母體放牧經(jīng)歷對(duì)羊草克隆后代干旱敏感性的影響

郭豐輝，丁勇，馬文靜，李賢松，李西良*，侯向陽(yáng)*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010010；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西晉中030801；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼028000）

遺留效應(yīng)是指環(huán)境干擾去除后，其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各組成要素及要素間關(guān)系、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征等的影響仍然可以長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象［1］。遺留效應(yīng)不僅是植被群落組成、種間關(guān)系、土壤養(yǎng)分水平等生態(tài)學(xué)過程的重要維持機(jī)制，也是生態(tài)系統(tǒng)多樣性的重要誘導(dǎo)途徑之一［2-3］。例如，非洲草原的物種演替、土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)等過程的驅(qū)動(dòng)途徑可以追溯到幾十年、甚至上百年前的土地利用歷史、火災(zāi)等環(huán)境干擾因子［4］。環(huán)境干擾可以通過自然選擇、代際效應(yīng)、脅迫記憶等過程在植物層面產(chǎn)生遺留效應(yīng)，Anderegg等［5］研究發(fā)現(xiàn)極端干旱事件停止4年后，森林生態(tài)系統(tǒng)樹木生長(zhǎng)依舊緩慢，遺留效應(yīng)明顯。遺留效應(yīng)也是植物適應(yīng)環(huán)境干擾的主要策略之一，大量研究表明，經(jīng)歷過環(huán)境干擾的植物在再次（或后代）經(jīng)歷同一干擾因子時(shí)可表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的適應(yīng)性［6］。

在草原生態(tài)系統(tǒng)中，放牧干擾可以在植物層面產(chǎn)生遺留效應(yīng)，表現(xiàn)為株高降低、葉片變短、葉夾角和莖夾角增大等，且在放牧干擾去除的短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)。早在20世紀(jì)80年代，就有研究表明放牧樣地植物移植到同質(zhì)園環(huán)境中依舊表現(xiàn)出明顯的矮化及匍匐型變的遺留效應(yīng)［7-9］。我國(guó)典型草原優(yōu)勢(shì)植物羊草（Leymus chinensis），在過度放牧干擾下同樣表現(xiàn)出明顯的不依賴于土壤環(huán)境的遺留效應(yīng)，即株高變矮、葉片縮短、單株生物量降低等［10-11］。同時(shí)，也有研究表明植物本身的矮化及匍匐型變可以提高植物對(duì)刈割（模擬放牧啃食）的抗性，增強(qiáng)其適應(yīng)性［12-13］。

水分是草原生態(tài)系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)的主要限制因子，土壤水分狀況很大程度上決定了草原的初級(jí)生產(chǎn)力及植被群落組成［14-15］。放牧干擾減少了植物地上現(xiàn)存量及地表枯落物，甚至形成地表空斑，從而增大土壤水分蒸發(fā)量，加劇了系統(tǒng)中水分的匱乏［16］；放牧干擾也可以通過改變土壤物理性質(zhì)（增大密度、減小孔隙度等）、減少土壤有機(jī)質(zhì)等降低土壤的保水能力，加劇草原植物的干旱脅迫［17］。有研究表明，土壤水分狀況的惡化是放牧干擾下植被生產(chǎn)力降低、群落退化演替的主要誘導(dǎo)途徑之一［18］。因此，放牧干擾在植物層面的遺留效應(yīng)可能部分歸結(jié)于干旱環(huán)境的間接誘導(dǎo)，也極有可能改變了植物對(duì)干旱的適應(yīng)能力。

雖然遺留效應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)中的作用已經(jīng)引起各領(lǐng)域研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是基于植物層面放牧遺留效應(yīng)的研究還相對(duì)缺乏。水分是我國(guó)北方天然草原重要的環(huán)境因子，也是放牧干擾作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑，但是目前尚不清楚放牧遺留效應(yīng)是否影響了植物對(duì)干旱環(huán)境的響應(yīng)。明確放牧遺留效應(yīng)在植物應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境中的作用，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解草原在放牧干擾或生態(tài)修復(fù)下的生態(tài)過程。本研究基于植物層面的放牧遺留效應(yīng)，以我國(guó)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原的長(zhǎng)期圍封（自1983年開始）和長(zhǎng)期過度放牧樣地的羊草為研究對(duì)象，開展室內(nèi)水分控制試驗(yàn)，從羊草單株性狀、生物量積累及分配等角度探討放牧遺留效應(yīng)對(duì)羊草響應(yīng)干旱環(huán)境的影響，試圖解決以下科學(xué)問題：1）放牧遺留效應(yīng)是否增強(qiáng)了羊草適應(yīng)干旱環(huán)境的能力？2）羊草生物量分配對(duì)干旱環(huán)境的響應(yīng)是否受放牧遺留效應(yīng)的調(diào)控？

1 材料與方法

1.1 樣地概況

錫林浩特市白音錫勒牧場(chǎng)（43°38′N，116°42′E），溫帶半干旱氣候，年均溫度-0.4℃，年均降水250 mm，土壤類型為栗鈣土。該區(qū)域?yàn)榈湫筒菰愋?，每?月中旬返青，8月底枯黃，植物群落以羊草、大針茅（Stipa grandis）為建群種，伴生有冰草（Agropyron cristatum）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、黃囊苔草（Carex korshinskyi）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）等物種［19］。樣地于1983年圍封，面積26.67 hm2，圍欄外為牧戶自由放牧樣地，放牧強(qiáng)度為3羊單位·hm-2。根據(jù)國(guó)家草畜平衡標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)的適宜放牧強(qiáng)度為1.5羊單位·hm-2，因此該地區(qū)草原長(zhǎng)期處于過度放牧狀態(tài)，同時(shí)呈明顯的植物矮小化、沙化、斑塊化等退化現(xiàn)象［10］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年春季羊草剛剛返青、且放牧未開始時(shí)，從放牧樣地［放牧羊草克隆后代（grazing，GZ）］和圍封樣地［圍封羊草克隆后代（no grazing，NG）］分別采集生長(zhǎng)狀況基本相同的羊草幼苗（各50株）帶回溫室培養(yǎng)。羊草主要以根莖克隆繁殖為主，實(shí)生苗很少，幼苗大部分都是上一年的克隆后代。為保證試驗(yàn)材料的一致性，采集過程中排除掉可能的實(shí)生苗（單株生長(zhǎng)、無根莖）。室內(nèi)培養(yǎng)采用直徑15 cm、高20 cm花盆進(jìn)行土培，所用土壤從樣地旁采集。首先將所用土壤過篩，去除石頭、土塊、粗根等雜質(zhì)，然后風(fēng)干，充分混勻，裝盆，每個(gè)花盆2.5 kg。為減小圍封和放牧樣地羊草根莖、根系及根際土壤養(yǎng)分差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能造成的影響，移栽時(shí)將根莖全部修剪掉，同時(shí)將根系修剪至大小基本一致并用清水沖洗，然后移栽至花盆，每個(gè)花盆移栽1株。移栽的羊草在陰暗條件下緩苗1周后移入溫室，光照為自然光照，白天溫度25℃左右，夜間溫度10℃左右。

移入溫室1周后開始干旱處理，此時(shí)移栽的羊草幼苗基本恢復(fù)生長(zhǎng)。兩個(gè)樣地來源的羊草（NG與GZ）各成活40株左右，從成活的幼苗中分別選擇長(zhǎng)勢(shì)相同的20盆開展試驗(yàn)，10盆對(duì)照（CK），10盆干旱處理（drought treatment，DT）。每天19：00采用稱重法澆水，CK每次澆水至含水量為40%，DT澆水至含水量為5%［20］。由于每盆僅有1株羊草，其生物量與澆水量相比很小，因此澆水時(shí)忽略植株生物量的影響。每周調(diào)整花盆的擺放次序以減小溫室環(huán)境異質(zhì)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能造成的影響。

1.3 取樣與測(cè)定方法

于室內(nèi)培養(yǎng)2個(gè)月左右后取樣，此時(shí)植物進(jìn)入成熟期，基本停止生長(zhǎng)。1）選擇每盆最高子株測(cè)量其垂直高度，然后將該子株用剪刀剪下，放入信封袋；2）統(tǒng)計(jì)每盆的子株數(shù)量，用剪刀剪下地上部分放入信封袋；3）打破花盆，將土壤及植物地下部分放入0.04 mm尼龍網(wǎng)袋，并用清水沖洗干凈，然后對(duì)羊草的地下部分進(jìn)行根系與根莖的分離，測(cè)定每條根莖長(zhǎng)度并統(tǒng)計(jì)根莖節(jié)間數(shù)；4）將所有樣品，包括單株及總地上部分、根系、根莖，65℃烘干48 h至恒重，稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)符合方差齊性和正態(tài)分布的指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析，試驗(yàn)處理為材料來源（NG、GZ）與干旱處理（CK、DT），對(duì)存在顯著交互作用的指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行每個(gè)處理在另一處理每個(gè)水平下的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)；對(duì)不符合方差齊性和正態(tài)分布的指標(biāo)直接進(jìn)行每個(gè)處理在另一處理每個(gè)水平下的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)；除了雙因素方差分析，對(duì)比兩種材料對(duì)環(huán)境的差異性響應(yīng)還有其他方法，且每種方法的最終結(jié)果會(huì)有所不同，同時(shí)采用幾種方法可以更清楚、更全面的比較不同來源羊草對(duì)干旱的差異性響應(yīng)［21］，為此，計(jì)算了NG與GZ下羊草各指標(biāo)在干旱環(huán)境下的可塑性指數(shù)（plastic indicator，PI）和絕對(duì)變化量（?），計(jì)算公式如下：

式中：CK為對(duì)照處理；DT為干旱處理；i為指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單株性狀及子株數(shù)

干旱脅迫顯著降低了NG和GZ的單株株高、單株生物量及子株數(shù)（P<0.05）。相較于NG，GZ單株株高、單株生物量受干旱處理影響較?。▓D1），雙因素分方差分析表明，材料來源與干旱處理對(duì)羊草單株株高、單株生物量交互作用顯著（P<0.05）；在干旱脅迫下，NG單株株高、單株生物量分別降低了17.71 cm，0.25 g，可塑性指數(shù)分別為48.92%、74.70%，而GZ分別降低了6.69 cm，0.14 g，可塑性指數(shù)分別為24.53%，56.44%。由于方差不齊，無法判斷材料來源與干旱處理對(duì)羊草子株數(shù)是否具有交互作用，但是通過對(duì)比NG與GZ子株數(shù)在干旱脅迫下減少的絕對(duì)量（?）發(fā)現(xiàn)NG子株數(shù)受影響較小，減少了10.00株，而GZ減少了14.59株（圖1）。相關(guān)分析表明羊草個(gè)體株高、生物量與子株數(shù)均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P=0.002，0.023）（圖2）。

圖1 放牧與圍封羊草單株性狀及子株數(shù)對(duì)干旱的響應(yīng)Fig.1 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of individual characters and ramet number

圖2 羊草子株數(shù)與單株株高、單株生物量間的相關(guān)分析Fig.2 Relationships between r amet number and r amet height and r amet biomass，r espectively

2.2 生物量

干旱脅迫顯著降低了羊草地上、根系、根莖及總生物量（P<0.05）（圖3）。對(duì)羊草地上生物量、根系生物量、總生物量的雙因素方差分析表明，材料來源與干旱處理交互作用不顯著（P=0.640，0.640，0.758）；NG與GZ在干旱脅迫下地上生物量、根系生物量、總生物量的PI和?也相對(duì)比較接近，GZ的減少量分別為1.81、0.84、3.23 g，NG的減少量分別為1.67、0.66、3.07 g；GZ的PI分別為88.84%、90.24%、90.36%，NG的PI分別為92.06%、84.10%、89.84%（圖3）。沒有對(duì)羊草根莖生物量進(jìn)行雙因素方差分析（方差不齊），通過對(duì)比根莖生物量在干旱處理下的?發(fā)現(xiàn)，NG受干旱干擾較大，?為0.74 g，而GZ為0.58 g，同時(shí)NG與GZ根莖生物量在對(duì)照處理下存在顯著差異（P<0.05），但是在干旱處理下差異不顯著（P>0.05）（圖3）。

圖3 放牧與圍封羊草生物量累積對(duì)干旱的響應(yīng)Fig.3 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of biomass accumulation

2.3 根莖性狀

干旱處理顯著降低了羊草的總根莖長(zhǎng)度、總根莖節(jié)間數(shù)、最長(zhǎng)根莖長(zhǎng)度、最長(zhǎng)根莖節(jié)間數(shù)及節(jié)間長(zhǎng)（P<0.05）（表1）。雙因素方差分析表明材料來源與干旱處理對(duì)羊草總根莖長(zhǎng)度及總根莖節(jié)間數(shù)存在顯著交互作用（P<0.001，P=0.05），GZ在干旱處理下的總根莖長(zhǎng)度及總根莖節(jié)間數(shù)的?分別為99.51 cm和35.71個(gè)，而NG分別為150.79 cm和49.50個(gè)；在對(duì)照處理下，NG的總根莖長(zhǎng)度、總根莖節(jié)間數(shù)皆顯著大于GZ，但是在干旱處理下都無顯著性差異（表1）。材料來源與干旱處理對(duì)羊草最長(zhǎng)根莖長(zhǎng)度和最長(zhǎng)根莖節(jié)間數(shù)交互作用未達(dá)到顯著水平（P=0.24，0.73），GZ具有更大的PI，分別為94.38%和90.08%，而NG分別為82.21%和75.00%（表1）。由于方差不齊沒有對(duì)羊草節(jié)間長(zhǎng)進(jìn)行雙因素方差分析，放牧來源羊草在干旱處理下節(jié)間長(zhǎng)的PI與?分別為44.88%和1.27 cm，而NG分別為31.48%和0.96 cm。

表1 放牧與圍封羊草根莖性狀對(duì)干旱的響應(yīng)Table 1 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of rhizome characters

2.4 生物量分配

干旱處理對(duì)NG與GZ的生物量分配具有不同的影響，其顯著增加了GZ生物量的地上分配（P<0.05），而降低了NG的地上生物量分配，但差異沒有達(dá)到顯著水平（P>0.05）（圖4），雙因素方差分析表明交互作用顯著（P=0.01）（表2）。干旱處理顯著增加了NG的根系分配（P<0.05），PI和?分別為-68%和-15%，但對(duì)GZ的根系分配無顯著影響（P>0.05）（圖4和表2）。干旱處理降低了羊草的根莖分配，雖然NG差異不顯著，但是PI和?分別達(dá)到了27%和7%；材料來源與干旱處理對(duì)羊草的根莖分配無顯著交互作用（P=0.621），NG與GZ的?基本相同，但是GZ具有更大的P（I50%），NG為27%（圖4）。

表2 羊草生物量分配雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of L.chinensis biomass allocation

圖4 放牧和圍封羊草生物量分配對(duì)干旱的響應(yīng)Fig.4 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of biomass allocation

3 討論

GZ個(gè)體株高、生物量對(duì)干旱環(huán)境的抵抗力更強(qiáng)，但是子株數(shù)的抵抗力比NG低，這可能是放牧遺留效應(yīng)與干旱環(huán)境對(duì)羊草具有相同的調(diào)節(jié)途徑所致。由于羊草個(gè)體株高、生物量與子株數(shù)均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，推測(cè)在對(duì)照處理下GZ具有較弱的頂端優(yōu)勢(shì)，因而其單株個(gè)體較小，子株數(shù)較多［22］。放牧遺留效應(yīng)對(duì)羊草的影響在對(duì)照處理下對(duì)GZ和NG均具有一定的適應(yīng)意義，GZ較弱的頂端優(yōu)勢(shì)可以通過增加子株數(shù)提高其耐牧性，也可以通過較矮的個(gè)體提高其避牧性［23］，而NG較強(qiáng)的頂端優(yōu)勢(shì)可以提高其個(gè)體的光競(jìng)爭(zhēng)能力［24］。植物的頂端優(yōu)勢(shì)一般通過生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素調(diào)節(jié)［25］，而生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素也是植物在干旱環(huán)境下的主要調(diào)節(jié)方式［26-28］。羊草在干旱環(huán)境下生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素的調(diào)節(jié)可能掩蓋了放牧遺留效應(yīng)對(duì)兩種激素的影響，因此干旱環(huán)境對(duì)頂端優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的NG單株株高、生物量影響更大，而對(duì)頂端優(yōu)勢(shì)較弱的GZ子株數(shù)的影響更大。

植物可以通過增加根系生物量分配增大吸水面積，同時(shí)減少地上部水分的蒸騰散失來適應(yīng)干旱環(huán)境［29］，NG可以通過減少地上及根莖分配，增加根系分配適應(yīng)干旱環(huán)境。從總生物量角度來看，GZ與NG對(duì)干旱環(huán)境具有相同的抵抗能力，但是GZ在干旱處理下并沒有增大根系生物量分配。除了增大根系生物量之外，植物還可以通過改變氣孔特性、酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等方式適應(yīng)干旱環(huán)境［30］。有關(guān)植物“干旱脅迫記憶”的研究表明母代經(jīng)歷過干旱的植物往往可以“記住”某些應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境的生理及分子響應(yīng)，如較小的氣孔導(dǎo)度、活性更高的保護(hù)酶系統(tǒng)及濃度更高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等，在子代經(jīng)歷干旱環(huán)境時(shí)表現(xiàn)出更快速地生理響應(yīng)［31］。羊草在放牧過程中會(huì)遭受更加嚴(yán)重的干旱干擾，因此GZ可能“記住”了其母代的干旱響應(yīng)，更依賴于氣孔、保護(hù)酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理性狀的方式來適應(yīng)干旱環(huán)境。

資源儲(chǔ)存和覓食是根莖兩個(gè)重要的功能，植物既可以通過根莖快速逃離養(yǎng)分匱乏區(qū)域或競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域［32］，也可以在資源匱乏時(shí)增大根莖分配，待養(yǎng)分資源豐富時(shí)用于子株生長(zhǎng)［33］。本研究表明，GZ與NG在干旱環(huán)境下均減小根莖分配，將更多的資源分配給吸收或光合器官，說明羊草在遭遇干旱環(huán)境時(shí)趨向于“對(duì)抗”策略，而非“逃避”策略，相對(duì)于尋找水資源豐富區(qū)域（根莖覓食）或等待水資源的改善（根莖資源儲(chǔ)存），其更傾向于提高干旱環(huán)境下的水分吸收能力和光合能力。雖然GZ與NG根莖分配對(duì)干旱環(huán)境具有相同的響應(yīng)趨勢(shì)，但是地上和根系分配的響應(yīng)卻不同，NG減少地上分配，增大根系分配，而GZ增加地上分配，根系分配則保持不變。NG的原生環(huán)境（圍封樣地）在未遭遇干旱時(shí)，光資源是種內(nèi)及種間的主要環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)因子［24］，個(gè)體通過增加地上分配提高光競(jìng)爭(zhēng)能力，而遭遇干旱時(shí)，光資源競(jìng)爭(zhēng)因子消失，植物個(gè)體轉(zhuǎn)向水分因子適應(yīng)，增大根系分配以增加根系水分吸收能力［29］；GZ的原生環(huán)境中（放牧樣地），放牧啃食、踐踏等是其生長(zhǎng)的限制因子，當(dāng)遭遇干旱時(shí)，限制因子依舊存在，此時(shí)植物增加地上分配是為了補(bǔ)充可能因放牧啃食而導(dǎo)致的光合面積的損失，水分吸收能力可能更主要的通過生理、根系形態(tài)等方式來維持；因此，GZ與NG地上、根系分配對(duì)干旱環(huán)境的不同響應(yīng)是其在原生環(huán)境下對(duì)不同環(huán)境限制因子長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。

4 結(jié)論

1）放牧與圍封羊草對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)方式不同，圍封羊草通過增加根系分配適應(yīng)干旱環(huán)境，放牧羊草可能更依賴于生理過程適應(yīng)干旱環(huán)境；

2）放牧與圍封羊草總生物量對(duì)干旱環(huán)境具有相同的抵抗能力，但是地上部對(duì)干旱環(huán)境的響應(yīng)模式不同，圍封羊草單株株高、單株生物量響應(yīng)更為敏感，放牧羊草子株數(shù)響應(yīng)更為敏感；

3）放牧與圍封羊草生物量分配對(duì)干旱環(huán)境的響應(yīng)模式不同，放牧羊草在干旱環(huán)境下增加地上分配，圍封羊草則增加根系分配。