短期氮、水添加對放牧背景下荒漠草原短花針茅葉片屬性的影響

木 蘭,張璞進,單玉梅,溫 超,曄薷罕,常 虹,邱 曉,孫海蓮,任婷婷,陳世蘋,白永飛,黃建輝,4

1 內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院,呼和浩特 010021 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院,呼和浩特 010031 3 中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室,北京 100093 4 中國科學院大學,北京 100049

當外界環(huán)境變化時植物的一些形態(tài)、生理和物候特性會發(fā)生相應(yīng)的變化來適應(yīng)環(huán)境,通過對這些變化了的植物功能性狀的了解可以在一定程度上知悉植物對環(huán)境的生存策略[1]。植物的葉片性狀對環(huán)境變化響應(yīng)快速而敏感,它在反映植物對資源的獲取、利用和儲存對策的同時也能體現(xiàn)出植物的生長策略[2-3]。放牧是草原的主要利用方式,對草原生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有著重要的影響[4-5]。隨著放牧強度的變化,植物不同器官間的資源分配和繁殖策略會發(fā)生相應(yīng)變化,以更好地適應(yīng)環(huán)境。在過度放牧干擾下,草原植物往往呈現(xiàn)小型化現(xiàn)象[6]。該現(xiàn)象已經(jīng)得到了廣泛的驗證[7-8],被認為是對過度放牧的一種負反饋響應(yīng),也是過度放牧影響下群落生產(chǎn)力衰減的重要體現(xiàn)[6,8]。草原植物小型化具體表現(xiàn)為植株變矮,葉片變短、變窄,節(jié)間縮短,根系分布淺層化等[6]。有研究表明,植物的不同性狀對放牧的敏感性存在明顯差異[9],不同類群植物的功能性狀對放牧的響應(yīng)也顯著的不同[10]。植物葉片對放牧家畜的采食最為敏感和直觀。有研究顯示,適度的放牧可以刺激葉片的補償性生長,過度放牧可使葉片受損,導致葉片數(shù)量減少,葉面積指數(shù)縮小,光合能力減弱,牧草再生能力降低,葉片生物量下降,這阻滯了植物葉片光合產(chǎn)物的形成,導致植物地上生產(chǎn)力的降低,并進一步影響植物資源的分配策略[11-12]。此外,在放牧干擾下,一、二年生草本植物逐漸具有較高的比葉面積(specific leaf area,SLA),表現(xiàn)出對過牧的耐受性,而多年生禾草逐漸具有較低的比葉面積,表現(xiàn)出對過牧的躲避能力[13]。

中國草地是全球草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[14]。其中,天然草地總面積約為4.0×108hm2,約占國土面積的41.7%[15]。過度放牧可導致生產(chǎn)力下降,生物多樣性受損,草地生產(chǎn)與生態(tài)功能不相協(xié)調(diào),生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)不可持續(xù),一個重要的原因是土壤養(yǎng)分過度流失、土壤變緊實、土壤持水能力差[16]。氮素和水分是干旱和半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)植物生長和生物量形成的主要限制因子[17-18]。研究表明,氮素和水分添加可以改善土壤理化條件,從而增加典型草原生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力,加快了退化草原的恢復[10,19- 21]。荒漠草原是草原植被中最干旱的類型之一,其生長環(huán)境嚴酷,建群種由強旱生叢生小禾草組成,?；焐罅繌姾瞪“牍嗄?并在群落中形成穩(wěn)定的次優(yōu)勢層,產(chǎn)草量低且不穩(wěn)定,但飼用價值高[22]。由于荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定、波動強,脆弱且對環(huán)境因子變化敏感,因而極易發(fā)生退化[23],一旦退化不易恢復。是否可以通過養(yǎng)分和水分補充,加快退化荒漠草原的恢復,從而實現(xiàn)荒漠草原放牧生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的可持續(xù)性,相關(guān)研究還很少。

葉片屬性(例如,葉片氮含量、葉片干物質(zhì)含量、葉片厚度和葉面積指數(shù))是對環(huán)境變化較為敏感的植物功能性狀特征,可體現(xiàn)出植物對放牧干擾后的恢復能力[24]。已有研究顯示,在內(nèi)蒙古典型草原,氮素和水分添加能夠顯著改變?nèi)~片的功能性狀特征,如提高葉片氮含量、葉片凈光合速率,顯著降低了葉片壽命,并且不同的物種葉片的功能性狀指標響應(yīng)存在一定的差異[25]。短花針茅(Stipabreviflora)是多年生叢生小禾草,是荒漠草原的建群種。有研究顯示,隨著放牧強度的增加,葉片各性狀(單葉質(zhì)量、葉長、單葉面積、比葉質(zhì)量)、個體生物量、植物高度、冠(叢)幅均有顯著變小、變矮的趨勢[26-27]。在灌溉條件下,短花針茅的自然高度、葉長、葉干質(zhì)量、自然寬度、葉緣距都顯著的大于放牧草地和圍封草地[28]。本研究在不同放牧強度背景下的短花針茅草原開展了圍封模擬放牧持續(xù)利用的實驗,同時進行添加氮素和水分的恢復措施,通過分析放牧強度、季節(jié)和氮水添加對建群種短花針茅葉片屬性的影響,探討不同放牧強度下短花針茅可持續(xù)利用的氮水調(diào)控機制。試圖闡明水分和氮素調(diào)控對退化荒漠草原恢復的作用,以期為在養(yǎng)分和水分平衡的基礎(chǔ)上建立草畜平衡理論和技術(shù)體系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與科學依據(jù)。

1 實驗設(shè)計與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗王府一隊,北緯41°47′17″,東經(jīng)111°53′46″,平均海拔1450 m。氣候類型為典型中溫帶大陸性季風氣候,春季干旱多風,夏季炎熱少雨。多年平均降雨量280 mm,降水主要集中在5—8月份,蒸發(fā)量大,全年平均風速為4—5 m/s,年均溫3℃左右。試驗區(qū)土壤類型為淡栗鈣土,草原類型為荒漠化草原。植被草層較低矮稀松,建群種為短花針茅(Stipabreviflora),優(yōu)勢種為無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、克氏針茅(Stipakrylovii)與冷蒿(Artemisiafrigida),主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、櫛葉蒿(Artemisiapectinata)、細葉蔥(Alliumtenuissimum)、刺沙蓬(Salsolapestifer)、羊草(leymuschinense)等。

圖1 荒漠草原放牧控制試驗設(shè)計圖與N和水分添加示意圖Fig.1 The schematic diagram of grazing,nitrogen and water controlled experiment on desert grasslandCK：對照；LG：輕度放牧；MG：中度放牧；HG：重度放牧

內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學共建的荒漠草原放牧控制試驗平臺定位研究從2004年開始,群落類型為短花針茅+克氏針茅群落,試驗區(qū)采用隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)3個區(qū)組作為3次重復,每個區(qū)組內(nèi)設(shè)4個載畜率水平(0、0.93、1.82和2.71羊單位/hm2),即4個處理,分別表示對照(CK)、輕度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG),共計12個試驗區(qū),整個實驗樣地面積約為50 hm2,每個試驗區(qū)平均面積基本相等,對照、輕度、中度和重度的放牧圍欄內(nèi)放牧羊只數(shù)量分別為0只、4只、8只和12只。每區(qū)組內(nèi)的試驗區(qū)采用完全隨機排列,分別表示為CK1、LG1、HG1和MG1；HG2、CK2、MG2和LG2；LG3、CK3、MG3和HG3(圖1)。放牧羊選用發(fā)育成熟大小基本一致的羯羊,每年的5月初開始放牧,10月底停止放牧,放牧期間只在白天進行放牧。為了進一步探討不同放牧強度背景下的草地恢復受外來資源供給的影響,在每個實驗區(qū)設(shè)置一個處理圍欄,每個處理圍欄的面積為7 m×7 m,中間留1 m的緩沖區(qū),每個處理圍欄有4個處理亞區(qū)：對照(CK)、加氮(+N)、加水(+W)和加氮加水(+N+W),每個處理亞區(qū)的面積2 m×2 m,四周埋40 cm高的鍍鋅鐵皮,鐵皮入土深30 cm,具體樣地設(shè)置見圖1。在輕度、中度和重度放牧背景下每個處理亞區(qū)通過刈割模擬放牧,留茬高度5 cm。

氮、水補給實驗從2013年開始實施,每年添加水量為108 mm(約增加年平均降雨量的40%),分12次在6、7、8月份添加,每月添加4次,每次添加9 mm/m2。添加的氮素為硝酸銨鈣,分別在6月1號、7月1號、8月1號添加,每次添加21.42 g/m2(3.33 g N/m2),在2013年和2014年的7月中旬和8月下旬、2015年的8月中旬進行了留茬5 cm的模擬放牧。

1.2 樣品采集與分析

分別在2015年生長盛期(7月中旬)和生長后期(9月中旬)在每一處理小區(qū)中選擇6—8叢短花針茅,每叢齊地面采集5個分蘗小枝,選取3個葉片。將選取的葉片浸入水中過夜飽和(8—10 h左右),然后將葉片撈出用吸水紙迅速吸干葉表面水分并稱重(飽和鮮重,Lw),稱重后用掃描儀進行葉片圖像掃描(300dpi),然后放入信封并烘干(65℃,48 h),獲取干重(Ld),葉片圖像用image J軟件(http://rsb.info.nih.gov/ij)分析葉面積(La)。剩余的采集葉片在65 ℃烘箱中烘干,并研磨,采用元素分析儀測定葉片碳含量(LCN)和全氮(LNC)(vario EL III,CHNOS Elemental Analyzer,Elementar Analysensysteme GmbH,Germany),H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定葉片磷含量(LPC),計算葉片碳/氮比(C/N)、碳/磷比(C/P)和氮/磷比(N/P)。

葉干物質(zhì)含量(LDMC)和比葉面積(SLA)計算公式如下：

LDMC (g/kg) =Ld/Lw,

SLA (cm2/g)=La/Ld

式中,Ld和Lw分別為用于葉干物質(zhì)含量測定的葉片干重和鮮重(g),La為通過Image J 軟件測定的葉面積(cm2)。

1.3 統(tǒng)計分析

葉片屬性指標采用GLM模型進行四因素(季節(jié)(Season,S)、放牧強度(Grazing intensity,GI)、氮素添加(+N)、水分添加(+W))方差分析(Four-way ANOVA),同一因素下的葉片屬性指標采用單因素方差分析,用Duncan多重比較法進行差異顯著性檢驗(α= 0.05),所有統(tǒng)計分析使用SAS 9.0 (SAS Institute Inc.,Cary,NC,USA)軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 短花針茅葉片屬性季節(jié)性變化

取樣時間(7月和9月)對短花針茅葉片的比葉面積(SLA)、葉片碳氮磷含量(LCC、LNC、LPC)以及葉片C/N和C/P具有顯著性影響(表1)。9月的SLA、LCC、C/N、C/P分別為141.46 cm2/g、475.00 g/kg、26和841,顯著高于7月份,LNC、LPC分別為18.49 g/kg和0.60 g/kg顯著低于7月份(圖2)。

表1 季節(jié)(S)、放牧強度(GI)、氮素(N)和水因子(W)對短花針茅葉片屬性指標影響的四因素方差分析結(jié)果

圖2 季節(jié)變化對短花針茅葉片屬性指標的影響Fig.2 The effect of seasonal changes on leaf traits of Stipa breviflora 不同的小寫字母表示月份間差異顯著(P<0.01)

2.2 氮素和水分添加對短花針茅葉片屬性的影響

如表1所示,氮素和水分添加增加了SLA、LDMC、LNC、LPC和N/P,降低了C/N和C/P,并且對LNC和C/N有顯著的影響,氮素和水分添加顯著地增加了LNC含量,分別為20.18、20.97 g/kg,降低了C/N,分別為23.92、22.78(圖3)。

圖3 氮素和水分添加對短花針茅葉片屬性指標的影響(平均值±標準誤差)Fig.3 The effect of nitrogen addition(+N),water addition(+W) on leaf traits of Stipa breviflora (mean±SE)no+N：不添加氮素 Without nitrogen addition；+N：添加氮素 With nitrogen addition；no+W：不增水 Without water addition；+W,增水 With water addition,不同的小寫字母表示氮素處理間差異顯著(P<0.01),不同的大寫字母表示水分處理間差異顯著(P<0.01)

2.3 放牧強度對短花針茅葉片屬性的影響

放牧強度對葉片的C/N產(chǎn)生顯著影響(表1),放牧降低了C/N,輕牧和重牧的C/N分別為23.70、23.87,顯著低于CK(25.38)(圖4)；單因素方差分析顯示(圖4),中牧的LDMC為0.49,顯著低于對照(0.55)和重牧(0.55),放牧增加了LNC含量,且輕牧的LNC含量(20.36 g/kg)顯著高于對照(18.80 g/kg)。

圖4 放牧強度對短花針茅葉片屬性的影響Fig.4 The effect of grazing intensity on leaf traits of Stipa brevifloraCK：無放牧 No grazing；LG：輕度放牧 Lightly grazed；MG：中度放牧 Moderately grazed；HG：重度放牧Heavily grazed CK,不同小寫字母表示不同放牧強度間差異顯著(P<0.01)

2.4 季節(jié)、放牧強度、氮素和水分的交互效應(yīng)對短花針茅葉片屬性的影響

如表1所示,季節(jié)與放牧強度和氮素的交互作用對短花針茅葉片性狀沒有產(chǎn)生顯著的影響,但季節(jié)和水分添加的交互效應(yīng)顯著地影響了LN 和LP含量與C/N和C/P(表1)。在7月份水分添加對葉片的LN含量、LP含量、C/N和C/P沒有顯著影響,但在9月份水分添加顯著地增加了葉片LN和LP含量,降低了C/N和C/P(圖5)。

圖5 季節(jié)和水分添加交互效應(yīng)對短花針茅葉片屬性的影響Fig.5 The interactive effect between season and water addition on leaf traits of Stipa breviflora不同的小寫字母表示水分處理間差異顯著(P<0.01)

2.4 不同放牧背景下短花針茅葉片屬性指標對氮素和水分添加的響應(yīng)特征

如圖6所示,在7月中旬,輕度放牧背景下,+W+N與CK相比,可提高短花針茅的SLA、LDMC、LCC、LNC、LPC,且對SLA的影響差異顯著,+N可提高短花針茅葉片的C/N、C/P和N/P；在中度放牧背景下,+N可提高短花針茅葉片的LDMC、LCC、C/N、C/P和N/P；在重度放牧背景下,+W+N可提高短花針茅葉片的SLA、LDMC、LCC、LNC、C/N、C/P和N/P。在9月中旬,輕度放牧背景下,+N可以提高短花針茅葉片的SLA、LDMC、LCC、C/N、C/P、N/P；中度放牧背景下,+W+N可以提高短花針茅葉片的LDMC、LCC、LNC和LPC；重度放牧背景下,+W可以提高短花針茅葉片的SLA、LDMC、LNC和LPC。

3 討論

氮、磷是影響植物生長和生物量的重要營養(yǎng)元素[29]。有研究顯示,植物葉片元素含量與葉片的結(jié)構(gòu)和生長節(jié)律有關(guān)系[30],并隨著生長節(jié)律的推移,葉片C/N和C/P逐漸升高,這主要是由于植物葉片的快速生長對N、P濃度的稀釋作用引起[31]。也有研究表明隨著植物由成長、成熟到衰老,葉片C含量在升高,N含量在降低,而P含量沒有顯著的變化[32],當然類似的變化也與植物種類有關(guān)[33]。生長末期的植物葉片即將枯落,在受氮、磷限制的土壤環(huán)境中,植物為了增加養(yǎng)分利用效率,部分養(yǎng)分從植物即將衰老器官中轉(zhuǎn)移并運輸?shù)狡渌鞴僦袃Υ?供來年植物生長利用[34-35]。短花針茅在7月份是生長旺季,LNC、LPC顯著高于9月份。有研究顯示,葉片的氮、磷含量高,光合能力強,促進葉片的快速生長,增加對資源的競爭能力,并且通過新老葉片間快速的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移,實現(xiàn)快速生長以適應(yīng)環(huán)境[36]。隨著葉片生長、成熟和衰老的進程,植物代謝活動逐漸減弱,短花針茅在9月份的SLA、LCC、C/N、C/P顯著高于7月,LN、LP也顯著降低,這在一定程度上是植物其自身生長節(jié)律的結(jié)果[30-31]。但是,本研究也發(fā)現(xiàn)短花針茅9月份的SLA顯著高于7月份的。研究表明,高的SLA意味著光合速率高,生長也快[37]。本研究分析這可能受8月中旬的模擬放牧影響有關(guān),模擬放牧刺激了葉片的再生長,是植物對放牧的補償生長[38]。

放牧強度對短花針茅葉片的C/N產(chǎn)生顯著影響,放牧降低了C/N,增加了LNC含量,這與王亞婷等[39]和衛(wèi)智軍等[40]的研究結(jié)果一致。家畜通過啃食刺激了葉片的生長,促進N素向幼嫩器官轉(zhuǎn)移,迅速提高葉片中的葉綠素含量,促進光合作用和生長,這也是補償生長的一種表現(xiàn)形式[41],并且輕牧下短花針茅的LNC含量顯著高于對照,這支持了放牧優(yōu)化假說[11]。適度的放牧可以最大限度的促進植物的生長[42]。有研究表明,隨著放牧強度的增大,在最適放牧強度之前,地上凈初級生產(chǎn)力隨著放牧強度的增大而增加,以后則隨著放牧強度的增大而降低[43-44]。這可能是短花針茅在中牧時LDMC顯著低于對照和重牧的原因所在,LDMC可以更好地指示某一資源的獲取、利用及有效性[3,45]。隨著放牧強度的增加,短花針茅葉片的SLA在增大,這與王璽等[26]和李江文等[27]的研究結(jié)果相一致,是植物對放牧的補償生長。

氮素和水分是干旱、半干旱草原生態(tài)系統(tǒng)格局和過程的限制性因子[17-18]。如圖7所示,氮素和水分添加提高了土壤STN和STP含量,可能受氮素和水分短期處理的影響,提高后的含量差異并不顯著,也可能受短花針茅的吸收利用影響所致,氮素和水分添加增加了短花針茅的LNC與LPC含量,降低了C/N和C/P,且對LNC和C/N的影響顯著,這與Ren等[25]與王雪等[46]對內(nèi)蒙古草原大針茅、克氏針茅、冰草和羊草的研究結(jié)果一致。氮素和水分添加可促進植物對氮素的吸收,LNC含量增加,促進植物生長,以適應(yīng)不利的環(huán)境[25,37]。季節(jié)和水分添加對短花針茅的LNC含量和LPC含量有顯著的交互效應(yīng)。相對于7月份,水分添加在9月份顯著地增加了LNC和LPC含量,降低了C/N和C/P。通過上述的討論可知,受植物生長節(jié)律的調(diào)控,在生長季后期,植物葉片的LNC、LPC會降低,C/N會增加,植物代謝活動逐漸減弱[30-31],而通過9月份添加水分,短花針茅的LNC和LPC含量增加了,C/N和C/P降低了,這促進了短花針茅在生長季后期的生長,這對其恢復和利用非常重要。

圖6 氮素和水分添加對不同放牧強度背景下短花針茅葉片屬性的影響Fig.6 The effect of nitrogen addition(+N),water addition(+W) on leaf traits of Stipa breviflora under different grazing intensities不同小寫字母表示不同放牧強度間差異顯著(P<0.01)

圖7 氮、水添加對0—20 cm土層平均STN和STP含量的影響Fig.7 The effect of N addition (+N),water addition (+W) on average soil total N (STN) and soil total phosphorus (STP) content at 0—20 cm soil不同的小寫字母表示氮素處理間差異顯著(P<0.01),不同的大寫字母表示水分處理間差異顯著(P<0.01)

在不同放牧強度下,短花針茅葉片屬性對氮素和水分添加的響應(yīng)不同,并且因季節(jié)不同發(fā)生著變化。通過短花針茅葉片屬性的綜合分析來看,在7月中旬,輕度和重牧放牧背景下,+W+N對短花針茅的恢復更好,中度放牧背景下,+N的效果好；在9月中旬,輕度放牧背景下,+N效果好,中度放牧背景下,+W+N效果好,重度放牧背景下,+W效果好。有研究顯示,葉片屬性指標在不同放牧強度下的響應(yīng)是不同的[47],本研究的研究結(jié)果也顯示放牧強度對短花針茅葉片屬性指標產(chǎn)生了不同的影響,這可能是導致不同放牧強度背景下對短花針茅所采取的氮素和水分的供給措施不同的主要原因,而不同月份最適外源氮素和水分供給措施的不同可能是因為葉片屬性指標隨著短花針茅生長節(jié)律而發(fā)生不同的改變而導致的。

4 結(jié)論

在內(nèi)蒙古的荒漠草原上,放牧是主要的利用方式,適度的放牧可以增加群落優(yōu)勢種的葉片氮含量,促進其生長；在放牧背景下荒漠草原在外來資源氮素和水分的供給下,可提高優(yōu)勢物種的葉片氮含量,特別是在生長季后期水分添加增加了葉片氮和磷含量,這促進了優(yōu)勢種的生長；在不同季節(jié),不同放牧強度背景下對短花針茅所采取的氮素和水分的供給措施也不同,這對其恢復和利用非常重要。