放牧強(qiáng)度對(duì)高寒草甸優(yōu)勢(shì)植物葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

肖 晴,林軫榮,姜風(fēng)巖,石麗娜,趙洪鑫,李永元,祁進(jìn)賢,黨志英,董全民,周華坤,邵新慶*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193;2.青海省飼草料技術(shù)推廣站,青海 西寧 810000;3.青海省祁連縣野牛溝林場(chǎng),青海 海北藏族自治州 810499;4.青海省祁連縣林場(chǎng),青海 海北藏族自治州 810499;5.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院,青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院,青海省高寒草地適應(yīng)性管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;6.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810001)

青藏高原是我國(guó)主要的牧區(qū)之一,草地類型豐富,高寒草地面積占我國(guó)草地總面積的44%[1]。近年來(lái),由于氣候變化和超載過(guò)牧等原因,青藏高原高寒草甸出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象[2],嚴(yán)重干擾著草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生態(tài)平衡。放牧是草地利用的主要方式之一[3]。在長(zhǎng)期的放牧過(guò)程中,放牧家畜和草地植物之間存在著復(fù)雜的平衡關(guān)系。放牧導(dǎo)致的環(huán)境變異使植物在長(zhǎng)期放牧過(guò)程中產(chǎn)生多種適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制[4],以保護(hù)其與非生物環(huán)境和放牧家畜的協(xié)調(diào)共存。放牧?xí)淖儾菰参锶郝涞暮暧^生理狀態(tài),如高度[5]、豐富度[6]和生物量[7]等,而且對(duì)植物個(gè)體生長(zhǎng)和形態(tài)特征產(chǎn)生不可忽略的影響[8,9]。

葉片是植物個(gè)體在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要器官,其形態(tài)和結(jié)構(gòu)上往往存在變異性和可塑性[10]。以放牧為代表的人類活動(dòng)不僅會(huì)通過(guò)放牧家畜的采食直接影響植株的器官和生長(zhǎng)進(jìn)程,還會(huì)改變植物生境中的關(guān)鍵環(huán)境因子(如溫度、土壤含水量、光照條件等),影響葉片的生長(zhǎng)發(fā)育[11]。有關(guān)放牧強(qiáng)度對(duì)植物葉片的相關(guān)研究結(jié)果顯示,放牧強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致短花針茅的葉面積表現(xiàn)出“小化”[12],并降低高原早熟禾葉片的木質(zhì)部厚度[13];過(guò)度放牧導(dǎo)致部分植株葉角質(zhì)層厚度增厚[14],角質(zhì)層蠟質(zhì)的組分與含量發(fā)生適應(yīng)性變化[15]。長(zhǎng)期放牧甚至?xí)绊懟虮磉_(dá)的可塑性,影響植物生理代謝途徑[16]。放牧壓力下植物所表現(xiàn)出的植物葉肉細(xì)胞密度[17]等形態(tài)特征的變化,反映了植物在異質(zhì)生境下的適應(yīng)性,即植物通過(guò)對(duì)可利用資源的重新分配[18],優(yōu)化分配格局[19]讓部分器官可以獲得優(yōu)先發(fā)育權(quán)[20],最終達(dá)到穩(wěn)定植物體正常生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的目的。因此,研究植物葉片在放牧干擾下的解剖結(jié)構(gòu)變化,更能反映植物對(duì)環(huán)境變化的差異性和可塑性。矮生嵩草(Kobresiahumilis)屬于莎草科嵩草屬多年生密叢型嵩草,紫花針茅(Stipapurpurea)屬于禾本科針茅屬多年生密叢禾草,二者作為高寒草甸的主要優(yōu)勢(shì)植物,均具有良好的耐寒性、耐旱性和耐牧性等特性,是高寒草甸的主要建群種[21,22]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不同強(qiáng)度的放牧后,優(yōu)勢(shì)植物除了在形態(tài)[3]和繁殖策略[23]等方面適應(yīng)放牧外,葉解剖結(jié)構(gòu)是否也受放牧強(qiáng)度影響尚不可知。

本研究以不同放牧強(qiáng)度下連續(xù)6年在生長(zhǎng)季內(nèi)(6—10月)持續(xù)放牧的兩種主要植物(即紫花針茅和矮生嵩草)為研究對(duì)象,通過(guò)分析不同放牧強(qiáng)度下葉片解剖結(jié)構(gòu)的變化從微觀角度揭示植物對(duì)放牧干擾的響應(yīng),探討植物對(duì)放牧干擾產(chǎn)生的可塑性變化,這將有助于進(jìn)一步揭示高寒草甸植物對(duì)放牧的適應(yīng)機(jī)理,以期為植物微觀結(jié)構(gòu)對(duì)放牧適應(yīng)機(jī)制的進(jìn)一步研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省北州海晏縣西海鎮(zhèn)(36°44′～37°39′N,100°23′～101°20′E),平均海拔3 000～3 100 m。該地屬高原大陸性氣候,降水多集中在5—9月年平均降雨量為400 mm,年均溫為1.5℃,年日照時(shí)間為2 580～2 750 h。一年之中四季變化不明顯,僅有冷暖季之別[24]。研究區(qū)土壤類型為高山草甸土,草地類型為高寒草甸。樣地內(nèi)植物群落主要優(yōu)勢(shì)種為矮生嵩草(Kobresiahumilis)和紫花針茅(Stipapurpurea),次優(yōu)勢(shì)種主要為干生薹草(Carexaridula)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)和草地早熟禾(Poapratensis)等。

1.2 放牧試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為控制本底和空間異質(zhì)差異,本研究選擇地勢(shì)相對(duì)平坦、環(huán)境相對(duì)均勻的同一塊草地布設(shè)樣地。該放牧試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)置不放牧(Control,CK)、輕度放牧(Light grazing,LG)、中度放牧(Moderate grazing,MG)和重度放牧(Heavy grazing,HG)4個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。輕度放牧為3只·hm-2,牧草利用率為30%～35%,中度放牧為4只·hm-2,牧草利用率為50%～55%,重度放牧為5只·hm-2,牧草利用率為65%～70%。試驗(yàn)中放牧家畜選擇體況相近的1歲左右公藏羊,體重為(30±2) kg,每只藏羊?yàn)?個(gè)羊單位。各處理的家畜數(shù)量和小區(qū)面積見表1。長(zhǎng)期的放牧試驗(yàn)平臺(tái)自2014年延續(xù)至今,于每年的6月份開始放牧,10月底結(jié)束放牧。放牧期間不進(jìn)行補(bǔ)飼,在樣地內(nèi)固定位置放置飲水槽,每隔2天加水1次,確保藏羊飲水充足[25]。

表1 放牧強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design of grazing intensity

1.3 取樣與測(cè)定

1.3.1試驗(yàn)材料獲取 2021年8月下旬,分別在不同放牧強(qiáng)度處理小區(qū)內(nèi)采集2種優(yōu)勢(shì)種矮生嵩草(Kobresiahumilis)和紫花針茅(Stipapurpurea)葉片,每個(gè)小區(qū)內(nèi)的2種植物分別隨機(jī)選取5叢植株,記為5個(gè)重復(fù)。選擇自上而下第1個(gè)完全展開的健康葉片,用卡尺測(cè)定植物葉片長(zhǎng)度,記為植物葉長(zhǎng)。取樣時(shí),用剪刀剪取葉片靠近葉基部(標(biāo)記為“B”)以及靠近葉尖端(標(biāo)記為“T”)0.5～1.0 cm的葉段,分別記錄該葉段中點(diǎn)距葉尖的距離。將剪取的植物葉片立即放入FAA固定液(福爾馬林-70%酒精-醋酸混合液,體積比為5∶90∶5)中進(jìn)行固定。將FAA固定液固定24 h后的植物葉片依次移入濃度為70%,85%,95%和100%酒精中(各2 h)進(jìn)行脫水,并依次用100%純酒精和二甲苯混合液(1∶1,2 h)和純二甲苯(2 h)將葉片材料透明化,再用熔點(diǎn)為52℃～54℃的石蠟進(jìn)行包埋。用連續(xù)切片機(jī)(Leica RM2235,Leica Inc.,Wetzler,Germany)切片,經(jīng)蘇木精伊紅染色后制成永久切片。永久切片中葉橫切面用連接數(shù)碼相機(jī)(SPOT Insight,Diagnostic Instruments Inc.,Stirling Heights,MI,USA)的顯微鏡(Olympus CX21,Olympus Inc.,Tokyo,Japan)觀察并拍照獲取圖像,用Image-Pro Plus軟件進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)測(cè)定[26]。

1.3.2指標(biāo)測(cè)定與方法 選取3～4個(gè)連續(xù)且完整的葉切片主脈處的葉片厚度均值記為該葉段切片的葉厚(Leaf thickness,μm)。選取3～4個(gè)連續(xù)且完整的葉切片主脈處同一部位的近軸面角質(zhì)層、近軸面表皮細(xì)胞、遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚和遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞的厚度均值記為該葉段切片的近軸面角質(zhì)層厚(Adaxial cuticular thickness,μm)、近軸面表皮細(xì)胞厚(Adaxial epidermis thickness,μm)、遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚(Abaxial cuticular thickness,μm)和遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚(Abaxial epidermis thickness,μm)。將同一個(gè)切片所測(cè)得的葉厚減去角質(zhì)層厚以及表皮細(xì)胞厚所得到的厚度記為該切片的葉肉細(xì)胞厚,選取3～4個(gè)連續(xù)且完整的葉切片的葉肉細(xì)胞厚均值,記為該葉段切片的葉肉細(xì)胞厚(Mesophyll cell thickness,μm)。每個(gè)葉切片的最大導(dǎo)管直徑為視野中主脈木質(zhì)部處的兩個(gè)大導(dǎo)管的直徑均值,最小導(dǎo)管直徑為視野中主脈木質(zhì)部處2～3個(gè)小導(dǎo)管的直徑均值。選取3～4個(gè)連續(xù)且完整的葉切片的最大導(dǎo)管直徑與最小導(dǎo)管直徑的均值記為該葉段切片的最大導(dǎo)管直徑(Maximum xylem vessel diameter,μm)與最小導(dǎo)管直徑(Minimum xylem vessel diameter,μm)。選取3～4個(gè)連續(xù)且完整的葉切片主脈處的木質(zhì)部以及韌皮部的面積均值記為該葉段切片的木質(zhì)部面積(Xylem transection area,μm2)與韌皮部面積(Phloem transection area,μm2)。

圖1 測(cè)定指標(biāo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measured indicators注：1,近軸面角質(zhì)層;2,近軸面表皮細(xì)胞;3,遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層;4,遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞;5,葉肉細(xì)胞組織厚;6,葉厚;7,木質(zhì)部;8,韌皮部Note：1,Adaxial cuticle;2,Adaxial epidermal cells;3,Abaxial cuticle;4,Abaxial epidermal cells;5,Mesophyll cell;6,Leaf thickness;7,Xylem;8,Phloem

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2016整理野外調(diào)查和室內(nèi)測(cè)定所得數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析前使用R軟件中的Stats包的shapiro.test函數(shù)進(jìn)行Shapiro-Wilk正態(tài)分布檢驗(yàn),使用car包的leveneTest函數(shù)實(shí)現(xiàn)Levene方差齊性檢驗(yàn)。采用單因素Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)對(duì)不同放牧強(qiáng)度下的同一取樣部位進(jìn)行組間比較,當(dāng)總體組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異時(shí),進(jìn)一步使用FSA包的dunnTest函數(shù)進(jìn)行Dunn test多重比較,P值校正方法選擇bonferroni法。同一放牧強(qiáng)度下的不同取樣部位間差異用wilcox秩和檢驗(yàn),采用Stats包的wilcox.test函數(shù)進(jìn)行兩組間非參數(shù)差異分析。使用rcompanion包的scheirerRayHare函數(shù)對(duì)取樣部位和放牧強(qiáng)度進(jìn)行雙因素Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)。顯著性水平設(shè)置為P<0.05。以上統(tǒng)計(jì)分析均在R 4.2.0(R Core Team,2021)中完成,圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧強(qiáng)度對(duì)葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

中度放牧下,矮生嵩草的葉長(zhǎng)較不放牧處理下顯著減小了26.44%(圖2C,P<0.05);重度放牧下,紫花針茅和矮生嵩草的葉長(zhǎng)較不放牧處理均表現(xiàn)出不同程度的減小,分別降低20.90%和22.89%,達(dá)到顯著水平(圖2A,C,P<0.05)。

2.2 放牧強(qiáng)度對(duì)葉解剖結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1放牧強(qiáng)度對(duì)葉光合組織的影響 隨著放牧強(qiáng)度的增加,紫花針茅葉基部的葉肉細(xì)胞厚逐漸降低;而矮生嵩草葉基部的葉肉細(xì)胞厚隨著放牧強(qiáng)度的增大而逐漸增厚(圖3)。除重度放牧外,紫花針茅的葉肉細(xì)胞厚在不同取樣部位之間均存在顯著差異(P<0.05)。矮生嵩草的葉肉細(xì)胞厚在取樣部位與放牧強(qiáng)度下均無(wú)顯著差異。

圖2 葉長(zhǎng)和葉厚對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.2 Response of leaf length and leaf thickness to grazing intensities注：圖中為不同物種葉長(zhǎng)(A,C;mm)、葉厚(B,D;μm)對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng);CK,對(duì)照;LG,輕度放牧;MG,中度放牧;HG,重度放牧;小寫字母分別表示在不同放牧強(qiáng)度之間的顯著性差異Note：The panels display the response of Leaf length (Panel A,C;mm) and Leaf thickness (Panel B,D;μm) to grazing intensities.CK,Control;LG,Light grazing;MG,Moderate grazing;HG,Heavy grazing.The different lowercase letters indicate a significant difference between the different grazing intensities

圖3 葉肉細(xì)胞厚對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.3 Response of mesophyll tissue cell thickness to grazing intensities注：圖中為不同物種葉肉細(xì)胞厚(A,B;μm)對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng);B,葉片基部位置;T,葉片尖端位置;CK,對(duì)照;LG,輕度放牧;MG,中度放牧;HG,重度放牧;大寫字母表示同一放牧強(qiáng)度下不同取樣部位之間的顯著性差異,小寫字母分別表示在同一取樣部位下不同放牧強(qiáng)度之間的顯著性差異。下同Note：The panels display the response of Mesophyll tissue cell thickness (panel A,B;μm0 to grazing intensities.B,Base of the leaf;M,Middle of the leaf;T,Tip of the leaf.CK,Control;LG,Light grazing;MG,Moderate grazing;HG,Heavy grazing.The different uppercase letters indicate a significant difference between different sampling sites under the same grazing intensity,and the different lowercase letters a significant difference between different grazing intensities in the same sampling site.The same as below

2.2.2放牧強(qiáng)度對(duì)葉保護(hù)組織的影響 不放牧處理下,紫花針茅葉尖端的近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚以及遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚均顯著大于葉基部(圖4A-C,P<0.05),隨著放牧強(qiáng)度的增大,不同解剖結(jié)構(gòu)在不同取樣部位間的厚度關(guān)系受到干擾：僅重度放牧處理下,葉尖端的近軸面角質(zhì)層厚顯著大于葉基部(圖4A,P<0.05);放牧干擾下兩部位間雖仍表現(xiàn)為葉尖端的近軸面表皮細(xì)胞厚高于基部,但差異縮小(圖4B);僅中度放牧下葉尖端的遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚顯著大于葉基部(圖4C,P<0.05)。

對(duì)矮生嵩草的葉保護(hù)組織部分解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),放牧強(qiáng)度和取樣部位對(duì)其近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚以及遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚存在顯著影響。與不放牧處理相比,矮生嵩草葉尖端的遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚在中度放牧處理下減小了18.61%,且差異顯著(圖4H,P<0.05);其近軸面角質(zhì)層厚在重度放牧處理下表現(xiàn)出顯著增厚(圖4E,P<0.05)。矮生嵩草葉尖端的近軸面表皮細(xì)胞厚在中度、重度放牧下較輕度放牧處理表現(xiàn)為顯著增大(圖4F,P<0.05)。不同取樣部位下的近軸面角質(zhì)層厚在不放牧和輕度放牧下均存在顯著差異(圖4E,P<0.05);除輕度放牧處理外,其余處理?xiàng)l件下矮生嵩草不同取樣部位之間的近軸面表皮細(xì)胞厚均存在顯著差異,并且在中度放牧下二者差異達(dá)到最大,其頂端葉段高出基端葉段83.99%(圖4F,P<0.05);僅在中度放牧下,葉基端的遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚顯著大于葉尖端(圖4H,P<0.05)。

圖4 近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚、遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚和遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.4 Response of adaxial cuticular thickness,adaxial epidermal cells thickness,abaxial cuticular thickness and abaxial epidermal cells thickness to grazing intensities

2.2.3放牧強(qiáng)度對(duì)維管組織的影響 除最小導(dǎo)管直徑外,紫花針茅葉尖端和葉基部間的葉片最大導(dǎo)管直徑、韌皮部橫截面積和木質(zhì)部橫截面積均存在顯著性差異(圖5A-D,P<0.05)。矮生嵩草葉基部最大導(dǎo)管直徑在中度和重度放牧處理下較不放牧處理顯著分別降低了19.44%和17.16%(圖5E,P<0.05),但對(duì)葉尖端的最大導(dǎo)管直徑無(wú)顯著影響(圖5E)。在不放牧、輕度放牧和中度放牧處理下,矮生嵩草葉基部的最小導(dǎo)管直徑顯著高于頂端葉段,分別高出42.74%,40.42%和26.65%;重度放牧處理下矮生嵩草葉尖端與葉基部間的最小導(dǎo)管直徑則無(wú)顯著差異(圖5F)。矮生嵩草葉基部和葉尖端間的韌皮部橫截面積以及木質(zhì)部橫截面積在不同放牧強(qiáng)度處理下均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。

2.3 取樣部位和放牧強(qiáng)度對(duì)不同物種葉解剖結(jié)構(gòu)的影響

取樣部位和放牧強(qiáng)度對(duì)矮生嵩草的近軸面表皮細(xì)胞厚均具有顯著影響(P<0.05),且取樣部位對(duì)近軸面表皮細(xì)胞厚的影響大于放牧強(qiáng)度(表2)。取樣部位對(duì)矮生嵩草的近軸面角質(zhì)層厚、木質(zhì)部橫截面積、韌皮部橫截面積、最大導(dǎo)管直徑以及最小導(dǎo)管直徑均具有極顯著影響(P<0.001)。放牧強(qiáng)度與取樣部位的交互作用對(duì)矮生嵩草的遠(yuǎn)軸面表皮細(xì)胞厚有顯著影響(P<0.05)。取樣部位對(duì)紫花針茅葉肉細(xì)胞厚、近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚、遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚、木質(zhì)部橫截面積、韌皮部橫截面積及最大導(dǎo)管直徑存在極顯著影響(P<0.001)。

圖5 最大導(dǎo)管直徑、最小導(dǎo)管直徑、韌皮部橫截面積和木質(zhì)部橫截面積對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)Fig.5 Response of maximum xylem vessel diameter,minimum xylem vessel diameter,phloem transection area,and xylem transection area to grazing intensities

表2 取樣部位和放牧強(qiáng)度對(duì)矮生嵩草和紫花針茅葉解剖結(jié)構(gòu)的影響Table 2 Effects of different sampling sites and grazing intensities on the leaf anatomical traits of Kobresia humilis and Stipa purpurea

3 討論

3.1 放牧強(qiáng)度增大促使高寒草甸矮生嵩草和紫花針茅的葉形態(tài)結(jié)構(gòu)趨向“小型化”

植物葉片直接暴露于環(huán)境之中,往往對(duì)環(huán)境變化非常敏感,植物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)往往最先由葉片表現(xiàn)出來(lái)[27],葉形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)則能夠很好地反映植物對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力[28]。本研究中,中度放牧與重度放牧下均出現(xiàn)葉長(zhǎng)的顯著減小,這說(shuō)明在放牧干擾下,家畜對(duì)植物的過(guò)度采食會(huì)導(dǎo)致葉片變短,這與李江文等[12,29]的研究結(jié)果一致。葉厚可以作為植物抗逆性的反映指標(biāo),通常情況下抗逆性較強(qiáng)的植物葉厚較厚[30]。本研究中兩種植物的葉厚在不同的放牧強(qiáng)度均無(wú)顯著性差異,表明紫花針茅和矮生嵩草適應(yīng)放牧的能力較強(qiáng),與其耐牧性強(qiáng)的特性相吻合。

3.2 放牧下矮生嵩草和紫花針茅的葉解剖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生適應(yīng)性變化

角質(zhì)層及其蠟質(zhì)是將水分散失限制在不受植物短期控制的安全值屏障,在控制CO2內(nèi)流和水分外流中發(fā)揮關(guān)鍵作用[31],在抵御環(huán)境脅迫中起著重要作用。矮生嵩草葉尖端在中度放牧和重度放牧下較不放牧處理均表現(xiàn)為近軸面角質(zhì)層增厚,并在重度放牧下達(dá)到顯著水平,葉基部的遠(yuǎn)軸面角質(zhì)層厚隨著放牧強(qiáng)度的逐步加強(qiáng)而漸漸增厚。這可能是矮生嵩草應(yīng)對(duì)放牧干擾下的一種避牧策略,植物葉片角質(zhì)層厚度與纖維素的含量呈正相關(guān)關(guān)系[32],而纖維素含量的增加會(huì)降低植物的適口性[27],從而減少被家畜啃食的概率。在重度放牧下,矮生嵩草的近軸面表皮細(xì)胞厚較不放牧處理出現(xiàn)增厚現(xiàn)象,可能是由于過(guò)度放牧下草地出現(xiàn)一定程度的退化,致使地表裸露面積增大、土壤水分蒸發(fā)加快,矮生嵩草為應(yīng)對(duì)水分缺失的環(huán)境而表現(xiàn)出表皮細(xì)胞的增厚。對(duì)紫花針茅而言,除中度放牧下葉基部的近軸面角質(zhì)層厚較不放牧處理表現(xiàn)為小幅度增大外,其余放牧條件下的角質(zhì)層厚均出現(xiàn)減小現(xiàn)象。除此之外,紫花針茅的表皮細(xì)胞厚也表現(xiàn)出相似情況,說(shuō)明紫花針茅的葉保護(hù)組織對(duì)放牧脅迫產(chǎn)生一定適應(yīng)性變化,其抗旱性小幅度減弱,且角質(zhì)層與表皮細(xì)胞的變化出現(xiàn)一致性。

導(dǎo)管作為植物水分疏導(dǎo)系統(tǒng),導(dǎo)管直徑的微小變化對(duì)植物水分運(yùn)輸效率都至關(guān)重要[33]。紫花針茅的最大導(dǎo)管直徑和最小導(dǎo)管直徑在重度放牧下較不放牧處理均減小,矮生嵩草葉基部的最大導(dǎo)管直徑在中度放牧和重度放牧較不放牧處理減小。這可能是因?yàn)榉拍翆?dǎo)致葉長(zhǎng)的減小,葉長(zhǎng)在一定程度上表示水分在葉間的運(yùn)輸距離,而導(dǎo)管直徑與運(yùn)輸路徑長(zhǎng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)為顯著的異速生長(zhǎng)關(guān)系[34]。異速生長(zhǎng)指生物體某兩個(gè)性狀的相對(duì)生長(zhǎng)速率不相同的現(xiàn)象,反映了生物體不同性狀間的相關(guān)性[35]。本研究中不同放牧強(qiáng)度下紫花針茅的最大導(dǎo)管直徑在不同取樣部位之間均表現(xiàn)出差異,而最小導(dǎo)管直徑也表現(xiàn)出基端粗、頂端較細(xì)的特點(diǎn),進(jìn)一步證實(shí)了葉片導(dǎo)管與運(yùn)輸距離之間的冪指數(shù)關(guān)系[34]。

3.3 矮生嵩草和紫花針茅對(duì)放牧的響應(yīng)存在敏感性差異

不同物種的葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)敏感性存在極大差異[36]。將植物葉形態(tài)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)程度作為衡量植物對(duì)放牧敏感性的標(biāo)準(zhǔn),在植株個(gè)體普遍矮小、植物表型不易區(qū)分的草原地區(qū)更具科學(xué)性[37]。本研究中,重度放牧顯著改變了紫花針茅和矮生嵩草的葉長(zhǎng),說(shuō)明兩種植物的葉長(zhǎng)對(duì)放牧表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性,這與Mclntir等[38]的研究結(jié)果一致。除此之外,放牧改變了矮生嵩草的近軸面表皮細(xì)胞厚,降低了最大導(dǎo)管直徑,但增加了近軸面角質(zhì)層厚,這表明除葉長(zhǎng)外,放牧壓力下近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚以及最大導(dǎo)管直徑也屬于矮生嵩草的敏感性指標(biāo)[39]。在放牧干擾下,矮生嵩草的葉長(zhǎng)以及最大導(dǎo)管直徑均減小,近軸面角質(zhì)層厚和近軸面表皮細(xì)胞厚增加,體現(xiàn)了葉長(zhǎng)與最大導(dǎo)管直徑、近軸面角質(zhì)層厚和近軸面表皮細(xì)胞厚之間的協(xié)同變化。非對(duì)稱響應(yīng),即部分指標(biāo)在同一放牧干擾下的相異變化,而本研究中葉長(zhǎng)與最大導(dǎo)管直徑、近軸面角質(zhì)層厚和近軸面表皮細(xì)胞厚表現(xiàn)出的不同的變化趨勢(shì),便是矮生嵩草非對(duì)稱性響應(yīng)機(jī)制的體現(xiàn),這點(diǎn)與馮斌等[40]的研究結(jié)果一致。除葉長(zhǎng)外,紫花針茅的各項(xiàng)葉片結(jié)構(gòu)均不受放牧影響,屬于惰性性狀[40]。這可能是由于在放牧干擾下,紫花針茅為保證自身葉片光合作用不受影響,對(duì)體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行了分配優(yōu)化,更傾向于維持地上部分的正常生理結(jié)構(gòu)及功能[41],從而表現(xiàn)出葉結(jié)構(gòu)上的相對(duì)穩(wěn)定。在放牧干擾下,矮生嵩草的葉長(zhǎng)、近軸面角質(zhì)層厚、近軸面表皮細(xì)胞厚以及最大導(dǎo)管直徑均表現(xiàn)為敏感性指標(biāo);而紫花針茅的各項(xiàng)葉解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)中僅葉長(zhǎng)對(duì)放牧強(qiáng)度表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性。對(duì)比認(rèn)為,矮生嵩草和紫花針茅對(duì)放牧的敏感性不同,矮生嵩草葉片對(duì)放牧刺激的響應(yīng)更為敏感。

4 結(jié)論

放牧壓力下高寒草甸優(yōu)勢(shì)植物為適應(yīng)環(huán)境變化產(chǎn)生多種適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制以保護(hù)其與非生物環(huán)境和放牧家畜的協(xié)調(diào)共存。植物應(yīng)對(duì)放牧干擾會(huì)通過(guò)改變?nèi)~形態(tài)結(jié)構(gòu)以及保護(hù)組織等重要葉結(jié)構(gòu)以適應(yīng)放牧壓力,表現(xiàn)出較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可塑性。其中,矮生嵩草對(duì)放牧刺激的響應(yīng)較紫花針茅更加靈敏。矮生嵩草各項(xiàng)敏感性指標(biāo)對(duì)放牧表現(xiàn)出非對(duì)稱響應(yīng)以適應(yīng)放牧壓力,而紫花針茅葉解剖結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。