荒漠草原短花针茅表型性状对模拟绵羊采食的可塑性响应

王 琪， 郑佳华， 赵萌莉， 张 军

(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. 内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010019; 3. 内蒙古农业大学理学院， 内蒙古 呼和浩特 010019)

植物的表型可塑性是指单个基因型在不同环境中所产生的不同表型，可塑性越大，表示对环境变化响应越敏感[1]。植物通过可塑性变化在不同生境中调整各器官的生长、发育、生理、形态和生活史等，进而增加对环境资源最大限度的获取和有效利用，以应对环境变化[2]。而植物叶片是与外界环境联系最紧密的营养器官，对环境变化具有很强的可塑性[3]。有研究表明，叶片的表型可塑性对土壤含水量的变化敏感[4]。长期放牧下，植物通过叶片可塑性变化适应异质生境[5]。因此，叶片的表型可塑性是反映植物响应外界环境变化的重要指标。此外，植物的功能性状可以具象地反映植物对外界环境变化的响应，在放牧干扰下，株高、株丛径、分蘖数以及地上生物量等指标均降低，这些指标的综合变化能够直观反映植物为适应环境胁迫所作出的资源权衡[6]。同时，有研究表明，植物叶片功能性状对草地生物量的贡献存在差异[7]。

动物在采食植物的过程中，动物体内具有生物活性的化学物质会通过口液进入植物体，并参与植物代谢过程，进而调节植物的生长发育[8-9]。有研究表明，放牧过程中动物口液中所含有的硫胺素可以刺激植物，使其出现补偿生长[9-11]。Rooke[12]在2003年发现，与刈割处理相比，山羊口液可以显著提高木本植物的分枝数和叶质量。Zhang等[13]人也发现，绵羊口液可以显著促进羊草(Leymuschinensis)枝条的分蘖和冷蒿(Artemisiafrigida)的生物量的积累。然而，也有研究表明，动物口液对植物生长没有显著性影响，滕星[14]对羊草草原的研究发现，绵羊口液并没有显著地增加地上生物量。关于家畜口液对植物生长的影响目前仍存在许多分歧。

以往有关动物采食对植物影响的研究中，刈割往往用来模拟动物采食，但刈割对于植物是一种非生物行为，而采食是一种复杂的生理、生化过程，两者的区别在于动物口液对植物的生物行为[14]。短花针茅(Stipabreviflora)是内蒙古荒漠草原的建群种，具有分布广、数量多等特点[15-17]，目前关于绵羊采食对短花针茅表型性状的影响尚不明确。因此，本试验采用刈割后涂抹绵羊口液的方式来模拟绵羊采食，研究短花针茅表型性状对模拟绵羊采食的可塑性响应，为短花针茅在干扰下资源权衡策略的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古乌兰察布市四子王旗格根塔拉草原区(41°47′ N,111°53′ E，1 456 m)。该地区属于典型大陆性气候，年均降雨量280 mm，年均蒸发量2 300 mm，年均气温3.4℃。土壤以淡栗钙土为主，质地疏松。研究区以短花针茅(Stipabreviflora)为建群种，冷蒿(Artemisiafrigida)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)为优势种,常见种有银灰旋花(Convolvulusammannii)和木地肤(Kochiaprotrata)等[18]。该地区植被群落高度为21.52 cm，盖度为56.46%，生物量为139.03 g·m-2[18]。

1.2 试验设计

本试验在四子王旗农牧科学院放牧试验平台开展，该放牧试验平台于2004年建设运行，样地描述见杨阳[18]等人的研究。本试验只在围封样地进行，采取单因素试验，设置三个处理：对照(CK)；刈割(C)；刈割后涂抹绵羊口液(CS)。2019年5月底在3个围封区组内分别选取60株生长状况相似，大小相似的短花针茅。在短花针茅的茎基部挂标签，并在植株附近立地标作为标记，以其中20株作为刈割处理，20株作为模拟绵羊采食处理，其余20株作为对照。用剪刀将刈割和模拟绵羊采食处理的40株短花针茅地上3 cm以上的部分全部剪除，并在模拟绵羊采食处理的20株短花针茅的伤口涂抹绵羊口液。涂抹的口液来自基地用于放牧强度实验的绵羊。为了收集口液，我们在羊嚼草的时候把一块海绵放到羊嘴里，约2分钟后，取出海绵，将口液挤入离心管中，离心管低速离心(1 000转)5 min后，取上清液。

1.3 试验方法

在8月底生长期结束后记录60株短花针茅的株高、株丛径、分蘖数以及地上生物量，然后剪去地上部分，每株短花针茅挑取一片完整无病害的叶片测量单叶面积、叶长、叶宽和单叶质量，进一步计算比叶面积、比叶质量和叶长宽比。

具体测定和计算方式如下：

株高(Plant height,PH)、株丛径(Diameter of stem,DS)和分蘖数(Number of tiller,NT)测定：用卷尺测定每株单株的基部到冠层顶端的自然高度和株丛径，采用计数的方式测定分蘖数。

单叶面积(Leaf area,LA)测定：将挑选的60个叶片完全平铺并用扫描仪对其单叶面积进行扫描，将扫描后的单叶面积图片导入Photoshop软件进行后期处理并计算出单叶面积数值。

叶长(Leaf length,LL)、叶宽(leaf width,LW)测定：用电子游标卡尺将测定过单叶面积的叶片进行叶长和叶宽的测量。

单叶质量(Leaf mass,LWE)、地上生物量(Aboveground biomass,AB)测定：将测定过单叶面积和叶长叶宽的叶片以及地上生物量分别放入信封内，放入65℃烘箱中烘48 h至恒重后用万分之一天平进行叶片干重和地上生物量的测定，并记录数值。

比叶面积(Specific leaf area,SLA)：根据公式，比叶面积(SLA)=单叶面积(LA)/单叶质量(LWE);

比叶质量(Leaf mass per unit area,LMA)：根据公式，比叶质量(LMA)=单叶质量(LWE)/单叶面积(LA);

叶长宽比(Leaf length to width ratio,LLW)：根据公式，叶长宽比(LLW)=叶长(LL)/叶宽(LW)。

1.4 数据处理

采用方差分析法分析模拟绵羊采食作用对短花针茅表型性状的影响，并进行差异显著性检验(DUNCAN法，α=0.05)；采用可塑性指数(PI)表征表型性状对刈割和绵羊采食的响应程度，某一处理下某一性状的可塑性指数为：(某指标的最大值-该指标的最小值)/该指标的最大值；采用变异系数(CV)表征在刈割和模拟绵羊采食下植物性状的变异程度，变异系数等于标准偏差除以平均值；采用Pearson相关法分析短花针茅地上生物量和其它性状的关系，在0.05和0.01水平进行显著性检验[1]。以上数据均采用SPSS23.0进行分析，采用Sigmaplot14.0作图。

2 结果与分析

2.1 短花针茅表型性状对模拟绵羊采食的差异化响应

叶片是植物体重要的功能器官，如图1所示，与对照相比，刈割显著增加了短花针茅的比叶面积(P<0.05)，显著降低了单叶质量、比叶质量及地上生物量(P<0.05)；模拟绵羊采食显著增加了短花针茅的单叶面积、比叶面积和株丛径(P<0.05)，显著降低了单叶质量、比叶质量、叶长宽比及地上生物量(P<0.05)；叶长、叶宽、株高、分蘖数均无显著性差异。

图1 对照、刈割和模拟绵羊采食对短花针茅叶片表型性状的影响Fig.1 Effects of control,mowing and simulated sheep feeding on leaf phenotypic traits of Stipa breviflora注：CK，对照；C，刈割；CS，模拟绵羊采食。不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著Note:CK，control；C，mowing；CS，simulated sheep feeding. Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level

2.2 表型性状可塑性变化的敏感度

如图2所示，模拟绵羊采食的可塑性指数整体大于刈割。两个处理下，地上生物量、单叶质量和比叶质量的可塑性较大，是对刈割和模拟绵羊采食响应的敏感性状；而单叶面积、平均叶长、株高以及株丛径的可塑性性较小，是对刈割和模拟绵羊采食响应的惰性性状；比叶质量、比叶面积、叶长宽比和株高的可塑性指数在模拟绵羊采食时明显大于刈割，说明绵羊口液增加了比叶质量、叶长宽比和株高的可塑性变化的敏感性。在各种叶功能性状指标中，刈割和模拟绵羊采食的变异性基本相同，均为单叶质量、叶宽、比叶质量、地上生物量等性状的变异性最大，平均叶长、株高、比叶面积和株丛径等性状的变异性最小(图3)，表明单叶质量、比叶质量和地上生物量是易受刈割和绵羊采食干扰的可塑表型性状。

图2 刈割与模拟绵羊采食下短花针茅叶片性状可塑性指数(PI)变化程度排序Fig.2 Ranking the degree of change in plasticity index (PI) of leaf traits of Stipa breviflora under mowing and simulated sheep feeding注：叶长(LL)、叶宽(LW)、叶长宽比(LLW)、叶面积(LA)、单叶质量(LWE)、比叶面积(SLA)、比叶质量(LMA)、地上生物量(AB)、株高(PH)、株丛径(DS)和分蘖数(NT)，下同Note：Leaf length (LL),Leaf width (LW),Leaf length to width ratio (LLW),Leaf area (LA),Leaf mass (LWE),Specific leaf area (SLA),Leaf mass per unit area (LMA),Aboveground biomass (AB),Plant height (PH),Diameter of stem (DS),Number of tiller (NT)，the same as below

图3 短花针茅不同叶功能性状变异性比较Fig.3 Comparison of variability in different leaf functional traits of Stipa breviflora

2.3 短花针茅地上生物量与叶功能性状之间的关系

如图4所示，短花针茅地上生物量与分蘖数、单叶质量、比叶质量及株丛径呈极显著正相关(P<0.01)，与株高呈显著正相关(P<0.05)，与比叶面积呈极显著负相关(P<0.01)，而与叶长宽比、单叶面积、平均叶长及平均叶宽均无显著相关性。

3 讨论

3.1 短花针茅表型特征对模拟绵羊采食的响应

放牧主要通过家畜的采食、践踏等行为影响植物的生长，其中家畜采食除了对植物的机械损伤之外，口液里的刺激物质也会影响植物生长的生理过程[14]。本研究表明，刈割显著降低了短花针茅单叶质量、比叶质量和地上生物量，显著增加了比叶面积。这是因为刈割后，植物积累的营养物质降低，植物将剩余的资源用于叶片的构建，减少了对单叶质量及地上生物量的资源投入[19]。模拟采食处理显著降低了短花针茅地上生物量，这是植物防御家畜采食所采取的规避策略[20]。同时，模拟绵羊采食可以通过增加比叶面积、单叶面积和株丛径从而促进短花针茅的生长。已有研究表明，绵羊采食可以通过促进植物地上补偿性生长以及光合产物向地上的分配来促进植物的生长[9,21]，贾丽欣等[6]人对短花针茅表型特征的研究中发现放牧会使短花针茅株丛径增大，也验证了以上观点。这是由于在绵羊采食的干扰下，叶片的资源权衡发生变化，植物为了适应环境干扰通过增大单叶面积、比叶面积来增强光合速率，以获得更强的恢复力和更快的生长力[22]。同时，在模拟绵羊采食中，绵羊口液中的激素物质随着植物生长代谢进入到植物体内，植物的分生组织细胞具有较强的分裂和分化能力，能够促进植物器官的生长或新生，口液在植物的分生组织区，可以增强分生组织的活性，从而促进植物的生长，在基部分生组织中可以促进植物株丛径及根系的生长[9,23]。此外，植物通常采取忍耐和抵抗两种对策来应对动物采食[24]，植物会通过降低单叶质量等性状，来适应家畜采食，以降低资源损失，同时也会通过增加比叶面积来增强生长速率，进行补偿性生长，以抵抗环境的干扰，而其它性状对绵羊采食的响应无显著变化，这可能由于短花针茅作为优势物种的保守化作用，体现出短花针茅应对家畜采食所进行的权衡调整和生态策略[25]。

3.2 短花针茅表型特征的可塑性变化分析

表型可塑性是植物在生长过程中响应外界环境变化的重要表现形式，体现了植物个体在环境胁迫下的适应度[26]。表型性状是植物体应对外界环境最明显的外部表现，其中，叶片对环境条件变化最为敏感，反映了植物对环境因子的响应策略[2]。本研究发现，单叶质量、比叶质量、及地上生物量是对刈割和模拟绵羊采食响应的敏感性状，而株高、叶长、叶宽及株丛径是对刈割和模拟绵羊采食响应的惰性性状。李江文[7]等人的研究中表明，短花针茅单叶质量和地上生物量对放牧响应敏感，但株丛径对放牧响应不敏感。王玺[27]的研究中也表明单叶质量对放牧响应敏感。在模拟绵羊采食干扰下，植物不同性状的可塑性变化有较大的差异，这是短花针茅表型性状对绵羊采食的适应策略，是性状之间的权衡[5]。由于植物具有权衡性状关系的适应策略，短花针茅被绵羊采食后，其单叶质量、比叶质量及地上生物量减小，但叶长、叶宽、株高和株丛径作为惰性性状，对绵羊采食敏感度低，短花针茅依旧能保持较大的高度、叶长、叶宽和单叶面积来提高自身的光合速率和恢复力，此外，较大的株丛径可以增加分蘖，从而促进植物生长[5,28-29]。

3.3 短花针茅地上生物量变化的影响因子

研究表明，放牧会对草地生物量有负面影响，尤其是在生态环境脆弱的荒漠草原[30-32]。本研究表明，地上生物量与单叶质量、比叶质量、分蘖数、株丛径以及株高呈显著正相关，与比叶面积呈极显著负相关。贾丽欣[6]和李江文[7]等人对短花针茅表型特征可塑性的研究中发现短花针茅地上生物量与株高、分蘖数及株丛径有极显著的正相关关系，单叶质量也是地上生物量的主要调控因子。也有研究表明，植物地上生物量和比叶面积之间呈负相关，这均与本研究所得结果相一致[33-34]。由于短花针茅的地上部分主要由叶片构成，单叶质量和比叶质量是影响地上生物量的直接因素，刈割和绵羊采食干扰下，短花针茅的再生能力降低，其单叶质量、比叶质量等也呈降低趋势[35]。此外，短花针茅对动物采食的抵抗策略，使其比叶面积增大，叶片变薄，光合速率增加，但这只是对前期机械损伤后的补偿生长，不能促进生物量的积累，相反，比叶面积在分蘖期对地上生物量的积累有抑制作用[36]，因而与地上生物量呈显著负相关，这是植物在面对环境胁迫时投资权衡策略的结果[37]。

4 结论

刈割和模拟绵羊采食显著降低了短花针茅的单叶质量、比叶质量和地上生物量，短花针茅通过增加单叶面积、比叶面积和株丛径的方式抵御绵羊采食，仅通过增加比叶面积来抵御刈割；单叶质量、比叶质量和地上生物量是对刈割和模拟绵羊采食响应的敏感性状；分蘖数、单叶质量、比叶质量、株丛径、株高和比叶面积是短花针茅在资源权衡中影响地上生物量的重要因子。