放牧干擾對內蒙古草甸草原羊草光合特性的影響

張子荷，龔吉蕊，晏欣，黃永梅，安然，祁瑜，張梓瑜，劉敏

(北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室, 北京師范大學地理科學學部, 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，植物個體也會產(chǎn)生一系列避牧和耐牧機制來抵御不良環(huán)境的影響[5-6]。隨放牧強度增加，植物的葉片生物量、分蘗數(shù)目、植株高度等形態(tài)學指標都有所降低[7]。植物個體也會通過改變光合作用、蒸騰、暗呼吸等生理學指標，使植物體內營養(yǎng)物質進行再分配，促進再生長，進一步提高其耐牧性[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，導致Pn下降[10]。牲畜的踩踏改變土壤的水分含量及理化性質，導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償效應，也會使Pn提高[11-12]。也有研究發(fā)現(xiàn)，放牧對植物Pn沒有顯著影響[13]。目前許多研究主要關注放牧干擾對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部的光合機理，但對植物光合機理對放牧干擾的響應的研究還存在不足。

放牧干擾不僅改變植物的光合表觀特性，還會進一步影響植物的內部生理特性。水分是限制植物生長發(fā)育的重要因子之一。當受到水分脅迫時，植物會改變體內的滲透調節(jié)物質(如可溶性糖、可溶性蛋白等)調節(jié)滲透勢來維持膨壓，調節(jié)氣孔開閉，影響Pn[14]。當植物受到光照脅迫時，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，以熱耗散和葉綠素熒光等方式釋放過多的光能避免光合器官損傷[15]。葉綠素熒光能夠反映植物對光能的處理、適應調整能力，也能反映植物內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化合物還原的關鍵酶，參與了多種光合生理過程，其活性可以用于評價植物的光合能力[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部生理機制結合起來探討放牧對植物的光合特性的影響。

草地生態(tài)系統(tǒng)關鍵種是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在草原生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動中扮演著重要的角色。呼倫貝爾草甸草原的優(yōu)勢種主要有羊草(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，是優(yōu)良的牧草種類。近年來，關于放牧干擾對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、葉片解剖結構、基因表達等方面[10, 21-26]。但目前對放牧干擾下草甸草原優(yōu)勢種羊草的生理生態(tài)特性的變化與響應機制并不完善。通過研究中度放牧干擾下，內蒙古草甸草原優(yōu)勢種羊草的水分關系、氣體交換參數(shù)、葉綠素熒光特性、葉綠素含量、光合N、P利用效率、光合酶活性、滲透調節(jié)物質等相關參數(shù)，從羊草的表觀和內在光合特性研究羊草對放牧干擾的響應機理，進一步為呼倫貝爾草甸草原退化草地的治理和生產(chǎn)力的恢復提供科學依據(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)國家野外科學觀測研究站內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)作為實驗樣地，放牧強度為4.2羊單位·hm-2。 兩種處理的植物群落結構組成具體見表1。

樣品采集和實驗測定時間為2011年生長季8月。選擇樣地中3～5株長勢較好、健康的羊草進行樣品采集和實驗測定。測定時標記位置，保證測量部位一致。樣地的植物特性見表2。

1.2 試驗設計和樣品采集

1.2.1氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)的測定 氣體交換和葉綠素熒光參數(shù)的測定時間選擇2011年8月初羊草生長旺盛期，選擇晴朗無風的天氣，利用LI-6400光合測定系統(tǒng)(LI-COR, Lincoln,USA)進行測定。測定時間上午8點到下午6點，每次測量間隔2 h。選擇3～5株生長良好的羊草進行測定，每株測定3～5個部位基本一致、生長狀況相似的葉片，每次測定9個重復。每次測定葉片熒光參數(shù)前，待測葉片都進行了暗適應處理。經(jīng)過測定，獲得凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr，transpiration rate)、氣孔導度(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)。通過計算得到PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm，maximum quantum efficiency of PSⅡ)、PSⅡ實際光化學效率(Fv′/Fm′，photochemical efficiency of PSⅡ in the light)、PSⅡ實際光化學量子產(chǎn)量(ΦPSⅡ，effective quantum yield of PSⅡ)、電子傳遞速率(ETR， electron transport rate)、光化學猝滅(qP，photochemical quenching)、非光化學猝滅(NPQ，non-photochemical quenching)、氣孔限制值(Ls，limiting value of stomata)[27]。通過計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葉片水勢和含水量的測定 利用LI-COR WP4露點水勢儀(Decagon Devices, Pullman, USA)測定葉片水勢，選取健康的羊草葉片，在早上6點至下午6點每隔2 h進行測定，每次測定3個重復。在測定葉片水勢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)公式計算葉片含水量[28]：

當前，電氣自動化已經(jīng)滲透到了生產(chǎn)生活的各個領域，為生產(chǎn)力的提高與人民生活的改善做出了巨大的貢獻。本文從以下三個方面介紹電氣自動化的發(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土壤含水量的測定 利用環(huán)刀法測定圍封和放牧樣地內的土壤含水量。采用環(huán)刀截取4個土層的土壤(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，每次測定3個重復，根據(jù)公式計算土壤含水量[29]：

土壤含水量=(土壤濕重-土壤干重)/土壤干重×100%

(2)

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

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

葉比重 (SLW)=葉片干重/葉面積

(3)

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

PNUE=Pn/Nmass

(4)

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

PPUE=Pn/Pmass

(5)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2013和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。對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、葉片含水量、葉綠素含量、葉比重、生化指標數(shù)據(jù)進行ANOVA單因素方差分析。對葉片PNUE、PPUE與葉比重之間進行相關性分析。統(tǒng)計顯著水平為P=0.05。采用Origin 8.5 軟件制圖。

2 結果和分析

2.1 羊草水分關系變化

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、葉片含水量都呈先下降后上升趨勢，放牧樣地水勢值在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，在光照脅迫較強時，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±標準誤差，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，放牧樣地Gs在16:00時有躍升(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(圖2C)。圍封樣地氣孔限制值(Ls，limiting value of stomata)與Pn變化趨勢基本一致，放牧樣地Ls在強光照脅迫時較高，在光照適宜時較低(圖2D)。

圖1 圍封和放牧處理下羊草水分關系變化(平均值±標準誤差)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±標準誤差)Fig.2 Changes of gas exchange characteristics of L. chinensis in fenced and grazing plots (mean±SE)

2.3 羊草葉綠素熒光變化

圍封和放牧樣地中，羊草的Fv/Fm呈先下降后上升趨勢，在光照輻射強度最大時達到最低值(圖3A)。兩種草地類型中羊草的qP總體變化趨勢一致，都呈上升趨勢(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時較高，而在12:00時最低(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±標準誤差)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，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酶活性的變化趨勢基本一致，在12:00達到最低；圍封樣地羊草SLW顯著高于放牧樣地，其中圍封樣地在16:00達到峰值，放牧樣地在12:00達到峰值(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±標準誤差)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)的相關性

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

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

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

3 討論

3.1 放牧干擾對羊草水分關系的影響

水分是限制植物生長的重要因素之一，植物的水勢是表征植物水分關系的一個重要參數(shù)，可以反映植物水分的供求關系和受水分脅迫的程度[36]。兩種樣地羊草的水勢日變化趨勢一致，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急速下降，Tr最低值出現(xiàn)在12:00，說明當干旱脅迫的初期時段，放牧地羊草已經(jīng)開始減少蒸騰來減少水分耗散，羊草能夠快速對水分脅迫進行調整和適應[37-38]。放牧樣地羊草的水勢和蒸騰速率均低于圍封草地，說明在水分虧缺比較嚴重時，羊草通過降低水勢、減少蒸騰等方式適應干旱環(huán)境[39]。植物的WUE指植物消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質的量，取決于Pn與Tr的比值，實質上反映了植物耗水與其干物質生產(chǎn)之間的關系，是評價植物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標[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，相關分析也表明，放牧處理下羊草的Pn和WUE呈極顯著正相關關系，說明羊草通過增加Pn和降低Tr來提高WUE以適應中度放牧脅迫[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性，說明在水分不足條件下，羊草Pn主要受到內部光合機理(如Rubisco酶，PNUE等)的調節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著放牧強度增加，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對放牧干擾，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以適應放牧脅迫。

3.2 放牧干擾對羊草氣體交換參數(shù)及葉綠素熒光的影響

植物的光合作用是植物生長和繁殖的重要過程，同時也會受到干旱、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羊草根莖節(jié)上枝條生長，進而出現(xiàn)補償生長[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同化物積累和補償生長適應放牧干擾[34]。在過度放牧下，植物減少葉面積，降低Pn，光合作用補償點增大，飽和點降低，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，導致羊草超補償生長，進一步導致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、溫度高，羊草通過氣孔部分關閉或光化學效率降低來避免水分過度損失和光合機構破壞，這是植物在長期演化過程中形成的應對環(huán)境脅迫的一種方法[48]。

導致光合“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的相對變化的趨勢來分析導致光合速率下降的原因[50]。在導致光合午休的非氣孔限制因素中，Rubisco酶活性下降是導致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，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致羊草Pn下降。羊草通過關閉氣孔、減少Tr、降低水分散失適應高溫和光照脅迫，同時改變能量分配、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關系[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)式電子流抵御強光和高溫脅迫[55]。但圍封草地中羊草PSⅡ活性與光照強度變化趨勢較為一致，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)的光化學活性發(fā)生改變，對光合速率的調節(jié)方式更為多樣化，增強了對強光等不利環(huán)境因素的防御能力。

光合機構吸收的光能有3個可能的去向：一是用于反應中心葉綠素分子的光化學反應；二是以熱的形式耗散損失；三是葉綠素熒光的形式，三者之間存在此消彼長的關系[48]。葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fm表示光合反應中心的開放程度，能夠快速、敏感地反映植物受到強光脅迫的程度[56]。隨著溫度升高、光照增強，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，表明溫度和光照的脅迫并沒有導致光合機構不可逆的破壞，羊草可能會通過增加NPQ來緩解光抑制[58]。放牧樣地羊草光化學猝滅(qP)逐漸升高，NPQ在光照脅迫較為嚴重的時刻較高而ETR較低，說明光照脅迫較強時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)出去保護光合機構不受強光脅迫的損傷[59]。Fv′/Fm′值反映了PSⅡ反應中心吸收光量子的效率[27]。放牧樣地Fv′/Fm′隨時間升高且高于圍封樣地，表明放牧處理刺激羊草PSⅡ反應中心吸收更多的光量子提高Pn。放牧干擾下羊草對光照條件形成了一定的生理適應，在光照適宜時增加光化學反應，在光照脅迫較為嚴重時增加非光化學反應來降低脅迫，增強了對環(huán)境的適應能力，羊草對光能的分配利用較圍封處理更為迅速靈敏[60]。

3.3 放牧干擾對羊草光合生理的影響

葉綠素含量被認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，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光照強度的適應性相關[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基本一致。兩種樣地在14:00時Chl a、Chl b和Chl a+b含量都達到最低，表明植物此時受到強光、水分、溫度等環(huán)境因素的脅迫，導致葉綠素有一定程度的降解[63]。隨后16:00時，Chl a、Chl b逐漸恢復。其中，兩種草地中羊草在經(jīng)歷水分脅迫較為嚴重的14:00后，Chl b都有一個明顯躍升，之前對木龍葵(Solanumsuffruticosum)的研究表明，水分虧缺能夠誘導植物葉片葉綠素的合成，尤其是Chl b[64]。滲透調節(jié)是植物受到水分脅迫時，為了保持植物細胞活性和水分吸收而維持植物細胞膨壓的一種主要手段[65]。大量研究表明植物體內的可溶性糖和可溶性蛋白在水分脅迫下，會大量累積以增加滲透勢，從而降低水勢通過分析其含量變化方式，可以了解植物抗旱性強弱[14]。兩種樣地羊草可溶性蛋白含量變化趨勢一致且與水勢變化相似，大體呈先下降后上升趨勢。已有研究表明，植物受到脅迫時，可溶性蛋白含量增加[66]。但本研究中光照脅迫最強時，可溶性蛋白含量達到最低值，隨后又升高，推測是羊草的可溶性蛋白含量對光照脅迫的響應存在滯后。圍封樣地羊草可溶性糖含量隨水勢降低而升高，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的主要營養(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系[35]。兩種樣地羊草PNUE和PPUE變化趨勢基本一致，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期的放牧干擾下，會優(yōu)先將能量分配到防御物質而不是恢復光合速率，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吸收較多的N，這是羊草適應長期放牧的一種生存策略[16,71]。N元素在植物體內的循環(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，從而導致SLW下降；另一方面，N元素在植物體內的分配和循環(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構蛋白中的動態(tài)分配，為使植物細胞獲得更多的機械保護，大量的N元素會流向植物細胞壁上，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呈顯著負相關關系，且PNUE與Pn呈顯著正相關，這與之前的研究結論一致[73]。放牧樣地中羊草在一天當中SLW波動幅度明顯，說明在維持植物體內C、N兩種元素的動態(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)力的重要營養(yǎng)元素[74]。植物個體對P元素的吸收、轉運、同化成為探究植物生態(tài)適應性的重要方面[75]。在土壤中P元素虧缺時，植物葉片P元素也相應降低，作為對土壤中P元素虧缺的一種適應機制[76]。當流向結構途徑的P元素較高時，SLW也隨之升高，SLW升高使得CO2在葉片中的擴散更為受阻，從而使Pn下降，PPUE也隨之下降，使得植物PPUE與SLW呈負相關關系[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。相關性分析表明，羊草體內P元素與Pn之間存在極顯著正相關關系，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，表明中度放牧干擾增強了羊草對P元素的吸收和轉運能力。

4 結論

羊草作為我國草甸草原優(yōu)勢種植物，對長期放牧干擾有著較強的適應能力。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，促進積累有機物。羊草也會改變滲透調節(jié)物質適應放牧和光照強度帶來的干旱脅迫。同時，中度放牧干擾下，羊草的電子傳遞速率提高，PSⅡ活性增強，利于光合產(chǎn)物積累，促進對N、P元素的吸收。因此，中度放牧處理有利于牧草的補償生長，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)力的恢復和放牧強度的選擇提供一定的理論依據(jù)。

致謝：感謝中國農業(yè)科學院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站在野外工作中提供的幫助。