不同放牧强度下羊草叶片光合色素含量的差异性分析——以呼伦贝尔羊草草甸草原为例

邓 钰，柳小妮，辛晓平，闫瑞瑞，王 旭，杨桂霞，任正超

（1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070；2.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站，北京 100081）

呼伦贝尔羊草（Leymus chinensis）草甸草原，由于独特的地理位置以及羊草的高饲用价值［1］，已成为中国北方重要的牧草和畜牧业生产基地。植物体进行光合作用时首先依赖于光合色素对光能的吸收和利用［2］；进行羊草草甸草原主要优势种—羊草的光合色素的研究，对于进一步了解和提高羊草草原的生产力和合理的放牧管理有十分重要的理论与实践意义。

高等植物的光合色素主要由叶绿素和胡萝卜素组成，叶绿素含量的高低直接影响叶片的光合能力［3］。此外，羊草的叶绿素含量受到生活型［4－7］，土壤干旱条件［8，9］，盐碱化环境［10］，遮阴［11］和高温［12］以及放牧［13］的影响。

对不同放牧强度下羊草草甸草原上所生长的羊草未被采食和被采食上位叶片的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素在不同测试时间下的研究，可为进一步分析个体水平上羊草叶片功能特性对放牧强度干扰的适应性和忍耐性机制，以及为确定羊草草甸草原的合理载畜率提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2011年6～8月在中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站进行。研究区位于内蒙古呼伦贝尔市谢尔塔拉牧场场部东3km，属于大兴安岭西麓丘陵向蒙古高原的过渡区，地理位置 N 49°32′～49°34′，E 119°94′～119°96′，海拔670～677m。研究区属温带半干旱大陆性气候，年均温为－7.21～4.71℃，＞10℃年积温1 184.20～2 814.12℃，无霜期95～110d，年平均降水量264.5mm，在7月，降水量较大，蒸发量1 100～1 630mm；年均日照时数2 319.83h。地带性土壤为黑钙土或暗栗钙土。植被类型为羊草＋杂类草，主要物种有羊草、贝加尔针茅（Stipa baicalensis）、日荫菅（Carex pediformis）、寸草苔（Carex duriuscula）、蓬子菜（Galium verum）、狭叶柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）、线叶菊（Filifolium sibiricum）等，伴生种有斜茎黄芪（Astragalus adsurgens）、山野豌豆（Vicia amoena）、草地早熟禾（Poa pratensis）和冷蒿（Artemisia frigida）等。试验区牧草于5月中下旬开始返青，7月中、下旬至8月上旬为牧草旺盛生长时期，9月后进入枯黄期。研究区内采取单一的肉牛畜种，冬春季休牧，夏秋季连续放牧的放牧方式。

1.2 放牧试验设计

在试验区，对6个不同的放牧强度（R0、R1、R2、R3、R4和R5）处理下的各试验小区进行测试；每1个处理设置4个重复。每试验小区面积为5hm2，总面积为30hm2，每个试验小区之间用围栏和水泥柱分开，小区形状均为菱形。其中，放牧试验于2009年6月15日开始，每年进行4个月（6月初至10月初）的连续放牧试验。

放牧强度（R）设计如下：R0：0.00 牛/hm2、R1：0.23牛/hm2、R2：0.34牛/hm2、R3：0.46牛/hm2、R4：0.69牛/hm2、R5：0.92牛/hm2，其中，以500kg肉牛为一个标准家畜肉牛单位。

1.3 植物叶绿素的测定

于2011年6月26日、7月23日和8月26日，采用分光光度计法－丙酮乙醇混合液法［14，15］测定不同放牧强度处理下未被采食和被采食羊草上位叶片的叶绿素a（Chl a）、叶绿素b（Chl b）及类胡萝卜素含量；每个放牧强度处理下未被采食羊草叶片和被采食羊草叶片设置4个重复。

清晨，将样地所需羊草叶片采集带回实验室，并用脱脂棉擦拭干净，去除主脉和两头部分，剪碎、混匀，称0.2g样品，用80%丙酮和99%乙醇1∶1混合提取，并进行研磨。为了避免叶绿素的分解，操作在弱光、室温为15℃下进行［7］；叶绿素含量用 Arnon［16］的公式计算：

式中：Ca，Cb分别为叶绿素a和叶绿素b的浓度，Ca＋b为叶绿素a和叶绿素b的总浓度，Ck为类胡萝卜素；单位：mg/L。

式中：V为提取液总体积（mL），W为叶片鲜重（g）。

1.4 数据统计分析

利用Excel 2007对实测数据进行整理。运用SPSS 17.0软件对数据进行多变量检验。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度下未被采食羊草叶片光合色素的变化

未被采食羊草叶片的光合色素随着生长阶段的不同而变化（表1）。

6月26日、7月23日、8月26日的Chl a随着放牧强度的增大呈减小的趋势，Chl b变化趋势与Chl a一致；而类胡萝卜素随着放牧强度的增大呈先下降后升高的趋势。在生长季，不同放牧强度下，未被采食羊草叶片的Chl a变化在1.15～1.85mg/g FW，Chl b变化在0.29～0.56mg/g FW，类胡萝卜素的变化在0.29～0.56mg/g FW。

Dale Caustond［17］报道Chl a/b是衡量群落光环境的主要生物指标。未被采食叶片中Chl a/b的比值随着放牧强度的增大而增大；整个测试期间，比值为2.8～4.0，其中，8月26日的值最高。未被采食羊草叶片Chl a＋b含量随着放牧强度的增大而降低，其变化范围为1.44～2.41mg/g FW；其中，7月23日的值最高，8月26日的值最低，这可能与羊草处于生长盛期与生长枯黄期有关（图1）。

2.2 不同放牧强度下被采食羊草叶片光合色素变化

在6月26日、7月23日、8月26日测试日下，随着放牧强度的增大，Chl a呈现出先下降后升高再下降的变化趋势；Chl b的变化趋势与Chl a的相似；类胡萝卜素含量却呈现出随着放牧强度的增大而增大的趋势。相同放牧强度下，被采食羊草的光合色素含量均低于未被采食羊草的。

生长季被采食后羊草叶片的Chl a含量变化为0.95～1.41mg/g FW，Chl b含量变化为0.24～0.47 mg/g FW，类胡萝卜素的变化在0.15～0.46mg/g FW；范围较未被采食羊草叶片光合色素范围窄。

表1 不同放牧强度下未被采食羊草的光合色素Table 1 The variations of photosynthetic pigments of ungrazed Leymus chinensis at different grazing intensities mg/g FW

图1 不同放牧强度下未被采食羊草的叶绿素a/b和叶绿素a＋b的含量Fig.1 The variations of the ratio of Chorophyll a/b，total content of Chorophyll a＋b of ungrazed Leymus chinensis at different grazing intensities

表2 被采食羊草的光合色素Table 2 The changes of photosynthetic pigments of grazed Leymus chinensis mg/g FW

图2 不同放牧强度下被采食羊草叶片叶绿素a/b与叶绿素a＋b的含量Fig.2 Changes of the ratio of Chorophyll a/b，the total content of Chorophyll a＋b of grazed Leymus chinensis at different grazing intensities

被采食羊草叶片中Chl a/b的比值随着放牧强度的增大呈先下降后升高的趋势；整个测试期间，其比值为2.8～4.0；其中8月26日的值最大。被采食羊草Chl a＋b含量随着放牧强度的增大而降低，其变化为1.19～2.02mg/g FW；7月23日的值最高，8月26日的值最低。被采食羊草叶片光合色素在时间尺度上的变化趋势，与未被采食羊草叶片的光合色素相似；但在每一个测试点，被采食羊草叶片与未被采食羊草叶片光合色素随着放牧强度的变化趋势不同。

2.3 放牧强度下未采食与采食羊草叶片光合色素的比较

分析不同的放牧强度（R）和放牧季节（测试时间）对叶绿素的影响，结果表明，6个放牧强度下的未被采食和被采食羊草叶片叶绿素a、b及类胡萝卜素之间差异显著。6月26日，未被采食羊草与被采食后羊草叶绿素a之间达到极显著差异（P＜0.01），说明家畜采食对羊草叶片叶绿素含量有明显的影响。7月23日相同放牧强度下未采食与采食后羊草叶片叶绿素不存在显著差异（P＞0.05），可能是在生长盛期原因。8月26日相同放牧强度下未被采食与被采食后羊草叶片叶绿素也达到极显著差异（P＜0.01）。通过球形检验的结果（P＜0.05），说明3个重复测定时间的叶绿素a、b及类胡萝卜素间存在高度的相关性。采用Greenhouse－Geisser的校正结果，主体内（within－subject）变异部分的计算结果显示，测试时间有统计学意义（P＜0.05），说明未被采食与被采食羊草叶片的光合色素有随着时间变化的趋势；且放牧强度和放牧季节的交互作用也有统计学意义（P＜0.01），说明放牧强度因素的作用随着时间的不同而不同；并且每一时间点上各放牧强度处理下的光合色素之间均存在显著差异（P＜0.05），即表明了放牧强度对未被采食和被采食羊草叶片的光合色素的影响显著。

3 讨论与结论

随着放牧强度的增大，未被采食羊草完整叶片的Chl a、Chl b含量降低，类胡萝卜素先下降后升高；而被采食后羊草叶片Chl a、Chl b呈下降—升高—下降的变化趋势，类胡萝卜素却呈线性增长趋势。被采食羊草叶片的Chl a含量，Chl b含量和类胡萝卜素都明显低于未被采食羊草叶片。在测试期间，二者的Chl a/b的比值存在差异变化；说明羊草叶片的光合色素受到家畜采食活动干扰的影响，而且吸收光能的Chl a的含量比重也发生改变。在生长季中，未被采食与被采食羊草叶片的光合色素均随着时间变化而变化，放牧强度的作用随着时间的不同而不同。同时，每一时间点上各放牧强度处理下的叶绿素之间均存在显著差异（P＜0.05）。

由于持续放牧的影响，放牧强度的增加；导致土壤含水量下降，土壤容重增大，土壤营养物质降低，草地发生退化［18，19］，进而植物的营养物质和水资源供给受到一定的抑制。因此，放牧胁迫下，羊草生长缓慢，叶片破损、变黄、死亡、脱落；即使叶片不脱落，叶片内部承担光能吸收、传递和转化的光合色素也会发生降解（如部分Chl a转化为Chl b或叶黄素）［8，10］。此次研究结果与以上研究结论一致，体现了采食后，受损的羊草叶片并未出现刺激叶绿素的合成以及叶绿素含量升高的现象；而是随着放牧强度的增大，羊草的光合色素受到抑制。Na等［20］认为叶绿素含量也不会随环境胁迫的变化而变化。本研究与以上结论存在差异的原因，可能是不同物种之间光合色素本身存在差异；且各物种对环境胁迫的敏感性不同。同时，杜占池等［21］，安渊［22］在内蒙古草原对羊草、大针茅的研究发现，轻度放牧后叶绿素水平下降一半，且羊草叶绿素含量的变化较大针茅敏感。

［1］唐华俊，辛晓平，杨桂霞，等.现代数字草业理论与技术研究进展及展望［J］.中国草地学报，2009，31（4）：1－8.

［2］潘瑞炽.植物生理学（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2001：57－66.

［3］刘振琦，刘振业，马达鹏，等.水稻叶绿素含量及其与光合速率关系的研究［J］.作物学报，1984，10（1）：57－64.

［4］王德利，王正文，张喜军.羊草两个趋异类型的光合生理生态特性比较的初步研究［J］.生态学报，1999，19（6）：837－843.

［5］张秋英，李发东，刘孟雨.冬小麦叶片叶绿素含量及光合速率变化规律的研究［J］.中国生态农业学报，2005，13（3）：95－98.

［6］张秋英，李发东，高克昌，等.水分胁迫对冬小麦光合特性及产量的影响［J］.西北植物学报，2005，25（6）：1184－1190.

［7］许大全.叶绿素含量的测定及其应用中的几个问题［J］.植物生理学通讯，2009，45（9）：896－898.

［8］程林海，李占林，高洪文.水分胁迫对白羊草光合生理特性的影响［J］.中国农学通报，2004，20（6）：231－233.

［9］李林芝.呼伦贝尔草甸草原不同土壤水分梯度下羊草光合生理特性研究［D］.兰州：甘肃农业大学，2010.

［10］林栋，马晖玲，吕世海，等.华北山地阳坡中生灌草群落植被光合差异性研究［J］.甘肃农业大学学报，2009，44（2）：122－125.

［11］赵玉红，张涪平.轻度遮阴对紫羊茅生长和叶绿素含量的影响［J］.草原与草坪，2009（6）：24－27.

［12］刘金祥，谭杏婵，刘家琼.高温胁迫对香根草含水量、膜透性、脯氨酸和叶绿素含量的影响［J］.草原与草坪，2005（6）：58－61.

［13］王静，杨持，王铁娟，等.冷蒿种群在不同放牧干扰下叶绿素，可溶性糖的对比研究［J］.内蒙古大学学报，2005，36（3）：280－283.

［14］张宪政.作物生理研究法［M］.北京：中国农业出版社，1992：148－150.

［15］张宪政.植物叶绿素含量测定－丙酮乙醇混合液法［J］.辽宁农业科技，1986（3）：26－28.

［16］Arnon D I.Copper enzymes in isolated chloroplasts.Polyphenoloxidase inBeta vulgaris［J］.Plant Physiol，1949，24：1－5.

［17］Dale M P，Caustond D R.Use of the chlorophyll a/b ratio as a bioassay for the light environment of a plant［J］.Functional Ecology，1992（6）：190－196.

［18］戎郁萍，韩建国，王培，等.放牧强度对草地土壤理化性质的影响［J］.中国草地，2001，23（4）：41－47.

［19］Frank A B，Tanaka D L，Hofmann L，et al.Soil carbon and nitrogen of Northern Great Plains grasslands as influenced by long term grazing ［J］.Journal of Range Management，48：470－474.

［20］Na Dong－chen，Wang Wen－dou，Yang Li－jing，et al.Effect of water stress on the structure and chlorophyll content ofSedum tatarinowiiMaxim leaves［J］.Medicinal Plant，2011，2（9）：40－42.

［21］杜占池，杨宗贵.羊草和大针茅光合生态特性的比较研究［C］//草原生态系统研究 （第2集）.北京：科学出版社，1988：52－66.

［22］安渊.放牧干扰对大针茅草原生态系统的影响及其受损机理的研究［D］.呼和浩特：内蒙古大学，2000.