呼伦贝尔草甸草原3种禾草碳水化合物季节动态研究

王开丽， 杨合龙， 肖 红， 孙 伟， 戎郁萍

(中国农业大学动物科技学院， 北京100193)

贮藏碳水化合物(主要指可溶性糖类和淀粉)是植物储藏在根系和茎基部的光合产物[1-2]，对多年生草本植物生命代谢[3-4]、再生[5-7]、休眠期维持呼吸[4,6]、翌年萌发[7-10]以及逆境适应[3,11]等方面有重要作用。还原性糖属可溶性糖，是植物再生直接利用的底物和生长指示剂[3,12]。淀粉是植物长期贮存的主要物质，在植物的生长、发育和生殖等中起作用[13]。多年生牧草中贮藏碳水化合物含量与遗传、环境、生长时期和器官等因素密切相关[14-17]。许志信和白永飞等对内蒙古典型草原[12,18-19]与草甸草原[8,20-21]牧草的贮藏碳水化合物季节变化规律、分布部位及对刈割的响应等进行了大量研究，认为大部分牧草在返青期消耗碳水化合物，在分蘖期和枯黄期前积累贮藏碳水化合物，根系和茎基部是牧草贮藏碳水化合物的主要器官。呼伦贝尔草甸草原是我国温带草原的主要类型之一，原生植被保存完好、生物多样性丰富[22]。有关该区域植物碳水化合物季节变化及在植株各部位分配规律的系统报道较少。本研究以呼伦贝尔草甸草原中的羊草(Leymuschinensis)、无芒雀麦(Bromusinermis)和糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)为研究对象，分析不同植物、不同部位间碳水化合物含量差异及其季节变化规律，为该地区的草原生产利用、家畜放牧饲养策略、草场管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于内蒙古呼伦贝尔市海拉尔特尼河9队(49°20′～49°26′ N，119°55′～120°9′ E，海拔628～649 m)。温带大陆性季风气候，年降水量350～410 mm，6-9月降水量占全年的75%，年平均气温-1℃，极端最高最低气温可达40.01℃，-48.5℃，≥10℃的年积温为1780～1820℃，无霜期90～115 d。土壤为黑钙土或暗栗钙土，土层厚30～40 cm，有机质含量5.1%。羊草-贝加尔针茅草甸草原，主要植物有：羊草、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、日荫菅(Carexpediformis)、糙隐子草、裂叶蒿(Artemisiatanacetifolia)、细叶白头翁(Pulsatillaturczaninovii)、斜茎黄芪(Astragalusadsurgens)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)等。草地长期用作打草场，2015年始进行围栏封育。1998年补播无芒雀麦，目前主要以无芒雀麦、羊草为优势种。

试验区2015年和2016年平均气温与常年平均(1951—2016)基本一致，分别为0.2℃，-0.7℃，年降水量低于常年平均，分别为226.1 mm，287.0 mm(图1)，2016年6—8月降水量比2015年降低23%，9月降水偏高，达83.5 mm。

图1 试验区月降水量与月平均气温Fig.1 Monthly precipitation and monthly mean air temperature at the experimental area

1.2 样品采集与分析

2015年7月—2016年9月，分9次(2015年8月1日、8月26日、10月1日，2016年4月30日、5月28日、6月29日、7月31日、8月29日、9月15日)随机选长势一致的羊草、无芒雀麦和糙隐子草各20株，用铁锹将植物挖出，清洗干净，每10株植物混合成1个样品，分成地上部(茎叶)、茎基部(分蘖节)和根部3部分，105℃下杀青0.5 h后，65℃下烘干72 h。将烘干后的植物样品粉碎过100目筛，测定碳水化合物含量。可溶性糖、还原糖含量分别参照张志良的蒽酮比色法、3,5-二硝基水杨酸法进行测定[23]，淀粉含量参照高俊凤的蒽酮比色法进行测定[24]。2015年7—9月未测定植物茎基部碳水化合物。

1.3 数据分析

生长期、植物种、组织器官等对碳水化合物含量的影响做多因素及单因素方差分析(ANOVA)，并进行多重比较(Duncan)，显著性检验水平为0.05。统计分析软件为SPSS 21.0，作图软件为Excel 2016与R 3.4.3(ggplot2包)。

2 结果与分析

2.1 地上部碳水化合物的季节变化

2015年7月—2016年9月，植物地上部碳水化合物含量随季节变化显著(P<0.05)(图2)。2015年植物可溶性糖与淀粉含量随生长时期降低，9月枯黄期最低(可溶性糖1.96%～9.27%，淀粉0.51%～2.07%)，还原糖含量生长季增加，9月最高(0.42%～1.23%)。2016年4月返青时，各植物碳水化合物含量最低，表现为羊草(0.44%～2.12%)>无芒雀麦(0.37%～1.59%)>糙隐子草(0.23%～1.06%)，随后增加，羊草与无芒雀麦还原糖(2.22%和2.32%)和淀粉含量(2.60%和3.39%)分别在6月达到最高值，可溶性糖含量则在8月最高(9.44%和16.17%)。糙隐子草的碳水化合物含量7月最高，还原糖、可溶性糖和淀粉含量分别为2.55%，4.28%和1.41%。

碳水化合物含量年际间差异较大，2016年，7—8月可溶性糖含量与还原糖含量显著高于2015年(P<0.05)，淀粉含量显著低于2015年(P<0.05),9月碳水化合物含量显著低于2015年(P<0.05)。

图2 羊草(Leymus chinensis)、无芒雀麦(Bromus inermis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)地上部还原糖(a)、可溶性糖(b)与淀粉(c)含量的季节动态变化Fig.2 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the aboveground of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.2 茎基部碳水化合物的季节变化

2016年4月-9月，植物茎基部碳水化合物含量随季节变化显著(P<0.05)(图3)。羊草和无芒雀麦4月底返青后可溶性糖与淀粉含量降低，可溶性糖含量在5月最低羊草1.15%>无芒雀麦0.86%，8月最高羊草4.81%<无芒雀麦7.25%；淀粉(羊草为2.06%，无芒雀麦为3.36%)和还原糖含量(羊草为0.62%，无芒雀麦为0.96%)均为6月最高。糙隐子草碳水化合物含量返青期开始上升，还原糖和淀粉含量7月最高，为0.72%和1.10%，可溶性糖8月最高，为2.05%。

图3 羊草(Leymus chinensis)、无芒雀麦(Bromus inermis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)茎基部还原糖(a)、可溶性糖(b)与淀粉(c)含量的季节动态变化Fig.3 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the stem base of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.3 根部碳水化合物的季节变化

2015年7月—2016年9月，植物根部的碳水化合物含量随季节变化显著(P<0.05)(图4)。2015年各植物可溶性糖与淀粉含量先降低后升高，还原糖变化不一致，糙隐子草碳水化合物含量7月最高(还原糖0.55%，可溶性糖4.15%，淀粉1.19%)。2016年各植物碳水化合物含量变化趋势与茎基部一致。4月底返青后，羊草和无芒雀麦的可溶性糖与淀粉含量降低，到5月最小，其中可溶性糖含量为羊草(1.53%)>无芒雀麦(0.96%)，淀粉含量为羊草(1.95%)>无芒雀麦(0.65%)。还原糖(羊草0.59%<无芒雀麦0.70%)和淀粉(羊草3.01%<无芒雀麦5.80%)含量在6月最高，可溶性糖8月最高(羊草4.21%<无芒雀麦6.32%)。糙隐子草的还原糖和淀粉含量7月最高，分别为0.63%和0.96%，可溶性糖8月最高，为1.56%。

2016年7—9月的碳水化合物含量比2015年平均降低28.8%，年际间差异较大；7—8月各植物的还原糖含量显著高于2015年(P<0.05)，可溶性糖含量与淀粉含量显著低于2015年(P<0.05)，9月各碳水化合物含量均显著低于2015年(P<0.05)。

图4 羊草(Leymus chinensis)、无芒雀麦(Bromus inermis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)根部还原糖(a)、可溶性糖(b)与淀粉(c)含量的季节动态变化Fig.4 Seasonal dynamics of reducing sugar (a),soluble sugar (b),and starch (c) contents in the root of Leymus chinensis,Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa

2.4 植物间碳水化合物含量差异及在器官间的分配策略

不同植物及植物各部位碳水化合物含量差异显著(P<0.05)。主要生育期的多重比较(图5)结果显示，羊草茎基部与根部的碳水化合物(多为可溶性糖与还原糖)含量显著小于无芒雀麦(P<0.05)，地上部的碳水化合物(多为淀粉)含量显著大于无芒雀麦(P<0.05)；糙隐子草的可溶性糖与淀粉含量在3个部位中均显著小于羊草和无芒雀麦(P<0.05)。除羊草和无芒雀麦可溶性糖在返青期主要分配在根部外，3种禾草的还原糖和可溶性糖主要分配在地上部；羊草与无芒雀麦的淀粉主要分配在根部，糙隐子草的淀粉主要分配在地上部。3种碳水化合物组分在植物体中的含量差异显著(P<0.05)，以可溶性糖含量最大，淀粉次之，还原糖含量最小。

图5 不同生育期羊草(Leymus chinensis,)、无芒雀麦(Bromus inermis)和糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)还原糖(a,b,c)、可溶性糖(d,e,f) 及淀粉(g,h,i) 含量在地上部(第一列a,d,g)、茎基部(第二列b,e,h) 和根部(第三列c,f,i) 的差异Fig.5 Differences in reducing sugar (a,b,c),soluble sugar (d,e,f),and starch (g,h,i) contents of the aboveground (the first column a,d,g),stem base (the secend column b,e,h),and root (the third column c,f,i) of Leymus chinensis, Bromus inermis,and Cleistogenes squarrosa during different growth period

3 讨论

3.1 碳水化合物的季节动态规律

多年生牧草贮藏碳水化合物含量的动态变化与牧草对营养物质的利用与积累有关。禾草贮藏碳水化合物含量的季节变化多呈“降低-升高-再降低-再升高”趋势[12,25]，即返青初期含量较高，分蘖期含量增加到峰值，开花结实期降至最低点，之后增加以满足牧草冬季生存及翌年返青的需要。本研究中羊草和无芒雀麦茎基部与根部的可溶性糖及淀粉含量变化符合上述规律，但还原糖含量及地上部各碳水化合物含量返青期无降低趋势，主要由于4月底牧草开始返青时，无光合作用能力或光合作用较弱，主要靠消耗贮藏碳水化合物的方式进行萌发生长，茎基部与根部的可溶性糖与淀粉被分解消耗，因此，还原糖含量增加，地上部碳水化合物也得到补充。糙隐子草的贮藏碳水化合物并未下降的原因可能是糙隐子草为丛生型，根系贮藏碳水化合物较少[25]，返青较早，在此时植株已经进入分蘖期[8]，碳水化合物逐渐积累。此外，糙隐子草生长高峰期未消耗贮藏碳水化合物，可能是由于其生长缓慢对同化物需求较少[21]，光合产物足够支持生长需要[12]。羊草与无芒雀麦有“单峰”或“双峰”变化，未出现许志信等[8,21]研究的“多峰”变化，可能是年际间气候环境等条件存在差异或取样间期(其间隔期15 d)内环境的变化导致碳水化合物的消耗与贮藏差异。

牧草碳水化合物含量的季节动态不仅与植物本身的生育期及生物学特性有关，还与年际气候环境有关。低温、干旱等逆境条件下，可溶性糖含量增加[3,26]，2016年7—8月降雨少，干旱导致植株的可溶性糖含量与还原糖含量显著高于2015年，而根部的贮藏碳水化合物积累较少，显著低于2015年，干旱年份草地植物根部碳水化合物贮藏水平低，影响植物越冬，因此草地应降低载畜率或提前休牧等。9月枯黄期，禾草地上部分开始衰老，淀粉分解为可溶性糖逐渐转移到根部，再合成淀粉贮藏在根部[27]；而可溶性糖对维持细胞膜稳定性、提高牧草植物的抗寒与越冬能力具有重要作用[28-29]。加之2016年9月降雨量高，温度适宜，植株出现再生长现象，消耗根部和茎基部贮藏碳水化合物。此外，2016年9月取样时间早于2015年，植物根部和茎基部碳水化合物较低。

3.2 植物及植物不同部位碳水化合物含量差异

在本研究中，禾草的还原糖主要分配在地上部，这可能是由于还原糖经常处于被利用状态，植物合成后就近贮藏，就近利用[19]。植物的地上部可溶性糖含量高，主要由于地上部是植物进行光合作用的活跃部位，合成的碳水化合物首先满足自身生长需要，尔后以可溶性糖(蔗糖)形式运输到植物的其它组织器官[30]。与白永飞等[19]研究的秋季碳水化合物主要分布在茎基部和根部存在差异，可能是他们的研究地点更加干旱，多年生植物的地下器官和茎基部相对于地上部生长更加旺盛，是贮藏营养物质的主要器官。此外，2016年9月水热较充足，牧草再生长，消耗碳水化合物，可溶性糖向地上部输送，地上部分配较多。淀粉是较稳定的贮藏碳水化合物，在器官中的分配主要与牧草的株丛类型及繁殖策略有关，羊草和无芒雀麦属根茎型禾草，以无性繁殖为主，每年的大量分蘖中，生殖枝所占比例很低，将淀粉主要贮藏在其根部，对其繁殖和扩张具有重要意义，糙隐子草是丛生型禾草，进行无性繁殖的同时，也产生大量种子进行有性繁殖，淀粉主要分配在其地上部种子当中[25]。

根系强大是植物抗旱性强的重要原因之一[31]，根系可溶性糖含量越高，植株抗逆性越强[3]，无芒雀麦抗旱性强于羊草[32]，因此根系可溶性糖含量(包括还原糖)更高。糙隐子草的可溶性糖含量和淀粉含量在各器官中都显著低于羊草和无芒雀麦，可能由其生物学特性决定，羊草和无芒雀麦为高大型根茎禾草，糙隐子草为矮小型丛生禾草，生物量低，合成的碳水化合物含量少[19]；此外，羊草和无芒雀麦较高的可溶性糖含量可能与对该地区干旱与寒冷环境的生态适应有关[30]。糙隐子草还原糖的波动范围大于羊草和无芒雀麦，说明糙隐子草对还原糖的利用与消耗最活跃，其光合作用合成的碳水化合物多用于维持生长发育。不同牧草碳水化合物含量的差异说明遗传特性导致的生理生化代谢及物质积累速率不同[33]。

4 结论

呼伦贝尔草甸草原羊草与无芒雀麦变化趋势一致，在返青期(4月)及开花期(7月)消耗贮藏碳水化合物，在分蘖期(6月)及结实期(8月)积累碳水化合物；糙隐子草从返青期开始即积累碳水化合物，开花期后消耗碳水化合物。糙隐子草的可溶性糖和淀粉含量显著小于羊草和无芒雀麦，羊草茎基部与根部的碳水化合物含量显著小于无芒雀麦。2016年极度干旱显著降低牧草根部碳水化合物贮藏水平，应降低草地载畜率或提前休牧。