典型草原植物养分对生长季不同放牧强度的动态响应

侯东杰，郭 柯

(1.内蒙古农业大学，草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 2.中国科学院植物研究所，植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093)

草原生态系统是中国重要的陆地生态系统之一，受到人类活动强烈的影响[1]，其中放牧是草原生态系统最主要的利用方式之一[2]。近几十年里不断增加的家畜数量以及不合理的放牧制度导致许多区域的草原生态系统产生不同程度的退化[1]，主要表现为土壤理化性质[3-4]和植物群落物种组成发生改变[5-6]、群落生产力降低等[7-8]。放牧通过践踏和啃食作用损伤和破坏植物地上组织[9]，还通过改变土壤物理性质[3]、加速枯落物分解和粪尿归还等生态过程直接或间接改变养分循环过程[10-11]。这些变化直接影响植物养分吸收并导致植物养分适应策略的调整[12]。因此，准确掌握放牧过程中植物养分动态是阐明草原生态系统退化机制的关键之一。

氮(Nitrogen，N)和磷(Phosphorus，P)是植物生长和发育必须的营养元素，也是草原生态系统中主要的养分限制元素[13]，化学计量学的兴起为研究生态系统过程中多元素间的动态平衡提供了有效的工具[14]。生长季放牧是中国草原生态系统主要的放牧方式之一，长期放牧影响下植物养分特征及养分适应策略的影响也成为当前研究的热点[12,15-17]。然而植物养分(主要是N和P)对长期放牧的响应仍具有争议性[18-20]，有研究结果显示34年放牧后植物N和P浓度显著提高[19]；也有研究结果指出4年放牧后植物N和P浓度无显著变化[20]。放牧持续时间是影响植物养分浓度随放牧变化的关键因子之一[21]，并进一步影响植物对放牧的养分适应策略。与长期放牧相比，在生长季放牧中家畜不断践踏损伤和啃食植物茎叶组织[9]。植物通过补偿生长作用对放牧具有迅速且敏感的响应[22-23]，在此过程中植物养分动态及适应策略具有怎样的特征，目前缺乏系统的研究。阐明生长季放牧过程中植物养分动态变化有利于揭示植物对短期放牧的养分调整策略，也为进一步理解长期放牧影响下植物养分策略提供理论依据。

植物在衰老过程中对体内养分具有转移与重吸收能力[24]。放牧过程中家畜的啃食作用也将影响植物养分的转移与重吸收率，进一步影响植物对放牧的适应性并改变土壤—植物系统养分循环[25]。当前部分研究指出放牧可以提高植物的养分重吸收率[25-26]，但也有部分研究得到相反的结果[27]。这些研究结果的差异主要是由于其不同的放牧方式和放牧时间所导致的，也再次表明放牧时间对植物养分适应策略具有重要的影响。

内蒙古典型草原地理分布广阔，是内蒙古草原的重要组成部分，也是遭受过度放牧而产生严重退化的草原[28]。本研究以生长季放牧的内蒙古典型草原为研究对象，旨在通过对生长季放牧影响下的植物养分动态进行研究，阐释在生长季放牧影响下典型草原主要植物对不同放牧强度的适应策略。本研究从养分利用角度为草原放牧的合理管理提供基础数据和理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究依托于中国农业科学院草原研究所的放牧平台(44°40.66′ N，116°28.32′ E)，该站点位于内蒙古锡林郭勒草原内，是内蒙古典型草原的主要分布区域。该区域气候类型为典型温带大陆性季风气候，年均温为0.5～1.0℃，年均降水量为280.5 mm，其中80%的降水集中在生长季内。研究区土壤类型为栗钙土，植被类型为典型草原主要类型—克氏针茅(Stipakrylovii)草原，其它伴生种主要包括：羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、菊叶委陵菜(Potentillatanacetifolia)、寸草苔(Carexduriuscula)、猪毛菜(Salsolacollina)和刺藜(Chenopodiumaristatum)，其中羊草和糙隐子草的优势度相对较高。研究区植物生长季从4月下旬开始，到9月中旬为止。

1.2 试验设计

本试验站点在2007年前进行自由放牧，从2007—2013年实施禁牧围封，仅在每年冬季进行打草利用。在2014年生长季开始前建立了12个面积为1.33×106m2的独立放牧小区并设置对照处理、轻度放牧、中度放牧和重度放牧4种放牧强度。放牧强度依照中华人民共和国农业行业标准(NY/T635—2002)设置[29]，计算公式如下：

本研究中使用体重为31 kg的2岁绵羊作为放牧家畜，通过与中华人民共和国农业行业标准中标准羊单位(50 kg)进行换算，本研究对照处理、轻度放牧、中度放牧和重度放牧中分别设置0只羊(0标准羊·天·年-1·公顷-1)、4只羊(170标准羊·天·年-1·公顷-1)、8只羊(340标准羊·天·年-1·公顷-1)和16只羊(680标准羊·天·年-1·公顷-1)。每种放牧强度均有3次重复并完全随机设置于12个放牧小区中(图1)。放牧时间于每年6月10日开始，至9月10日为止，放牧期间家畜均持续处于各小区中。

图1 放牧小区示意图Fig.1 Diagram of different grazing plots

1.3 样品采集与测定

于2017年6月20日，8月10日和9月30日分别对各放牧小区进行植物样品采集。在各放牧小区中沿对角线等距离设置5个1 m × 1 m的样方，随后在每个样方中随机选取克氏针茅、羊草和糙隐子草各5株，最后将同一小区内同种植物(25株)均匀混合后装入信封袋并带回实验室。将植物样品置于烘箱内在65℃的条件下烘干24 h。

在植物养分浓度测定前，先使用混合球磨仪(MM400，Retsch，德国)对植物样品进行粉碎并通过100目的分样筛。使用元素分析仪(Vario EL III CHNOS Elemental Analyzer，Elementar Analysensysteme GmbH，德国)对植物C和N浓度进行测定。使用电感耦合等离子质谱仪(ICAP 6300 ICP—OES Spectrometer，Thermo Scientific，美国)对植物P浓度进行测定。

1.4 数据分析

6月20日采集的植物样品表示受放牧早期影响的植物；8月10日采集的植物样品表示受放牧中期影响的植物；9月30日的植物样品表示休牧后的植物。

养分阶段转移率表示休牧后一段时间内植物养分的转移动态，其中养分阶段转移率越高表明休牧后植物养分由地上向地下转移速率越快[25]，使用以下公式进行计算：

其中C休牧期使用休牧后植物养分浓度表示；C放牧期使用放牧早期与放牧中期植物养分浓度的平均值表示。

对数据进行正态性与方差齐性检验后，使用单因素方差分析比较相同放牧阶段不同放牧强度间植物养分浓度、化学计量关系、养分阶段转移率的差异，其中多重比较方法选择LSD法。使用一元线性模型检验植物N和P阶段转移率与休牧后植物化学计量的定量关系。所有数据均使用平均值±标准误表示，数据的统计性检验在0.05水平下进行，统计与分析在IBM SPSS 26.0中进行。

2 结果与分析

2.1 不同放牧阶段植物养分动态特征

在放牧早期阶段，除中度放牧和重度放牧羊草P浓度显著高于轻度放牧和对照处理的外，放牧强度对克氏针茅和糙隐子草的C，N和P浓度及羊草的C和N浓度均无显著影响。在放牧中期和休牧后，重度放牧下克氏针茅、羊草和糙隐子草的C浓度显著低于其它放牧强度的(P<0.05)。例如，在放牧中期阶段，与对照处理相比，轻度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隐子草的C浓度分别下降了0.7%，3.0%，10.2%。在放牧中期和休牧后，重度放牧下3种植物的N和P浓度显著高于其它放牧强度的(P<0.05)。例如，在放牧中期阶段，与对照处理相比，轻度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隐子草的N和P浓度分别提高了44.4%，63.2%，68.8%和7.6%，16.8%，34.1%(图2)。

在放牧早期阶段，放牧强度对克氏针茅、羊草和糙隐子草的C/N和C/P无显著影响。在放牧中期和休牧后，随放牧强度的增加，克氏针茅、羊草和糙隐子草的C/N和C/P总体呈下降趋势，其中在休牧后尤为明显(P<0.05)。例如，在休牧后与对照处理相比，轻度放牧、中度放牧和重度放牧下糙隐子草的C/N和C/P分别下降了25.3%，33.5%，61.4%和22.8%，32.8%，56.9%。此外，在生长季放牧不同阶段内，随放牧强度的增加3种植物N/P变化规律不明显(图3)。

2.2 休牧后植物养分转移特征

受生长季不同放牧强度的影响，休牧后克氏针茅的N阶段转移率随放牧强度的增加先增加后降低；重度放牧下羊草和糙隐子草的N阶段转移率显著低于其余放牧强度的(图4a；P<0.05)。重度放牧下克氏针茅、羊草和糙隐子草的P阶段转移率显著低于其余放牧强度的(图4b；P<0.05)。总而言之，克氏针茅、羊草和糙隐子草的N和P阶段转移率随放牧强度的增加总体呈降低趋势。

在物种水平上，糙隐子草的N和P阶段转移率高于克氏针茅和羊草的(图4)，其中在重度放牧处理中，糙隐子草的N和P阶段转移率分别为20.3%和19.8%，显著高于克氏针茅(7.4%和7.0%)和羊草的(6.1%和4.4%)(P<0.05)。

图2 不同放牧阶段植物养分浓度特征Fig.2 Nutrient concentrations of plant species at different grazing periods注：CK、LG、MG和HG分别表示对照处理、轻度放牧、中度放牧和重度放牧；不同小写字母表示显著差异(P<0.05)，下同Note:CK,LG,MG,and HG indicate control,light grazing,moderate grazing,and heavy grazing,respectively;different lowercases indicate significant differences at the 0.05 level,the same as below

图3 不同放牧阶段植物化学计量特征Fig.3 Stoichiometry characteristics of plant species at different grazing periods

图4 休牧后植物N和P阶段转移率特征Fig.4 Periodic resorption of N and P at grazing rest注：不同小写字母表示在0.05水平下相同物种在不同放牧强度下植物N和P阶段转移率具有显著差异；不同大写字母表示在0.05水平下相同放牧强度下不同物种间植物N和P阶段转移率具有显著差异Note:Different lowercases indicate there are significant differences in periodic resorption of same plant N and P under different grazing intensities at 0.05 level;different majuscules indicate there are significant differences in periodic resorption of different plant N and P under same grazing intensity at 0.05 level.

2.3 植物养分阶段转移率与化学计量的关系

与放牧早期和放牧中期相比，植物养分及其化学计量关系在休牧后随放牧强度发生更显著的变化。通过相关分析发现，植物C/N和C/P分别与其N和P阶段转移率呈极显著的正相关关系(图5；P<0.0001)，表明N和P阶段转移率是影响植物养分策略调整的关键。

图5 休牧后3种植物N和P阶段转移率与植物化学计量的关系Fig.5 Relationships between periodic resorption of N and P in the three species and their stoichiometry at grazing rest注：虚线表示95%置信区间Note:Dotted lines indicate 95% confidence interval

3 讨论

3.1 植物养分对放牧强度的响应

植物不同养分对放牧强度的响应也不一致，即在放牧中期和休牧后，随放牧强度的增加植物C浓度显著降低，N和P浓度则显著增加。前人的研究表明放牧对植物C浓度无显著影响，并认为C作为结构性物质，在植物体内具有支撑作用，对放牧干扰具有较高的稳定性[30]。本研究显示放牧导致植物C浓度显著降低，可能是由于家畜不间断啃食植物茎叶组织，将降低植物光合能力，引起植物C同化能力降低，这也与王炜等的研究结果一致[31]。植物在重构受损茎叶组织的过程中也会消耗大量有机物，进一步可能降低植物C含量。与轻度和中度放牧相比，重度放牧中家畜高强度、持续的啃食使植物C浓度受到更剧烈的影响。N和P是蛋白质、核酸和叶绿体等物质的主要部分，且植物C/N和C/P的显著降低意味着植物生长速率和养分利用率的提高[14,32]。放牧通过去除植物成熟和衰老组织，提高植物生长速率以促进幼嫩组织的生成，进而导致植物N和P浓度的增加以及C/N和C/P的降低，与前人的研究结果一致[30,33]。此外，放牧导致植物N和P浓度的增加也意味着植物从土壤中吸收更多的N和P，间接加速土壤—植物系统养分循环速率并提高养分利用率。

在生长季不同放牧阶段，植物养分浓度和化学计量对放牧强度具有不一致的响应。在放牧早期阶段，放牧强度对植物养分浓度、C/N和C/P无显著影响；在放牧中期和休牧阶段随放牧强度的增加植物养分浓度、C/N和C/P发生显著变化。朴春河等研究结果表明植物为适应环境的变化具有可伸缩性地调整营养元素浓度的能力[34]。在本研究生长季持续放牧过程中植物通过快速调整养分策略的能力以抵御和适应放牧。在放牧早期阶段，植物对放牧具有一定的忍耐阈值，并短暂的以维持稳定的养分浓度和生长速率保守适应这种干扰，然而随着放牧时间的延长，植物改变适应策略并以提高养分浓度和加快生长速率的策略积极适应放牧，其中放牧时间和放牧压力是植物养分策略调整的关键[9,21]。王炜和刘钟龄等曾提出假设当放牧强度达到一定阈值后，将触发植物采取优化生存策略以有效防卫过度放牧，最终引起生态系统养分循环失调[31,35]，本研究从化学计量学的角度为该假说提供支持。王炜等也提出放牧引起植物发生小型化且这种状态在时间尺度上具有保守性[31]，表明随着放牧时间的延长，植物可能长期以提高养分浓度的策略适应放牧，但其养分策略调整的转折点在未来也值得深入研究。

3.2 放牧强度对植物养分转移的影响

本研究发现在休牧后植物N和P转移率随放牧强度的增加显著降低，与Lü等的研究结果一致[26]。Zhang等研究表明夏季放牧显著增加植物养分转移和重吸收率[25]。这些研究结果的差异表明不同放牧方式对植物养分转移和重吸收具有不同影响。本研究结果也表明，与对照处理相比重度放牧使植物将更多的养分物质分配到地上部分，以迅速重构被家畜啃食的茎叶组织，进而引起植物养分转移率的降低，这可能将不利于来年植物的生长。此外，随着放牧时间的延长，植物长期保持较低的养分转移率也将引起草原生态系统物质循环和能量流动的平衡失调，这也从养分重吸收的角度上为刘钟龄等提出的假说提供支持[35]。植物N和P转移率与植物C/N和C/P呈显著的正相关关系(图4)。这主要由于在生长季末期植物将更多的养分分配到地下，地上部分较少的营养物质使植物具有较低的生长速率，也与植物的生长节律一致。

在物种水平上，放牧干扰下的糙隐子草具有更高的N和P阶段转移率(图3)，表明糙隐子草在休牧后具有更多的养分储存于地下部分。已有研究表明植物对根系重吸收养分的利用率高于从土壤中吸收养分，进而间接提高养分利用率[25]。该结果也证明了与羊草和克氏针茅相比，糙隐子草在放牧干扰下具有更高的养分利用率，也更适应这种干扰，其中在重度放牧中尤为明显。因此，随放牧时间的延长，群落中较低养分转移率的克氏针茅和羊草种群的优势度将呈降低趋势，具有较高养分转移率的糙隐子草种群的优势度则呈增加趋势，最终引起草原生态系统的退化。这也从养分利用的角度为刘钟龄等提出的内蒙古典型草原退化演替模式(克氏针茅草原→糙隐子草草原)提供支持[35]。

4 结论

放牧通过践踏与啃食作用改变草原生态系统土壤—植物系统养分循环。植物通过快速且精确的养分调整策略适应放牧。在生长季放牧早期阶段，植物以稳定的养分浓度及化学计量关系保守适应放牧干扰。在生长季放牧中期及休牧后，植物以提高养分浓度和降低化学计量关系的方式积极适应放牧干扰，最终引起休牧后植物养分转移率的降低。糙隐子草在重度放牧下具有较高的养分转移率表明其对放牧具有更强的适应性，也从养分利用率的角度上为草原逆行演替提供理论依据。