木 兰,张璞进,单玉梅,温 超,晔薷罕,常 虹,邱 晓,孙海莲,任婷婷,陈世苹,白永飞,黄建辉,4

1 内蒙古大学生态与环境学院,呼和浩特 010021 2 内蒙古自治区农牧业科学院,呼和浩特 010031 3 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京 100093 4 中国科学院大学,北京 100049

当外界环境变化时植物的一些形态、生理和物候特性会发生相应的变化来适应环境,通过对这些变化了的植物功能性状的了解可以在一定程度上知悉植物对环境的生存策略[1]。植物的叶片性状对环境变化响应快速而敏感,它在反映植物对资源的获取、利用和储存对策的同时也能体现出植物的生长策略[2-3]。放牧是草原的主要利用方式,对草原生态系统的结构和功能有着重要的影响[4-5]。随着放牧强度的变化,植物不同器官间的资源分配和繁殖策略会发生相应变化,以更好地适应环境。在过度放牧干扰下,草原植物往往呈现小型化现象[6]。该现象已经得到了广泛的验证[7-8],被认为是对过度放牧的一种负反馈响应,也是过度放牧影响下群落生产力衰减的重要体现[6,8]。草原植物小型化具体表现为植株变矮,叶片变短、变窄,节间缩短,根系分布浅层化等[6]。有研究表明,植物的不同性状对放牧的敏感性存在明显差异[9],不同类群植物的功能性状对放牧的响应也显著的不同[10]。植物叶片对放牧家畜的采食最为敏感和直观。有研究显示,适度的放牧可以刺激叶片的补偿性生长,过度放牧可使叶片受损,导致叶片数量减少,叶面积指数缩小,光合能力减弱,牧草再生能力降低,叶片生物量下降,这阻滞了植物叶片光合产物的形成,导致植物地上生产力的降低,并进一步影响植物资源的分配策略[11-12]。此外,在放牧干扰下,一、二年生草本植物逐渐具有较高的比叶面积(specific leaf area,SLA),表现出对过牧的耐受性,而多年生禾草逐渐具有较低的比叶面积,表现出对过牧的躲避能力[13]。

中国草地是全球草地生态系统的重要组成部分[14]。其中,天然草地总面积约为4.0×108hm2,约占国土面积的41.7%[15]。过度放牧可导致生产力下降,生物多样性受损,草地生产与生态功能不相协调,生态系统生产不可持续,一个重要的原因是土壤养分过度流失、土壤变紧实、土壤持水能力差[16]。氮素和水分是干旱和半干旱草地生态系统植物生长和生物量形成的主要限制因子[17-18]。研究表明,氮素和水分添加可以改善土壤理化条件,从而增加典型草原生态系统的生产力,加快了退化草原的恢复[10,19- 21]。荒漠草原是草原植被中最干旱的类型之一,其生长环境严酷,建群种由强旱生丛生小禾草组成,常混生大量强旱生小半灌木,并在群落中形成稳定的次优势层,产草量低且不稳定,但饲用价值高[22]。由于荒漠草原生态系统不稳定、波动强,脆弱且对环境因子变化敏感,因而极易发生退化[23],一旦退化不易恢复。是否可以通过养分和水分补充,加快退化荒漠草原的恢复,从而实现荒漠草原放牧生态系统结构和功能的可持续性,相关研究还很少。

叶片属性(例如,叶片氮含量、叶片干物质含量、叶片厚度和叶面积指数)是对环境变化较为敏感的植物功能性状特征,可体现出植物对放牧干扰后的恢复能力[24]。已有研究显示,在内蒙古典型草原,氮素和水分添加能够显著改变叶片的功能性状特征,如提高叶片氮含量、叶片净光合速率,显著降低了叶片寿命,并且不同的物种叶片的功能性状指标响应存在一定的差异[25]。短花针茅(Stipabreviflora)是多年生丛生小禾草,是荒漠草原的建群种。有研究显示,随着放牧强度的增加,叶片各性状(单叶质量、叶长、单叶面积、比叶质量)、个体生物量、植物高度、冠(丛)幅均有显著变小、变矮的趋势[26-27]。在灌溉条件下,短花针茅的自然高度、叶长、叶干质量、自然宽度、叶缘距都显著的大于放牧草地和围封草地[28]。本研究在不同放牧强度背景下的短花针茅草原开展了围封模拟放牧持续利用的实验,同时进行添加氮素和水分的恢复措施,通过分析放牧强度、季节和氮水添加对建群种短花针茅叶片属性的影响,探讨不同放牧强度下短花针茅可持续利用的氮水调控机制。试图阐明水分和氮素调控对退化荒漠草原恢复的作用,以期为在养分和水分平衡的基础上建立草畜平衡理论和技术体系提供基础数据与科学依据。

1 实验设计与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗王府一队,北纬41°47′17″,东经111°53′46″,平均海拔1450 m。气候类型为典型中温带大陆性季风气候,春季干旱多风,夏季炎热少雨。多年平均降雨量280 mm,降水主要集中在5—8月份,蒸发量大,全年平均风速为4—5 m/s,年均温3℃左右。试验区土壤类型为淡栗钙土,草原类型为荒漠化草原。植被草层较低矮稀松,建群种为短花针茅(Stipabreviflora),优势种为无芒隐子草(Cleistogenessongorica)、克氏针茅(Stipakrylovii)与冷蒿(Artemisiafrigida),主要伴生种有银灰旋花(Convolvulusammannii)、栉叶蒿(Artemisiapectinata)、细叶葱(Alliumtenuissimum)、刺沙蓬(Salsolapestifer)、羊草(leymuschinense)等。

图1 荒漠草原放牧控制试验设计图与N和水分添加示意图Fig.1 The schematic diagram of grazing,nitrogen and water controlled experiment on desert grasslandCK：对照；LG：轻度放牧；MG：中度放牧；HG：重度放牧

内蒙古农牧业科学院和内蒙古农业大学共建的荒漠草原放牧控制试验平台定位研究从2004年开始,群落类型为短花针茅+克氏针茅群落,试验区采用随机区组设计,设3个区组作为3次重复,每个区组内设4个载畜率水平(0、0.93、1.82和2.71羊单位/hm2),即4个处理,分别表示对照(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG),共计12个试验区,整个实验样地面积约为50 hm2,每个试验区平均面积基本相等,对照、轻度、中度和重度的放牧围栏内放牧羊只数量分别为0只、4只、8只和12只。每区组内的试验区采用完全随机排列,分别表示为CK1、LG1、HG1和MG1；HG2、CK2、MG2和LG2；LG3、CK3、MG3和HG3(图1)。放牧羊选用发育成熟大小基本一致的羯羊,每年的5月初开始放牧,10月底停止放牧,放牧期间只在白天进行放牧。为了进一步探讨不同放牧强度背景下的草地恢复受外来资源供给的影响,在每个实验区设置一个处理围栏,每个处理围栏的面积为7 m×7 m,中间留1 m的缓冲区,每个处理围栏有4个处理亚区：对照(CK)、加氮(+N)、加水(+W)和加氮加水(+N+W),每个处理亚区的面积2 m×2 m,四周埋40 cm高的镀锌铁皮,铁皮入土深30 cm,具体样地设置见图1。在轻度、中度和重度放牧背景下每个处理亚区通过刈割模拟放牧,留茬高度5 cm。

氮、水补给实验从2013年开始实施,每年添加水量为108 mm(约增加年平均降雨量的40%),分12次在6、7、8月份添加,每月添加4次,每次添加9 mm/m2。添加的氮素为硝酸铵钙,分别在6月1号、7月1号、8月1号添加,每次添加21.42 g/m2(3.33 g N/m2),在2013年和2014年的7月中旬和8月下旬、2015年的8月中旬进行了留茬5 cm的模拟放牧。

1.2 样品采集与分析

分别在2015年生长盛期(7月中旬)和生长后期(9月中旬)在每一处理小区中选择6—8丛短花针茅,每丛齐地面采集5个分蘖小枝,选取3个叶片。将选取的叶片浸入水中过夜饱和(8—10 h左右),然后将叶片捞出用吸水纸迅速吸干叶表面水分并称重(饱和鲜重,Lw),称重后用扫描仪进行叶片图像扫描(300dpi),然后放入信封并烘干(65℃,48 h),获取干重(Ld),叶片图像用image J软件(http://rsb.info.nih.gov/ij)分析叶面积(La)。剩余的采集叶片在65 ℃烘箱中烘干,并研磨,采用元素分析仪测定叶片碳含量(LCN)和全氮(LNC)(vario EL III,CHNOS Elemental Analyzer,Elementar Analysensysteme GmbH,Germany),H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法测定叶片磷含量(LPC),计算叶片碳/氮比(C/N)、碳/磷比(C/P)和氮/磷比(N/P)。

叶干物质含量(LDMC)和比叶面积(SLA)计算公式如下：

LDMC (g/kg) =Ld/Lw,

SLA (cm2/g)=La/Ld

式中,Ld和Lw分别为用于叶干物质含量测定的叶片干重和鲜重(g),La为通过Image J 软件测定的叶面积(cm2)。

1.3 统计分析

叶片属性指标采用GLM模型进行四因素(季节(Season,S)、放牧强度(Grazing intensity,GI)、氮素添加(+N)、水分添加(+W))方差分析(Four-way ANOVA),同一因素下的叶片属性指标采用单因素方差分析,用Duncan多重比较法进行差异显著性检验(α= 0.05),所有统计分析使用SAS 9.0 (SAS Institute Inc.,Cary,NC,USA)软件进行。

2 结果与分析

2.1 短花针茅叶片属性季节性变化

取样时间(7月和9月)对短花针茅叶片的比叶面积(SLA)、叶片碳氮磷含量(LCC、LNC、LPC)以及叶片C/N和C/P具有显著性影响(表1)。9月的SLA、LCC、C/N、C/P分别为141.46 cm2/g、475.00 g/kg、26和841,显著高于7月份,LNC、LPC分别为18.49 g/kg和0.60 g/kg显著低于7月份(图2)。

表1 季节(S)、放牧强度(GI)、氮素(N)和水因子(W)对短花针茅叶片属性指标影响的四因素方差分析结果

图2 季节变化对短花针茅叶片属性指标的影响Fig.2 The effect of seasonal changes on leaf traits of Stipa breviflora 不同的小写字母表示月份间差异显著(P<0.01)

2.2 氮素和水分添加对短花针茅叶片属性的影响

如表1所示,氮素和水分添加增加了SLA、LDMC、LNC、LPC和N/P,降低了C/N和C/P,并且对LNC和C/N有显著的影响,氮素和水分添加显著地增加了LNC含量,分别为20.18、20.97 g/kg,降低了C/N,分别为23.92、22.78(图3)。

图3 氮素和水分添加对短花针茅叶片属性指标的影响(平均值±标准误差)Fig.3 The effect of nitrogen addition(+N),water addition(+W) on leaf traits of Stipa breviflora (mean±SE)no+N：不添加氮素 Without nitrogen addition；+N：添加氮素 With nitrogen addition；no+W：不增水 Without water addition；+W,增水 With water addition,不同的小写字母表示氮素处理间差异显著(P<0.01),不同的大写字母表示水分处理间差异显著(P<0.01)

2.3 放牧强度对短花针茅叶片属性的影响

放牧强度对叶片的C/N产生显著影响(表1),放牧降低了C/N,轻牧和重牧的C/N分别为23.70、23.87,显著低于CK(25.38)(图4)；单因素方差分析显示(图4),中牧的LDMC为0.49,显著低于对照(0.55)和重牧(0.55),放牧增加了LNC含量,且轻牧的LNC含量(20.36 g/kg)显著高于对照(18.80 g/kg)。

图4 放牧强度对短花针茅叶片属性的影响Fig.4 The effect of grazing intensity on leaf traits of Stipa brevifloraCK：无放牧 No grazing；LG：轻度放牧 Lightly grazed；MG：中度放牧 Moderately grazed；HG：重度放牧Heavily grazed CK,不同小写字母表示不同放牧强度间差异显著(P<0.01)

2.4 季节、放牧强度、氮素和水分的交互效应对短花针茅叶片属性的影响

如表1所示,季节与放牧强度和氮素的交互作用对短花针茅叶片性状没有产生显著的影响,但季节和水分添加的交互效应显著地影响了LN 和LP含量与C/N和C/P(表1)。在7月份水分添加对叶片的LN含量、LP含量、C/N和C/P没有显著影响,但在9月份水分添加显著地增加了叶片LN和LP含量,降低了C/N和C/P(图5)。

图5 季节和水分添加交互效应对短花针茅叶片属性的影响Fig.5 The interactive effect between season and water addition on leaf traits of Stipa breviflora不同的小写字母表示水分处理间差异显著(P<0.01)

2.4 不同放牧背景下短花针茅叶片属性指标对氮素和水分添加的响应特征

如图6所示,在7月中旬,轻度放牧背景下,+W+N与CK相比,可提高短花针茅的SLA、LDMC、LCC、LNC、LPC,且对SLA的影响差异显著,+N可提高短花针茅叶片的C/N、C/P和N/P；在中度放牧背景下,+N可提高短花针茅叶片的LDMC、LCC、C/N、C/P和N/P；在重度放牧背景下,+W+N可提高短花针茅叶片的SLA、LDMC、LCC、LNC、C/N、C/P和N/P。在9月中旬,轻度放牧背景下,+N可以提高短花针茅叶片的SLA、LDMC、LCC、C/N、C/P、N/P；中度放牧背景下,+W+N可以提高短花针茅叶片的LDMC、LCC、LNC和LPC；重度放牧背景下,+W可以提高短花针茅叶片的SLA、LDMC、LNC和LPC。

3 讨论

氮、磷是影响植物生长和生物量的重要营养元素[29]。有研究显示,植物叶片元素含量与叶片的结构和生长节律有关系[30],并随着生长节律的推移,叶片C/N和C/P逐渐升高,这主要是由于植物叶片的快速生长对N、P浓度的稀释作用引起[31]。也有研究表明随着植物由成长、成熟到衰老,叶片C含量在升高,N含量在降低,而P含量没有显著的变化[32],当然类似的变化也与植物种类有关[33]。生长末期的植物叶片即将枯落,在受氮、磷限制的土壤环境中,植物为了增加养分利用效率,部分养分从植物即将衰老器官中转移并运输到其他器官中储存,供来年植物生长利用[34-35]。短花针茅在7月份是生长旺季,LNC、LPC显著高于9月份。有研究显示,叶片的氮、磷含量高,光合能力强,促进叶片的快速生长,增加对资源的竞争能力,并且通过新老叶片间快速的养分转移,实现快速生长以适应环境[36]。随着叶片生长、成熟和衰老的进程,植物代谢活动逐渐减弱,短花针茅在9月份的SLA、LCC、C/N、C/P显著高于7月,LN、LP也显著降低,这在一定程度上是植物其自身生长节律的结果[30-31]。但是,本研究也发现短花针茅9月份的SLA显著高于7月份的。研究表明,高的SLA意味着光合速率高,生长也快[37]。本研究分析这可能受8月中旬的模拟放牧影响有关,模拟放牧刺激了叶片的再生长,是植物对放牧的补偿生长[38]。

放牧强度对短花针茅叶片的C/N产生显著影响,放牧降低了C/N,增加了LNC含量,这与王亚婷等[39]和卫智军等[40]的研究结果一致。家畜通过啃食刺激了叶片的生长,促进N素向幼嫩器官转移,迅速提高叶片中的叶绿素含量,促进光合作用和生长,这也是补偿生长的一种表现形式[41],并且轻牧下短花针茅的LNC含量显著高于对照,这支持了放牧优化假说[11]。适度的放牧可以最大限度的促进植物的生长[42]。有研究表明,随着放牧强度的增大,在最适放牧强度之前,地上净初级生产力随着放牧强度的增大而增加,以后则随着放牧强度的增大而降低[43-44]。这可能是短花针茅在中牧时LDMC显著低于对照和重牧的原因所在,LDMC可以更好地指示某一资源的获取、利用及有效性[3,45]。随着放牧强度的增加,短花针茅叶片的SLA在增大,这与王玺等[26]和李江文等[27]的研究结果相一致,是植物对放牧的补偿生长。

氮素和水分是干旱、半干旱草原生态系统格局和过程的限制性因子[17-18]。如图7所示,氮素和水分添加提高了土壤STN和STP含量,可能受氮素和水分短期处理的影响,提高后的含量差异并不显著,也可能受短花针茅的吸收利用影响所致,氮素和水分添加增加了短花针茅的LNC与LPC含量,降低了C/N和C/P,且对LNC和C/N的影响显著,这与Ren等[25]与王雪等[46]对内蒙古草原大针茅、克氏针茅、冰草和羊草的研究结果一致。氮素和水分添加可促进植物对氮素的吸收,LNC含量增加,促进植物生长,以适应不利的环境[25,37]。季节和水分添加对短花针茅的LNC含量和LPC含量有显著的交互效应。相对于7月份,水分添加在9月份显著地增加了LNC和LPC含量,降低了C/N和C/P。通过上述的讨论可知,受植物生长节律的调控,在生长季后期,植物叶片的LNC、LPC会降低,C/N会增加,植物代谢活动逐渐减弱[30-31],而通过9月份添加水分,短花针茅的LNC和LPC含量增加了,C/N和C/P降低了,这促进了短花针茅在生长季后期的生长,这对其恢复和利用非常重要。

图6 氮素和水分添加对不同放牧强度背景下短花针茅叶片属性的影响Fig.6 The effect of nitrogen addition(+N),water addition(+W) on leaf traits of Stipa breviflora under different grazing intensities不同小写字母表示不同放牧强度间差异显著(P<0.01)

图7 氮、水添加对0—20 cm土层平均STN和STP含量的影响Fig.7 The effect of N addition (+N),water addition (+W) on average soil total N (STN) and soil total phosphorus (STP) content at 0—20 cm soil不同的小写字母表示氮素处理间差异显著(P<0.01),不同的大写字母表示水分处理间差异显著(P<0.01)

在不同放牧强度下,短花针茅叶片属性对氮素和水分添加的响应不同,并且因季节不同发生着变化。通过短花针茅叶片属性的综合分析来看,在7月中旬,轻度和重牧放牧背景下,+W+N对短花针茅的恢复更好,中度放牧背景下,+N的效果好；在9月中旬,轻度放牧背景下,+N效果好,中度放牧背景下,+W+N效果好,重度放牧背景下,+W效果好。有研究显示,叶片属性指标在不同放牧强度下的响应是不同的[47],本研究的研究结果也显示放牧强度对短花针茅叶片属性指标产生了不同的影响,这可能是导致不同放牧强度背景下对短花针茅所采取的氮素和水分的供给措施不同的主要原因,而不同月份最适外源氮素和水分供给措施的不同可能是因为叶片属性指标随着短花针茅生长节律而发生不同的改变而导致的。

4 结论

在内蒙古的荒漠草原上,放牧是主要的利用方式,适度的放牧可以增加群落优势种的叶片氮含量,促进其生长；在放牧背景下荒漠草原在外来资源氮素和水分的供给下,可提高优势物种的叶片氮含量,特别是在生长季后期水分添加增加了叶片氮和磷含量,这促进了优势种的生长；在不同季节,不同放牧强度背景下对短花针茅所采取的氮素和水分的供给措施也不同,这对其恢复和利用非常重要。