呼倫貝爾草甸草原豆科植物非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量動(dòng)態(tài)

孫 偉，楊合龍，王開麗，肖 紅，戎郁萍

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

草地豆科植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適口性好[1]，是放牧家畜蛋白質(zhì)的主要來源，豆科-根瘤菌固氮過程也是草地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要途徑之一，每年固定約65%的生物總固氮量[2]。非結(jié)構(gòu)性碳水化合物 (non-structural carbohydrates, NSC)， 是 植 物 光 合作用的主要產(chǎn)物，用于植物生理代謝活動(dòng)，影響植物生長(zhǎng)及對(duì)環(huán)境的響應(yīng)[3]。NSC含量多少影響牧草刈牧后的再生速度和強(qiáng)度，在牧草再生中起決定作用，其含量高低也反映植物整體碳供應(yīng)狀況，對(duì)多年生牧草而言，貯藏在根部的NSC最重要，可為植物御寒并為越冬后的返青生長(zhǎng)提供能量[4-5]。NSC分為可溶性糖和淀粉[6]，其中可溶性糖按還原性分為還原糖和非還原糖[7]。國(guó)外學(xué)者對(duì)NSC的研究較早，Hyder和Sneva[8]在20世紀(jì)60年代研究了俄勒岡州6種牧草中的總水溶性碳水化合物后發(fā)現(xiàn)，牧草生長(zhǎng)初期有明顯的低谷， 6月和7月達(dá)到高峰后開始下降；Donart[9]發(fā)現(xiàn)，牧草根部在初春儲(chǔ)藏碳水化合物最低，隨后在開花期達(dá)到最高，但不同物種在不同時(shí)期貯藏的碳水化合物均存在差異。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究也發(fā)現(xiàn)，植物種類及其不同部位NSC動(dòng)態(tài)變化存在較大差異，紫花苜蓿(Medicago sativa)根部可溶性糖含量在11月中旬達(dá)到最高，之后到次年5月中旬處于下降趨勢(shì)[10]；伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)根部和莖部可溶性糖和淀粉含量隨時(shí)間變化呈倒“V”形，分別在7月和8月達(dá)到最高，之后開始下降[11]；羊草(Leymus chinensis)和大針茅(Stipa grandis)根部可溶性糖和淀粉動(dòng)態(tài)呈“下降-上升-再下降-再上升”變化，在6月中旬和8月初降到較低值后回升，羊草根部淀粉含量是大針茅的3.6倍[12]。

呼倫貝爾草原是我國(guó)最具代表性的溫帶草甸草原區(qū)，原生植被保存完好、生物多樣性豐富[13]。許志信等[14]研究了呼倫貝爾草甸草原牧草刈割后再生與各貯藏物質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)多數(shù)牧草碳水化合物在刈割后5 d內(nèi)降低，刈割后10或15 d后增加，他們?cè)谠摰貐^(qū)選取6種牧草進(jìn)行貯藏養(yǎng)分含量變化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)總糖在牧草生長(zhǎng)期內(nèi)呈規(guī)律性變化，即有2～3個(gè)積累貯藏養(yǎng)分的時(shí)期，2個(gè)消耗貯藏養(yǎng)分的時(shí)期，但采樣部位僅為植物莖基部2 cm和根部[15]，沒有對(duì)牧草不同部位NSC含量隨生長(zhǎng)季節(jié)及年度氣候變化的動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。本研究以草甸草原中常見的5種豆科植物為研究對(duì)象，測(cè)定可溶性糖和還原糖含量在植物地上部、莖基部和根部中的季節(jié)和年度動(dòng)態(tài)，了解5種豆科植物各部位可溶性糖及還原糖含量的生長(zhǎng)季變化規(guī)律，為草地合理利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市海拉爾特尼河九隊(duì) (49°20′- 49°26′ N，119°55′-120°09′ E，海拔628-649 m)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，主要土壤類型為黑鈣土或暗栗鈣土。年均降水量350～410 mm，75%的降水量集中在6至9月。年均溫-2.0 ～ -1.0 ℃，1月為最冷月，平均氣溫為-24.0 ℃，7月為最熱月，平均氣溫為20.5 ℃，極端最高、最低氣溫分別為40.0 ℃和-43.5 ℃。2015年和2016年的月平均氣溫與歷史月平均氣溫相差不大，但降水量存在較大差異，6-8月總降水量均低于歷史(50 年)平均降水量(圖1)。研究區(qū)為貝加爾針茅-羊草草甸草原，植物群落中有羊草、斜莖黃芪(Astragalus adsurgens)、多葉棘豆(Oxytropis myriophylla)、山野豌 豆 (Vicia amoena)、 狹 葉 野 豌 豆 (V. sepium)、貝加爾針茅(Stipa baicalensis)、日蔭菅(Carex pediformis)、裂葉蒿(Artemisia tanacetifolia)、扁蓿豆(Mellissitus ruthenica)等。

圖1 試驗(yàn)區(qū)月均氣溫和月降水量 (1951-2016 年)Figure 1 Monthly mean temperature and precipitation in the experimental area during 1951-2016

1.2 植物樣品采集及分析

試驗(yàn)于2015年7-9月和2016年4-9月進(jìn)行，采集扁蓿豆、斜莖黃芪、多葉棘豆、山野豌豆和狹葉野豌豆5種豆科植物。分別于2015年7月31日、8月26日、9月30日和2016年4月30日、5月28日、6月29日、7月30日、8月29日、9月15日，取長(zhǎng)勢(shì)相似的上述植物各20株，每10株為一個(gè)樣品，按地上部、莖基部和根部分開清洗后裝袋，在65 ℃烘干箱中放置72 h。烘干樣品粉碎過0.15 mm篩，分別采用蒽酮比色法和3,5-二硝基水楊酸法測(cè)定可溶性糖和還原糖含量[16]。扁蓿豆在2016年5月取樣較少，沒有測(cè)定其碳水化合物含量，2015年7-9月沒有測(cè)定植物莖基部碳水化合物。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SAS 8.01 統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)不同月份中可溶性糖和還原糖在同一物種相同部位中的含量做單因素方差分析(One-way ANOVA)，差異顯著性檢驗(yàn)水平為 P＜0.05，用 SigmaPlot 12.5 繪圖。

2 結(jié)果分析

2.1 植物地上部 NSC 動(dòng)態(tài)

2016年4-9月，5種植物地上部可溶性糖和還原糖含量均在4月最低，隨后呈增加趨勢(shì)，扁蓿豆和斜莖黃芪地上部還原糖含量均在6月最高，可溶性糖含量在8月最高(圖2)；多葉棘豆可溶性糖和還原糖含量均在5月最高；山野豌豆均在8月最高；狹葉野豌豆可溶性糖含量在7月最高，還原糖含量在8月最高。5種植物地上部可溶性糖含量表現(xiàn)為山野豌豆(1.01%～7.04%) ＞ 斜莖黃芪(1.15%～6.54%) ＞ 多葉棘豆 (2.07%～7.33%) ＞ 扁蓿豆 (1.02%～6.06%) ＞ 狹葉野豌豆 (1.28%～6.20%)；還原糖含量依次表現(xiàn)為山野豌豆(0.54%～6.73%) ＞ 狹葉野豌豆(0.31%～2.32%) ＞ 斜莖黃芪 (0.26%～1.89%) ＞ 扁蓿豆 (0.21%～1.46%) ＞ 多葉棘豆 (0.26%～1.24%)。多數(shù)植物還原糖含量在不同月份差異顯著(P＜0.05)，多葉棘豆還原糖含量在6和7月、8和9月無顯著差異(P ＞ 0.05)。所有植物可溶性糖含量在不同月份間均差異顯著(P＜0.05)。地上部可溶性糖含量除山野豌豆2015年7月和2016年7月及還原糖含量除多葉棘豆2015年8月和2016年8月無顯著差異(P ＞ 0.05)外，其他植物間均差異顯著 (P＜0.05)。

2.2 植物莖基部 NSC 動(dòng)態(tài)

5種植物莖基部還原糖含量均表現(xiàn)為“先升高后降低”的變化趨勢(shì)，而可溶性糖含量呈不同變化趨勢(shì)(圖3)。斜莖黃芪和狹葉野豌豆莖基部可溶性糖含量均在5月最低，分別在9月和8月達(dá)到最高；扁蓿豆和多葉棘豆均在6月最低，分別在8月和5月最高；山野豌豆在4月最低，8月最高。5種植物莖基部可溶性糖含量依次表現(xiàn)為狹葉野豌豆 (1.12%～10.06%) ＞ 山野豌豆 (0.91%～7.41%) ＞斜莖黃芪 (1.22%～3.88%) ＞ 多葉棘豆 (1.15%～3.78%) ＞扁蓿豆(2.76%～5.18%)；還原糖含量依次表現(xiàn)為狹葉野豌豆 (0.52%～2.69%) ＞ 山野豌豆 (0.51%～2.19%) ＞斜莖黃芪 (0.29%～0.91%) ＞ 扁蓿豆 (0.35%～0.95%) ＞多葉棘豆(0.23%～0.57%)。植物莖基部可溶性糖和還原糖含量在不同月份間差異顯著(P＜0.05)。

圖2 5種豆科植物地上部可溶性糖和還原糖含量動(dòng)態(tài)Figure 2 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the shoots of five legume species不同大寫字母表示可溶性糖含量在不同時(shí)期差異顯著(P＜0.05)，不同小寫字母表示還原糖含量在不同時(shí)期差異顯著(P＜0.05)。下同。Different capital letters indicate significant differences among soluble sugar content in different periods at the 0.05 level.Different lowercase letters indicate significant differences among reducing sugar content in different periods at the 0.05 level; similarly for the following figures.

圖3 2016年5種豆科植物莖基部可溶性糖和還原糖含量動(dòng)態(tài)Figure 3 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the stem base of five legume species in 2016

2.3 植物根部 NSC 動(dòng)態(tài)

2016年4-9月，5種植物根部還原糖含量均在4月最低，扁蓿豆、斜莖黃芪、多葉棘豆和狹葉野豌豆在6月達(dá)到最高值，山野豌豆在9月達(dá)最高值(圖4)。斜莖黃芪、山野豌豆和狹葉野豌豆根部可溶性糖含量均在5月最低，扁蓿豆和多葉棘豆在6月最低。多葉棘豆和山野豌豆根部可溶性糖含量在9月最高，扁蓿豆、斜莖黃芪和狹葉野豌豆分別在4月、6月和8月達(dá)到最高。5種植物根部可溶性糖含量依次表現(xiàn)為多葉棘豆(1.68%～7.62%) ＞山野豌豆 (2.26%～7.75%) ＞ 狹葉野豌豆 (1.49%～5.87%) ＞扁蓿豆 (2.21%～6.00%) ＞ 斜莖黃芪 (1.83%～3.76%)；還原糖依次表現(xiàn)為狹葉野豌豆(0.46%～0.98%) ＞山野豌豆 (0.30%～1.34%) ＞ 斜莖黃芪 (0.31%～1.12%) ＞多葉棘豆 (0.29%～0.78%) ＞ 扁蓿豆 (0.34%～0.80%)。植物根部可溶性糖和還原糖含量在不同月份間差異顯著(P＜0.05)。根部可溶性糖含量除扁蓿豆2015年8月和2016年8月無顯著差異(P ＞0.05)外，其余均差異顯著 (P＜0.05),根部還原糖含量在 2015 和 2016 年間均差異顯著 (P＜0.05)。

圖4 5種豆科植物根部可溶性糖和還原糖含量動(dòng)態(tài)Figure 4 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the roots of five legume species

3 討論

3.1 NSC 含量動(dòng)態(tài)在植物部位間的變化

NSC對(duì)維持生命體活動(dòng)具有重要作用[17]，其含量反映植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用和積累動(dòng)態(tài)[18]。短花針茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)和羊草(Leymus chinensis)等牧草根系在返青初期貯藏還原糖和總糖含量較低[19]，與本研究相似，5種豆科植物地上部、莖基部和根部中還原糖大多表現(xiàn)為“先升高后降低”的變化趨勢(shì)，即返青初期還原糖含量較低，隨后達(dá)到最高值后開始下降，這是由于還原糖分解速度快，能直接通過氧化還原反應(yīng)供給植物能量[20]，且越冬時(shí)植物根系還原糖含量下降[21]。春季返青時(shí)植物代謝活動(dòng)加強(qiáng)，對(duì)NSC需求增大，此時(shí)還原糖含量較低，隨植物光合作用加強(qiáng)，還原糖含量上升，進(jìn)入生殖生長(zhǎng)期后，植物結(jié)實(shí)需消耗大量能量，還原糖含量開始下降。

而5種植物根部可溶性糖含量動(dòng)態(tài)均表現(xiàn)為“先降低后升高”的變化趨勢(shì)，與還原糖的變化趨勢(shì)相反，這是由于可溶性糖是植物在低溫條件下的保護(hù)物質(zhì)[10]，劉香萍等[22]人工冷凍處理紫花苜蓿后發(fā)現(xiàn)，苜蓿主根內(nèi)可溶性糖含量升高，在冷凍后的返青生長(zhǎng)過程中，主根內(nèi)NSC濃度下降，與本研究結(jié)果相似。植物根部在秋季積累可溶性糖以利于越冬，春季返青時(shí)地上部光合作用弱，產(chǎn)生的NSC不足以維持植物正常生長(zhǎng)，需要從根部獲取NSC，此時(shí)根部可溶性糖含量開始下降，隨后光合作用增強(qiáng)，氣溫開始下降，根部開始積累可溶性糖為越冬做準(zhǔn)備，可溶性糖含量升高。本研究中，還原糖含量在所有植物體內(nèi)均低于可溶性糖含量，這是由于還原糖除可被植物直接利用外，也是合成蔗糖和淀粉的供體[23]，因此導(dǎo)致還原糖在植物體內(nèi)積累較少。

3.2 外界環(huán)境對(duì) NSC 含量動(dòng)態(tài)的影響

在相同的環(huán)境條件下不同樹木種貯藏NSC含量變化有差異[20]。本研究發(fā)現(xiàn)5種豆科草本植物也有類似結(jié)果，與植物生物學(xué)特性差異有關(guān)，如物候期、株叢類型等[3]，而溫度和降水量影響植物生長(zhǎng)季[24]。本研究中，5種植物地上還原糖含量(圖2)在 2016 年 7 月均顯著高于 2015 年 7 月 (P＜0.05)，可能由于2016年比較干旱、環(huán)境溫度高(圖1)，植物在干旱條件下，會(huì)主動(dòng)積累可溶性糖，以適應(yīng)外界環(huán)境變化[25]，干旱脅迫會(huì)使淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖[26]，可溶性糖含量升高以維持細(xì)胞滲透壓[27]，高溫和干旱導(dǎo)致蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphates synthase)、淀粉合成酶(starch synthase)和淀粉分支酶 (starch branching enzyme)等活性下降，影響糖代謝過程[28-29]，蔗糖和淀粉的合成受阻，還原糖含量升高。但5種植物根部可溶性糖含量(圖4)在2015年 7 月均顯著高于 2016 年 7 月 (P＜0.05)，表明干旱條件雖然會(huì)促使植物主動(dòng)積累可溶性糖，但如果超出植物耐受范圍，這種效應(yīng)可能會(huì)降低甚至消失，導(dǎo)致根部可溶性糖含量減少，植物生長(zhǎng)變緩。因此，干旱年份利用草地時(shí)，應(yīng)采取降低載畜率、延遲放牧及提前休牧等措施，防止家畜對(duì)草地的“二次傷害”。

3.3 呼倫貝爾草甸草原適宜利用時(shí)期

本研究發(fā)現(xiàn)5種豆科植物地上部和莖基部可溶性糖含量多在7月或8月最高，根部在9月最高，表明多數(shù)植物在根部貯藏碳水化合物，與Catherine等[30]研究結(jié)果一致。植物地上部葉片是進(jìn)行光合作用的活躍部位，產(chǎn)生的碳水化合物除用于自身生長(zhǎng)外，多余的碳水化合物運(yùn)往植物其他部位合成更穩(wěn)定的貯藏物質(zhì)(如淀粉、粗蛋白等)。Smith[31]認(rèn)為主要在根部貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的植物最耐牧，主要在莖基部貯藏的較耐牧，而主要在莖部貯藏的不耐牧，說明本研究中多數(shù)植物耐牧性強(qiáng)。植物地上部受損后，莖基部和根部貯藏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可為地上部再生提供物質(zhì)和能量[32]。5-6月植物貯藏NSC含量較低，此時(shí)進(jìn)行放牧利用，消耗植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[33]，對(duì)植物生長(zhǎng)不利甚至造成死亡，因此家畜放牧應(yīng)在6月底植物NSC含量升高后開始。多數(shù)植物地上部8月貯藏NSC含量最多，此時(shí)收獲干草可以給植物充分的生長(zhǎng)時(shí)間積累碳水化合物，為越冬做準(zhǔn)備，有利于草地的可持續(xù)利用。8月后NSC向植物其他部位的轉(zhuǎn)移速度加快，牧草地上部NSC含量開始下降，因此終牧期應(yīng)不遲于9月初。

4 結(jié)論

呼倫貝爾草甸草原豆科植物貯藏的可溶性糖和還原糖含量存在年度和種間差異。極度干旱年份顯著降低植物根部可溶性糖含量(P＜0.05)。山野豌豆地上部可溶性糖和還原糖含量分別為1.01%～7.04%和0.54%～6.73%，高于其他植物；狹葉野豌豆莖基部可溶性糖和還原糖含量大于其他植物，分別為1.12%～10.06%和0.52%～2.69%；多葉棘豆根部可溶性糖含量和狹葉野豌豆根部還原糖含量高于其他植物，分別為1.68%～7.62%和0.46%～2.98%。

因此，呼倫貝爾草甸草原的放牧?xí)r期應(yīng)在6月底至9月初。干旱年份利用草原時(shí)，應(yīng)采取降低載畜率、延遲放牧及提前休牧等管理措施。8月收獲干草有利于草原的可持續(xù)利用。