垂直切根對(duì)當(dāng)年羊草構(gòu)件及繁殖資源分配的影響

王 歡，鄧 波，陳積山，孫澤微

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)系，北京 100193；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

羊草(Leymuschinensis)，又名堿草，為多年生根莖型禾本科牧草，分布在歐亞大陸的東部地區(qū)，是我國(guó)北方重要的牧草資源，對(duì)改善北方草原生態(tài)環(huán)境有重要意義。羊草根莖主要分布于0-15 cm土層中，在地下橫走形成網(wǎng)狀，多年生羊草根莖致密，會(huì)降低土壤理化性質(zhì)。松土改良通過(guò)改變土壤的理化性質(zhì)和刺激植物根系兩方面使原生植被恢復(fù)[1]。切根是草地松土改良的方式之一，依據(jù)羊草根莖自我繁育的生物學(xué)特性，利用垂直刀具切斷羊草的地下橫走根莖，可促進(jìn)羊草根莖復(fù)壯與自我繁殖[2-3]，增加群落蓋度、密度、生物量和競(jìng)爭(zhēng)能力[4-7]，降低草地毒雜草比例[8]和土壤容重[9-10]，改變土壤理化性質(zhì)[8,11]，加速退化草地群落的恢復(fù)演替。

植物的繁殖分配是指植物一年所同化的資源中用于生殖的比例[12]，也是植物種群生殖器官(穗、花、果實(shí))耗用或積累的干物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素或能量，在整個(gè)種群生活史中總耗用和積累總量中所占的比例[13]，這種分配比例的變化可以反映植物的繁殖對(duì)策。人們對(duì)其的研究常采用將植物分為與其結(jié)構(gòu)、功能相關(guān)植物構(gòu)件(葉、莖、穗、根等)的干重、營(yíng)養(yǎng)元素和熱值分析的方法。繁殖分配不僅是植物種群的重要選擇適應(yīng)特征，而且與環(huán)境條件存在密切關(guān)系[14]。Sakai[15]、Gardner和Mangel[16]認(rèn)為，有利和多變的生境會(huì)促進(jìn)克隆植物的有性繁殖，無(wú)干擾的環(huán)境中，營(yíng)養(yǎng)繁殖在選擇上更占優(yōu)勢(shì)。也有研究表明，在生長(zhǎng)限制的條件下，克隆植物的分配比例往往更傾向于營(yíng)養(yǎng)繁殖并較少地進(jìn)行有性繁殖[17-19]。這可能是植物個(gè)體間的差異和種群繁殖對(duì)策受資源水平的影響，因此，有必要對(duì)了解植物的繁殖分配的因素進(jìn)行更多的研究工作。

羊草具有豐富的遺傳多樣性，是研究克隆植物適應(yīng)性進(jìn)化和種群生態(tài)學(xué)的理想植物[20]。目前對(duì)于切根的研究多見(jiàn)于不同深度與間距對(duì)羊草種群特征的影響，對(duì)于不同切根時(shí)期與間距互作條件下，羊草生物量、營(yíng)養(yǎng)元素及能量等資源的繁殖分配策略鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，在羊草不同發(fā)育時(shí)期進(jìn)行不同間距的切根處理，對(duì)羊草繁殖分配特征進(jìn)行研究，為探明羊草適應(yīng)和抵抗逆境采取的生活史對(duì)策、確定適合羊草草地物理改良的方法、建立退化草原改良體系和規(guī)范提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地為天然羊草草地，位于松嫩平原西部，黑龍江省綏化市境內(nèi)的國(guó)家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綏化綜合試驗(yàn)站內(nèi)(46°32′17″ N， 125°28′24″ E)。該地區(qū)平均海拔160 m，屬于溫帶大陸性氣候，年降水量351 mm，降水集中在6-8月，冬夏季風(fēng)更替明顯。年均日照時(shí)數(shù)2 713 h，年均氣溫4 ℃，極端最高氣溫與最低氣溫分別為40 ℃、-33 ℃，年均初霜期為9月23日，年均終霜期為5月15日，全年結(jié)凍期為183 d。土壤類(lèi)型為堿化草甸土，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量分別為2.981、0.301、0.416 mg·kg-1，土壤全鹽量變化范圍為0.157%～0.318%，土壤呈現(xiàn)輕、中、重三級(jí)鹽堿化，pH 8.12～10.08。試驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢(shì)種為羊草、星星草(Puccinelliatenuiflora)，伴生種主要有虎尾草(Chlorisuirgara)、冷蒿(Artemisiafrigida)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)、蒲公英(Herbataraxaci)、委陵菜(Potentillachinensis)等。試驗(yàn)區(qū)天然草地牧草5月中上旬返青，7月至8月上旬為牧草的旺盛生長(zhǎng)期，9月初進(jìn)入枯黃期。試驗(yàn)當(dāng)年，草地在5月初返青。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年5月12日，選擇植被生長(zhǎng)均勻、蓋度均一、地勢(shì)相對(duì)平坦的天然羊草草地。樣地上進(jìn)行定樁、拉線(xiàn)劃方、實(shí)施切根。切根方式為“井”字形切根，切根深度為12 cm。自制切根刀具(長(zhǎng)25 cm，高15 cm，厚0.5 mm)。試驗(yàn)設(shè)定切根時(shí)期和切根間距兩個(gè)因素，不切根為對(duì)照，其中切根時(shí)期分別為返青期(R)、孕穗期(B)和抽穗初期(H)，切根間距(寬度)為10、20和30 cm，即L10、L20、L30。兩因素組合共計(jì)9個(gè)處理(表1)，1個(gè)對(duì)照，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為3 m×5 m，共計(jì)30個(gè)小區(qū)，小區(qū)周?chē)O(shè)置1 m隔離帶，小區(qū)布設(shè)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

表1 切根處理設(shè)置Table 1 Root cutting treatments

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

構(gòu)件收集：于2017年8月，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取6個(gè)長(zhǎng)×寬為25 cm×25 cm的樣方內(nèi)將羊草齊地面刈割，并將樣方切成 25 cm×25 cm×25 cm的土柱，把土柱放入紗網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室，浸泡并沖洗干凈后風(fēng)干，將樣品按葉(葉與葉鞘)、莖、穗(穗與穗柄)和根莖(根與根莖)等構(gòu)件分開(kāi)。

生物量分配：將羊草構(gòu)件分別裝入紙袋內(nèi)，在80 ℃下烘干至恒重后稱(chēng)重。葉、莖、穗之和為地上生物總量，種群總生物量包括地上生物總量與根莖生物量，計(jì)算每平方米構(gòu)件生物量及構(gòu)件生物量占羊草地上與地下總生物量的百分比。

營(yíng)養(yǎng)元素分配：將烘干樣品粉碎，采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(2300 Kjeltec Analyzer Unit,FOSS,Sweden)測(cè)定各構(gòu)件的全氮(N)含量，鉬銻抗比色法(UH5300)測(cè)定各構(gòu)件的全磷(P)含量。羊草各構(gòu)件N、P元素總量為各構(gòu)件生物量與N、P含量的乘積，羊草各構(gòu)件N、P元素的分配為各構(gòu)件N、P總量占羊草N、P總量的百分比。

能量分配：稱(chēng)取烘干粉碎后的構(gòu)件樣品，用ZDHW-6微機(jī)全自動(dòng)量熱儀檢測(cè)羊草單位生物量的熱能值。各構(gòu)件能量累積值為該構(gòu)件的熱能值×生物量；構(gòu)件能量分配比為該構(gòu)件能量值占羊草總能量的百分比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 制作圖表，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件中的一般線(xiàn)性模型對(duì)切根時(shí)期和切根間距進(jìn)行兩因素方差分析(two-way ANOVA)，以說(shuō)明其交互作用。對(duì)各切根處理進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，差異顯著性(P<0.05)用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 切根對(duì)羊草構(gòu)件生物量及其分配的影響

雙因素方差分析得出，切根時(shí)期對(duì)羊草穗與根莖生物量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表2)，同一切根間距下，穗生物量隨著切根時(shí)期延后而增加，根莖生物量在返青期切根明顯增加，切根時(shí)期對(duì)羊草葉與莖生物量無(wú)顯著影響(P>0.05)(表3)；切根間距對(duì)羊草葉、莖、穗生物量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。同一切根時(shí)期，葉與穗生物量均隨切根間距增加而增大；切根時(shí)期與間距的交互作用對(duì)莖生物量影響顯著(P<0.05)，與對(duì)照相比RL10與HL20處理莖生物量顯著下降。RL10處理地上生物總量與對(duì)照相比顯著降低；切根間距30 cm時(shí)，地上生物總量隨著切根時(shí)期延后而增加相同切根時(shí)期，地上生物總量隨切根間距增加而增大。羊草構(gòu)件生物量大小為根莖>葉>莖>穗，但BL30與HL30切根處理下葉>根莖>莖>穗生物量，整體來(lái)看，30 cm切根間距提高了羊草地上構(gòu)件生物量，返青期切根提高了根莖生物量。

切根間距對(duì)羊草構(gòu)件生物量分配比例影響明顯(圖1)。返青期切根，穗的生物量繁殖分配比例降低，根莖生物量分配增加，其中RL10處理根莖生物量較對(duì)照提高8.62個(gè)百分點(diǎn)，且隨著切根間距增大莖、穗生物量分配也增長(zhǎng)，根莖分配降低；孕穗期與抽穗初期切根，根莖與穗的生物量分配降低，葉的分配比例增加，且隨著切根間距增加葉、穗生物量分配也增加，根莖分配比例降低，其中抽穗初期切根間距30cm處理，羊草穗的生物量繁殖分配比例為2.32%，較對(duì)照高0.17個(gè)百分點(diǎn)(圖1)。

表2 切根時(shí)期與間距交互作用下羊草各構(gòu)件生物量的方差分析(F)Table 2 Variance analysis of Leymus chinensis biomass in root cutting treatments (F)

*，**分別表示在0.05和0.01水平差異顯著。下同。

* and ** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 level，respectively; similarly for the following tables.

表3 切根對(duì)羊草構(gòu)件生物量的影響Table 3 Effect of root cutting on Leymus chinensis biomass g·m-2

RL10，RL20，RL30，BL10，BL20，BL30，HL10，HL20，HL30，同表1，CK為不切根對(duì)照。同列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

RL10, RL20, RL30, BL10, BL20, BL30, HL10, HL20, HL30, were the same at Table 1; CK, no root cutting. Different lowercase letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level; similarly for the following tables.

相同構(gòu)件不同小寫(xiě)字母表示在同一切根時(shí)期不同切根間距差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters within the sameLeymuschinensiscomponent indicate significant difference between different cutting distance at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.2 切根對(duì)羊草構(gòu)件營(yíng)養(yǎng)元素含量及分配的影響

雙因素方差分析得出，不同切根時(shí)期對(duì)羊草根莖全氮含量影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表4)，對(duì)穗全氮含量有顯著影響(P<0.05)；不同切根間距對(duì)莖、穗全氮含量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)葉全氮含量有顯著影響(P<0.05)；但兩者的交互作用僅對(duì)根莖全氮含量影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)，對(duì)其他構(gòu)件全氮含量無(wú)顯著影響。所有處理對(duì)全磷含量無(wú)顯著影響(P>0.05)。切根明顯提高了羊草葉、莖、穗的全氮含量)(表5)，其中RL10處理對(duì)羊草葉、莖、穗的全氮含量影響顯著(P<0.05)；而RL30處理顯著提高了羊草根莖的全氮含量， BL30處理顯著降低了根莖的全氮含量，其他處理對(duì)羊草根莖的全氮含量影響不顯著(P>0.05)。

表4 切根時(shí)期與間距交互作用下羊草各構(gòu)件全氮與全磷含量的方差分析(F)Table 4 Variance analysis of total N and P contents in Leymus chinensis root cutting treatments(F)

表5 切根對(duì)羊草構(gòu)件全氮與全磷含量的影響Table 5 Effect of root cutting on total N and P contents in different Leymus chinensis components %

切根對(duì)羊草葉與根莖的全氮分配影響顯著，對(duì)羊草莖的全磷分配影響顯著(P<0.05)(表6)。切根有利于羊草葉的全氮分配，僅RL30處理低于對(duì)照5.26%； BL20、BL30、HL20、HL30處理顯著降低了根莖的全氮分配； RL10與HL20處理下莖的全磷分配比例較對(duì)照顯著降低。切根對(duì)羊草穗的全氮與全磷分配影響顯著(P<0.05)，相同切根時(shí)期，穗的全氮與全磷分配比例均隨切根間距增加而增加；相同切根間距，穗的全氮與全磷分配比例隨切根時(shí)期的推移而增加。

2.3 切根對(duì)羊草構(gòu)件能量累積及分配的影響

雙因素方差分析得出，不同切根時(shí)期對(duì)羊草穗和根莖能量累積影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表7)，不同切根間距對(duì)葉、莖、穗能量累積影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但兩者的交互作用僅對(duì)莖的能量累積有顯著影響(P<0.05)。

由于切根對(duì)羊草構(gòu)件生物量有顯著影響，致使切根對(duì)羊草葉、莖、穗的能量累積也具有顯著影響(P<0.05)(表8)。同一切根時(shí)期，葉、穗的能量累積隨切根間距的增加而增大；同一切根間距，穗的能量累積量隨切根時(shí)期的推移而增加；RL30與HL30處理提高了莖的能量累積量；相同切根間距，不同切根時(shí)期根莖的能量累積順序?yàn)榉登嗥?抽穗初期>孕穗期。整體來(lái)看，HL30處理有利于地上構(gòu)件能量累積，RL10處理利于根莖能量累積。

表6 切根對(duì)羊草構(gòu)件全氮與全磷分配的影響Table 6 Effect of root cutting on total N and P distribution in Leymus chinensis components %

表7 切根時(shí)期與切根間距交互作用下羊草各構(gòu)件能量累積的方差分析(F)Table 7 Variance analysis of energy accumulation in Leymus chinensis root cutting treatments(F)

切根顯著影響羊草能量在構(gòu)件間的分配，即葉、莖、穗、根莖的累積能量在不同切根處理下所占比例有差異。孕穗期與抽穗初期切根對(duì)羊草構(gòu)件能量分配比例影響顯著(P<0.05)，而返青期切根對(duì)構(gòu)件能量分配無(wú)顯著影響(P>0.05)。同一切根時(shí)期，葉的能量分配隨間距增加呈升高趨勢(shì)，根莖能量分配隨切根間距增加而減小，其中RL10處理下根莖的能量分配比例較對(duì)照提高21%。

在孕穗期與抽穗初期切根，對(duì)羊草穗的能量繁殖分配比例影響明顯(圖2)。羊草穗能量繁殖分配隨著切根間距增加而增大；切根間距10 cm，能量繁殖分配表現(xiàn)為孕穗期<返青期<抽穗初期；切根間距10 cm的處理降低了羊草穗的能量繁殖分配；而HL30處理的能量繁殖分配比例為2.49%，提高了羊草穗的能量繁殖分配。

表8 切根對(duì)羊草構(gòu)件能量累積的影響Table 8 Effect of root cutting on the energy accumulation of Leymus chinensis components kJ·m-2

圖2 切根對(duì)羊草能量繁殖分配的影響Fig. 2 Effect of vertically cutting root on energy distribution in Leymus chinensis

3 討論

在克隆植物完成生活史過(guò)程中，會(huì)對(duì)滿(mǎn)足自身有性繁殖或無(wú)性繁殖的所需資源進(jìn)行權(quán)衡分配，這種繁殖分配不僅是繁殖對(duì)策的重要內(nèi)容，也是種群延續(xù)和不斷擴(kuò)張的關(guān)鍵[21]。雖然植物的繁殖對(duì)策很大程度上是由遺傳決定，但不同的環(huán)境條件下同一物種繁殖分配也有著很大的可調(diào)節(jié)性，與海拔、水分、氣候條件、營(yíng)養(yǎng)水平、群落特征和不同生境等因素存在密切關(guān)系[22-28]。

有性繁殖和營(yíng)養(yǎng)繁殖是植物的兩種繁殖方式，當(dāng)受到環(huán)境干擾時(shí)，植物通過(guò)調(diào)節(jié)資源配置提高適合度應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。本研究得出，切根作用下，各構(gòu)件(葉、莖、穗、根莖)營(yíng)養(yǎng)元素全氮、全磷、能量的分配比例與種群生物量分配比例變化基本一致，這與王仁忠等[33]得出的羊草構(gòu)件生物量分配和能量分配是等價(jià)的觀點(diǎn)相吻合。同時(shí)，本研究表明，羊草返青期切根和間距10 cm切根，根莖的資源分配達(dá)到最高水平，穗的繁殖分配程度最低，增加了羊草無(wú)性繁殖比例，同時(shí)抑制了有性繁殖，這與杜利霞等[29]、Van Groenendael和Habekotte[30]的結(jié)果相符，即資源限制時(shí)，生殖格局由有性繁殖和無(wú)性繁殖并存轉(zhuǎn)向單一的無(wú)性繁殖轉(zhuǎn)變。而與Loehle[31]的結(jié)果不一致，原因可能是返青期羊草植株較弱，同時(shí)10 cm切根對(duì)羊草根莖損傷嚴(yán)重，不能及時(shí)向地上部分供應(yīng)養(yǎng)分，進(jìn)而限制了羊草根莖資源的運(yùn)輸與分配。而抽穗初期切根間距30 cm最大程度的提高了羊草的繁殖分配，促進(jìn)了羊草有性繁殖，表明適宜的生存環(huán)境更利于羊草有性生殖，這與Sakai[15]、Gardner 和Mangel[16]的結(jié)論相一致，但與Herben[32]的結(jié)果(有利的生存環(huán)境會(huì)促進(jìn)克隆植物的無(wú)性繁殖)不一致。造成這些矛盾的主要原因可能是，克隆植物的有性繁殖和無(wú)性繁殖權(quán)衡分配不僅受植物個(gè)體資源水平的影響，也受植物種群密度、高度等種群特征和種間競(jìng)爭(zhēng)及環(huán)境因素的共同影響。

切根處理后葉、莖、穗、根莖等構(gòu)件的資源分配是羊草對(duì)所處環(huán)境條件做出的適應(yīng)性進(jìn)化特征，返青期切根提高了羊草根莖生物量、促進(jìn)了根莖的復(fù)壯更新，30 cm間距切根可以增加羊草地上生物量，切根后羊草各地上構(gòu)件的全氮含量增加，這與“切根可以提高羊草的粗蛋白含量”[3]結(jié)果一致。整體來(lái)看，同一切根間距處理下，不同切根時(shí)期羊草繁殖分配表現(xiàn)為抽穗初期>孕穗期>返青期，可能原因是隨著羊草生長(zhǎng)發(fā)育，自身抗干擾能力增強(qiáng)。而同一切根時(shí)期，羊草繁殖分配的表現(xiàn)為切根間距30>20>10 cm，說(shuō)明10 cm切根間距是不適合羊草繁殖分配的切根處理。研究還發(fā)現(xiàn)，羊草的繁殖分配不足5%，而羊草草地改良的限制因素主要是種子產(chǎn)量低，因此羊草繁殖分配低也可能是羊草種群種子低產(chǎn)的重要原因之一。

4 結(jié)論

切根顯著影響了羊草穗的繁殖分配和葉、莖、根莖的資源(生物量、全N、全P、能量)分配，抽穗初期間距30 cm切根對(duì)繁殖分配影響達(dá)到最佳切根效果，有利于羊草的有性繁殖。而返青期間距10 cm切根提高了根莖的資源分配比例，促進(jìn)了羊草的無(wú)性繁殖。總體來(lái)看，切根干擾對(duì)羊草的資源分配影響顯著，適宜的切根處理可以改變羊草的繁殖分配策略。