不同利用方式下貝加爾針茅草原4種主要植物葉片功能性狀特征

薩仁其力莫格, 荊佳強, 紅 雨, 楊殿林

(1.內(nèi)蒙古師范大學 生命科與技術學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 環(huán)境保護科研監(jiān)測所,天津 300191)

植物葉片功能性狀(leaf traits)是表征生態(tài)系統(tǒng)功能的關鍵指標,在物種與環(huán)境協(xié)同進化過程中,植物葉片功能性狀能夠很好地表征植物對資源的獲取和利用效率,從而反映植物生長策略[1]。比葉面積(specific leaf area,SLA)是重要的葉片結(jié)構型性狀之一,以新鮮葉的單位面積除以它的烘干質(zhì)量來表示[2]。研究表明,比葉面積對外界干擾很敏感且可塑性大,是植物與環(huán)境相互作用研究中的首選指標。植物在資源缺乏的環(huán)境中,為防止自身水分和營養(yǎng)物質(zhì)的流逝,提高葉片密度和干物質(zhì)含量,縮小比葉面積來適應環(huán)境變化[3],資源豐富的環(huán)境中植物生長旺盛,比葉面積較大[4]。但也有些研究認為,環(huán)境干擾下,植物為獲取更多的養(yǎng)分,提高比葉面積和葉綠素含量來適應環(huán)境變化[5]。植物葉綠素含量(leaf chlorophyll content)是葉片生理性狀之一,與光合速率密切相關,植物葉綠素含量的高低直接影響光合作用[6]。植物光合能力主要與葉片N含量有關[7],研究表明葉片光合速率的光飽和率和N含量有較強的正相關關系,比葉面積較大的物種具有高的光合N素利用率,因此光合N利用效率與一系列決定植物生長發(fā)育的葉性狀有關[8]。

草原生態(tài)系統(tǒng)是一種重要的可再生資源,具有廣泛的生產(chǎn)和利用價值,但目前全球草原生產(chǎn)量不斷降低[9],草地退化現(xiàn)象仍在繼續(xù)擴大和加劇。研究指出,過度放牧、大量收獲牧草等不合理的利用方式是導致草地退化、生產(chǎn)力下降的主要原因。合理的管理策略、草原生產(chǎn)力的提高是草地生態(tài)學的核心問題[10]。Wright等[11]總結(jié)了全球范圍內(nèi)175個地點植物葉性狀數(shù)據(jù)表明,植物比葉面積、葉片N含量和凈光合速率是導致植物葉性狀差異的主要原因。植物比葉面積和葉綠素含量是重要的葉性狀,其變化特征對生態(tài)學研究至關重要[11-12]。近年來植物功能性狀與環(huán)境變化(主要是氣候、降水量、地理空間變異等)之間的研究不斷拓展[12],但草地不同利用方式對植物葉性狀的影響研究還未得到清晰的認識。本研究以貝加爾針茅草原為研究對象,研究圍封、放牧、刈割3種利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種主要植物比葉面積、葉綠素含量變化特征及與葉片N、P元素和土壤因子的相關關系。為掌握不同利用方式下,草原植物功能性狀響應的潛在機制,實現(xiàn)合理的放牧制度和優(yōu)化生產(chǎn)力提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗伊敏鎮(zhèn)境內(nèi),地處北緯48.27°～48.35°,東經(jīng)119.35°～119.41°,海拔760～770 m,年平均降水量328.7 mm,年平均蒸發(fā)量1 478.8 mm,年平均氣溫-2.4～2.2 ℃,年平均風速4 m/s,屬半干旱大陸季風性氣候。植被類型為貝加爾針茅草甸草原,共有植物66種,分屬21科49屬。常見植物為貝加爾針茅、羊草、扁蓿豆、羽茅、日蔭菅 (Carexpediformis)、腎葉唐松草(Thalictrumpetaloideum)、寸草臺(Carexpediformis)、祁州漏蘆(Rhaponticumuniflorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 試驗地設在貝加爾針茅草原典型地帶,圍封樣地于2010年設立圍欄區(qū),圍欄樣地面積約10 hm2,圍欄內(nèi)禁牧,圍欄外自由放牧。經(jīng)調(diào)查放牧家畜為呼倫貝爾肉用羊,放牧壓力為過度放牧,即6只羊/hm2,全年放牧。刈割樣地采用1年1次刈割方式,留茬10 cm。圍封、放牧、刈割樣地間的植被、土壤、地形條件以及利用年限一致。各選擇3個100 m×100 m圍欄草地、圍欄外自由放牧草地及刈割草地設置為監(jiān)測樣地。

表1 不同利用方式下土壤理化性質(zhì)的測定Tab.1 Determination of physical and chemical properties of the experimental soil under different utilization modes

1.2.2 樣品采集 2019年8月初在圍封,放牧,刈割3種樣地內(nèi)進行了植物和土壤樣品采集。此時貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆,4種植物已經(jīng)完成葉片形態(tài)建成,生育時期為營養(yǎng)生長盛期至初花期。每個樣地內(nèi)各隨機挑選貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種主要植物,挑選生長無隱蔽生境的、生長良好的植株,每個物種收集30株,裝入樣品保溫箱帶回實驗室,其中15株低溫保存用于測定葉綠素含量和葉片N、P含量,另15株用于測定比葉面積。同期每個樣地內(nèi)按照S取樣法選取20個點,用直徑為5 cm的土鉆分別取0～10 cm 土層土壤樣品,采用“四分法”選取1 kg土樣,去除雜物裝入無菌自封袋中帶回實驗室,在室內(nèi)自然風干后研磨過篩,用于土壤有機C、全N、全P含量的測定和分析。

1.2.3 測定方法 挑選健康新鮮葉片,采用葉面積儀測定植物葉面積。葉綠素含量測定; 挑選新鮮葉片用去離子水沖洗干凈,稱取0.5 g新鮮葉片,用80%丙酮提取法提取葉綠素,分光光度計分別測定663 nm和649 nm 波長下的溶液吸光度,測定完葉綠素含量把剩余的新鮮葉片105 ℃烘干30 min后,65 ℃烘干24 h并進行研磨,過0.25 mm篩,稱取0.1 g葉片樣品,用于測定葉片全N、全P含量。采用元素分析儀測定葉片全N含量,葉片全P含量采用濃硫酸-過氧化氫比色法測定。葉片掃描儀測定比葉面積并將測定完的葉片105 ℃ 烘干30 min后,65 ℃烘干至稱重。土壤全N含量采用凱氏法消煮法和流動分析儀(AA3,Bran+Luebbe Crop,德國)測定。土壤全P含量采用高氯酸-硫酸消煮法和外分光光度計測定[13]。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量采用氯化鈣浸提法和流動分析儀測定。按照以下公式計算比葉面積和葉綠素含量:

S=U/D,

(1)

Ca=12.7OD663-2.96OD645,

(2)

Cb=22.9OD645-4.68OD663,

(3)

C=Ca+Cb。

(4)

其中:S表示比葉面積,單位為m2/kg,U為單位葉片面積,單位為m2,D為葉片干重,單位為kg;Ca和Cb分別表示葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量濃度,單位為g/kg;OD663和OD645分別是葉綠素提取液在波長663 nm、645 nm波長下的吸光度。

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 利用SPSS 22.0單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法,對不同利用方式下植物比葉面積和葉綠素含量進行差異性檢驗。植物葉片比面積和葉綠素含量與葉片N、P、N∶P、土壤因子之間的相關性采用Pearson相關分析。利用Origin 2018和Excel 2018制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下4種主要植物比葉面積和葉綠素含量特征

圍封、放牧、刈割不同利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物比葉面積變化顯著,如圖1所示。

圖1 不同利用方式下植物比葉面積和葉綠素含量的測定Fig.1 Determination of specific leaf area and chlorophyll content of plants under different utilization modes注: 不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)。

由圖1可知,貝加爾針茅比葉面積表現(xiàn)為放牧>刈割>圍封,其中放牧與刈割和圍封之間差異顯著(P<0.05),刈割和圍封差異不顯著。羊草和羽茅比葉面積表現(xiàn)為放牧>圍封>刈割,其中羊草比葉面積,放牧與圍封和刈割差異顯著(P<0.05),圍封與刈割差異不顯著,羽茅比葉面積放牧和圍封與刈割差異顯著(P<0.05)。扁蓿豆比葉面積表現(xiàn)為刈割>放牧>圍封,均差異不顯著。不同利用方式下4種植物葉綠素含量有相似的變化特征,貝加爾針茅和羊草葉綠素含量變化為放牧>刈割>圍封,其中放牧與刈割和圍封之間差異顯著(P<0.05),刈割和圍封差異不顯著。羽茅和扁蓿豆葉綠素含量變化表現(xiàn)為放牧>圍封>刈割,其中放牧與圍封和刈割差異顯著(P<0.05),圍封和刈割差異不顯著。

2.2 不同利用方式下4種主要植物葉性狀之間的相關關系

圍封、放牧、刈割不同利用方式下,貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物比葉面積與葉片葉綠素含量、N、P、N∶P相關性分析表明(表2),貝加爾針茅比葉面積與葉綠素含量、葉片N呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片N∶P呈顯著正相關關系(P<0.05)。羊草比葉面積與葉綠素含量呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片N、N∶P呈顯著正相關關系(P<0.05)。羽茅比葉面積與葉綠素含量呈顯著正相關關系(P<0.05),扁蓿豆葉片比葉面積與葉綠素含量、葉片N、P、N∶P均無相關關系。

不同利用方式下4種植物葉綠素含量與葉片N、P、N∶P含量的相關性分析表明(表2),貝加爾針茅和羽茅葉綠素含量與葉片N、N∶P呈顯著正相關關系(P<0.05)。羊草葉綠素含量與葉片N呈顯著正相關關系(P<0.05),與葉片P呈極顯著正相關關系(P<0.01)。扁蓿豆葉綠素含量與葉片N、N∶P呈極顯著正相關關系(P<0.01),與葉片P呈顯著負相關關系(P<0.05)。

表2 植物葉性狀之間的相關性的測定Tab.2 Determination of correlation between leaf traits of plants

2.3 4種主要植物葉性狀與土壤理化特征相關關系

貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆葉性狀與土壤因子相關性表明(表3),貝加爾針茅比葉面積與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關關系(P<0.01),葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關關系(P<0.05)。羊草比面積與硝態(tài)氮呈極顯著正向關系(P<0.01),葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關關系(P<0.01),羽茅葉綠素與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正向關系(P<0.01),扁蓿豆葉綠素含量與硝態(tài)氮呈極顯著正相關關系(P<0.01)。4種植物葉綠素與比葉面積與土壤全N、全P、銨態(tài)氮、N∶P無顯著相關性。

表3 植物葉性狀與土壤理化特征相關性的測定Tab.3 Determination of correlation between leaf traits and soil physical and chemical properties of plants

3 討論與結(jié)論

草地利用方式對植物的生態(tài)功能和進化有重要的影響,而植物對利用方式的干擾有足夠的抵抗性和適應性,植物對環(huán)境干擾的適應能力,在生理和形態(tài)特征方面表現(xiàn)的最為明顯。比葉面積作為重要的結(jié)構型性狀,可以表征植物的資源獲取能力[13]。本研究發(fā)現(xiàn),放牧處理下貝加爾針茅和羊草比葉面積均顯著高于圍封和刈割處理。貝加爾針茅比葉面積放牧處理與圍封和刈割相比分別增加1.47倍和1.26倍,羊草比面積分別增加1.23倍和1.38倍。放牧處理下羽茅和扁蓿豆的比葉面積高于圍封和刈割,但沒有達到顯著水平,可以說明放牧處理增加植物比葉面積,這與Cruz等[14]連續(xù)15年在巴西西南部草原放牧條件下,植物比葉面積顯著大于圍封結(jié)果相似,并表明長期放牧干擾下植物通過提高比葉面積獲取更多的光合資源。齊麗雪等[15]研究也發(fā)現(xiàn)放牧地植物比葉面積大于潛耕翻、切根、圍封3種恢復措施下的植物比葉面積,說明在放牧干擾下植物的資源獲取能力有所增加,表現(xiàn)出快速資源獲得型策略[16]。光合作用是植物的生長發(fā)育最基本保障,其葉綠素含量的大小直接反應植物對環(huán)境變化的適應潛力[17]。本研究發(fā)現(xiàn)放牧顯著增加了4種植物葉綠素含量,放牧處理與圍封和刈割處理相比,貝加爾針茅葉綠素含量增加了1.37倍和1.23倍,羊草葉綠素含量增加了1.71倍和1.62倍,羽茅葉綠素含量增加了1.44倍和1.70倍,扁蓿豆葉綠素含量增加了1.34倍和1.32倍,表明4種植物葉綠素含量對放牧處理的響應,均呈現(xiàn)相同的顯著增加趨勢,此結(jié)果與張子荷等[18]研究結(jié)果相似,主要原因是放牧過程中被采食或踐踏的植物為了盡快恢復正常生長,提高現(xiàn)有的和再生葉片的光合能力,為自身生長提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)[19]。另一方面牲畜的采食去除了失去光合能力的病老葉片,為新生葉片提供了光合作用的條件[20]。相關研究也表明植物比葉面積和葉綠素含量存在正相關關系,隨比葉面積的增加,葉綠素含量增加[21]。與圍封相比刈割處理,除羽茅比葉面積顯著降低(P<0.05)以外,貝加爾針茅、羊草、扁蓿豆的比葉面積、葉綠素含量均沒有顯著變化,這與張璐等[22]研究結(jié)果相似,刈割對植物性狀的影響小于放牧。植物光合過程中N元素是合成蛋白質(zhì)和葉綠素的必需元素,趙威等[19]研究也發(fā)現(xiàn),刈割對凈光合速率影響較弱,只持續(xù)24～48 h,因此刈割處理下植物葉綠素含量比較穩(wěn)定。大約75%的葉片有機N存在于葉綠體中[23],葉片N含量與葉綠素含量存在很強的正相關關系,N利用效率越大,植物光合速率越強,而比葉面積越大,植物的凈光合速率和葉片的含N量越高[24]。本研究發(fā)現(xiàn),植物比葉面積、葉綠素含量、N、N∶P之間存在正相關關系,但物種之間存在差異。這與前人的研究相似,草本植物之間N利用效率存在差異[25],因此這有可能是導致物種之間葉片N含量與葉綠素含量、比葉面積相關性存在差異的主要原因。

土地利用方式會引起植物形態(tài)變化,植物性狀在放牧處理的響應很大程度上受土壤養(yǎng)分等可利用性資源的影響,而這些植物的變化反過來又會影響土壤因子[26]。本研究發(fā)現(xiàn)植物比葉面積、葉綠素含量與土壤因子有一定程度的相關性,尤其是貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆的葉綠素含量與土壤硝態(tài)氮呈極顯著相關關系(P<0.01),貝加爾針茅、羊草比葉面積與土壤硝態(tài)氮呈極顯著正相關關系(P<0.01),羽茅、扁蓿豆比面積與土壤硝態(tài)氮呈顯著正相關關系(P<0.05)。土壤硝酸鹽和氨酸鹽是植物從土壤中吸收無機氮的主要來源,當植物根系吸收大量的硝酸根時,大部分分配到葉組織中還原,硝酸根對植物葉片大小、營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)控起重要作用[27],因此植物比葉面積、葉綠素含量與土壤硝態(tài)氮密切相關。植物與土壤養(yǎng)分循環(huán)是一種復雜的過程,植物比葉面積和葉綠素含量與土壤因子之間的相關關系還需進一步研究。

綜上所述,圍封、放牧、刈割3種不同利用方式顯著改變了貝加爾針茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4種植物葉片功能性狀,放牧提高了植物比葉面積和葉綠素含量,表明放牧干擾下4種植物調(diào)整自身的葉片性狀來主動適應放牧干擾,與放牧環(huán)境協(xié)同進化,而刈割對植物比葉面積、葉綠素含量的影響較弱。植物比葉面積和葉綠素含量與葉片N、N∶P和土壤硝態(tài)氮密切相關,但不同物種之間相關性存在差異。