薩仁其力莫格, 荊佳強(qiáng), 紅 雨, 楊殿林

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 生命科與技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所,天津 300191)

植物葉片功能性狀(leaf traits)是表征生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵指標(biāo),在物種與環(huán)境協(xié)同進(jìn)化過程中,植物葉片功能性狀能夠很好地表征植物對資源的獲取和利用效率,從而反映植物生長策略[1]。比葉面積(specific leaf area,SLA)是重要的葉片結(jié)構(gòu)型性狀之一,以新鮮葉的單位面積除以它的烘干質(zhì)量來表示[2]。研究表明,比葉面積對外界干擾很敏感且可塑性大,是植物與環(huán)境相互作用研究中的首選指標(biāo)。植物在資源缺乏的環(huán)境中,為防止自身水分和營養(yǎng)物質(zhì)的流逝,提高葉片密度和干物質(zhì)含量,縮小比葉面積來適應(yīng)環(huán)境變化[3],資源豐富的環(huán)境中植物生長旺盛,比葉面積較大[4]。但也有些研究認(rèn)為,環(huán)境干擾下,植物為獲取更多的養(yǎng)分,提高比葉面積和葉綠素含量來適應(yīng)環(huán)境變化[5]。植物葉綠素含量(leaf chlorophyll content)是葉片生理性狀之一,與光合速率密切相關(guān),植物葉綠素含量的高低直接影響光合作用[6]。植物光合能力主要與葉片N含量有關(guān)[7],研究表明葉片光合速率的光飽和率和N含量有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,比葉面積較大的物種具有高的光合N素利用率,因此光合N利用效率與一系列決定植物生長發(fā)育的葉性狀有關(guān)[8]。

草原生態(tài)系統(tǒng)是一種重要的可再生資源,具有廣泛的生產(chǎn)和利用價(jià)值,但目前全球草原生產(chǎn)量不斷降低[9],草地退化現(xiàn)象仍在繼續(xù)擴(kuò)大和加劇。研究指出,過度放牧、大量收獲牧草等不合理的利用方式是導(dǎo)致草地退化、生產(chǎn)力下降的主要原因。合理的管理策略、草原生產(chǎn)力的提高是草地生態(tài)學(xué)的核心問題[10]。Wright等[11]總結(jié)了全球范圍內(nèi)175個(gè)地點(diǎn)植物葉性狀數(shù)據(jù)表明,植物比葉面積、葉片N含量和凈光合速率是導(dǎo)致植物葉性狀差異的主要原因。植物比葉面積和葉綠素含量是重要的葉性狀,其變化特征對生態(tài)學(xué)研究至關(guān)重要[11-12]。近年來植物功能性狀與環(huán)境變化(主要是氣候、降水量、地理空間變異等)之間的研究不斷拓展[12],但草地不同利用方式對植物葉性狀的影響研究還未得到清晰的認(rèn)識。本研究以貝加爾針茅草原為研究對象,研究圍封、放牧、刈割3種利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種主要植物比葉面積、葉綠素含量變化特征及與葉片N、P元素和土壤因子的相關(guān)關(guān)系。為掌握不同利用方式下,草原植物功能性狀響應(yīng)的潛在機(jī)制,實(shí)現(xiàn)合理的放牧制度和優(yōu)化生產(chǎn)力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗伊敏鎮(zhèn)境內(nèi),地處北緯48.27°～48.35°,東經(jīng)119.35°～119.41°,海拔760～770 m,年平均降水量328.7 mm,年平均蒸發(fā)量1 478.8 mm,年平均氣溫-2.4～2.2 ℃,年平均風(fēng)速4 m/s,屬半干旱大陸季風(fēng)性氣候。植被類型為貝加爾針茅草甸草原,共有植物66種,分屬21科49屬。常見植物為貝加爾針茅、羊草、扁蓿豆、羽茅、日蔭菅 (Carexpediformis)、腎葉唐松草(Thalictrumpetaloideum)、寸草臺(tái)(Carexpediformis)、祁州漏蘆(Rhaponticumuniflorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地設(shè)在貝加爾針茅草原典型地帶,圍封樣地于2010年設(shè)立圍欄區(qū),圍欄樣地面積約10 hm2,圍欄內(nèi)禁牧,圍欄外自由放牧。經(jīng)調(diào)查放牧家畜為呼倫貝爾肉用羊,放牧壓力為過度放牧,即6只羊/hm2,全年放牧。刈割樣地采用1年1次刈割方式,留茬10 cm。圍封、放牧、刈割樣地間的植被、土壤、地形條件以及利用年限一致。各選擇3個(gè)100 m×100 m圍欄草地、圍欄外自由放牧草地及刈割草地設(shè)置為監(jiān)測樣地。

表1 不同利用方式下土壤理化性質(zhì)的測定Tab.1 Determination of physical and chemical properties of the experimental soil under different utilization modes

1.2.2 樣品采集 2019年8月初在圍封,放牧,刈割3種樣地內(nèi)進(jìn)行了植物和土壤樣品采集。此時(shí)貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆,4種植物已經(jīng)完成葉片形態(tài)建成,生育時(shí)期為營養(yǎng)生長盛期至初花期。每個(gè)樣地內(nèi)各隨機(jī)挑選貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種主要植物,挑選生長無隱蔽生境的、生長良好的植株,每個(gè)物種收集30株,裝入樣品保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室,其中15株低溫保存用于測定葉綠素含量和葉片N、P含量,另15株用于測定比葉面積。同期每個(gè)樣地內(nèi)按照S取樣法選取20個(gè)點(diǎn),用直徑為5 cm的土鉆分別取0～10 cm 土層土壤樣品,采用“四分法”選取1 kg土樣,去除雜物裝入無菌自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,在室內(nèi)自然風(fēng)干后研磨過篩,用于土壤有機(jī)C、全N、全P含量的測定和分析。

1.2.3 測定方法 挑選健康新鮮葉片,采用葉面積儀測定植物葉面積。葉綠素含量測定; 挑選新鮮葉片用去離子水沖洗干凈,稱取0.5 g新鮮葉片,用80%丙酮提取法提取葉綠素,分光光度計(jì)分別測定663 nm和649 nm 波長下的溶液吸光度,測定完葉綠素含量把剩余的新鮮葉片105 ℃烘干30 min后,65 ℃烘干24 h并進(jìn)行研磨,過0.25 mm篩,稱取0.1 g葉片樣品,用于測定葉片全N、全P含量。采用元素分析儀測定葉片全N含量,葉片全P含量采用濃硫酸-過氧化氫比色法測定。葉片掃描儀測定比葉面積并將測定完的葉片105 ℃ 烘干30 min后,65 ℃烘干至稱重。土壤全N含量采用凱氏法消煮法和流動(dòng)分析儀(AA3,Bran+Luebbe Crop,德國)測定。土壤全P含量采用高氯酸-硫酸消煮法和外分光光度計(jì)測定[13]。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量采用氯化鈣浸提法和流動(dòng)分析儀測定。按照以下公式計(jì)算比葉面積和葉綠素含量:

S=U/D,

(1)

Ca=12.7OD663-2.96OD645,

(2)

Cb=22.9OD645-4.68OD663,

(3)

C=Ca+Cb。

(4)

其中:S表示比葉面積,單位為m2/kg,U為單位葉片面積,單位為m2,D為葉片干重,單位為kg;Ca和Cb分別表示葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量濃度,單位為g/kg;OD663和OD645分別是葉綠素提取液在波長663 nm、645 nm波長下的吸光度。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析 利用SPSS 22.0單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法,對不同利用方式下植物比葉面積和葉綠素含量進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。植物葉片比面積和葉綠素含量與葉片N、P、N∶P、土壤因子之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。利用Origin 2018和Excel 2018制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下4種主要植物比葉面積和葉綠素含量特征

圍封、放牧、刈割不同利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物比葉面積變化顯著,如圖1所示。

圖1 不同利用方式下植物比葉面積和葉綠素含量的測定Fig.1 Determination of specific leaf area and chlorophyll content of plants under different utilization modes注: 不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。

由圖1可知,貝加爾針茅比葉面積表現(xiàn)為放牧>刈割>圍封,其中放牧與刈割和圍封之間差異顯著(P<0.05),刈割和圍封差異不顯著。羊草和羽茅比葉面積表現(xiàn)為放牧>圍封>刈割,其中羊草比葉面積,放牧與圍封和刈割差異顯著(P<0.05),圍封與刈割差異不顯著,羽茅比葉面積放牧和圍封與刈割差異顯著(P<0.05)。扁蓿豆比葉面積表現(xiàn)為刈割>放牧>圍封,均差異不顯著。不同利用方式下4種植物葉綠素含量有相似的變化特征,貝加爾針茅和羊草葉綠素含量變化為放牧>刈割>圍封,其中放牧與刈割和圍封之間差異顯著(P<0.05),刈割和圍封差異不顯著。羽茅和扁蓿豆葉綠素含量變化表現(xiàn)為放牧>圍封>刈割,其中放牧與圍封和刈割差異顯著(P<0.05),圍封和刈割差異不顯著。

2.2 不同利用方式下4種主要植物葉性狀之間的相關(guān)關(guān)系

圍封、放牧、刈割不同利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物比葉面積與葉片葉綠素含量、N、P、N∶P相關(guān)性分析表明(表2),貝加爾針茅比葉面積與葉綠素含量、葉片N呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片N∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。羊草比葉面積與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片N、N∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。羽茅比葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),扁蓿豆葉片比葉面積與葉綠素含量、葉片N、P、N∶P均無相關(guān)關(guān)系。

不同利用方式下4種植物葉綠素含量與葉片N、P、N∶P含量的相關(guān)性分析表明(表2),貝加爾針茅和羽茅葉綠素含量與葉片N、N∶P呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。羊草葉綠素含量與葉片N呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與葉片P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。扁蓿豆葉綠素含量與葉片N、N∶P呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與葉片P呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表2 植物葉性狀之間的相關(guān)性的測定Tab.2 Determination of correlation between leaf traits of plants

2.3 4種主要植物葉性狀與土壤理化特征相關(guān)關(guān)系

貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆葉性狀與土壤因子相關(guān)性表明(表3),貝加爾針茅比葉面積與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。羊草比面積與硝態(tài)氮呈極顯著正向關(guān)系(P<0.01),葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),羽茅葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正向關(guān)系(P<0.01),扁蓿豆葉綠素含量與硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。4種植物葉綠素與比葉面積與土壤全N、全P、銨態(tài)氮、N∶P無顯著相關(guān)性。

表3 植物葉性狀與土壤理化特征相關(guān)性的測定Tab.3 Determination of correlation between leaf traits and soil physical and chemical properties of plants

3 討論與結(jié)論

草地利用方式對植物的生態(tài)功能和進(jìn)化有重要的影響,而植物對利用方式的干擾有足夠的抵抗性和適應(yīng)性,植物對環(huán)境干擾的適應(yīng)能力,在生理和形態(tài)特征方面表現(xiàn)的最為明顯。比葉面積作為重要的結(jié)構(gòu)型性狀,可以表征植物的資源獲取能力[13]。本研究發(fā)現(xiàn),放牧處理下貝加爾針茅和羊草比葉面積均顯著高于圍封和刈割處理。貝加爾針茅比葉面積放牧處理與圍封和刈割相比分別增加1.47倍和1.26倍,羊草比面積分別增加1.23倍和1.38倍。放牧處理下羽茅和扁蓿豆的比葉面積高于圍封和刈割,但沒有達(dá)到顯著水平,可以說明放牧處理增加植物比葉面積,這與Cruz等[14]連續(xù)15年在巴西西南部草原放牧條件下,植物比葉面積顯著大于圍封結(jié)果相似,并表明長期放牧干擾下植物通過提高比葉面積獲取更多的光合資源。齊麗雪等[15]研究也發(fā)現(xiàn)放牧地植物比葉面積大于潛耕翻、切根、圍封3種恢復(fù)措施下的植物比葉面積,說明在放牧干擾下植物的資源獲取能力有所增加,表現(xiàn)出快速資源獲得型策略[16]。光合作用是植物的生長發(fā)育最基本保障,其葉綠素含量的大小直接反應(yīng)植物對環(huán)境變化的適應(yīng)潛力[17]。本研究發(fā)現(xiàn)放牧顯著增加了4種植物葉綠素含量,放牧處理與圍封和刈割處理相比,貝加爾針茅葉綠素含量增加了1.37倍和1.23倍,羊草葉綠素含量增加了1.71倍和1.62倍,羽茅葉綠素含量增加了1.44倍和1.70倍,扁蓿豆葉綠素含量增加了1.34倍和1.32倍,表明4種植物葉綠素含量對放牧處理的響應(yīng),均呈現(xiàn)相同的顯著增加趨勢,此結(jié)果與張子荷等[18]研究結(jié)果相似,主要原因是放牧過程中被采食或踐踏的植物為了盡快恢復(fù)正常生長,提高現(xiàn)有的和再生葉片的光合能力,為自身生長提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)[19]。另一方面牲畜的采食去除了失去光合能力的病老葉片,為新生葉片提供了光合作用的條件[20]。相關(guān)研究也表明植物比葉面積和葉綠素含量存在正相關(guān)關(guān)系,隨比葉面積的增加,葉綠素含量增加[21]。與圍封相比刈割處理,除羽茅比葉面積顯著降低(P<0.05)以外,貝加爾針茅、羊草、扁蓿豆的比葉面積、葉綠素含量均沒有顯著變化,這與張璐等[22]研究結(jié)果相似,刈割對植物性狀的影響小于放牧。植物光合過程中N元素是合成蛋白質(zhì)和葉綠素的必需元素,趙威等[19]研究也發(fā)現(xiàn),刈割對凈光合速率影響較弱,只持續(xù)24～48 h,因此刈割處理下植物葉綠素含量比較穩(wěn)定。大約75%的葉片有機(jī)N存在于葉綠體中[23],葉片N含量與葉綠素含量存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,N利用效率越大,植物光合速率越強(qiáng),而比葉面積越大,植物的凈光合速率和葉片的含N量越高[24]。本研究發(fā)現(xiàn),植物比葉面積、葉綠素含量、N、N∶P之間存在正相關(guān)關(guān)系,但物種之間存在差異。這與前人的研究相似,草本植物之間N利用效率存在差異[25],因此這有可能是導(dǎo)致物種之間葉片N含量與葉綠素含量、比葉面積相關(guān)性存在差異的主要原因。

土地利用方式會(huì)引起植物形態(tài)變化,植物性狀在放牧處理的響應(yīng)很大程度上受土壤養(yǎng)分等可利用性資源的影響,而這些植物的變化反過來又會(huì)影響土壤因子[26]。本研究發(fā)現(xiàn)植物比葉面積、葉綠素含量與土壤因子有一定程度的相關(guān)性,尤其是貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆的葉綠素含量與土壤硝態(tài)氮呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01),貝加爾針茅、羊草比葉面積與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),羽茅、扁蓿豆比面積與土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤硝酸鹽和氨酸鹽是植物從土壤中吸收無機(jī)氮的主要來源,當(dāng)植物根系吸收大量的硝酸根時(shí),大部分分配到葉組織中還原,硝酸根對植物葉片大小、營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)控起重要作用[27],因此植物比葉面積、葉綠素含量與土壤硝態(tài)氮密切相關(guān)。植物與土壤養(yǎng)分循環(huán)是一種復(fù)雜的過程,植物比葉面積和葉綠素含量與土壤因子之間的相關(guān)關(guān)系還需進(jìn)一步研究。

綜上所述,圍封、放牧、刈割3種不同利用方式顯著改變了貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物葉片功能性狀,放牧提高了植物比葉面積和葉綠素含量,表明放牧干擾下4種植物調(diào)整自身的葉片性狀來主動(dòng)適應(yīng)放牧干擾,與放牧環(huán)境協(xié)同進(jìn)化,而刈割對植物比葉面積、葉綠素含量的影響較弱。植物比葉面積和葉綠素含量與葉片N、N∶P和土壤硝態(tài)氮密切相關(guān),但不同物種之間相關(guān)性存在差異。