不同放牧強(qiáng)度下羊草葉片光合色素含量的差異性分析——以呼倫貝爾羊草草甸草原為例

鄧 鈺，柳小妮，辛?xí)云剑Z瑞瑞，王 旭，楊桂霞，任正超

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100081）

呼倫貝爾羊草（Leymus chinensis）草甸草原，由于獨(dú)特的地理位置以及羊草的高飼用價(jià)值［1］，已成為中國北方重要的牧草和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。植物體進(jìn)行光合作用時(shí)首先依賴于光合色素對(duì)光能的吸收和利用［2］；進(jìn)行羊草草甸草原主要優(yōu)勢(shì)種—羊草的光合色素的研究，對(duì)于進(jìn)一步了解和提高羊草草原的生產(chǎn)力和合理的放牧管理有十分重要的理論與實(shí)踐意義。

高等植物的光合色素主要由葉綠素和胡蘿卜素組成，葉綠素含量的高低直接影響葉片的光合能力［3］。此外，羊草的葉綠素含量受到生活型［4－7］，土壤干旱條件［8，9］，鹽堿化環(huán)境［10］，遮陰［11］和高溫［12］以及放牧［13］的影響。

對(duì)不同放牧強(qiáng)度下羊草草甸草原上所生長的羊草未被采食和被采食上位葉片的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素在不同測(cè)試時(shí)間下的研究，可為進(jìn)一步分析個(gè)體水平上羊草葉片功能特性對(duì)放牧強(qiáng)度干擾的適應(yīng)性和忍耐性機(jī)制，以及為確定羊草草甸草原的合理載畜率提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011年6～8月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站進(jìn)行。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市謝爾塔拉牧場(chǎng)場(chǎng)部東3km，屬于大興安嶺西麓丘陵向蒙古高原的過渡區(qū)，地理位置 N 49°32′～49°34′，E 119°94′～119°96′，海拔670～677m。研究區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候，年均溫為－7.21～4.71℃，＞10℃年積溫1 184.20～2 814.12℃，無霜期95～110d，年平均降水量264.5mm，在7月，降水量較大，蒸發(fā)量1 100～1 630mm；年均日照時(shí)數(shù)2 319.83h。地帶性土壤為黑鈣土或暗栗鈣土。植被類型為羊草＋雜類草，主要物種有羊草、貝加爾針茅（Stipa baicalensis）、日蔭菅（Carex pediformis）、寸草苔（Carex duriuscula）、蓬子菜（Galium verum）、狹葉柴胡（Bupleurum scorzonerifolium）、線葉菊（Filifolium sibiricum）等，伴生種有斜莖黃芪（Astragalus adsurgens）、山野豌豆（Vicia amoena）、草地早熟禾（Poa pratensis）和冷蒿（Artemisia frigida）等。試驗(yàn)區(qū)牧草于5月中下旬開始返青，7月中、下旬至8月上旬為牧草旺盛生長時(shí)期，9月后進(jìn)入枯黃期。研究區(qū)內(nèi)采取單一的肉牛畜種，冬春季休牧，夏秋季連續(xù)放牧的放牧方式。

1.2 放牧試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)，對(duì)6個(gè)不同的放牧強(qiáng)度（R0、R1、R2、R3、R4和R5）處理下的各試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行測(cè)試；每1個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。每試驗(yàn)小區(qū)面積為5hm2，總面積為30hm2，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)之間用圍欄和水泥柱分開，小區(qū)形狀均為菱形。其中，放牧試驗(yàn)于2009年6月15日開始，每年進(jìn)行4個(gè)月（6月初至10月初）的連續(xù)放牧試驗(yàn)。

放牧強(qiáng)度（R）設(shè)計(jì)如下：R0：0.00 牛/hm2、R1：0.23牛/hm2、R2：0.34牛/hm2、R3：0.46牛/hm2、R4：0.69牛/hm2、R5：0.92牛/hm2，其中，以500kg肉牛為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)家畜肉牛單位。

1.3 植物葉綠素的測(cè)定

于2011年6月26日、7月23日和8月26日，采用分光光度計(jì)法－丙酮乙醇混合液法［14，15］測(cè)定不同放牧強(qiáng)度處理下未被采食和被采食羊草上位葉片的葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）及類胡蘿卜素含量；每個(gè)放牧強(qiáng)度處理下未被采食羊草葉片和被采食羊草葉片設(shè)置4個(gè)重復(fù)。

清晨，將樣地所需羊草葉片采集帶回實(shí)驗(yàn)室，并用脫脂棉擦拭干凈，去除主脈和兩頭部分，剪碎、混勻，稱0.2g樣品，用80%丙酮和99%乙醇1∶1混合提取，并進(jìn)行研磨。為了避免葉綠素的分解，操作在弱光、室溫為15℃下進(jìn)行［7］；葉綠素含量用 Arnon［16］的公式計(jì)算：

式中：Ca，Cb分別為葉綠素a和葉綠素b的濃度，Ca＋b為葉綠素a和葉綠素b的總濃度，Ck為類胡蘿卜素；單位：mg/L。

式中：V為提取液總體積（mL），W為葉片鮮重（g）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2007對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。運(yùn)用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧強(qiáng)度下未被采食羊草葉片光合色素的變化

未被采食羊草葉片的光合色素隨著生長階段的不同而變化（表1）。

6月26日、7月23日、8月26日的Chl a隨著放牧強(qiáng)度的增大呈減小的趨勢(shì)，Chl b變化趨勢(shì)與Chl a一致；而類胡蘿卜素隨著放牧強(qiáng)度的增大呈先下降后升高的趨勢(shì)。在生長季，不同放牧強(qiáng)度下，未被采食羊草葉片的Chl a變化在1.15～1.85mg/g FW，Chl b變化在0.29～0.56mg/g FW，類胡蘿卜素的變化在0.29～0.56mg/g FW。

Dale Caustond［17］報(bào)道Chl a/b是衡量群落光環(huán)境的主要生物指標(biāo)。未被采食葉片中Chl a/b的比值隨著放牧強(qiáng)度的增大而增大；整個(gè)測(cè)試期間，比值為2.8～4.0，其中，8月26日的值最高。未被采食羊草葉片Chl a＋b含量隨著放牧強(qiáng)度的增大而降低，其變化范圍為1.44～2.41mg/g FW；其中，7月23日的值最高，8月26日的值最低，這可能與羊草處于生長盛期與生長枯黃期有關(guān)（圖1）。

2.2 不同放牧強(qiáng)度下被采食羊草葉片光合色素變化

在6月26日、7月23日、8月26日測(cè)試日下，隨著放牧強(qiáng)度的增大，Chl a呈現(xiàn)出先下降后升高再下降的變化趨勢(shì)；Chl b的變化趨勢(shì)與Chl a的相似；類胡蘿卜素含量卻呈現(xiàn)出隨著放牧強(qiáng)度的增大而增大的趨勢(shì)。相同放牧強(qiáng)度下，被采食羊草的光合色素含量均低于未被采食羊草的。

生長季被采食后羊草葉片的Chl a含量變化為0.95～1.41mg/g FW，Chl b含量變化為0.24～0.47 mg/g FW，類胡蘿卜素的變化在0.15～0.46mg/g FW；范圍較未被采食羊草葉片光合色素范圍窄。

表1 不同放牧強(qiáng)度下未被采食羊草的光合色素Table 1 The variations of photosynthetic pigments of ungrazed Leymus chinensis at different grazing intensities mg/g FW

圖1 不同放牧強(qiáng)度下未被采食羊草的葉綠素a/b和葉綠素a＋b的含量Fig.1 The variations of the ratio of Chorophyll a/b，total content of Chorophyll a＋b of ungrazed Leymus chinensis at different grazing intensities

表2 被采食羊草的光合色素Table 2 The changes of photosynthetic pigments of grazed Leymus chinensis mg/g FW

圖2 不同放牧強(qiáng)度下被采食羊草葉片葉綠素a/b與葉綠素a＋b的含量Fig.2 Changes of the ratio of Chorophyll a/b，the total content of Chorophyll a＋b of grazed Leymus chinensis at different grazing intensities

被采食羊草葉片中Chl a/b的比值隨著放牧強(qiáng)度的增大呈先下降后升高的趨勢(shì)；整個(gè)測(cè)試期間，其比值為2.8～4.0；其中8月26日的值最大。被采食羊草Chl a＋b含量隨著放牧強(qiáng)度的增大而降低，其變化為1.19～2.02mg/g FW；7月23日的值最高，8月26日的值最低。被采食羊草葉片光合色素在時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)，與未被采食羊草葉片的光合色素相似；但在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，被采食羊草葉片與未被采食羊草葉片光合色素隨著放牧強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不同。

2.3 放牧強(qiáng)度下未采食與采食羊草葉片光合色素的比較

分析不同的放牧強(qiáng)度（R）和放牧季節(jié)（測(cè)試時(shí)間）對(duì)葉綠素的影響，結(jié)果表明，6個(gè)放牧強(qiáng)度下的未被采食和被采食羊草葉片葉綠素a、b及類胡蘿卜素之間差異顯著。6月26日，未被采食羊草與被采食后羊草葉綠素a之間達(dá)到極顯著差異（P＜0.01），說明家畜采食對(duì)羊草葉片葉綠素含量有明顯的影響。7月23日相同放牧強(qiáng)度下未采食與采食后羊草葉片葉綠素不存在顯著差異（P＞0.05），可能是在生長盛期原因。8月26日相同放牧強(qiáng)度下未被采食與被采食后羊草葉片葉綠素也達(dá)到極顯著差異（P＜0.01）。通過球形檢驗(yàn)的結(jié)果（P＜0.05），說明3個(gè)重復(fù)測(cè)定時(shí)間的葉綠素a、b及類胡蘿卜素間存在高度的相關(guān)性。采用Greenhouse－Geisser的校正結(jié)果，主體內(nèi)（within－subject）變異部分的計(jì)算結(jié)果顯示，測(cè)試時(shí)間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），說明未被采食與被采食羊草葉片的光合色素有隨著時(shí)間變化的趨勢(shì)；且放牧強(qiáng)度和放牧季節(jié)的交互作用也有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），說明放牧強(qiáng)度因素的作用隨著時(shí)間的不同而不同；并且每一時(shí)間點(diǎn)上各放牧強(qiáng)度處理下的光合色素之間均存在顯著差異（P＜0.05），即表明了放牧強(qiáng)度對(duì)未被采食和被采食羊草葉片的光合色素的影響顯著。

3 討論與結(jié)論

隨著放牧強(qiáng)度的增大，未被采食羊草完整葉片的Chl a、Chl b含量降低，類胡蘿卜素先下降后升高；而被采食后羊草葉片Chl a、Chl b呈下降—升高—下降的變化趨勢(shì)，類胡蘿卜素卻呈線性增長趨勢(shì)。被采食羊草葉片的Chl a含量，Chl b含量和類胡蘿卜素都明顯低于未被采食羊草葉片。在測(cè)試期間，二者的Chl a/b的比值存在差異變化；說明羊草葉片的光合色素受到家畜采食活動(dòng)干擾的影響，而且吸收光能的Chl a的含量比重也發(fā)生改變。在生長季中，未被采食與被采食羊草葉片的光合色素均隨著時(shí)間變化而變化，放牧強(qiáng)度的作用隨著時(shí)間的不同而不同。同時(shí)，每一時(shí)間點(diǎn)上各放牧強(qiáng)度處理下的葉綠素之間均存在顯著差異（P＜0.05）。

由于持續(xù)放牧的影響，放牧強(qiáng)度的增加；導(dǎo)致土壤含水量下降，土壤容重增大，土壤營養(yǎng)物質(zhì)降低，草地發(fā)生退化［18，19］，進(jìn)而植物的營養(yǎng)物質(zhì)和水資源供給受到一定的抑制。因此，放牧脅迫下，羊草生長緩慢，葉片破損、變黃、死亡、脫落；即使葉片不脫落，葉片內(nèi)部承擔(dān)光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的光合色素也會(huì)發(fā)生降解（如部分Chl a轉(zhuǎn)化為Chl b或葉黃素）［8，10］。此次研究結(jié)果與以上研究結(jié)論一致，體現(xiàn)了采食后，受損的羊草葉片并未出現(xiàn)刺激葉綠素的合成以及葉綠素含量升高的現(xiàn)象；而是隨著放牧強(qiáng)度的增大，羊草的光合色素受到抑制。Na等［20］認(rèn)為葉綠素含量也不會(huì)隨環(huán)境脅迫的變化而變化。本研究與以上結(jié)論存在差異的原因，可能是不同物種之間光合色素本身存在差異；且各物種對(duì)環(huán)境脅迫的敏感性不同。同時(shí)，杜占池等［21］，安淵［22］在內(nèi)蒙古草原對(duì)羊草、大針茅的研究發(fā)現(xiàn)，輕度放牧后葉綠素水平下降一半，且羊草葉綠素含量的變化較大針茅敏感。

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