溫性典型草原羊草光合特性對模擬放牧因素分解的響應(yīng)

周澤東，馬暉玲，韓煦，李元恒，李西良*，李坤娜

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草地生態(tài)與修復(fù)治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

草原是地球最常見的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，它在全球生態(tài)、畜牧產(chǎn)業(yè)、人類活動方面起著重要作用，由于草原的抗干擾能力相對較弱，且恢復(fù)難度大，具有較強(qiáng)的脆弱性［1］。放牧是天然草原最主要的利用方式［2］，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響。近40 年來，由于家畜數(shù)目的激增，放牧使草地的生產(chǎn)力較為明顯的下降，草地植被的高度、蓋度、密度、多樣性等均出現(xiàn)了變化，地上植物群落的競爭格局被重塑［3］。在放牧的影響下，土壤含水量、緊實(shí)度、pH 值等理化性質(zhì)也被逐步改變，草地植被和土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)退化致使草原的生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)惡化［4］。為了緩解放牧帶來的草原退化壓力，進(jìn)一步地提升草原生態(tài)潛力，有必要對草原的退化機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步探索。

放牧是一種復(fù)合脅迫，包括采食、踐踏、糞尿返還等因素。家畜的啃食、踐踏、糞便對草原植被、土壤的形態(tài)有著至關(guān)重要的影響［5］。作為自然界最重要的化學(xué)反應(yīng)，光合作用決定著草地的生產(chǎn)力。植物的光合能力通?？梢酝ㄟ^凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率等進(jìn)行衡量，土壤水分、大氣條件、放牧強(qiáng)度均會影響植物的光合作用［6-8］。林慧龍等［9］研究指出，踐踏會使土壤的顆粒朝著更粗化的趨勢發(fā)展，Li 等［8］發(fā)現(xiàn)不同植物葉片的光合速率對放牧的響應(yīng)不同，隨著放牧強(qiáng)度的增加，牧草對光和水分的利用會產(chǎn)生差異。多年來，國內(nèi)外研究者在放牧和牧草光合特性之間做了不少的研究，但是，對放牧因子采食、踐踏、糞便對牧草的光合特性影響的具體過程的研究甚少。

因此，本研究以位于內(nèi)蒙古錫林浩特的溫性典型草原為例，以其建群種羊草（Leymus chinensis）為對象，通過人工刈割、踩踏、糞尿添加來模擬家畜的采食、踐踏、糞便的多因子控制試驗(yàn)，測定羊草的生物量、表型特征及光合特性，并分析其與土壤含水量等的關(guān)系。通過研究，以期能夠明確溫性典型草原羊草光合特性對模擬放牧因素分解的響應(yīng)，深化對放牧條件下草原植物適應(yīng)規(guī)律的理解。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所草原生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)利用研究與示范基地開展，該試驗(yàn)基地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市朝克烏拉蘇木內(nèi)，地理坐標(biāo)為37°40′N，102°32′E，海拔1150 m，該地區(qū)氣候干旱，太陽輻射強(qiáng)、晝夜溫差大，氣候類型為中溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量200～300 mm，年平均氣溫為0.5～0.9 ℃，土壤類型屬于栗鈣土，土壤質(zhì)地為砂壤土。植被組成主要有羊草、大針茅（Stipa grandis）、大葉唐松草（Thalictrum faberi）及糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）等多年生植物，一年生植物主要為豬毛菜（Salsola collina）、鶴虱（Lappula myosotis）等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺始建于2017 年，該試驗(yàn)采用刈割、踐踏、糞便、對照4 個因素，分別設(shè)置對照（CK）、刈割（mowing，MO）、踐踏（trample，TR）、糞便（dung，DU）、刈割×踐踏（MO×TR，MT）、刈割×糞便（MO×DU，MD）、踐踏×糞便（TR×DU，TD）、刈割×踐踏×糞便（MO×TR×DU，MTD）共計(jì)8 個試驗(yàn)處理，每個試驗(yàn)重復(fù)6 次，共計(jì)48個試驗(yàn)小區(qū)，每個小區(qū)寬3 m，長5 m，采用隨機(jī)區(qū)組排列。

刈割、踐踏、糞便分別代表家畜的采食、踐踏和糞尿排泄。其中通過人工的定期刈割來模擬家畜的采食行為，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30 日進(jìn)行3 次刈割處理，留茬高度為5 cm，為避免刈割部分帶來的影響，每次需將被刈割的部分帶出小區(qū)；采用人工羊蹄鞋模擬綿羊踐踏，由體重60 kg 的人穿上羊蹄鞋，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30日之間每半月進(jìn)行一次模擬踐踏，踐踏強(qiáng)度為32 蹄印·m-2；糞便處理則采用人工添加糞尿混合物進(jìn)行模擬，根據(jù)重度放牧載畜標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)文獻(xiàn)折算，每次的添加量折合風(fēng)干重為65 g·m-2，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30 日分3 次添加。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1小區(qū)內(nèi)樣方的測定 于2020 年8 月中旬，在每個小區(qū)中選擇6 個0.5 m×0.5 m 的樣方，分別測定樣方內(nèi)植物蓋度、株高、生物量等指標(biāo)。由于該試驗(yàn)中刈割作為放牧分解因子家畜采食行為的模擬，所以刈割處理樣地的株高及生物量采用刈割后的株高和生物量。

1.3.2羊草葉片光合參數(shù)的測定 選擇8 月天氣晴朗的中午，采用LI-6400 便攜式光合測定儀，選擇長勢一致、健康、葉片節(jié)位相似的羊草葉片作為測定葉片，具體為羊草植株自下而上的第3 片新葉的葉片中部。每試驗(yàn)小區(qū)測定5 株羊草，即5 次重復(fù)。各參數(shù)穩(wěn)定后，測量結(jié)果變異率小于0.05 時記錄數(shù)據(jù)，每次讀取數(shù)據(jù)5次，取其平均值。測定指標(biāo)分別為羊草葉片凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、水分利用效率（water use efficiency，WUE）。

1.3.3小區(qū)土壤含水量的測定 選擇8 月天氣晴朗的中午，用土壤含水量測定儀在每個處理小區(qū)中隨機(jī)選擇2 處測定其土壤含水量。將儀器探頭自然垂直插進(jìn)土壤約15 cm 深，讀取儀器的含水量值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2019 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，SPSS 19.0 進(jìn)行單因素和多因素方差分析，用Duncan 法進(jìn)行多重比較，Sigmaplot14.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧分解因子對羊草生物量的影響

在羊草株高方面，采食顯著降低了羊草的株高（P＜0.05），而踐踏和糞便處理提高了羊草的株高，但未達(dá)到顯著水平；采食和踐踏的交互作用顯著降低了羊草的株高，處于所有處理中的最低值（P＜0.05）；采食和糞便的交互作用顯著降低了羊草的株高，踐踏和糞便的交互作用提高了羊草的株高，但未達(dá)到顯著水平；采食、踐踏、糞便三者的交互作用顯著降低了羊草的株高（P＜0.05）。采食、采食和踐踏的交互作用、采食和糞便的交互作用均有降低株高的趨勢，與對照相比，其降幅分別為31.4%、44.2%、31.1%、43.9%（圖1）。

圖1 放牧分解因子對羊草生物量的影響Fig.1 The effect of grazing decomposition factors on the biomass of L. chinensis

在各處理樣方內(nèi)的羊草蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，對照的樣方內(nèi)羊草蓋度為38.83%；采食有降低羊草蓋度的趨勢，而踐踏、糞便處理有提高羊草蓋度的趨勢，但均不顯著，三者蓋度分別為21.67%、39.67%、47.17%。糞便處理顯著高于采食，但和踐踏處理無顯著差異（P＞0.05）；采食和踐踏及采食和糞便的交互作用均顯著降低了羊草的蓋度，二者蓋度分別降至19.33%、19.00%；踐踏和糞便的交互作用與對照并無差異，采食、踐踏、糞便三者的交互作用顯著降低了羊草的蓋度（P＜0.05），其蓋度為17.83%，處于所有試驗(yàn)小區(qū)中的最低值（圖1）。

在羊草干重方面，與對照相比，采食有顯著降低樣方內(nèi)羊草干重的趨勢，降幅為50.3%；踐踏、糞便處理較對照有增加的趨勢，但不顯著，采食和踐踏的交互作用下羊草的干重?zé)o顯著變化；采食和糞便的交互作用顯著降低了羊草的干重，降幅為41.6%；踐踏和糞便的交互作用對羊草的干重?zé)o顯著影響，采食、踐踏、糞便三者的交互作用與對照相比顯著降低，降幅為44.3%（P＜0.05）（圖1）。

在多因素方差分析中顯示，采食會顯著影響羊草的株高、蓋度和干重（P＜0.05），采食、踐踏、糞便三者的交互作用對羊草性狀的影響均不顯著（表1）。

表1 放牧分解因子對羊草性狀影響的多因素方差分析Table 1 Multivariate analysis of variance for the influence of grazing decomposition factors on the traits of L.chinensis

2.2 放牧分解因子對羊草葉片光合特性的影響

為了比較各處理下的羊草光合特性的差異，對其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，采食因子有顯著提升羊草葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率的趨勢，踐踏、糞便、踐踏和糞便的交互作用與對照相比，無顯著差異，但顯著低于其他處理（P＜0.05）。具體表現(xiàn)為，采食、采食和踐踏的交互作用、采食與糞便的交互作用、采食和踐踏以及糞便三者的交互作用相比對照，凈光合速率各提升了72.1%、51.8%、60.3%、70.9%；氣孔導(dǎo)度提升了157.9%、112.5%、133.2%、137.2%；胞間CO2濃度提升了32.7%、26.7%、30.5%、30.9%；蒸騰速率提升了127.8%、130.8%、142.0%、119.5%（圖2）。

圖2 放牧分解因子對羊草葉片光合特性的影響Fig.2 The effect of grazing decomposition factors on the photosynthetic characteristics of L. chinensis leaves

采食因子對羊草光合特性有顯著影響，而糞便、踐踏對羊草光合特性無顯著影響（表2）。

表2 放牧分解因子對羊草光合特性影響的多因素方差分析Table 2 Multivariate analysis of variance for the influence of grazing decomposition factors on the photosynthetic characteristics of L.chinensis

2.3 放牧分解因子對羊草葉片水分利用效率的影響

在水分利用效率方面，與對照相比，采食處理顯著降低了羊草葉片的水分利用效率，降幅為27.5%，踐踏、糞便均與對照無顯著差異，采食與踐踏、采食與糞便、采食、踐踏、糞便三者的交互作用與對照相比均表現(xiàn)出了降低的趨勢，降幅分別為31.6%、39.1%、23.1%（圖3）。

圖3 放牧分解因子對羊草葉片水分利用效率的影響Fig. 3 Effects of grazing decomposition factors on water use efficiency（WUE）of L. chinensis leaves

2.4 株高、土壤含水量與羊草光合特性的相關(guān)性

相關(guān)性分析顯示，羊草株高與葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率顯著負(fù)相關(guān)，與水分利用效率顯著正相關(guān)（圖4）；土壤含水量與水分利用效率顯著負(fù)相關(guān)，與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率顯著正相關(guān)（P＜0.05）（圖5）。

圖4 羊草株高與光合特性的相關(guān)性Fig.4 Correlation between plant height and photosynthetic characteristics of L. chinensis

圖5 土壤含水量與羊草光合特性的相關(guān)性Fig.5 Correlation between soil water content and photosynthetic characteristics of L. chinensis

3 討論

3.1 羊草生物量對放牧分解因子的響應(yīng)

本研究表明，相對于踐踏和糞尿返還，采食是放牧影響草原植物最關(guān)鍵的因子。總體上，采食會從多方面改變羊草的生物量，首先采食降低了羊草的高度和蓋度，其次降低了羊草的干重，這與劉瓊等［10］的研究結(jié)果相似，在該采食條件附近，根系生長及微生物活動均受到負(fù)面影響，致使總體生物量下降。胡柳等［11］在相似的研究中，適當(dāng)減少采食的頻次、增加采食后植株的高度后，羊草的生物量呈現(xiàn)出上升的趨勢，多項(xiàng)研究表明，這種生物量的增加來源于植物的補(bǔ)償性生長，羊草會通過增加莖的直徑和葉的寬度來適應(yīng)采食這種干擾，但高頻率的采食會破壞羊草的分蘗過程，所以過度采食會造成羊草蓋度、生物量的下降［12-14］。

家畜的踐踏行為會改變草地表面土壤的粒徑、緊實(shí)度、含水量、有機(jī)碳含量等理化性質(zhì)［15］，進(jìn)而改變植物的形態(tài)［16］。本研究中，踐踏對羊草的植株高度、蓋度無顯著影響，這與Dunne 等［17］的研究結(jié)果相似，家畜的踐踏一方面增加了凋落物與土壤的接觸面積，從而加快地面凋落物的分解、促進(jìn)微生物對碳的利用，使凋落物中的碳有效地轉(zhuǎn)移至有機(jī)碳庫，另一方面會增加可礦化土壤碳、溶解有機(jī)碳和微生物生物量碳的濃度，促進(jìn)土壤中二氧化碳的快速釋放，從而為異養(yǎng)細(xì)菌增加呼吸作用提供基質(zhì)和能量，導(dǎo)致土壤中的細(xì)菌與真菌的比例發(fā)生變化，最終反饋于地面植被［18-19］，在該研究的踐踏強(qiáng)度下，利于土壤微生物的生長，進(jìn)而對羊草的生長產(chǎn)生正反饋?zhàn)饔?。但是王煒等?6］的研究結(jié)果出現(xiàn)了不同，究其原因是踐踏強(qiáng)度之間的差異，在高強(qiáng)度踐踏下，會導(dǎo)致植株變矮、葉面積減小、節(jié)間和葉片縮短，進(jìn)而導(dǎo)致牧草總生物量下降。踐踏對羊草生產(chǎn)力的影響受踐踏強(qiáng)度、土壤含水量、大氣條件等多方面影響，因此，應(yīng)進(jìn)一步研究家畜踐踏草地生態(tài)系統(tǒng)的生物和非生物效應(yīng)，提出家畜踐踏草地的綜合治理建議。

糞便對草原的影響在傳統(tǒng)研究中常被忽視，但最新研究表明，家畜的糞便在短時間內(nèi)會增加CH4和CO2的釋放，從而致使糞便斑塊周圍土壤的pH 值升高，最后促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解，增加土壤速效碳、速效磷的含量，最終反饋于植物體［20］。家畜糞便本身也含有大量易被分解的營養(yǎng)物質(zhì)，所以糞便會改變土壤的營養(yǎng)動態(tài)［21-22］。本研究發(fā)現(xiàn)，糞便雖然提高了羊草的高度、蓋度，但均不顯著，因?yàn)榧S便對植物的作用具有遲效性，這與Wal 等［23］的發(fā)現(xiàn)具有相似性。

采食、踐踏、糞便三者之間的組合處理對牧草的生產(chǎn)力的影響可以是正向的，也可以是負(fù)向的，Hik 等［24］對糞便、采食與草地生產(chǎn)力關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，糞便與采食的交互作用提高了羊草的生產(chǎn)力。本研究發(fā)現(xiàn)，采食和踐踏的交互作用顯著降低了羊草的株高、蓋度，而糞便和踐踏的交互作用并未出現(xiàn)此現(xiàn)象，而采食、踐踏、糞便三者的交互作用下，羊草的株高、蓋度出現(xiàn)了下降，樣方中羊草的干重也出現(xiàn)了下降。糞便與采食的交互處理降低了群落中羊草的生物量，采食和踐踏、踐踏和糞便的交互處理則對羊草的干重影響不大。說明短期內(nèi)，羊草生物量的下降主要來源于采食因子。糞便添加雖會增加養(yǎng)分，但在短期內(nèi)，采食對羊草生物量造成的影響會更加顯著，而踐踏、糞便對羊草群落的影響相對較小。Starr 等［25］的研究認(rèn)為：糞便與采食的交互處理、糞便、采食、踐踏三者的交互處理對牧草產(chǎn)量的提升最大，糞便與踐踏的交互處理則降低了牧草的產(chǎn)量。說明地理位置、植物種類以及各因子施加程度的差異均會影響各放牧因子之間的交互作用。

3.2 羊草光合特性對放牧分解因子的響應(yīng)

植物葉片的光合作用會顯著影響植物的生產(chǎn)力，而植物的光合性能可以用蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、凈光合速率、水分利用效率進(jìn)行衡量。植物的光合能力會隨著放牧強(qiáng)度的變化而變化，米雪等［26］以放牧?xí)r長為放牧強(qiáng)度梯度，結(jié)果顯示，羊草的光合能力有隨著放牧強(qiáng)度增加而增強(qiáng)的趨勢，這是因?yàn)橹参锟梢酝ㄟ^光合作用對失去的部分進(jìn)行補(bǔ)償性生長［21］，在本研究中，不同的放牧因子處理下，羊草葉片的光合特性顯著不同，采食處理下，羊草葉片的凈光合速率等光合特性均顯著提升，并且采食和其他因子比如踐踏、糞便或者其三者的交互作用下的羊草葉片的胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等均有提升，說明采食刺激了羊草的補(bǔ)償性生長，因?yàn)椴墒碃顟B(tài)下，葉片氣孔會通過調(diào)節(jié)氣孔的大小來控制葉片內(nèi)部與外部環(huán)境之間的氣體交換，進(jìn)而維持葉片的溫度及水分狀況，氣孔導(dǎo)度對環(huán)境因子和葉片內(nèi)部信號的響應(yīng)決定著胞間CO2濃度、蒸騰速率等光合指標(biāo)［27］。而踐踏、糞便處理以及糞便和踐踏的交互處理并未顯著改變羊草的光合速率，這與Song 等［28］的研究結(jié)果相似，說明在該限制條件下，羊草葉片光合速率的改變主要來源于采食因子，這與前人的研究結(jié)果相似，高頻次采食下，羊草的葉綠素合成速度會下降，氣孔導(dǎo)度降低，最終導(dǎo)致蒸騰速率和凈光合速率下降［29-30］。

4 結(jié)論

用人工刈割、踐踏、糞尿添加來模擬家畜的采食、踐踏、糞便時，羊草光合特性對放牧分解因子的響應(yīng)表現(xiàn)出了不同程度的差異，其中采食因子帶來的影響最為顯著。相對而言，踐踏和糞便以及二者交互作用對羊草的影響比采食弱。因此，在短期處理下，采食是放牧影響草原植物光合作用的主要因子。此外，羊草株高與葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率顯著負(fù)相關(guān)，與水分利用效率顯著正相關(guān)；土壤含水量與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率顯著正相關(guān)，與水分利用效率顯著負(fù)相關(guān)。