温性典型草原羊草光合特性对模拟放牧因素分解的响应

周泽东，马晖玲，韩煦，李元恒，李西良*，李坤娜

（1. 甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；2. 中国农业科学院草原研究所，农业农村部草地生态与修复治理重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010）

草原是地球最常见的生态系统类型之一，它在全球生态、畜牧产业、人类活动方面起着重要作用，由于草原的抗干扰能力相对较弱，且恢复难度大，具有较强的脆弱性［1］。放牧是天然草原最主要的利用方式［2］，对生态系统产生了重要影响。近40 年来，由于家畜数目的激增，放牧使草地的生产力较为明显的下降，草地植被的高度、盖度、密度、多样性等均出现了变化，地上植物群落的竞争格局被重塑［3］。在放牧的影响下，土壤含水量、紧实度、pH 值等理化性质也被逐步改变，草地植被和土壤系统的协调退化致使草原的生态系统出现恶化［4］。为了缓解放牧带来的草原退化压力，进一步地提升草原生态潜力，有必要对草原的退化机制进行进一步探索。

放牧是一种复合胁迫，包括采食、践踏、粪尿返还等因素。家畜的啃食、践踏、粪便对草原植被、土壤的形态有着至关重要的影响［5］。作为自然界最重要的化学反应，光合作用决定着草地的生产力。植物的光合能力通常可以通过净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率、水分利用效率等进行衡量，土壤水分、大气条件、放牧强度均会影响植物的光合作用［6-8］。林慧龙等［9］研究指出，践踏会使土壤的颗粒朝着更粗化的趋势发展，Li 等［8］发现不同植物叶片的光合速率对放牧的响应不同，随着放牧强度的增加，牧草对光和水分的利用会产生差异。多年来，国内外研究者在放牧和牧草光合特性之间做了不少的研究，但是，对放牧因子采食、践踏、粪便对牧草的光合特性影响的具体过程的研究甚少。

因此，本研究以位于内蒙古锡林浩特的温性典型草原为例，以其建群种羊草（Leymus chinensis）为对象，通过人工刈割、踩踏、粪尿添加来模拟家畜的采食、践踏、粪便的多因子控制试验，测定羊草的生物量、表型特征及光合特性，并分析其与土壤含水量等的关系。通过研究，以期能够明确温性典型草原羊草光合特性对模拟放牧因素分解的响应，深化对放牧条件下草原植物适应规律的理解。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在中国农业科学院草原研究所草原生态保护和可持续利用研究与示范基地开展，该试验基地位于内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市朝克乌拉苏木内，地理坐标为37°40′N，102°32′E，海拔1150 m，该地区气候干旱，太阳辐射强、昼夜温差大，气候类型为中温带半干旱大陆性气候，年降水量200～300 mm，年平均气温为0.5～0.9 ℃，土壤类型属于栗钙土，土壤质地为砂壤土。植被组成主要有羊草、大针茅（Stipa grandis）、大叶唐松草（Thalictrum faberi）及糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）等多年生植物，一年生植物主要为猪毛菜（Salsola collina）、鹤虱（Lappula myosotis）等。

1.2 试验设计

试验平台始建于2017 年，该试验采用刈割、践踏、粪便、对照4 个因素，分别设置对照（CK）、刈割（mowing，MO）、践踏（trample，TR）、粪便（dung，DU）、刈割×践踏（MO×TR，MT）、刈割×粪便（MO×DU，MD）、践踏×粪便（TR×DU，TD）、刈割×践踏×粪便（MO×TR×DU，MTD）共计8 个试验处理，每个试验重复6 次，共计48个试验小区，每个小区宽3 m，长5 m，采用随机区组排列。

刈割、践踏、粪便分别代表家畜的采食、践踏和粪尿排泄。其中通过人工的定期刈割来模拟家畜的采食行为，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30 日进行3 次刈割处理，留茬高度为5 cm，为避免刈割部分带来的影响，每次需将被刈割的部分带出小区；采用人工羊蹄鞋模拟绵羊践踏，由体重60 kg 的人穿上羊蹄鞋，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30日之间每半月进行一次模拟践踏，践踏强度为32 蹄印·m-2；粪便处理则采用人工添加粪尿混合物进行模拟，根据重度放牧载畜标准和相关文献折算，每次的添加量折合风干重为65 g·m-2，于6 月1 日、7 月15 日、8 月30 日分3 次添加。

1.3 测定指标与方法

1.3.1小区内样方的测定 于2020 年8 月中旬，在每个小区中选择6 个0.5 m×0.5 m 的样方，分别测定样方内植物盖度、株高、生物量等指标。由于该试验中刈割作为放牧分解因子家畜采食行为的模拟，所以刈割处理样地的株高及生物量采用刈割后的株高和生物量。

1.3.2羊草叶片光合参数的测定 选择8 月天气晴朗的中午，采用LI-6400 便携式光合测定仪，选择长势一致、健康、叶片节位相似的羊草叶片作为测定叶片，具体为羊草植株自下而上的第3 片新叶的叶片中部。每试验小区测定5 株羊草，即5 次重复。各参数稳定后，测量结果变异率小于0.05 时记录数据，每次读取数据5次，取其平均值。测定指标分别为羊草叶片净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）、水分利用效率（water use efficiency，WUE）。

1.3.3小区土壤含水量的测定 选择8 月天气晴朗的中午，用土壤含水量测定仪在每个处理小区中随机选择2 处测定其土壤含水量。将仪器探头自然垂直插进土壤约15 cm 深，读取仪器的含水量值。

1.4 数据统计

采用Excel 2019 统计数据，SPSS 19.0 进行单因素和多因素方差分析，用Duncan 法进行多重比较，Sigmaplot14.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 放牧分解因子对羊草生物量的影响

在羊草株高方面，采食显著降低了羊草的株高（P＜0.05），而践踏和粪便处理提高了羊草的株高，但未达到显著水平；采食和践踏的交互作用显著降低了羊草的株高，处于所有处理中的最低值（P＜0.05）；采食和粪便的交互作用显著降低了羊草的株高，践踏和粪便的交互作用提高了羊草的株高，但未达到显著水平；采食、践踏、粪便三者的交互作用显著降低了羊草的株高（P＜0.05）。采食、采食和践踏的交互作用、采食和粪便的交互作用均有降低株高的趋势，与对照相比，其降幅分别为31.4%、44.2%、31.1%、43.9%（图1）。

图1 放牧分解因子对羊草生物量的影响Fig.1 The effect of grazing decomposition factors on the biomass of L. chinensis

在各处理样方内的羊草盖度统计结果显示，对照的样方内羊草盖度为38.83%；采食有降低羊草盖度的趋势，而践踏、粪便处理有提高羊草盖度的趋势，但均不显著，三者盖度分别为21.67%、39.67%、47.17%。粪便处理显著高于采食，但和践踏处理无显著差异（P＞0.05）；采食和践踏及采食和粪便的交互作用均显著降低了羊草的盖度，二者盖度分别降至19.33%、19.00%；践踏和粪便的交互作用与对照并无差异，采食、践踏、粪便三者的交互作用显著降低了羊草的盖度（P＜0.05），其盖度为17.83%，处于所有试验小区中的最低值（图1）。

在羊草干重方面，与对照相比，采食有显著降低样方内羊草干重的趋势，降幅为50.3%；践踏、粪便处理较对照有增加的趋势，但不显著，采食和践踏的交互作用下羊草的干重无显著变化；采食和粪便的交互作用显著降低了羊草的干重，降幅为41.6%；践踏和粪便的交互作用对羊草的干重无显著影响，采食、践踏、粪便三者的交互作用与对照相比显著降低，降幅为44.3%（P＜0.05）（图1）。

在多因素方差分析中显示，采食会显著影响羊草的株高、盖度和干重（P＜0.05），采食、践踏、粪便三者的交互作用对羊草性状的影响均不显著（表1）。

表1 放牧分解因子对羊草性状影响的多因素方差分析Table 1 Multivariate analysis of variance for the influence of grazing decomposition factors on the traits of L.chinensis

2.2 放牧分解因子对羊草叶片光合特性的影响

为了比较各处理下的羊草光合特性的差异，对其净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率进行了对比。结果显示，采食因子有显著提升羊草叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率的趋势，践踏、粪便、践踏和粪便的交互作用与对照相比，无显著差异，但显著低于其他处理（P＜0.05）。具体表现为，采食、采食和践踏的交互作用、采食与粪便的交互作用、采食和践踏以及粪便三者的交互作用相比对照，净光合速率各提升了72.1%、51.8%、60.3%、70.9%；气孔导度提升了157.9%、112.5%、133.2%、137.2%；胞间CO2浓度提升了32.7%、26.7%、30.5%、30.9%；蒸腾速率提升了127.8%、130.8%、142.0%、119.5%（图2）。

图2 放牧分解因子对羊草叶片光合特性的影响Fig.2 The effect of grazing decomposition factors on the photosynthetic characteristics of L. chinensis leaves

采食因子对羊草光合特性有显著影响，而粪便、践踏对羊草光合特性无显著影响（表2）。

表2 放牧分解因子对羊草光合特性影响的多因素方差分析Table 2 Multivariate analysis of variance for the influence of grazing decomposition factors on the photosynthetic characteristics of L.chinensis

2.3 放牧分解因子对羊草叶片水分利用效率的影响

在水分利用效率方面，与对照相比，采食处理显著降低了羊草叶片的水分利用效率，降幅为27.5%，践踏、粪便均与对照无显著差异，采食与践踏、采食与粪便、采食、践踏、粪便三者的交互作用与对照相比均表现出了降低的趋势，降幅分别为31.6%、39.1%、23.1%（图3）。

图3 放牧分解因子对羊草叶片水分利用效率的影响Fig. 3 Effects of grazing decomposition factors on water use efficiency（WUE）of L. chinensis leaves

2.4 株高、土壤含水量与羊草光合特性的相关性

相关性分析显示，羊草株高与叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率显著负相关，与水分利用效率显著正相关（图4）；土壤含水量与水分利用效率显著负相关，与净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率显著正相关（P＜0.05）（图5）。

图4 羊草株高与光合特性的相关性Fig.4 Correlation between plant height and photosynthetic characteristics of L. chinensis

图5 土壤含水量与羊草光合特性的相关性Fig.5 Correlation between soil water content and photosynthetic characteristics of L. chinensis

3 讨论

3.1 羊草生物量对放牧分解因子的响应

本研究表明，相对于践踏和粪尿返还，采食是放牧影响草原植物最关键的因子。总体上，采食会从多方面改变羊草的生物量，首先采食降低了羊草的高度和盖度，其次降低了羊草的干重，这与刘琼等［10］的研究结果相似，在该采食条件附近，根系生长及微生物活动均受到负面影响，致使总体生物量下降。胡柳等［11］在相似的研究中，适当减少采食的频次、增加采食后植株的高度后，羊草的生物量呈现出上升的趋势，多项研究表明，这种生物量的增加来源于植物的补偿性生长，羊草会通过增加茎的直径和叶的宽度来适应采食这种干扰，但高频率的采食会破坏羊草的分蘖过程，所以过度采食会造成羊草盖度、生物量的下降［12-14］。

家畜的践踏行为会改变草地表面土壤的粒径、紧实度、含水量、有机碳含量等理化性质［15］，进而改变植物的形态［16］。本研究中，践踏对羊草的植株高度、盖度无显著影响，这与Dunne 等［17］的研究结果相似，家畜的践踏一方面增加了凋落物与土壤的接触面积，从而加快地面凋落物的分解、促进微生物对碳的利用，使凋落物中的碳有效地转移至有机碳库，另一方面会增加可矿化土壤碳、溶解有机碳和微生物生物量碳的浓度，促进土壤中二氧化碳的快速释放，从而为异养细菌增加呼吸作用提供基质和能量，导致土壤中的细菌与真菌的比例发生变化，最终反馈于地面植被［18-19］，在该研究的践踏强度下，利于土壤微生物的生长，进而对羊草的生长产生正反馈作用。但是王炜等［16］的研究结果出现了不同，究其原因是践踏强度之间的差异，在高强度践踏下，会导致植株变矮、叶面积减小、节间和叶片缩短，进而导致牧草总生物量下降。践踏对羊草生产力的影响受践踏强度、土壤含水量、大气条件等多方面影响，因此，应进一步研究家畜践踏草地生态系统的生物和非生物效应，提出家畜践踏草地的综合治理建议。

粪便对草原的影响在传统研究中常被忽视，但最新研究表明，家畜的粪便在短时间内会增加CH4和CO2的释放，从而致使粪便斑块周围土壤的pH 值升高，最后促进土壤有机质的分解，增加土壤速效碳、速效磷的含量，最终反馈于植物体［20］。家畜粪便本身也含有大量易被分解的营养物质，所以粪便会改变土壤的营养动态［21-22］。本研究发现，粪便虽然提高了羊草的高度、盖度，但均不显著，因为粪便对植物的作用具有迟效性，这与Wal 等［23］的发现具有相似性。

采食、践踏、粪便三者之间的组合处理对牧草的生产力的影响可以是正向的，也可以是负向的，Hik 等［24］对粪便、采食与草地生产力关系的研究中发现，粪便与采食的交互作用提高了羊草的生产力。本研究发现，采食和践踏的交互作用显著降低了羊草的株高、盖度，而粪便和践踏的交互作用并未出现此现象，而采食、践踏、粪便三者的交互作用下，羊草的株高、盖度出现了下降，样方中羊草的干重也出现了下降。粪便与采食的交互处理降低了群落中羊草的生物量，采食和践踏、践踏和粪便的交互处理则对羊草的干重影响不大。说明短期内，羊草生物量的下降主要来源于采食因子。粪便添加虽会增加养分，但在短期内，采食对羊草生物量造成的影响会更加显著，而践踏、粪便对羊草群落的影响相对较小。Starr 等［25］的研究认为：粪便与采食的交互处理、粪便、采食、践踏三者的交互处理对牧草产量的提升最大，粪便与践踏的交互处理则降低了牧草的产量。说明地理位置、植物种类以及各因子施加程度的差异均会影响各放牧因子之间的交互作用。

3.2 羊草光合特性对放牧分解因子的响应

植物叶片的光合作用会显著影响植物的生产力，而植物的光合性能可以用蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、净光合速率、水分利用效率进行衡量。植物的光合能力会随着放牧强度的变化而变化，米雪等［26］以放牧时长为放牧强度梯度，结果显示，羊草的光合能力有随着放牧强度增加而增强的趋势，这是因为植物可以通过光合作用对失去的部分进行补偿性生长［21］，在本研究中，不同的放牧因子处理下，羊草叶片的光合特性显著不同，采食处理下，羊草叶片的净光合速率等光合特性均显著提升，并且采食和其他因子比如践踏、粪便或者其三者的交互作用下的羊草叶片的胞间CO2浓度、气孔导度、蒸腾速率等均有提升，说明采食刺激了羊草的补偿性生长，因为采食状态下，叶片气孔会通过调节气孔的大小来控制叶片内部与外部环境之间的气体交换，进而维持叶片的温度及水分状况，气孔导度对环境因子和叶片内部信号的响应决定着胞间CO2浓度、蒸腾速率等光合指标［27］。而践踏、粪便处理以及粪便和践踏的交互处理并未显著改变羊草的光合速率，这与Song 等［28］的研究结果相似，说明在该限制条件下，羊草叶片光合速率的改变主要来源于采食因子，这与前人的研究结果相似，高频次采食下，羊草的叶绿素合成速度会下降，气孔导度降低，最终导致蒸腾速率和净光合速率下降［29-30］。

4 结论

用人工刈割、践踏、粪尿添加来模拟家畜的采食、践踏、粪便时，羊草光合特性对放牧分解因子的响应表现出了不同程度的差异，其中采食因子带来的影响最为显著。相对而言，践踏和粪便以及二者交互作用对羊草的影响比采食弱。因此，在短期处理下，采食是放牧影响草原植物光合作用的主要因子。此外，羊草株高与叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率显著负相关，与水分利用效率显著正相关；土壤含水量与净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率显著正相关，与水分利用效率显著负相关。