侯東杰，郭 柯

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019； 2.中國科學(xué)院植物研究所，植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dǎo)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(zhì)[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(zhì)[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(dǎo)致植物養(yǎng)分適應(yīng)策略的調(diào)整[12]。因此，準(zhǔn)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(jī)制的關(guān)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(xué)計(jì)量學(xué)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(yīng)策略的影響也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[12,15-17]。然而植物養(yǎng)分(主要是N和P)對長期放牧的響應(yīng)仍具有爭議性[18-20]，有研究結(jié)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(jié)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(guān)鍵因子之一[21]，并進(jìn)一步影響植物對放牧的養(yǎng)分適應(yīng)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(bǔ)償生長作用對放牧具有迅速且敏感的響應(yīng)[22-23]，在此過程中植物養(yǎng)分動態(tài)及適應(yīng)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(diào)整策略，也為進(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移與重吸收率，進(jìn)一步影響植物對放牧的適應(yīng)性并改變土壤—植物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)[25]。當(dāng)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(jié)果[27]。這些研究結(jié)果的差異主要是由于其不同的放牧方式和放牧?xí)r間所導(dǎo)致的，也再次表明放牧?xí)r間對植物養(yǎng)分適應(yīng)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(yán)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(jìn)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(qiáng)度的適應(yīng)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(chǔ)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(xué)院草原研究所的放牧平臺(44°40.66′ N，116°28.32′ E)，該站點(diǎn)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(fēng)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(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)站點(diǎn)在2007年前進(jìn)行自由放牧，從2007—2013年實(shí)施禁牧圍封，僅在每年冬季進(jìn)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(dú)立放牧小區(qū)并設(shè)置對照處理、輕度放牧、中度放牧和重度放牧4種放牧強(qiáng)度。放牧強(qiáng)度依照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T635—2002)設(shè)置[29]，計(jì)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(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)準(zhǔn)羊單位(50 kg)進(jìn)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(shè)置0只羊(0標(biāo)準(zhǔn)羊·天·年-1·公頃-1)、4只羊(170標(biāo)準(zhǔn)羊·天·年-1·公頃-1)、8只羊(340標(biāo)準(zhǔn)羊·天·年-1·公頃-1)和16只羊(680標(biāo)準(zhǔn)羊·天·年-1·公頃-1)。每種放牧強(qiáng)度均有3次重復(fù)并完全隨機(jī)設(shè)置于12個放牧小區(qū)中(圖1)。放牧?xí)r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(jìn)行植物樣品采集。在各放牧小區(qū)中沿對角線等距離設(shè)置5個1 m × 1 m的樣方，隨后在每個樣方中隨機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行測定。使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICAP 6300 ICP—OES Spectrometer，Thermo Scientific，美國)對植物P濃度進(jìn)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(zhuǎn)移率表示休牧后一段時間內(nèi)植物養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移動態(tài)，其中養(yǎng)分階段轉(zhuǎn)移率越高表明休牧后植物養(yǎng)分由地上向地下轉(zhuǎn)移速率越快[25]，使用以下公式進(jìn)行計(jì)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(jìn)行正態(tài)性與方差齊性檢驗(yàn)后，使用單因素方差分析比較相同放牧階段不同放牧強(qiáng)度間植物養(yǎng)分濃度、化學(xué)計(jì)量關(guān)系、養(yǎng)分階段轉(zhuǎn)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(yàn)植物N和P階段轉(zhuǎn)移率與休牧后植物化學(xué)計(jì)量的定量關(guān)系。所有數(shù)據(jù)均使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)在0.05水平下進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)與分析在IBM SPSS 26.0中進(jìn)行。

2 結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(zhuǎn)移特征

受生長季不同放牧強(qiáng)度的影響，休牧后克氏針茅的N階段轉(zhuǎn)移率隨放牧強(qiáng)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(zhuǎn)移率顯著低于其余放牧強(qiáng)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(zhuǎn)移率顯著低于其余放牧強(qiáng)度的(圖4b；P<0.05)。總而言之，克氏針茅、羊草和糙隱子草的N和P階段轉(zhuǎn)移率隨放牧強(qiáng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)計(jì)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(zhuǎn)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(qiáng)度下植物N和P階段轉(zhuǎn)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(qiáng)度下不同物種間植物N和P階段轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移率與化學(xué)計(jì)量的關(guān)系

與放牧早期和放牧中期相比，植物養(yǎng)分及其化學(xué)計(jì)量關(guān)系在休牧后隨放牧強(qiáng)度發(fā)生更顯著的變化。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，植物C/N和C/P分別與其N和P階段轉(zhuǎn)移率呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖5；P<0.0001)，表明N和P階段轉(zhuǎn)移率是影響植物養(yǎng)分策略調(diào)整的關(guān)鍵。

圖5 休牧后3種植物N和P階段轉(zhuǎn)移率與植物化學(xué)計(jì)量的關(guān)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(qiáng)度的響應(yīng)

植物不同養(yǎng)分對放牧強(qiáng)度的響應(yīng)也不一致，即在放牧中期和休牧后，隨放牧強(qiáng)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(rèn)為C作為結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，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(dǎo)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(jié)果一致[31]。植物在重構(gòu)受損莖葉組織的過程中也會消耗大量有機(jī)物，進(jìn)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(qiáng)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(zhì)、核酸和葉綠體等物質(zhì)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(jìn)幼嫩組織的生成，進(jìn)而導(dǎo)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(jié)果一致[30,33]。此外，放牧導(dǎo)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(xué)計(jì)量對放牧強(qiáng)度具有不一致的響應(yīng)。在放牧早期階段，放牧強(qiáng)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(qiáng)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(jié)果表明植物為適應(yīng)環(huán)境的變化具有可伸縮性地調(diào)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(diào)整養(yǎng)分策略的能力以抵御和適應(yīng)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(yīng)這種干擾，然而隨著放牧?xí)r間的延長，植物改變適應(yīng)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(yīng)放牧，其中放牧?xí)r間和放牧壓力是植物養(yǎng)分策略調(diào)整的關(guān)鍵[9,21]。王煒和劉鐘齡等曾提出假設(shè)當(dāng)放牧強(qiáng)度達(dá)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(diào)[31,35]，本研究從化學(xué)計(jì)量學(xué)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?xí)r間的延長，植物可能長期以提高養(yǎng)分濃度的策略適應(yīng)放牧，但其養(yǎng)分策略調(diào)整的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在未來也值得深入研究。

3.2 放牧強(qiáng)度對植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的影響

本研究發(fā)現(xiàn)在休牧后植物N和P轉(zhuǎn)移率隨放牧強(qiáng)度的增加顯著降低，與Lü等的研究結(jié)果一致[26]。Zhang等研究表明夏季放牧顯著增加植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和重吸收率[25]。這些研究結(jié)果的差異表明不同放牧方式對植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和重吸收具有不同影響。本研究結(jié)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(zhì)分配到地上部分，以迅速重構(gòu)被家畜啃食的莖葉組織，進(jìn)而引起植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)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?xí)r間的延長，植物長期保持較低的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移率也將引起草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的平衡失調(diào)，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(zhuǎn)移率與植物C/N和C/P呈顯著的正相關(guān)關(guān)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(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)而間接提高養(yǎng)分利用率[25]。該結(jié)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(yīng)這種干擾，其中在重度放牧中尤為明顯。因此，隨放牧?xí)r間的延長，群落中較低養(yǎng)分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(diào)整策略適應(yīng)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(xué)計(jì)量關(guān)系保守適應(yīng)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(xué)計(jì)量關(guān)系的方式積極適應(yīng)放牧干擾，最終引起休牧后植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)移率的降低。糙隱子草在重度放牧下具有較高的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移率表明其對放牧具有更強(qiáng)的適應(yīng)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)。