呼倫貝爾草甸草原3種禾草碳水化合物季節(jié)動(dòng)態(tài)研究

王開麗， 楊合龍， 肖 紅， 孫 偉， 戎郁萍

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院， 北京100193)

貯藏碳水化合物(主要指可溶性糖類和淀粉)是植物儲(chǔ)藏在根系和莖基部的光合產(chǎn)物[1-2]，對(duì)多年生草本植物生命代謝[3-4]、再生[5-7]、休眠期維持呼吸[4,6]、翌年萌發(fā)[7-10]以及逆境適應(yīng)[3,11]等方面有重要作用。還原性糖屬可溶性糖，是植物再生直接利用的底物和生長(zhǎng)指示劑[3,12]。淀粉是植物長(zhǎng)期貯存的主要物質(zhì)，在植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和生殖等中起作用[13]。多年生牧草中貯藏碳水化合物含量與遺傳、環(huán)境、生長(zhǎng)時(shí)期和器官等因素密切相關(guān)[14-17]。許志信和白永飛等對(duì)內(nèi)蒙古典型草原[12,18-19]與草甸草原[8,20-21]牧草的貯藏碳水化合物季節(jié)變化規(guī)律、分布部位及對(duì)刈割的響應(yīng)等進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為大部分牧草在返青期消耗碳水化合物，在分蘗期和枯黃期前積累貯藏碳水化合物，根系和莖基部是牧草貯藏碳水化合物的主要器官。呼倫貝爾草甸草原是我國(guó)溫帶草原的主要類型之一，原生植被保存完好、生物多樣性豐富[22]。有關(guān)該區(qū)域植物碳水化合物季節(jié)變化及在植株各部位分配規(guī)律的系統(tǒng)報(bào)道較少。本研究以呼倫貝爾草甸草原中的羊草(Leymuschinensis)、無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)和糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)為研究對(duì)象，分析不同植物、不同部位間碳水化合物含量差異及其季節(jié)變化規(guī)律，為該地區(qū)的草原生產(chǎn)利用、家畜放牧飼養(yǎng)策略、草場(chǎng)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市海拉爾特尼河9隊(duì)(49°20′～49°26′ N，119°55′～120°9′ E，海拔628～649 m)。溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量350～410 mm，6-9月降水量占全年的75%，年平均氣溫-1℃，極端最高最低氣溫可達(dá)40.01℃，-48.5℃，≥10℃的年積溫為1780～1820℃，無(wú)霜期90～115 d。土壤為黑鈣土或暗栗鈣土，土層厚30～40 cm，有機(jī)質(zhì)含量5.1%。羊草-貝加爾針茅草甸草原，主要植物有：羊草、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、日蔭菅(Carexpediformis)、糙隱子草、裂葉蒿(Artemisiatanacetifolia)、細(xì)葉白頭翁(Pulsatillaturczaninovii)、斜莖黃芪(Astragalusadsurgens)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)等。草地長(zhǎng)期用作打草場(chǎng)，2015年始進(jìn)行圍欄封育。1998年補(bǔ)播無(wú)芒雀麥，目前主要以無(wú)芒雀麥、羊草為優(yōu)勢(shì)種。

試驗(yàn)區(qū)2015年和2016年平均氣溫與常年平均(1951—2016)基本一致，分別為0.2℃，-0.7℃，年降水量低于常年平均，分別為226.1 mm，287.0 mm(圖1)，2016年6—8月降水量比2015年降低23%，9月降水偏高，達(dá)83.5 mm。

圖1 試驗(yàn)區(qū)月降水量與月平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and monthly mean air temperature at the experimental area

1.2 樣品采集與分析

2015年7月—2016年9月，分9次(2015年8月1日、8月26日、10月1日，2016年4月30日、5月28日、6月29日、7月31日、8月29日、9月15日)隨機(jī)選長(zhǎng)勢(shì)一致的羊草、無(wú)芒雀麥和糙隱子草各20株，用鐵鍬將植物挖出，清洗干凈，每10株植物混合成1個(gè)樣品，分成地上部(莖葉)、莖基部(分蘗節(jié))和根部3部分，105℃下殺青0.5 h后，65℃下烘干72 h。將烘干后的植物樣品粉碎過100目篩，測(cè)定碳水化合物含量?？扇苄蕴恰⑦€原糖含量分別參照張志良的蒽酮比色法、3,5-二硝基水楊酸法進(jìn)行測(cè)定[23]，淀粉含量參照高俊鳳的蒽酮比色法進(jìn)行測(cè)定[24]。2015年7—9月未測(cè)定植物莖基部碳水化合物。

1.3 數(shù)據(jù)分析

生長(zhǎng)期、植物種、組織器官等對(duì)碳水化合物含量的影響做多因素及單因素方差分析(ANOVA)，并進(jìn)行多重比較(Duncan)，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。統(tǒng)計(jì)分析軟件為SPSS 21.0，作圖軟件為Excel 2016與R 3.4.3(ggplot2包)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上部碳水化合物的季節(jié)變化

2015年7月—2016年9月，植物地上部碳水化合物含量隨季節(jié)變化顯著(P<0.05)(圖2)。2015年植物可溶性糖與淀粉含量隨生長(zhǎng)時(shí)期降低，9月枯黃期最低(可溶性糖1.96%～9.27%，淀粉0.51%～2.07%)，還原糖含量生長(zhǎng)季增加，9月最高(0.42%～1.23%)。2016年4月返青時(shí)，各植物碳水化合物含量最低，表現(xiàn)為羊草(0.44%～2.12%)>無(wú)芒雀麥(0.37%～1.59%)>糙隱子草(0.23%～1.06%)，隨后增加，羊草與無(wú)芒雀麥還原糖(2.22%和2.32%)和淀粉含量(2.60%和3.39%)分別在6月達(dá)到最高值，可溶性糖含量則在8月最高(9.44%和16.17%)。糙隱子草的碳水化合物含量7月最高，還原糖、可溶性糖和淀粉含量分別為2.55%，4.28%和1.41%。

碳水化合物含量年際間差異較大，2016年，7—8月可溶性糖含量與還原糖含量顯著高于2015年(P<0.05)，淀粉含量顯著低于2015年(P<0.05),9月碳水化合物含量顯著低于2015年(P<0.05)。

圖2 羊草(Leymus chinensis)、無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)和糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)地上部還原糖(a)、可溶性糖(b)與淀粉(c)含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the aboveground of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.2 莖基部碳水化合物的季節(jié)變化

2016年4月-9月，植物莖基部碳水化合物含量隨季節(jié)變化顯著(P<0.05)(圖3)。羊草和無(wú)芒雀麥4月底返青后可溶性糖與淀粉含量降低，可溶性糖含量在5月最低羊草1.15%>無(wú)芒雀麥0.86%，8月最高羊草4.81%<無(wú)芒雀麥7.25%；淀粉(羊草為2.06%，無(wú)芒雀麥為3.36%)和還原糖含量(羊草為0.62%，無(wú)芒雀麥為0.96%)均為6月最高。糙隱子草碳水化合物含量返青期開始上升，還原糖和淀粉含量7月最高，為0.72%和1.10%，可溶性糖8月最高，為2.05%。

圖3 羊草(Leymus chinensis)、無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)和糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)莖基部還原糖(a)、可溶性糖(b)與淀粉(c)含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the stem base of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.3 根部碳水化合物的季節(jié)變化

2015年7月—2016年9月，植物根部的碳水化合物含量隨季節(jié)變化顯著(P<0.05)(圖4)。2015年各植物可溶性糖與淀粉含量先降低后升高，還原糖變化不一致，糙隱子草碳水化合物含量7月最高(還原糖0.55%，可溶性糖4.15%，淀粉1.19%)。2016年各植物碳水化合物含量變化趨勢(shì)與莖基部一致。4月底返青后，羊草和無(wú)芒雀麥的可溶性糖與淀粉含量降低，到5月最小，其中可溶性糖含量為羊草(1.53%)>無(wú)芒雀麥(0.96%)，淀粉含量為羊草(1.95%)>無(wú)芒雀麥(0.65%)。還原糖(羊草0.59%<無(wú)芒雀麥0.70%)和淀粉(羊草3.01%<無(wú)芒雀麥5.80%)含量在6月最高，可溶性糖8月最高(羊草4.21%<無(wú)芒雀麥6.32%)。糙隱子草的還原糖和淀粉含量7月最高，分別為0.63%和0.96%，可溶性糖8月最高，為1.56%。

2016年7—9月的碳水化合物含量比2015年平均降低28.8%，年際間差異較大；7—8月各植物的還原糖含量顯著高于2015年(P<0.05)，可溶性糖含量與淀粉含量顯著低于2015年(P<0.05)，9月各碳水化合物含量均顯著低于2015年(P<0.05)。

圖4 羊草(Leymus chinensis)、無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)和糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)根部還原糖(a)、可溶性糖(b)與淀粉(c)含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the root of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.4 植物間碳水化合物含量差異及在器官間的分配策略

不同植物及植物各部位碳水化合物含量差異顯著(P<0.05)。主要生育期的多重比較(圖5)結(jié)果顯示，羊草莖基部與根部的碳水化合物(多為可溶性糖與還原糖)含量顯著小于無(wú)芒雀麥(P<0.05)，地上部的碳水化合物(多為淀粉)含量顯著大于無(wú)芒雀麥(P<0.05)；糙隱子草的可溶性糖與淀粉含量在3個(gè)部位中均顯著小于羊草和無(wú)芒雀麥(P<0.05)。除羊草和無(wú)芒雀麥可溶性糖在返青期主要分配在根部外，3種禾草的還原糖和可溶性糖主要分配在地上部；羊草與無(wú)芒雀麥的淀粉主要分配在根部，糙隱子草的淀粉主要分配在地上部。3種碳水化合物組分在植物體中的含量差異顯著(P<0.05)，以可溶性糖含量最大，淀粉次之，還原糖含量最小。

圖5 不同生育期羊草(Leymus chinensis,)、無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)和糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)還原糖(a,b,c)、可溶性糖(d,e,f) 及淀粉(g,h,i) 含量在地上部(第一列a,d,g)、莖基部(第二列b,e,h) 和根部(第三列c,f,i) 的差異Fig.5 Differences in reducing sugar (a,b,c),soluble sugar (d,e,f),and starch (g,h,i) contents of the aboveground (the first column a,d,g),stem base (the secend column b,e,h),and root (the third column c,f,i) of Leymus chinensis, Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa during different growth period

3 討論

3.1 碳水化合物的季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律

多年生牧草貯藏碳水化合物含量的動(dòng)態(tài)變化與牧草對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用與積累有關(guān)。禾草貯藏碳水化合物含量的季節(jié)變化多呈“降低-升高-再降低-再升高”趨勢(shì)[12,25]，即返青初期含量較高，分蘗期含量增加到峰值，開花結(jié)實(shí)期降至最低點(diǎn)，之后增加以滿足牧草冬季生存及翌年返青的需要。本研究中羊草和無(wú)芒雀麥莖基部與根部的可溶性糖及淀粉含量變化符合上述規(guī)律，但還原糖含量及地上部各碳水化合物含量返青期無(wú)降低趨勢(shì)，主要由于4月底牧草開始返青時(shí)，無(wú)光合作用能力或光合作用較弱，主要靠消耗貯藏碳水化合物的方式進(jìn)行萌發(fā)生長(zhǎng)，莖基部與根部的可溶性糖與淀粉被分解消耗，因此，還原糖含量增加，地上部碳水化合物也得到補(bǔ)充。糙隱子草的貯藏碳水化合物并未下降的原因可能是糙隱子草為叢生型，根系貯藏碳水化合物較少[25]，返青較早，在此時(shí)植株已經(jīng)進(jìn)入分蘗期[8]，碳水化合物逐漸積累。此外，糙隱子草生長(zhǎng)高峰期未消耗貯藏碳水化合物，可能是由于其生長(zhǎng)緩慢對(duì)同化物需求較少[21]，光合產(chǎn)物足夠支持生長(zhǎng)需要[12]。羊草與無(wú)芒雀麥有“單峰”或“雙峰”變化，未出現(xiàn)許志信等[8,21]研究的“多峰”變化，可能是年際間氣候環(huán)境等條件存在差異或取樣間期(其間隔期15 d)內(nèi)環(huán)境的變化導(dǎo)致碳水化合物的消耗與貯藏差異。

牧草碳水化合物含量的季節(jié)動(dòng)態(tài)不僅與植物本身的生育期及生物學(xué)特性有關(guān)，還與年際氣候環(huán)境有關(guān)。低溫、干旱等逆境條件下，可溶性糖含量增加[3,26]，2016年7—8月降雨少，干旱導(dǎo)致植株的可溶性糖含量與還原糖含量顯著高于2015年，而根部的貯藏碳水化合物積累較少，顯著低于2015年，干旱年份草地植物根部碳水化合物貯藏水平低，影響植物越冬，因此草地應(yīng)降低載畜率或提前休牧等。9月枯黃期，禾草地上部分開始衰老，淀粉分解為可溶性糖逐漸轉(zhuǎn)移到根部，再合成淀粉貯藏在根部[27]；而可溶性糖對(duì)維持細(xì)胞膜穩(wěn)定性、提高牧草植物的抗寒與越冬能力具有重要作用[28-29]。加之2016年9月降雨量高，溫度適宜，植株出現(xiàn)再生長(zhǎng)現(xiàn)象，消耗根部和莖基部貯藏碳水化合物。此外，2016年9月取樣時(shí)間早于2015年，植物根部和莖基部碳水化合物較低。

3.2 植物及植物不同部位碳水化合物含量差異

在本研究中，禾草的還原糖主要分配在地上部，這可能是由于還原糖經(jīng)常處于被利用狀態(tài)，植物合成后就近貯藏，就近利用[19]。植物的地上部可溶性糖含量高，主要由于地上部是植物進(jìn)行光合作用的活躍部位，合成的碳水化合物首先滿足自身生長(zhǎng)需要，爾后以可溶性糖(蔗糖)形式運(yùn)輸?shù)街参锏钠渌M織器官[30]。與白永飛等[19]研究的秋季碳水化合物主要分布在莖基部和根部存在差異，可能是他們的研究地點(diǎn)更加干旱，多年生植物的地下器官和莖基部相對(duì)于地上部生長(zhǎng)更加旺盛，是貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官。此外，2016年9月水熱較充足，牧草再生長(zhǎng)，消耗碳水化合物，可溶性糖向地上部輸送，地上部分配較多。淀粉是較穩(wěn)定的貯藏碳水化合物，在器官中的分配主要與牧草的株叢類型及繁殖策略有關(guān)，羊草和無(wú)芒雀麥屬根莖型禾草，以無(wú)性繁殖為主，每年的大量分蘗中，生殖枝所占比例很低，將淀粉主要貯藏在其根部，對(duì)其繁殖和擴(kuò)張具有重要意義，糙隱子草是叢生型禾草，進(jìn)行無(wú)性繁殖的同時(shí)，也產(chǎn)生大量種子進(jìn)行有性繁殖，淀粉主要分配在其地上部種子當(dāng)中[25]。

根系強(qiáng)大是植物抗旱性強(qiáng)的重要原因之一[31]，根系可溶性糖含量越高，植株抗逆性越強(qiáng)[3]，無(wú)芒雀麥抗旱性強(qiáng)于羊草[32]，因此根系可溶性糖含量(包括還原糖)更高。糙隱子草的可溶性糖含量和淀粉含量在各器官中都顯著低于羊草和無(wú)芒雀麥，可能由其生物學(xué)特性決定，羊草和無(wú)芒雀麥為高大型根莖禾草，糙隱子草為矮小型叢生禾草，生物量低，合成的碳水化合物含量少[19]；此外，羊草和無(wú)芒雀麥較高的可溶性糖含量可能與對(duì)該地區(qū)干旱與寒冷環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)有關(guān)[30]。糙隱子草還原糖的波動(dòng)范圍大于羊草和無(wú)芒雀麥，說明糙隱子草對(duì)還原糖的利用與消耗最活躍，其光合作用合成的碳水化合物多用于維持生長(zhǎng)發(fā)育。不同牧草碳水化合物含量的差異說明遺傳特性導(dǎo)致的生理生化代謝及物質(zhì)積累速率不同[33]。

4 結(jié)論

呼倫貝爾草甸草原羊草與無(wú)芒雀麥變化趨勢(shì)一致，在返青期(4月)及開花期(7月)消耗貯藏碳水化合物，在分蘗期(6月)及結(jié)實(shí)期(8月)積累碳水化合物；糙隱子草從返青期開始即積累碳水化合物，開花期后消耗碳水化合物。糙隱子草的可溶性糖和淀粉含量顯著小于羊草和無(wú)芒雀麥，羊草莖基部與根部的碳水化合物含量顯著小于無(wú)芒雀麥。2016年極度干旱顯著降低牧草根部碳水化合物貯藏水平，應(yīng)降低草地載畜率或提前休牧。