不同利用方式下贝加尔针茅草原4种主要植物叶片功能性状特征

萨仁其力莫格, 荆佳强, 红 雨, 杨殿林

(1.内蒙古师范大学 生命科与技术学院,内蒙古 呼和浩特 010022; 2.农业农村部 环境保护科研监测所,天津 300191)

植物叶片功能性状(leaf traits)是表征生态系统功能的关键指标,在物种与环境协同进化过程中,植物叶片功能性状能够很好地表征植物对资源的获取和利用效率,从而反映植物生长策略[1]。比叶面积(specific leaf area,SLA)是重要的叶片结构型性状之一,以新鲜叶的单位面积除以它的烘干质量来表示[2]。研究表明,比叶面积对外界干扰很敏感且可塑性大,是植物与环境相互作用研究中的首选指标。植物在资源缺乏的环境中,为防止自身水分和营养物质的流逝,提高叶片密度和干物质含量,缩小比叶面积来适应环境变化[3],资源丰富的环境中植物生长旺盛,比叶面积较大[4]。但也有些研究认为,环境干扰下,植物为获取更多的养分,提高比叶面积和叶绿素含量来适应环境变化[5]。植物叶绿素含量(leaf chlorophyll content)是叶片生理性状之一,与光合速率密切相关,植物叶绿素含量的高低直接影响光合作用[6]。植物光合能力主要与叶片N含量有关[7],研究表明叶片光合速率的光饱和率和N含量有较强的正相关关系,比叶面积较大的物种具有高的光合N素利用率,因此光合N利用效率与一系列决定植物生长发育的叶性状有关[8]。

草原生态系统是一种重要的可再生资源,具有广泛的生产和利用价值,但目前全球草原生产量不断降低[9],草地退化现象仍在继续扩大和加剧。研究指出,过度放牧、大量收获牧草等不合理的利用方式是导致草地退化、生产力下降的主要原因。合理的管理策略、草原生产力的提高是草地生态学的核心问题[10]。Wright等[11]总结了全球范围内175个地点植物叶性状数据表明,植物比叶面积、叶片N含量和净光合速率是导致植物叶性状差异的主要原因。植物比叶面积和叶绿素含量是重要的叶性状,其变化特征对生态学研究至关重要[11-12]。近年来植物功能性状与环境变化(主要是气候、降水量、地理空间变异等)之间的研究不断拓展[12],但草地不同利用方式对植物叶性状的影响研究还未得到清晰的认识。本研究以贝加尔针茅草原为研究对象,研究围封、放牧、刈割3种利用方式下,贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4种主要植物比叶面积、叶绿素含量变化特征及与叶片N、P元素和土壤因子的相关关系。为掌握不同利用方式下,草原植物功能性状响应的潜在机制,实现合理的放牧制度和优化生产力提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗伊敏镇境内,地处北纬48.27°～48.35°,东经119.35°～119.41°,海拔760～770 m,年平均降水量328.7 mm,年平均蒸发量1 478.8 mm,年平均气温-2.4～2.2 ℃,年平均风速4 m/s,属半干旱大陆季风性气候。植被类型为贝加尔针茅草甸草原,共有植物66种,分属21科49属。常见植物为贝加尔针茅、羊草、扁蓿豆、羽茅、日荫菅 (Carexpediformis)、肾叶唐松草(Thalictrumpetaloideum)、寸草台(Carexpediformis)、祁州漏芦(Rhaponticumuniflorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 试验地设在贝加尔针茅草原典型地带,围封样地于2010年设立围栏区,围栏样地面积约10 hm2,围栏内禁牧,围栏外自由放牧。经调查放牧家畜为呼伦贝尔肉用羊,放牧压力为过度放牧,即6只羊/hm2,全年放牧。刈割样地采用1年1次刈割方式,留茬10 cm。围封、放牧、刈割样地间的植被、土壤、地形条件以及利用年限一致。各选择3个100 m×100 m围栏草地、围栏外自由放牧草地及刈割草地设置为监测样地。

表1 不同利用方式下土壤理化性质的测定Tab.1 Determination of physical and chemical properties of the experimental soil under different utilization modes

1.2.2 样品采集 2019年8月初在围封,放牧,刈割3种样地内进行了植物和土壤样品采集。此时贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆,4种植物已经完成叶片形态建成,生育时期为营养生长盛期至初花期。每个样地内各随机挑选贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4种主要植物,挑选生长无隐蔽生境的、生长良好的植株,每个物种收集30株,装入样品保温箱带回实验室,其中15株低温保存用于测定叶绿素含量和叶片N、P含量,另15株用于测定比叶面积。同期每个样地内按照S取样法选取20个点,用直径为5 cm的土钻分别取0～10 cm 土层土壤样品,采用“四分法”选取1 kg土样,去除杂物装入无菌自封袋中带回实验室,在室内自然风干后研磨过筛,用于土壤有机C、全N、全P含量的测定和分析。

1.2.3 测定方法 挑选健康新鲜叶片,采用叶面积仪测定植物叶面积。叶绿素含量测定; 挑选新鲜叶片用去离子水冲洗干净,称取0.5 g新鲜叶片,用80%丙酮提取法提取叶绿素,分光光度计分别测定663 nm和649 nm 波长下的溶液吸光度,测定完叶绿素含量把剩余的新鲜叶片105 ℃烘干30 min后,65 ℃烘干24 h并进行研磨,过0.25 mm筛,称取0.1 g叶片样品,用于测定叶片全N、全P含量。采用元素分析仪测定叶片全N含量,叶片全P含量采用浓硫酸-过氧化氢比色法测定。叶片扫描仪测定比叶面积并将测定完的叶片105 ℃ 烘干30 min后,65 ℃烘干至称重。土壤全N含量采用凯氏法消煮法和流动分析仪(AA3,Bran+Luebbe Crop,德国)测定。土壤全P含量采用高氯酸-硫酸消煮法和外分光光度计测定[13]。土壤铵态氮、硝态氮含量采用氯化钙浸提法和流动分析仪测定。按照以下公式计算比叶面积和叶绿素含量:

S=U/D,

(1)

Ca=12.7OD663-2.96OD645,

(2)

Cb=22.9OD645-4.68OD663,

(3)

C=Ca+Cb。

(4)

其中:S表示比叶面积,单位为m2/kg,U为单位叶片面积,单位为m2,D为叶片干重,单位为kg;Ca和Cb分别表示叶绿素a和叶绿素b的质量浓度,单位为g/kg;OD663和OD645分别是叶绿素提取液在波长663 nm、645 nm波长下的吸光度。

1.2.4 数据统计与分析 利用SPSS 22.0单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD法,对不同利用方式下植物比叶面积和叶绿素含量进行差异性检验。植物叶片比面积和叶绿素含量与叶片N、P、N∶P、土壤因子之间的相关性采用Pearson相关分析。利用Origin 2018和Excel 2018制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式下4种主要植物比叶面积和叶绿素含量特征

围封、放牧、刈割不同利用方式下,贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4种植物比叶面积变化显著,如图1所示。

图1 不同利用方式下植物比叶面积和叶绿素含量的测定Fig.1 Determination of specific leaf area and chlorophyll content of plants under different utilization modes注: 不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05)。

由图1可知,贝加尔针茅比叶面积表现为放牧>刈割>围封,其中放牧与刈割和围封之间差异显著(P<0.05),刈割和围封差异不显著。羊草和羽茅比叶面积表现为放牧>围封>刈割,其中羊草比叶面积,放牧与围封和刈割差异显著(P<0.05),围封与刈割差异不显著,羽茅比叶面积放牧和围封与刈割差异显著(P<0.05)。扁蓿豆比叶面积表现为刈割>放牧>围封,均差异不显著。不同利用方式下4种植物叶绿素含量有相似的变化特征,贝加尔针茅和羊草叶绿素含量变化为放牧>刈割>围封,其中放牧与刈割和围封之间差异显著(P<0.05),刈割和围封差异不显著。羽茅和扁蓿豆叶绿素含量变化表现为放牧>围封>刈割,其中放牧与围封和刈割差异显著(P<0.05),围封和刈割差异不显著。

2.2 不同利用方式下4种主要植物叶性状之间的相关关系

围封、放牧、刈割不同利用方式下,贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4种植物比叶面积与叶片叶绿素含量、N、P、N∶P相关性分析表明(表2),贝加尔针茅比叶面积与叶绿素含量、叶片N呈极显著正相关关系(P<0.01),与叶片N∶P呈显著正相关关系(P<0.05)。羊草比叶面积与叶绿素含量呈极显著正相关关系(P<0.01),与叶片N、N∶P呈显著正相关关系(P<0.05)。羽茅比叶面积与叶绿素含量呈显著正相关关系(P<0.05),扁蓿豆叶片比叶面积与叶绿素含量、叶片N、P、N∶P均无相关关系。

不同利用方式下4种植物叶绿素含量与叶片N、P、N∶P含量的相关性分析表明(表2),贝加尔针茅和羽茅叶绿素含量与叶片N、N∶P呈显著正相关关系(P<0.05)。羊草叶绿素含量与叶片N呈显著正相关关系(P<0.05),与叶片P呈极显著正相关关系(P<0.01)。扁蓿豆叶绿素含量与叶片N、N∶P呈极显著正相关关系(P<0.01),与叶片P呈显著负相关关系(P<0.05)。

表2 植物叶性状之间的相关性的测定Tab.2 Determination of correlation between leaf traits of plants

2.3 4种主要植物叶性状与土壤理化特征相关关系

贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆叶性状与土壤因子相关性表明(表3),贝加尔针茅比叶面积与土壤硝态氮呈极显著正相关关系(P<0.01),叶绿素与土壤硝态氮呈显著正相关关系(P<0.05)。羊草比面积与硝态氮呈极显著正向关系(P<0.01),叶绿素与土壤硝态氮呈极显著正相关关系(P<0.01),羽茅叶绿素与土壤硝态氮呈极显著正向关系(P<0.01),扁蓿豆叶绿素含量与硝态氮呈极显著正相关关系(P<0.01)。4种植物叶绿素与比叶面积与土壤全N、全P、铵态氮、N∶P无显著相关性。

表3 植物叶性状与土壤理化特征相关性的测定Tab.3 Determination of correlation between leaf traits and soil physical and chemical properties of plants

3 讨论与结论

草地利用方式对植物的生态功能和进化有重要的影响,而植物对利用方式的干扰有足够的抵抗性和适应性,植物对环境干扰的适应能力,在生理和形态特征方面表现的最为明显。比叶面积作为重要的结构型性状,可以表征植物的资源获取能力[13]。本研究发现,放牧处理下贝加尔针茅和羊草比叶面积均显著高于围封和刈割处理。贝加尔针茅比叶面积放牧处理与围封和刈割相比分别增加1.47倍和1.26倍,羊草比面积分别增加1.23倍和1.38倍。放牧处理下羽茅和扁蓿豆的比叶面积高于围封和刈割,但没有达到显著水平,可以说明放牧处理增加植物比叶面积,这与Cruz等[14]连续15年在巴西西南部草原放牧条件下,植物比叶面积显著大于围封结果相似,并表明长期放牧干扰下植物通过提高比叶面积获取更多的光合资源。齐丽雪等[15]研究也发现放牧地植物比叶面积大于潜耕翻、切根、围封3种恢复措施下的植物比叶面积,说明在放牧干扰下植物的资源获取能力有所增加,表现出快速资源获得型策略[16]。光合作用是植物的生长发育最基本保障,其叶绿素含量的大小直接反应植物对环境变化的适应潜力[17]。本研究发现放牧显著增加了4种植物叶绿素含量,放牧处理与围封和刈割处理相比,贝加尔针茅叶绿素含量增加了1.37倍和1.23倍,羊草叶绿素含量增加了1.71倍和1.62倍,羽茅叶绿素含量增加了1.44倍和1.70倍,扁蓿豆叶绿素含量增加了1.34倍和1.32倍,表明4种植物叶绿素含量对放牧处理的响应,均呈现相同的显著增加趋势,此结果与张子荷等[18]研究结果相似,主要原因是放牧过程中被采食或践踏的植物为了尽快恢复正常生长,提高现有的和再生叶片的光合能力,为自身生长提供充分的营养物质[19]。另一方面牲畜的采食去除了失去光合能力的病老叶片,为新生叶片提供了光合作用的条件[20]。相关研究也表明植物比叶面积和叶绿素含量存在正相关关系,随比叶面积的增加,叶绿素含量增加[21]。与围封相比刈割处理,除羽茅比叶面积显著降低(P<0.05)以外,贝加尔针茅、羊草、扁蓿豆的比叶面积、叶绿素含量均没有显著变化,这与张璐等[22]研究结果相似,刈割对植物性状的影响小于放牧。植物光合过程中N元素是合成蛋白质和叶绿素的必需元素,赵威等[19]研究也发现,刈割对净光合速率影响较弱,只持续24～48 h,因此刈割处理下植物叶绿素含量比较稳定。大约75%的叶片有机N存在于叶绿体中[23],叶片N含量与叶绿素含量存在很强的正相关关系,N利用效率越大,植物光合速率越强,而比叶面积越大,植物的净光合速率和叶片的含N量越高[24]。本研究发现,植物比叶面积、叶绿素含量、N、N∶P之间存在正相关关系,但物种之间存在差异。这与前人的研究相似,草本植物之间N利用效率存在差异[25],因此这有可能是导致物种之间叶片N含量与叶绿素含量、比叶面积相关性存在差异的主要原因。

土地利用方式会引起植物形态变化,植物性状在放牧处理的响应很大程度上受土壤养分等可利用性资源的影响,而这些植物的变化反过来又会影响土壤因子[26]。本研究发现植物比叶面积、叶绿素含量与土壤因子有一定程度的相关性,尤其是贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆的叶绿素含量与土壤硝态氮呈极显著相关关系(P<0.01),贝加尔针茅、羊草比叶面积与土壤硝态氮呈极显著正相关关系(P<0.01),羽茅、扁蓿豆比面积与土壤硝态氮呈显著正相关关系(P<0.05)。土壤硝酸盐和氨酸盐是植物从土壤中吸收无机氮的主要来源,当植物根系吸收大量的硝酸根时,大部分分配到叶组织中还原,硝酸根对植物叶片大小、营养物质的调控起重要作用[27],因此植物比叶面积、叶绿素含量与土壤硝态氮密切相关。植物与土壤养分循环是一种复杂的过程,植物比叶面积和叶绿素含量与土壤因子之间的相关关系还需进一步研究。

综上所述,围封、放牧、刈割3种不同利用方式显著改变了贝加尔针茅、羊草、羽茅、扁蓿豆4种植物叶片功能性状,放牧提高了植物比叶面积和叶绿素含量,表明放牧干扰下4种植物调整自身的叶片性状来主动适应放牧干扰,与放牧环境协同进化,而刈割对植物比叶面积、叶绿素含量的影响较弱。植物比叶面积和叶绿素含量与叶片N、N∶P和土壤硝态氮密切相关,但不同物种之间相关性存在差异。