荒漠草原短花針茅表型性狀對模擬綿羊采食的可塑性響應(yīng)

王 琪， 鄭佳華， 趙萌莉， 張 軍

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019; 3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

植物的表型可塑性是指單個基因型在不同環(huán)境中所產(chǎn)生的不同表型，可塑性越大，表示對環(huán)境變化響應(yīng)越敏感[1]。植物通過可塑性變化在不同生境中調(diào)整各器官的生長、發(fā)育、生理、形態(tài)和生活史等，進(jìn)而增加對環(huán)境資源最大限度的獲取和有效利用，以應(yīng)對環(huán)境變化[2]。而植物葉片是與外界環(huán)境聯(lián)系最緊密的營養(yǎng)器官，對環(huán)境變化具有很強(qiáng)的可塑性[3]。有研究表明，葉片的表型可塑性對土壤含水量的變化敏感[4]。長期放牧下，植物通過葉片可塑性變化適應(yīng)異質(zhì)生境[5]。因此，葉片的表型可塑性是反映植物響應(yīng)外界環(huán)境變化的重要指標(biāo)。此外，植物的功能性狀可以具象地反映植物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)，在放牧干擾下，株高、株叢徑、分蘗數(shù)以及地上生物量等指標(biāo)均降低，這些指標(biāo)的綜合變化能夠直觀反映植物為適應(yīng)環(huán)境脅迫所作出的資源權(quán)衡[6]。同時，有研究表明，植物葉片功能性狀對草地生物量的貢獻(xiàn)存在差異[7]。

動物在采食植物的過程中，動物體內(nèi)具有生物活性的化學(xué)物質(zhì)會通過口液進(jìn)入植物體，并參與植物代謝過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育[8-9]。有研究表明，放牧過程中動物口液中所含有的硫胺素可以刺激植物，使其出現(xiàn)補(bǔ)償生長[9-11]。Rooke[12]在2003年發(fā)現(xiàn)，與刈割處理相比，山羊口液可以顯著提高木本植物的分枝數(shù)和葉質(zhì)量。Zhang等[13]人也發(fā)現(xiàn)，綿羊口液可以顯著促進(jìn)羊草(Leymuschinensis)枝條的分蘗和冷蒿(Artemisiafrigida)的生物量的積累。然而，也有研究表明，動物口液對植物生長沒有顯著性影響，滕星[14]對羊草草原的研究發(fā)現(xiàn)，綿羊口液并沒有顯著地增加地上生物量。關(guān)于家畜口液對植物生長的影響目前仍存在許多分歧。

以往有關(guān)動物采食對植物影響的研究中，刈割往往用來模擬動物采食，但刈割對于植物是一種非生物行為，而采食是一種復(fù)雜的生理、生化過程，兩者的區(qū)別在于動物口液對植物的生物行為[14]。短花針茅(Stipabreviflora)是內(nèi)蒙古荒漠草原的建群種，具有分布廣、數(shù)量多等特點(diǎn)[15-17]，目前關(guān)于綿羊采食對短花針茅表型性狀的影響尚不明確。因此，本試驗(yàn)采用刈割后涂抹綿羊口液的方式來模擬綿羊采食，研究短花針茅表型性狀對模擬綿羊采食的可塑性響應(yīng)，為短花針茅在干擾下資源權(quán)衡策略的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市四子王旗格根塔拉草原區(qū)(41°47′ N,111°53′ E，1 456 m)。該地區(qū)屬于典型大陸性氣候，年均降雨量280 mm，年均蒸發(fā)量2 300 mm，年均氣溫3.4℃。土壤以淡栗鈣土為主，質(zhì)地疏松。研究區(qū)以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種，冷蒿(Artemisiafrigida)和無芒隱子草(Cleistogenessongorica)為優(yōu)勢種,常見種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)和木地膚(Kochiaprotrata)等[18]。該地區(qū)植被群落高度為21.52 cm，蓋度為56.46%，生物量為139.03 g·m-2[18]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)在四子王旗農(nóng)牧科學(xué)院放牧試驗(yàn)平臺開展，該放牧試驗(yàn)平臺于2004年建設(shè)運(yùn)行，樣地描述見楊陽[18]等人的研究。本試驗(yàn)只在圍封樣地進(jìn)行，采取單因素試驗(yàn)，設(shè)置三個處理：對照(CK)；刈割(C)；刈割后涂抹綿羊口液(CS)。2019年5月底在3個圍封區(qū)組內(nèi)分別選取60株生長狀況相似，大小相似的短花針茅。在短花針茅的莖基部掛標(biāo)簽，并在植株附近立地標(biāo)作為標(biāo)記，以其中20株作為刈割處理，20株作為模擬綿羊采食處理，其余20株作為對照。用剪刀將刈割和模擬綿羊采食處理的40株短花針茅地上3 cm以上的部分全部剪除，并在模擬綿羊采食處理的20株短花針茅的傷口涂抹綿羊口液。涂抹的口液來自基地用于放牧強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的綿羊。為了收集口液，我們在羊嚼草的時候把一塊海綿放到羊嘴里，約2分鐘后，取出海綿，將口液擠入離心管中，離心管低速離心(1 000轉(zhuǎn))5 min后，取上清液。

1.3 試驗(yàn)方法

在8月底生長期結(jié)束后記錄60株短花針茅的株高、株叢徑、分蘗數(shù)以及地上生物量，然后剪去地上部分，每株短花針茅挑取一片完整無病害的葉片測量單葉面積、葉長、葉寬和單葉質(zhì)量，進(jìn)一步計算比葉面積、比葉質(zhì)量和葉長寬比。

具體測定和計算方式如下：

株高(Plant height,PH)、株叢徑(Diameter of stem,DS)和分蘗數(shù)(Number of tiller,NT)測定：用卷尺測定每株單株的基部到冠層頂端的自然高度和株叢徑，采用計數(shù)的方式測定分蘗數(shù)。

單葉面積(Leaf area,LA)測定：將挑選的60個葉片完全平鋪并用掃描儀對其單葉面積進(jìn)行掃描，將掃描后的單葉面積圖片導(dǎo)入Photoshop軟件進(jìn)行后期處理并計算出單葉面積數(shù)值。

葉長(Leaf length,LL)、葉寬(leaf width,LW)測定：用電子游標(biāo)卡尺將測定過單葉面積的葉片進(jìn)行葉長和葉寬的測量。

單葉質(zhì)量(Leaf mass,LWE)、地上生物量(Aboveground biomass,AB)測定：將測定過單葉面積和葉長葉寬的葉片以及地上生物量分別放入信封內(nèi)，放入65℃烘箱中烘48 h至恒重后用萬分之一天平進(jìn)行葉片干重和地上生物量的測定，并記錄數(shù)值。

比葉面積(Specific leaf area,SLA)：根據(jù)公式，比葉面積(SLA)=單葉面積(LA)/單葉質(zhì)量(LWE);

比葉質(zhì)量(Leaf mass per unit area,LMA)：根據(jù)公式，比葉質(zhì)量(LMA)=單葉質(zhì)量(LWE)/單葉面積(LA);

葉長寬比(Leaf length to width ratio,LLW)：根據(jù)公式，葉長寬比(LLW)=葉長(LL)/葉寬(LW)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用方差分析法分析模擬綿羊采食作用對短花針茅表型性狀的影響，并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(DUNCAN法，α=0.05)；采用可塑性指數(shù)(PI)表征表型性狀對刈割和綿羊采食的響應(yīng)程度，某一處理下某一性狀的可塑性指數(shù)為：(某指標(biāo)的最大值-該指標(biāo)的最小值)/該指標(biāo)的最大值；采用變異系數(shù)(CV)表征在刈割和模擬綿羊采食下植物性狀的變異程度，變異系數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)偏差除以平均值；采用Pearson相關(guān)法分析短花針茅地上生物量和其它性狀的關(guān)系，在0.05和0.01水平進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[1]。以上數(shù)據(jù)均采用SPSS23.0進(jìn)行分析，采用Sigmaplot14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 短花針茅表型性狀對模擬綿羊采食的差異化響應(yīng)

葉片是植物體重要的功能器官，如圖1所示，與對照相比，刈割顯著增加了短花針茅的比葉面積(P<0.05)，顯著降低了單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量及地上生物量(P<0.05)；模擬綿羊采食顯著增加了短花針茅的單葉面積、比葉面積和株叢徑(P<0.05)，顯著降低了單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量、葉長寬比及地上生物量(P<0.05)；葉長、葉寬、株高、分蘗數(shù)均無顯著性差異。

圖1 對照、刈割和模擬綿羊采食對短花針茅葉片表型性狀的影響Fig.1 Effects of control,mowing and simulated sheep feeding on leaf phenotypic traits of Stipa breviflora注：CK，對照；C，刈割；CS，模擬綿羊采食。不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著Note:CK，control；C，mowing；CS，simulated sheep feeding. Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level

2.2 表型性狀可塑性變化的敏感度

如圖2所示，模擬綿羊采食的可塑性指數(shù)整體大于刈割。兩個處理下，地上生物量、單葉質(zhì)量和比葉質(zhì)量的可塑性較大，是對刈割和模擬綿羊采食響應(yīng)的敏感性狀；而單葉面積、平均葉長、株高以及株叢徑的可塑性性較小，是對刈割和模擬綿羊采食響應(yīng)的惰性性狀；比葉質(zhì)量、比葉面積、葉長寬比和株高的可塑性指數(shù)在模擬綿羊采食時明顯大于刈割，說明綿羊口液增加了比葉質(zhì)量、葉長寬比和株高的可塑性變化的敏感性。在各種葉功能性狀指標(biāo)中，刈割和模擬綿羊采食的變異性基本相同，均為單葉質(zhì)量、葉寬、比葉質(zhì)量、地上生物量等性狀的變異性最大，平均葉長、株高、比葉面積和株叢徑等性狀的變異性最小(圖3)，表明單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量和地上生物量是易受刈割和綿羊采食干擾的可塑表型性狀。

圖2 刈割與模擬綿羊采食下短花針茅葉片性狀可塑性指數(shù)(PI)變化程度排序Fig.2 Ranking the degree of change in plasticity index (PI) of leaf traits of Stipa breviflora under mowing and simulated sheep feeding注：葉長(LL)、葉寬(LW)、葉長寬比(LLW)、葉面積(LA)、單葉質(zhì)量(LWE)、比葉面積(SLA)、比葉質(zhì)量(LMA)、地上生物量(AB)、株高(PH)、株叢徑(DS)和分蘗數(shù)(NT)，下同Note：Leaf length (LL),Leaf width (LW),Leaf length to width ratio (LLW),Leaf area (LA),Leaf mass (LWE),Specific leaf area (SLA),Leaf mass per unit area (LMA),Aboveground biomass (AB),Plant height (PH),Diameter of stem (DS),Number of tiller (NT)，the same as below

圖3 短花針茅不同葉功能性狀變異性比較Fig.3 Comparison of variability in different leaf functional traits of Stipa breviflora

2.3 短花針茅地上生物量與葉功能性狀之間的關(guān)系

如圖4所示，短花針茅地上生物量與分蘗數(shù)、單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量及株叢徑呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與株高呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與葉長寬比、單葉面積、平均葉長及平均葉寬均無顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 短花針茅表型特征對模擬綿羊采食的響應(yīng)

放牧主要通過家畜的采食、踐踏等行為影響植物的生長，其中家畜采食除了對植物的機(jī)械損傷之外，口液里的刺激物質(zhì)也會影響植物生長的生理過程[14]。本研究表明，刈割顯著降低了短花針茅單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量和地上生物量，顯著增加了比葉面積。這是因?yàn)樨赘詈?，植物積累的營養(yǎng)物質(zhì)降低，植物將剩余的資源用于葉片的構(gòu)建，減少了對單葉質(zhì)量及地上生物量的資源投入[19]。模擬采食處理顯著降低了短花針茅地上生物量，這是植物防御家畜采食所采取的規(guī)避策略[20]。同時，模擬綿羊采食可以通過增加比葉面積、單葉面積和株叢徑從而促進(jìn)短花針茅的生長。已有研究表明，綿羊采食可以通過促進(jìn)植物地上補(bǔ)償性生長以及光合產(chǎn)物向地上的分配來促進(jìn)植物的生長[9,21]，賈麗欣等[6]人對短花針茅表型特征的研究中發(fā)現(xiàn)放牧?xí)苟袒ㄡ樏┲陞矎皆龃螅豺?yàn)證了以上觀點(diǎn)。這是由于在綿羊采食的干擾下，葉片的資源權(quán)衡發(fā)生變化，植物為了適應(yīng)環(huán)境干擾通過增大單葉面積、比葉面積來增強(qiáng)光合速率，以獲得更強(qiáng)的恢復(fù)力和更快的生長力[22]。同時，在模擬綿羊采食中，綿羊口液中的激素物質(zhì)隨著植物生長代謝進(jìn)入到植物體內(nèi)，植物的分生組織細(xì)胞具有較強(qiáng)的分裂和分化能力，能夠促進(jìn)植物器官的生長或新生，口液在植物的分生組織區(qū)，可以增強(qiáng)分生組織的活性，從而促進(jìn)植物的生長，在基部分生組織中可以促進(jìn)植物株叢徑及根系的生長[9,23]。此外，植物通常采取忍耐和抵抗兩種對策來應(yīng)對動物采食[24]，植物會通過降低單葉質(zhì)量等性狀，來適應(yīng)家畜采食，以降低資源損失，同時也會通過增加比葉面積來增強(qiáng)生長速率，進(jìn)行補(bǔ)償性生長，以抵抗環(huán)境的干擾，而其它性狀對綿羊采食的響應(yīng)無顯著變化，這可能由于短花針茅作為優(yōu)勢物種的保守化作用，體現(xiàn)出短花針茅應(yīng)對家畜采食所進(jìn)行的權(quán)衡調(diào)整和生態(tài)策略[25]。

3.2 短花針茅表型特征的可塑性變化分析

表型可塑性是植物在生長過程中響應(yīng)外界環(huán)境變化的重要表現(xiàn)形式，體現(xiàn)了植物個體在環(huán)境脅迫下的適應(yīng)度[26]。表型性狀是植物體應(yīng)對外界環(huán)境最明顯的外部表現(xiàn)，其中，葉片對環(huán)境條件變化最為敏感，反映了植物對環(huán)境因子的響應(yīng)策略[2]。本研究發(fā)現(xiàn)，單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量、及地上生物量是對刈割和模擬綿羊采食響應(yīng)的敏感性狀，而株高、葉長、葉寬及株叢徑是對刈割和模擬綿羊采食響應(yīng)的惰性性狀。李江文[7]等人的研究中表明，短花針茅單葉質(zhì)量和地上生物量對放牧響應(yīng)敏感，但株叢徑對放牧響應(yīng)不敏感。王璽[27]的研究中也表明單葉質(zhì)量對放牧響應(yīng)敏感。在模擬綿羊采食干擾下，植物不同性狀的可塑性變化有較大的差異，這是短花針茅表型性狀對綿羊采食的適應(yīng)策略，是性狀之間的權(quán)衡[5]。由于植物具有權(quán)衡性狀關(guān)系的適應(yīng)策略，短花針茅被綿羊采食后，其單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量及地上生物量減小，但葉長、葉寬、株高和株叢徑作為惰性性狀，對綿羊采食敏感度低，短花針茅依舊能保持較大的高度、葉長、葉寬和單葉面積來提高自身的光合速率和恢復(fù)力，此外，較大的株叢徑可以增加分蘗，從而促進(jìn)植物生長[5,28-29]。

3.3 短花針茅地上生物量變化的影響因子

研究表明，放牧?xí)Σ莸厣锪坑胸?fù)面影響，尤其是在生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠草原[30-32]。本研究表明，地上生物量與單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量、分蘗數(shù)、株叢徑以及株高呈顯著正相關(guān)，與比葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)。賈麗欣[6]和李江文[7]等人對短花針茅表型特征可塑性的研究中發(fā)現(xiàn)短花針茅地上生物量與株高、分蘗數(shù)及株叢徑有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，單葉質(zhì)量也是地上生物量的主要調(diào)控因子。也有研究表明，植物地上生物量和比葉面積之間呈負(fù)相關(guān)，這均與本研究所得結(jié)果相一致[33-34]。由于短花針茅的地上部分主要由葉片構(gòu)成，單葉質(zhì)量和比葉質(zhì)量是影響地上生物量的直接因素，刈割和綿羊采食干擾下，短花針茅的再生能力降低，其單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量等也呈降低趨勢[35]。此外，短花針茅對動物采食的抵抗策略，使其比葉面積增大，葉片變薄，光合速率增加，但這只是對前期機(jī)械損傷后的補(bǔ)償生長，不能促進(jìn)生物量的積累，相反，比葉面積在分蘗期對地上生物量的積累有抑制作用[36]，因而與地上生物量呈顯著負(fù)相關(guān)，這是植物在面對環(huán)境脅迫時投資權(quán)衡策略的結(jié)果[37]。

4 結(jié)論

刈割和模擬綿羊采食顯著降低了短花針茅的單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量和地上生物量，短花針茅通過增加單葉面積、比葉面積和株叢徑的方式抵御綿羊采食，僅通過增加比葉面積來抵御刈割；單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量和地上生物量是對刈割和模擬綿羊采食響應(yīng)的敏感性狀；分蘗數(shù)、單葉質(zhì)量、比葉質(zhì)量、株叢徑、株高和比葉面積是短花針茅在資源權(quán)衡中影響地上生物量的重要因子。