放牧對(duì)高寒草甸植被-土壤酚類物質(zhì)組成及含量的影響

陳 玲，王璐慧，國 慧，楊振安 2

（1. 西南野生動(dòng)植物資源保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 南充 637009；2. 西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009；3. 西華師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，四川 南充 637009）

酚類物質(zhì)是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物，其含量不僅影響牧草的適口性和營養(yǎng)價(jià)值，還可以通過凋落物、根系分泌物等形式進(jìn)入土壤[1-2]，酚類物質(zhì)在土壤中大量積累后形成“酚(酶)閂”效應(yīng)，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和周轉(zhuǎn)[3]。同時(shí)，酚類物質(zhì)也是植物體內(nèi)重要的化學(xué)防御物質(zhì)，當(dāng)植物受到外來傷害等影響時(shí)，酚類物質(zhì)就會(huì)在植物體內(nèi)大量積累[4]。放牧?xí)r牲畜的啃食和踐踏必然會(huì)對(duì)植物酚類物質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到植被-土壤系統(tǒng)的物質(zhì)周轉(zhuǎn)和循環(huán)。眾多學(xué)者通過大量的研究揭示了放牧對(duì)草甸植被和土壤的影響，但這些研究主要集中在植被群落特征[5-7]、生產(chǎn)力[7-9]、植物功能性狀[10]、土壤屬性[6,11](理化、生物等)及植被土壤相互作用[11]等方面，而對(duì)植物體和土壤酚類物質(zhì)的研究較少。因此系統(tǒng)而深入地研究放牧對(duì)草甸植被酚類物質(zhì)的影響，探明在放牧和圍封條件下植物-土壤酚類物質(zhì)的含量和組成具有重要意義。

土壤酚類物質(zhì)主要來源于地表植物，通過3 種途徑進(jìn)入土壤：植物根系分泌[12]；植物殘?bào)w及其凋落物分解；雨露等對(duì)植物體表面分泌物的淋洗。放牧過程中動(dòng)物的啃食、踐踏等機(jī)械行為會(huì)影響植物酚類物質(zhì)含量，進(jìn)而間接影響進(jìn)入土壤中的酚類物質(zhì)含量。同時(shí)，在微生物的作用下，酚類物質(zhì)可以被分解為簡單小分子及其衍生物[13]，如酚氧化酶能將多酚氧化分解為簡單化合物[14]，而pH以及氧含量等能影響微生物和酚氧化酶活性[15-16]，進(jìn)而影響土壤酚含量。此外，酚類物質(zhì)具有較強(qiáng)的抗氧化性和生物毒性[17]，會(huì)抑制土壤微生物代謝活動(dòng)和酶活性[18]，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)周轉(zhuǎn)和循環(huán)?；诜宇愇镔|(zhì)在土壤中的重要調(diào)控作用及放牧對(duì)土壤酚含量可能存在的潛在影響，有必要探明放牧條件下土壤酚的積累規(guī)律，對(duì)于維持和保護(hù)草甸生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

本研究以長期放養(yǎng)牦牛(1980-2020 年)和圍封(2014-2020 年)的高寒草甸為研究對(duì)象，分析放牧和禁牧對(duì)植被群落組成、植被(地上和地下部分)和土壤中酚類物質(zhì)(總酚、簡單酚和單寧)的影響，以期明確不同草地利用方式下植被和土壤酚類物質(zhì)含量變化，進(jìn)而揭示酚類物質(zhì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)周轉(zhuǎn)和循環(huán)的影響(限制)，為高寒草甸的合理利用提供新的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)域位于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣瓦切鎮(zhèn)境內(nèi)。該地區(qū)屬高原寒冷氣候類型，年均氣溫1.57 ℃，平均海拔3 480 m。全年最冷月為1 月，平均氣溫為-9.66 ℃；最熱月為7 月，平均氣溫為11.12 ℃；1961-2015 年年平均降水量752.21 mm(氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/)。試驗(yàn)區(qū)域主要優(yōu)勢(shì)物種為垂穗披堿草(Elymus nutans)、問荊(Equisetum arvense)、條葉銀蓮花(Anemone coelestinavar.linearis)、 馬先蒿(GrexPedicularis)、鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、紫羊茅(Festuca rubra)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中所選取的高寒草甸(102°37′08″ E，32°57′50″ N)約0.4 km2，自1980 年以來一直是自由放牧牦牛的冬季牧場(chǎng)(11 月至翌年4 月)。在2014 年4 月將該區(qū)域分為兩部分，一半(約0.2 km2)繼續(xù)作為冬季牧場(chǎng)使用(grazing, G)，另一半(約0.2 km2)進(jìn)行封育(grazing prohibition, GP)。2020 年7 月下旬在放牧和禁牧的樣地內(nèi)，按照對(duì)角線法選取6 個(gè)1 m × 1 m 的樣方進(jìn)行植被調(diào)查(每塊樣地間隔不小于20 m)，記錄樣方內(nèi)植物種類、豐富度、蓋度、高度等信息。待植被調(diào)查結(jié)束后，在1 m × 1 m的樣方內(nèi)選擇1 個(gè)0.5 m × 0.5 m 的小樣方，將其植被地上部分全部收獲帶回實(shí)驗(yàn)室，用于計(jì)算植物地上生物量；同時(shí)，用內(nèi)徑為8 cm 的土鉆采集5 個(gè)0 -30 cm 土柱用于估算植物地下生物量。用直徑為5 cm 的土鉆在0.5 m × 0.5 m 的小樣方內(nèi)鉆取5 個(gè)0 -30 cm 的土柱(按0 - 10、10 - 20 和20 - 30 cm分割)帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定土壤酚類物質(zhì)含量。

1.3 樣品分析測(cè)定

1.3.1 植物樣品測(cè)定

植物樣品(地上、地下)在避光低溫下(≤ 40 ℃，避免溫度過高影響樣品中單寧含量)烘干后用粉碎機(jī)(FZ102，科恒)粉碎，過0.850 mm 篩用于測(cè)定植物體酚類物質(zhì)含量。采用超聲輔助法提取植物總酚，即分別稱取植物地上、地下部樣品粉末各2.0 g 置于25 mL 具塞錐形瓶中，先加入10 mL 70%乙醇溶液，以540 W、40～50 ℃超聲提取3 次，每次30 min，合并提取液，5 000 r·min?1下離心15 min，抽濾，得濾液，低溫避光條件下保存?zhèn)溆谩Ｈ?.05 mL (根據(jù)被測(cè)物的含量多少可相應(yīng)調(diào)整取樣量)相同體積的提取液加入小試管中，用蒸餾水稀釋并定容至1 mL，加入0.5 mL Folin-Ciocalteu 試劑和1 mL 碳酸鈉溶液(15%)，搖勻，靜置1 h，在波長750 nm 下比色[19]。

簡單酚含量測(cè)定：稱取100 mg 不溶性聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)，置于10 mL 試管中，加入1.0 mL蒸餾水，然后加入1.0 mL 植物提取液，用旋轉(zhuǎn)振動(dòng)儀震蕩試管，在常溫冰箱中放置15 min，再次震蕩試管，3 000 r·min?1下離心15 min。取上清液加入Folin-Ciocalteu 試劑顯色，在波長725 nm 下比色，測(cè)定簡單酚含量。用沒食子酸作標(biāo)準(zhǔn)品。

單寧含量＝總酚含量-簡單酚含量[19]。

1.3.2 土壤樣品測(cè)定

土壤總酚含量用Folin-Ciocalteu 比色法在紫外-可見光分光光度計(jì)上進(jìn)行測(cè)定。取2 g 過0.075 0 mm篩的風(fēng)干土，置于50 mL 容量瓶中，加入4 mol·L?1硫酸10 mL 于110 ℃恒溫干燥箱中提取24 h。用50 mL蒸餾水定容，搖勻，過濾，取濾液。將0.5 mL 樣品溶液加入2 mL 離心管中。加入0.5 mL Folin-Ciocalteu試劑，攪拌均勻，靜置3 min 后，加入1 mL 15%Na2CO3溶液，搖勻，靜置1 h。如有沉淀，離心4 min。取上清液并在750 nm 處測(cè)定吸光值[19]。土壤簡單酚以及單寧含量的測(cè)定和計(jì)算同上。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有的數(shù)據(jù)經(jīng)直方圖檢驗(yàn)均服從正態(tài)分布和同質(zhì)性，使用Bartlett 檢驗(yàn)各樣本方差齊性。用單因素方差分析比較放牧和圍封對(duì)植被指標(biāo)的影響，用雙因素方差分析(放牧和禁牧、土層深度)比較土壤酚類物質(zhì)含量的差異顯著性。用SPSS 22.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所有數(shù)據(jù)均用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對(duì)植被群落特征的影響

放牧與禁牧條件下植被群落特征(表1)顯示：群落物種數(shù)(P= 0.357)和蓋度(P= 0.643)在放牧和禁牧處理下無顯著差異，但植被群落的物種組成和優(yōu)勢(shì)種卻發(fā)生了明顯變化。在放牧處理下，禾本科類的優(yōu)質(zhì)牧草[垂穗披堿草、發(fā)草(Deschampsia caespitosa)、甘青剪股穎(Agrostis hugoniana)、羊茅(Festuca ovina)、草地早熟禾(Poa pratensis)]大量減少，蓋度由28.00%降低至11.33%；毛茛科[高原毛茛(Ranunculus tanguticus)、小花草玉梅(Anemone rivularis)、翠雀(Delphinium grandiflorum)]、薔薇科[翻白委陵菜(Potentilla discolor)、 鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、山莓草(Sibbaldia procumbens)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)]以及蓼科[圓穗蓼(Polygonum macrophyllum)、 珠 芽 蓼 (Polygonum viviparum)]等雜草在放牧作用下迅速生長，蓋度明顯增加。

表1 放牧與禁牧條件下植被群落特征Table 1 Characteristics of the vegetation community under grazing and grazing prohibition conditions

2.2 放牧對(duì)植物群落生物量及其酚類物質(zhì)含量的影響

分析發(fā)現(xiàn)，放牧顯著降低植物群落地上部分生物量(P< 0.001)和簡單酚含量(P= 0.018)，分別減少了40.27%和28.48%；卻顯著增加了植物群落地上部分總酚(P= 0.012)和單寧含量(P< 0.001)，分別增加了47.89%和92.91% (圖1)。

放牧顯著減少了植物地下部分生物量(P=0.002)，減少了23.45%，卻顯著增加了植物群落地下部分總酚(P= 0.040)和單寧含量(P< 0.025)，分別增加了122.31%和127.56%；而對(duì)植物群落地下部分簡單酚含量的影響不顯著(P= 0.369) (圖1)。由此可知，植被群落地上生物量明顯低于地下部分，而地上部分酚類物質(zhì)含量卻明顯高于地下部分。

圖1 放牧和禁牧處理對(duì)植物地上和地下部分生物量和酚類物質(zhì)含量的影響Figure 1 Effect of grazing (G) and grazing prohibition (GP) treatment on the biomass and concentration of polyphenols in the above- and belowground part of plant

2.3 放牧對(duì)土壤酚類物質(zhì)含量的影響

分析發(fā)現(xiàn)，放牧顯著降低了0 - 30 cm 土壤總酚(P= 0.002)和單寧含量(P= 0.001)，卻對(duì)簡單酚含量無顯著影響(P= 0.190) (表2)。同時(shí)，不論是在放牧還是在禁牧處理下，0 - 30 cm 土壤總酚、簡單酚和單寧含量均呈現(xiàn)出隨著土壤深度增加而降低的變化趨勢(shì)；土層對(duì)總酚含量(P< 0.001)、單寧含量(P<0.001)及簡單酚含量(P< 0.05)均存在顯著影響。二者互作對(duì)土壤酚類物質(zhì)含量均無顯著影響(P> 0.05)。

表2 放牧和禁牧處理對(duì)0 - 30 cm 土壤酚類物質(zhì)含量的影響Table 2 Effect of grazing and grazing prohibition treatment on the concentration of polyphenols of 0 - 30 cm soil

3 討論與結(jié)論

3.1 植被群落結(jié)構(gòu)變化

植被群落結(jié)構(gòu)與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)有著緊密聯(lián)系[20-21]。放牧?xí)r在牛羊啃食及踐踏等作用影響下，植被群落必將受到影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在放牧影響下禾本科植被蓋度降低，而毛茛科、薔薇科以及蓼科等雜類草的蓋度則明顯增加(表1)。在禁牧處理下，沒有放牧牲畜的采食與踐踏，個(gè)體高大的禾本科植物(如垂穗披堿草、發(fā)草、甘青剪股穎、紫羊茅、草地早熟禾等)比矮小植物(如翻白委陵菜、鵝絨委陵菜等)更具競爭優(yōu)勢(shì)，更易獲取足夠的光照，進(jìn)而生長加快，從而導(dǎo)致部分雜草消失，豐富度降低[22-23]。但本研究放牧處理下豐富度的改變與前人所發(fā)現(xiàn)的禁牧樣地內(nèi)植物群落蓋度顯著高于自由放牧樣地的結(jié)果不一致[24]，這可能與禁牧?xí)r間有關(guān)。有研究表明，長期禁牧?xí)觿≈参镂锓N間的競爭，導(dǎo)致競爭優(yōu)勢(shì)較低的物種得不到充分的水肥以及陽光等，進(jìn)而降低植物種群豐富度[25]。

本研究發(fā)現(xiàn)，植被群落地上、地下生物量由于放牧的影響而顯著下降(圖1)，這與前人研究結(jié)果一致[24,26]。放牧導(dǎo)致植被群落生物量降低，主要是因?yàn)殛笈５牟墒匙饔肹26]，其次是牦牛的踐踏導(dǎo)致土壤緊實(shí)，大量植物種子難以正常萌發(fā)，植物根系也難以生長，導(dǎo)致地上、地下生物量均顯著降低[27]；并且由于植被群落蓋度以及高度的降低，導(dǎo)致大量土壤直接接觸外界環(huán)境，加速土壤沙化[28]，降低草甸的初級(jí)生產(chǎn)力。植被作為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，對(duì)于穩(wěn)定高寒草甸生態(tài)功能和維持碳穩(wěn)定具有重要作用。放牧處理促使高寒草甸植被生物量降低，這可能會(huì)嚴(yán)重影響草甸土壤碳儲(chǔ)量。綜上，放牧處理下，禾本科植物大量減少，毛茛科以及其他雜類草植物大量增加，最終導(dǎo)致豐富度增加，同時(shí)植被群落蓋度降低。且在放牧處理下主要功能群(毛茛科、禾本科)植株高度降低，地上、地下生物量均顯著降低。

3.2 植物群落酚類物質(zhì)含量的變化

單寧等酚類物質(zhì)是植物體重要的次生代謝產(chǎn)物，其含量因外界環(huán)境(如牦牛的啃食和踐踏作用等)變化而發(fā)生明顯的變化[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在放牧處理下植物群落總酚和單寧含量顯著增加(圖1)，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[30]。不僅因牲畜的啃食作用促進(jìn)了植物體次生代謝產(chǎn)物(酚類物質(zhì))含量增加，而且酚類物質(zhì)含量因植物種類不同亦呈現(xiàn)出差異性，因此植被群落結(jié)構(gòu)改變必然會(huì)引起植物群落酚類物質(zhì)含量發(fā)生變化[31]。

此外，植物群落地上部分的酚類物質(zhì)含量顯著高于地下部分，這說明植物群落酚類物質(zhì)主要集中在地上部，如葉片、果實(shí)以及種皮等，而在地下部根系組織分布較少[32]。植物群落酚類物質(zhì)(如單寧)含量改變，不僅僅會(huì)影響牧草的適口性，還會(huì)降低其營養(yǎng)價(jià)值[29]。植物群落單寧等酚類物質(zhì)含量的改變可能是植物體對(duì)放牧活動(dòng)的一種響應(yīng)，在一定程度上減少牲畜的采食，以確保其在群落中保持優(yōu)勢(shì)。此外植物群落酚類物質(zhì)具有多種化學(xué)特性，在維持土壤碳穩(wěn)定方面具有重要作用[3]。土壤酚類物質(zhì)主要來源于植物，因此植物群落酚類物質(zhì)含量波動(dòng)必將影響土壤酚類物質(zhì)含量，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。綜上，放牧處理下植物群落總酚以及單寧含量顯著增加，植物群落地上部分簡單酚含量顯著降低，植物群落地下部分簡單酚含量無顯著變化。

3.3 土壤酚類物質(zhì)含量的變化

酚類物質(zhì)在抑制土壤有機(jī)碳分解方面具有十分重要的作用，而植物根系分泌物是土壤酚類物質(zhì)的重要來源之一[2]，酚類物質(zhì)從植物體經(jīng)根系分泌、凋落物分解等途徑進(jìn)入土壤，在土壤中大量積累[12-13]。高濃度酚類物質(zhì)的“閂鎖”作用[3]，對(duì)于高寒草甸生態(tài)健康具有十分重要的作用。植物群落作為土壤酚類物質(zhì)的主要來源，是影響土壤有機(jī)碳的關(guān)鍵[33]。本研究發(fā)現(xiàn)，放牧增加了植物群落酚類物質(zhì)(總酚、單寧)含量，卻減少了土壤酚類物質(zhì)(總酚、單寧)含量。這可能是因?yàn)樯罂惺持参铮瑴p少了進(jìn)入土壤的凋落物生物量[34]。加之，植物凋落物分解是土壤酚類物質(zhì)的主要來源之一[1]，因此生物量減少必然會(huì)導(dǎo)致植物群落向土壤輸入酚類物質(zhì)的能力降低。其次在放牧影響下大量植物被啃食，導(dǎo)致土壤裸露在大氣環(huán)境中，形成富氧環(huán)境，促進(jìn)酚氧化酶活性增加，從而加速酚類物質(zhì)分解。這也說明，放牧雖然增加了植物群落酚類物質(zhì)(總酚、單寧)含量，但土壤酚類物質(zhì)含量不僅僅與植物體酚類物質(zhì)含量有關(guān)，還與植物生物量以及土壤環(huán)境等密切相關(guān)。因此，對(duì)土壤酚類物質(zhì)的研究不僅要關(guān)注地表植被，還應(yīng)該關(guān)注土壤環(huán)境的變化。

綜上，放牧過程中，牦牛的啃食及踐踏等因素會(huì)改變植物體次生代謝產(chǎn)物(酚類物質(zhì))的組成和含量，并進(jìn)一步影響土壤環(huán)境中酚類物質(zhì)含量。通過研究發(fā)現(xiàn)，放牧有利于促進(jìn)植物群落酚類物質(zhì)的積累，增加植物體抵御外界環(huán)境的能力；但在放牧作用下，土壤酚類物質(zhì)(總酚、單寧)含量顯著降低，對(duì)于土壤生態(tài)系統(tǒng)碳穩(wěn)定性可能具有不利的影響[3]；加之，放牧導(dǎo)致植被群落結(jié)構(gòu)明顯改變，生物量、蓋度等降低，也不利于土壤有機(jī)碳的積累[28]。因此，本研究認(rèn)為，放牧可能通過改變植被物種結(jié)構(gòu)組成和生物量及土壤酚類物質(zhì)含量等來影響草甸土壤碳動(dòng)態(tài)，但是這還需要通過進(jìn)一步的研究來獲得可靠的證據(jù)。