被家畜啃食的莖葉組織，進而引起植物養(yǎng)分轉移率的降低，這可能將不利于來年植物的生長。此外，隨著放牧時間的延長，植物長期保持較低的養(yǎng)分轉移率也將引起草原生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的平衡失調，這也從養(yǎng)分重吸收的角度上為劉鐘齡等提出的假說提供支持[35]。植物N和P轉移率與植物C/N和C/P呈顯著的正相關關系(圖4)。這主要由于在生長季末期植物將更多的養(yǎng)分分配到地下，地上部分較少的營養(yǎng)物質使植物具有較低的生長速率，也與植物的生長節(jié)律一致。

在物種水平上，放牧干擾下的糙隱子草具有更高的N和P階段轉移率(圖3)，表明糙隱子草在休牧后具有更多的養(yǎng)分儲存于地下部分。已有研究表明植物對根系重吸收養(yǎng)分的利用率高于從土壤中吸收養(yǎng)分，進而間接提高養(yǎng)分利用率[25]。該結果也證明了與羊草和克氏針茅相比，糙隱子草在放牧干擾下具有更高的養(yǎng)分利用率，也更適應這種干擾，其中在重度放牧中尤為明顯。因此，隨放牧時間的延長，群落中較低養(yǎng)分轉移率的克氏針茅和羊草種群的優(yōu)勢度將呈降低趨勢，具有較高養(yǎng)分轉移率的糙隱子草種群的優(yōu)勢度則呈增加趨勢，最終引起草原生態(tài)系統(tǒng)的退化。這也從養(yǎng)分利用的角度為劉鐘齡等提出的內(nèi)蒙古典型草原退化演替模式(克氏針茅草原→糙隱子草草原)提供支持[35]。

4 結論

放牧通過踐踏與啃食作用改變草原生態(tài)系統(tǒng)土壤—植物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)。植物通過快速且精確的養(yǎng)分調整策略適應放牧。在生長季放牧早期階段，植物以穩(wěn)定的養(yǎng)分濃度及化學計量關系保守適應放牧干擾。在生長季放牧中期及休牧后，植物以提高養(yǎng)分濃度和降低化學計量關系的方式積極適應放牧干擾，最終引起休牧后植物養(yǎng)分轉移率的降低。糙隱子草在重度放牧下具有較高的養(yǎng)分轉移率表明其對放牧具有更強的適應性，也從養(yǎng)分利用率的角度上為草原逆行演替提供理論依據(jù)。