孙 伟，杨合龙，王开丽，肖 红，戎郁萍

（中国农业大学动物科技学院，北京 100193）

草地豆科植物营养价值高、适口性好[1]，是放牧家畜蛋白质的主要来源，豆科-根瘤菌固氮过程也是草地生态系统氮循环的重要途径之一，每年固定约65%的生物总固氮量[2]。非结构性碳水化合物 (non-structural carbohydrates, NSC)， 是 植 物 光 合作用的主要产物，用于植物生理代谢活动，影响植物生长及对环境的响应[3]。NSC含量多少影响牧草刈牧后的再生速度和强度，在牧草再生中起决定作用，其含量高低也反映植物整体碳供应状况，对多年生牧草而言，贮藏在根部的NSC最重要，可为植物御寒并为越冬后的返青生长提供能量[4-5]。NSC分为可溶性糖和淀粉[6]，其中可溶性糖按还原性分为还原糖和非还原糖[7]。国外学者对NSC的研究较早，Hyder和Sneva[8]在20世纪60年代研究了俄勒冈州6种牧草中的总水溶性碳水化合物后发现，牧草生长初期有明显的低谷， 6月和7月达到高峰后开始下降；Donart[9]发现，牧草根部在初春储藏碳水化合物最低，随后在开花期达到最高，但不同物种在不同时期贮藏的碳水化合物均存在差异。国内学者研究也发现，植物种类及其不同部位NSC动态变化存在较大差异，紫花苜蓿(Medicago sativa)根部可溶性糖含量在11月中旬达到最高，之后到次年5月中旬处于下降趋势[10]；伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)根部和茎部可溶性糖和淀粉含量随时间变化呈倒“V”形，分别在7月和8月达到最高，之后开始下降[11]；羊草(Leymus chinensis)和大针茅(Stipa grandis)根部可溶性糖和淀粉动态呈“下降-上升-再下降-再上升”变化，在6月中旬和8月初降到较低值后回升，羊草根部淀粉含量是大针茅的3.6倍[12]。

呼伦贝尔草原是我国最具代表性的温带草甸草原区，原生植被保存完好、生物多样性丰富[13]。许志信等[14]研究了呼伦贝尔草甸草原牧草刈割后再生与各贮藏物质之间的关系，发现多数牧草碳水化合物在刈割后5 d内降低，刈割后10或15 d后增加，他们在该地区选取6种牧草进行贮藏养分含量变化规律的研究，发现总糖在牧草生长期内呈规律性变化，即有2～3个积累贮藏养分的时期，2个消耗贮藏养分的时期，但采样部位仅为植物茎基部2 cm和根部[15]，没有对牧草不同部位NSC含量随生长季节及年度气候变化的动态进行研究。本研究以草甸草原中常见的5种豆科植物为研究对象，测定可溶性糖和还原糖含量在植物地上部、茎基部和根部中的季节和年度动态，了解5种豆科植物各部位可溶性糖及还原糖含量的生长季变化规律，为草地合理利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古呼伦贝尔市海拉尔特尼河九队 (49°20′- 49°26′ N，119°55′-120°09′ E，海拔628-649 m)，温带大陆性季风气候，主要土壤类型为黑钙土或暗栗钙土。年均降水量350～410 mm，75%的降水量集中在6至9月。年均温-2.0 ～ -1.0 ℃，1月为最冷月，平均气温为-24.0 ℃，7月为最热月，平均气温为20.5 ℃，极端最高、最低气温分别为40.0 ℃和-43.5 ℃。2015年和2016年的月平均气温与历史月平均气温相差不大，但降水量存在较大差异，6-8月总降水量均低于历史(50 年)平均降水量(图1)。研究区为贝加尔针茅-羊草草甸草原，植物群落中有羊草、斜茎黄芪(Astragalus adsurgens)、多叶棘豆(Oxytropis myriophylla)、山野豌 豆 (Vicia amoena)、 狭 叶 野 豌 豆 (V. sepium)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、日荫菅(Carex pediformis)、裂叶蒿(Artemisia tanacetifolia)、扁蓿豆(Mellissitus ruthenica)等。

图1 试验区月均气温和月降水量 (1951-2016 年)Figure 1 Monthly mean temperature and precipitation in the experimental area during 1951-2016

1.2 植物样品采集及分析

试验于2015年7-9月和2016年4-9月进行，采集扁蓿豆、斜茎黄芪、多叶棘豆、山野豌豆和狭叶野豌豆5种豆科植物。分别于2015年7月31日、8月26日、9月30日和2016年4月30日、5月28日、6月29日、7月30日、8月29日、9月15日，取长势相似的上述植物各20株，每10株为一个样品，按地上部、茎基部和根部分开清洗后装袋，在65 ℃烘干箱中放置72 h。烘干样品粉碎过0.15 mm筛，分别采用蒽酮比色法和3,5-二硝基水杨酸法测定可溶性糖和还原糖含量[16]。扁蓿豆在2016年5月取样较少，没有测定其碳水化合物含量，2015年7-9月没有测定植物茎基部碳水化合物。

1.3 数据分析

采用SAS 8.01 统计分析软件对不同月份中可溶性糖和还原糖在同一物种相同部位中的含量做单因素方差分析(One-way ANOVA)，差异显著性检验水平为 P＜0.05，用 SigmaPlot 12.5 绘图。

2 结果分析

2.1 植物地上部 NSC 动态

2016年4-9月，5种植物地上部可溶性糖和还原糖含量均在4月最低，随后呈增加趋势，扁蓿豆和斜茎黄芪地上部还原糖含量均在6月最高，可溶性糖含量在8月最高(图2)；多叶棘豆可溶性糖和还原糖含量均在5月最高；山野豌豆均在8月最高；狭叶野豌豆可溶性糖含量在7月最高，还原糖含量在8月最高。5种植物地上部可溶性糖含量表现为山野豌豆(1.01%～7.04%) ＞ 斜茎黄芪(1.15%～6.54%) ＞ 多叶棘豆 (2.07%～7.33%) ＞ 扁蓿豆 (1.02%～6.06%) ＞ 狭叶野豌豆 (1.28%～6.20%)；还原糖含量依次表现为山野豌豆(0.54%～6.73%) ＞ 狭叶野豌豆(0.31%～2.32%) ＞ 斜茎黄芪 (0.26%～1.89%) ＞ 扁蓿豆 (0.21%～1.46%) ＞ 多叶棘豆 (0.26%～1.24%)。多数植物还原糖含量在不同月份差异显著(P＜0.05)，多叶棘豆还原糖含量在6和7月、8和9月无显著差异(P ＞ 0.05)。所有植物可溶性糖含量在不同月份间均差异显著(P＜0.05)。地上部可溶性糖含量除山野豌豆2015年7月和2016年7月及还原糖含量除多叶棘豆2015年8月和2016年8月无显著差异(P ＞ 0.05)外，其他植物间均差异显著 (P＜0.05)。

2.2 植物茎基部 NSC 动态

5种植物茎基部还原糖含量均表现为“先升高后降低”的变化趋势，而可溶性糖含量呈不同变化趋势(图3)。斜茎黄芪和狭叶野豌豆茎基部可溶性糖含量均在5月最低，分别在9月和8月达到最高；扁蓿豆和多叶棘豆均在6月最低，分别在8月和5月最高；山野豌豆在4月最低，8月最高。5种植物茎基部可溶性糖含量依次表现为狭叶野豌豆 (1.12%～10.06%) ＞ 山野豌豆 (0.91%～7.41%) ＞斜茎黄芪 (1.22%～3.88%) ＞ 多叶棘豆 (1.15%～3.78%) ＞扁蓿豆(2.76%～5.18%)；还原糖含量依次表现为狭叶野豌豆 (0.52%～2.69%) ＞ 山野豌豆 (0.51%～2.19%) ＞斜茎黄芪 (0.29%～0.91%) ＞ 扁蓿豆 (0.35%～0.95%) ＞多叶棘豆(0.23%～0.57%)。植物茎基部可溶性糖和还原糖含量在不同月份间差异显著(P＜0.05)。

图2 5种豆科植物地上部可溶性糖和还原糖含量动态Figure 2 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the shoots of five legume species不同大写字母表示可溶性糖含量在不同时期差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示还原糖含量在不同时期差异显著(P＜0.05)。下同。Different capital letters indicate significant differences among soluble sugar content in different periods at the 0.05 level.Different lowercase letters indicate significant differences among reducing sugar content in different periods at the 0.05 level; similarly for the following figures.

图3 2016年5种豆科植物茎基部可溶性糖和还原糖含量动态Figure 3 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the stem base of five legume species in 2016

2.3 植物根部 NSC 动态

2016年4-9月，5种植物根部还原糖含量均在4月最低，扁蓿豆、斜茎黄芪、多叶棘豆和狭叶野豌豆在6月达到最高值，山野豌豆在9月达最高值(图4)。斜茎黄芪、山野豌豆和狭叶野豌豆根部可溶性糖含量均在5月最低，扁蓿豆和多叶棘豆在6月最低。多叶棘豆和山野豌豆根部可溶性糖含量在9月最高，扁蓿豆、斜茎黄芪和狭叶野豌豆分别在4月、6月和8月达到最高。5种植物根部可溶性糖含量依次表现为多叶棘豆(1.68%～7.62%) ＞山野豌豆 (2.26%～7.75%) ＞ 狭叶野豌豆 (1.49%～5.87%) ＞扁蓿豆 (2.21%～6.00%) ＞ 斜茎黄芪 (1.83%～3.76%)；还原糖依次表现为狭叶野豌豆(0.46%～0.98%) ＞山野豌豆 (0.30%～1.34%) ＞ 斜茎黄芪 (0.31%～1.12%) ＞多叶棘豆 (0.29%～0.78%) ＞ 扁蓿豆 (0.34%～0.80%)。植物根部可溶性糖和还原糖含量在不同月份间差异显著(P＜0.05)。根部可溶性糖含量除扁蓿豆2015年8月和2016年8月无显著差异(P ＞0.05)外，其余均差异显著 (P＜0.05),根部还原糖含量在 2015 和 2016 年间均差异显著 (P＜0.05)。

图4 5种豆科植物根部可溶性糖和还原糖含量动态Figure 4 Dynamic changes of soluble sugar and reducing sugar content in the roots of five legume species

3 讨论

3.1 NSC 含量动态在植物部位间的变化

NSC对维持生命体活动具有重要作用[17]，其含量反映植物对营养物质的利用和积累动态[18]。短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和羊草(Leymus chinensis)等牧草根系在返青初期贮藏还原糖和总糖含量较低[19]，与本研究相似，5种豆科植物地上部、茎基部和根部中还原糖大多表现为“先升高后降低”的变化趋势，即返青初期还原糖含量较低，随后达到最高值后开始下降，这是由于还原糖分解速度快，能直接通过氧化还原反应供给植物能量[20]，且越冬时植物根系还原糖含量下降[21]。春季返青时植物代谢活动加强，对NSC需求增大，此时还原糖含量较低，随植物光合作用加强，还原糖含量上升，进入生殖生长期后，植物结实需消耗大量能量，还原糖含量开始下降。

而5种植物根部可溶性糖含量动态均表现为“先降低后升高”的变化趋势，与还原糖的变化趋势相反，这是由于可溶性糖是植物在低温条件下的保护物质[10]，刘香萍等[22]人工冷冻处理紫花苜蓿后发现，苜蓿主根内可溶性糖含量升高，在冷冻后的返青生长过程中，主根内NSC浓度下降，与本研究结果相似。植物根部在秋季积累可溶性糖以利于越冬，春季返青时地上部光合作用弱，产生的NSC不足以维持植物正常生长，需要从根部获取NSC，此时根部可溶性糖含量开始下降，随后光合作用增强，气温开始下降，根部开始积累可溶性糖为越冬做准备，可溶性糖含量升高。本研究中，还原糖含量在所有植物体内均低于可溶性糖含量，这是由于还原糖除可被植物直接利用外，也是合成蔗糖和淀粉的供体[23]，因此导致还原糖在植物体内积累较少。

3.2 外界环境对 NSC 含量动态的影响

在相同的环境条件下不同树木种贮藏NSC含量变化有差异[20]。本研究发现5种豆科草本植物也有类似结果，与植物生物学特性差异有关，如物候期、株丛类型等[3]，而温度和降水量影响植物生长季[24]。本研究中，5种植物地上还原糖含量(图2)在 2016 年 7 月均显著高于 2015 年 7 月 (P＜0.05)，可能由于2016年比较干旱、环境温度高(图1)，植物在干旱条件下，会主动积累可溶性糖，以适应外界环境变化[25]，干旱胁迫会使淀粉转化为可溶性糖[26]，可溶性糖含量升高以维持细胞渗透压[27]，高温和干旱导致蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphates synthase)、淀粉合成酶(starch synthase)和淀粉分支酶 (starch branching enzyme)等活性下降，影响糖代谢过程[28-29]，蔗糖和淀粉的合成受阻，还原糖含量升高。但5种植物根部可溶性糖含量(图4)在2015年 7 月均显著高于 2016 年 7 月 (P＜0.05)，表明干旱条件虽然会促使植物主动积累可溶性糖，但如果超出植物耐受范围，这种效应可能会降低甚至消失，导致根部可溶性糖含量减少，植物生长变缓。因此，干旱年份利用草地时，应采取降低载畜率、延迟放牧及提前休牧等措施，防止家畜对草地的“二次伤害”。

3.3 呼伦贝尔草甸草原适宜利用时期

本研究发现5种豆科植物地上部和茎基部可溶性糖含量多在7月或8月最高，根部在9月最高，表明多数植物在根部贮藏碳水化合物，与Catherine等[30]研究结果一致。植物地上部叶片是进行光合作用的活跃部位，产生的碳水化合物除用于自身生长外，多余的碳水化合物运往植物其他部位合成更稳定的贮藏物质(如淀粉、粗蛋白等)。Smith[31]认为主要在根部贮藏营养物质的植物最耐牧，主要在茎基部贮藏的较耐牧，而主要在茎部贮藏的不耐牧，说明本研究中多数植物耐牧性强。植物地上部受损后，茎基部和根部贮藏的营养物质可为地上部再生提供物质和能量[32]。5-6月植物贮藏NSC含量较低，此时进行放牧利用，消耗植物体内营养物质[33]，对植物生长不利甚至造成死亡，因此家畜放牧应在6月底植物NSC含量升高后开始。多数植物地上部8月贮藏NSC含量最多，此时收获干草可以给植物充分的生长时间积累碳水化合物，为越冬做准备，有利于草地的可持续利用。8月后NSC向植物其他部位的转移速度加快，牧草地上部NSC含量开始下降，因此终牧期应不迟于9月初。

4 结论

呼伦贝尔草甸草原豆科植物贮藏的可溶性糖和还原糖含量存在年度和种间差异。极度干旱年份显著降低植物根部可溶性糖含量(P＜0.05)。山野豌豆地上部可溶性糖和还原糖含量分别为1.01%～7.04%和0.54%～6.73%，高于其他植物；狭叶野豌豆茎基部可溶性糖和还原糖含量大于其他植物，分别为1.12%～10.06%和0.52%～2.69%；多叶棘豆根部可溶性糖含量和狭叶野豌豆根部还原糖含量高于其他植物，分别为1.68%～7.62%和0.46%～2.98%。

因此，呼伦贝尔草甸草原的放牧时期应在6月底至9月初。干旱年份利用草原时，应采取降低载畜率、延迟放牧及提前休牧等管理措施。8月收获干草有利于草原的可持续利用。