母體放牧經(jīng)歷對羊草克隆后代干旱敏感性的影響

郭豐輝，丁勇，馬文靜，李賢松，李西良*，侯向陽*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特010010；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西晉中030801；3.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼028000）

遺留效應(yīng)是指環(huán)境干擾去除后，其對生態(tài)系統(tǒng)各組成要素及要素間關(guān)系、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)動態(tài)特征等的影響仍然可以長期存在的現(xiàn)象［1］。遺留效應(yīng)不僅是植被群落組成、種間關(guān)系、土壤養(yǎng)分水平等生態(tài)學(xué)過程的重要維持機(jī)制，也是生態(tài)系統(tǒng)多樣性的重要誘導(dǎo)途徑之一［2-3］。例如，非洲草原的物種演替、土壤養(yǎng)分動態(tài)等過程的驅(qū)動途徑可以追溯到幾十年、甚至上百年前的土地利用歷史、火災(zāi)等環(huán)境干擾因子［4］。環(huán)境干擾可以通過自然選擇、代際效應(yīng)、脅迫記憶等過程在植物層面產(chǎn)生遺留效應(yīng)，Anderegg等［5］研究發(fā)現(xiàn)極端干旱事件停止4年后，森林生態(tài)系統(tǒng)樹木生長依舊緩慢，遺留效應(yīng)明顯。遺留效應(yīng)也是植物適應(yīng)環(huán)境干擾的主要策略之一，大量研究表明，經(jīng)歷過環(huán)境干擾的植物在再次（或后代）經(jīng)歷同一干擾因子時可表現(xiàn)出相對較強的適應(yīng)性［6］。

在草原生態(tài)系統(tǒng)中，放牧干擾可以在植物層面產(chǎn)生遺留效應(yīng)，表現(xiàn)為株高降低、葉片變短、葉夾角和莖夾角增大等，且在放牧干擾去除的短時間內(nèi)無法恢復(fù)。早在20世紀(jì)80年代，就有研究表明放牧樣地植物移植到同質(zhì)園環(huán)境中依舊表現(xiàn)出明顯的矮化及匍匐型變的遺留效應(yīng)［7-9］。我國典型草原優(yōu)勢植物羊草（Leymus chinensis），在過度放牧干擾下同樣表現(xiàn)出明顯的不依賴于土壤環(huán)境的遺留效應(yīng)，即株高變矮、葉片縮短、單株生物量降低等［10-11］。同時，也有研究表明植物本身的矮化及匍匐型變可以提高植物對刈割（模擬放牧啃食）的抗性，增強其適應(yīng)性［12-13］。

水分是草原生態(tài)系統(tǒng)中植物生長的主要限制因子，土壤水分狀況很大程度上決定了草原的初級生產(chǎn)力及植被群落組成［14-15］。放牧干擾減少了植物地上現(xiàn)存量及地表枯落物，甚至形成地表空斑，從而增大土壤水分蒸發(fā)量，加劇了系統(tǒng)中水分的匱乏［16］；放牧干擾也可以通過改變土壤物理性質(zhì)（增大密度、減小孔隙度等）、減少土壤有機(jī)質(zhì)等降低土壤的保水能力，加劇草原植物的干旱脅迫［17］。有研究表明，土壤水分狀況的惡化是放牧干擾下植被生產(chǎn)力降低、群落退化演替的主要誘導(dǎo)途徑之一［18］。因此，放牧干擾在植物層面的遺留效應(yīng)可能部分歸結(jié)于干旱環(huán)境的間接誘導(dǎo)，也極有可能改變了植物對干旱的適應(yīng)能力。

雖然遺留效應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)中的作用已經(jīng)引起各領(lǐng)域研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是基于植物層面放牧遺留效應(yīng)的研究還相對缺乏。水分是我國北方天然草原重要的環(huán)境因子，也是放牧干擾作用于生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑，但是目前尚不清楚放牧遺留效應(yīng)是否影響了植物對干旱環(huán)境的響應(yīng)。明確放牧遺留效應(yīng)在植物應(yīng)對干旱環(huán)境中的作用，有助于進(jìn)一步認(rèn)識和理解草原在放牧干擾或生態(tài)修復(fù)下的生態(tài)過程。本研究基于植物層面的放牧遺留效應(yīng)，以我國內(nèi)蒙古錫林郭勒盟典型草原的長期圍封（自1983年開始）和長期過度放牧樣地的羊草為研究對象，開展室內(nèi)水分控制試驗，從羊草單株性狀、生物量積累及分配等角度探討放牧遺留效應(yīng)對羊草響應(yīng)干旱環(huán)境的影響，試圖解決以下科學(xué)問題：1）放牧遺留效應(yīng)是否增強了羊草適應(yīng)干旱環(huán)境的能力？2）羊草生物量分配對干旱環(huán)境的響應(yīng)是否受放牧遺留效應(yīng)的調(diào)控？

1 材料與方法

1.1 樣地概況

錫林浩特市白音錫勒牧場（43°38′N，116°42′E），溫帶半干旱氣候，年均溫度-0.4℃，年均降水250 mm，土壤類型為栗鈣土。該區(qū)域為典型草原類型，每年4月中旬返青，8月底枯黃，植物群落以羊草、大針茅（Stipa grandis）為建群種，伴生有冰草（Agropyron cristatum）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、黃囊苔草（Carex korshinskyi）、星毛委陵菜（Potentilla acaulis）等物種［19］。樣地于1983年圍封，面積26.67 hm2，圍欄外為牧戶自由放牧樣地，放牧強度為3羊單位·hm-2。根據(jù)國家草畜平衡標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)的適宜放牧強度為1.5羊單位·hm-2，因此該地區(qū)草原長期處于過度放牧狀態(tài)，同時呈明顯的植物矮小化、沙化、斑塊化等退化現(xiàn)象［10］。

1.2 試驗設(shè)計

2017年春季羊草剛剛返青、且放牧未開始時，從放牧樣地［放牧羊草克隆后代（grazing，GZ）］和圍封樣地［圍封羊草克隆后代（no grazing，NG）］分別采集生長狀況基本相同的羊草幼苗（各50株）帶回溫室培養(yǎng)。羊草主要以根莖克隆繁殖為主，實生苗很少，幼苗大部分都是上一年的克隆后代。為保證試驗材料的一致性，采集過程中排除掉可能的實生苗（單株生長、無根莖）。室內(nèi)培養(yǎng)采用直徑15 cm、高20 cm花盆進(jìn)行土培，所用土壤從樣地旁采集。首先將所用土壤過篩，去除石頭、土塊、粗根等雜質(zhì)，然后風(fēng)干，充分混勻，裝盆，每個花盆2.5 kg。為減小圍封和放牧樣地羊草根莖、根系及根際土壤養(yǎng)分差異對試驗結(jié)果可能造成的影響，移栽時將根莖全部修剪掉，同時將根系修剪至大小基本一致并用清水沖洗，然后移栽至花盆，每個花盆移栽1株。移栽的羊草在陰暗條件下緩苗1周后移入溫室，光照為自然光照，白天溫度25℃左右，夜間溫度10℃左右。

移入溫室1周后開始干旱處理，此時移栽的羊草幼苗基本恢復(fù)生長。兩個樣地來源的羊草（NG與GZ）各成活40株左右，從成活的幼苗中分別選擇長勢相同的20盆開展試驗，10盆對照（CK），10盆干旱處理（drought treatment，DT）。每天19：00采用稱重法澆水，CK每次澆水至含水量為40%，DT澆水至含水量為5%［20］。由于每盆僅有1株羊草，其生物量與澆水量相比很小，因此澆水時忽略植株生物量的影響。每周調(diào)整花盆的擺放次序以減小溫室環(huán)境異質(zhì)性對試驗結(jié)果可能造成的影響。

1.3 取樣與測定方法

于室內(nèi)培養(yǎng)2個月左右后取樣，此時植物進(jìn)入成熟期，基本停止生長。1）選擇每盆最高子株測量其垂直高度，然后將該子株用剪刀剪下，放入信封袋；2）統(tǒng)計每盆的子株數(shù)量，用剪刀剪下地上部分放入信封袋；3）打破花盆，將土壤及植物地下部分放入0.04 mm尼龍網(wǎng)袋，并用清水沖洗干凈，然后對羊草的地下部分進(jìn)行根系與根莖的分離，測定每條根莖長度并統(tǒng)計根莖節(jié)間數(shù)；4）將所有樣品，包括單株及總地上部分、根系、根莖，65℃烘干48 h至恒重，稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

對符合方差齊性和正態(tài)分布的指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析，試驗處理為材料來源（NG、GZ）與干旱處理（CK、DT），對存在顯著交互作用的指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行每個處理在另一處理每個水平下的獨立樣本T檢驗；對不符合方差齊性和正態(tài)分布的指標(biāo)直接進(jìn)行每個處理在另一處理每個水平下的獨立樣本T檢驗；除了雙因素方差分析，對比兩種材料對環(huán)境的差異性響應(yīng)還有其他方法，且每種方法的最終結(jié)果會有所不同，同時采用幾種方法可以更清楚、更全面的比較不同來源羊草對干旱的差異性響應(yīng)［21］，為此，計算了NG與GZ下羊草各指標(biāo)在干旱環(huán)境下的可塑性指數(shù)（plastic indicator，PI）和絕對變化量（?），計算公式如下：

式中：CK為對照處理；DT為干旱處理；i為指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單株性狀及子株數(shù)

干旱脅迫顯著降低了NG和GZ的單株株高、單株生物量及子株數(shù)（P<0.05）。相較于NG，GZ單株株高、單株生物量受干旱處理影響較小（圖1），雙因素分方差分析表明，材料來源與干旱處理對羊草單株株高、單株生物量交互作用顯著（P<0.05）；在干旱脅迫下，NG單株株高、單株生物量分別降低了17.71 cm，0.25 g，可塑性指數(shù)分別為48.92%、74.70%，而GZ分別降低了6.69 cm，0.14 g，可塑性指數(shù)分別為24.53%，56.44%。由于方差不齊，無法判斷材料來源與干旱處理對羊草子株數(shù)是否具有交互作用，但是通過對比NG與GZ子株數(shù)在干旱脅迫下減少的絕對量（?）發(fā)現(xiàn)NG子株數(shù)受影響較小，減少了10.00株，而GZ減少了14.59株（圖1）。相關(guān)分析表明羊草個體株高、生物量與子株數(shù)均存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P=0.002，0.023）（圖2）。

圖1 放牧與圍封羊草單株性狀及子株數(shù)對干旱的響應(yīng)Fig.1 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of individual characters and ramet number

圖2 羊草子株數(shù)與單株株高、單株生物量間的相關(guān)分析Fig.2 Relationships between r amet number and r amet height and r amet biomass，r espectively

2.2 生物量

干旱脅迫顯著降低了羊草地上、根系、根莖及總生物量（P<0.05）（圖3）。對羊草地上生物量、根系生物量、總生物量的雙因素方差分析表明，材料來源與干旱處理交互作用不顯著（P=0.640，0.640，0.758）；NG與GZ在干旱脅迫下地上生物量、根系生物量、總生物量的PI和?也相對比較接近，GZ的減少量分別為1.81、0.84、3.23 g，NG的減少量分別為1.67、0.66、3.07 g；GZ的PI分別為88.84%、90.24%、90.36%，NG的PI分別為92.06%、84.10%、89.84%（圖3）。沒有對羊草根莖生物量進(jìn)行雙因素方差分析（方差不齊），通過對比根莖生物量在干旱處理下的?發(fā)現(xiàn)，NG受干旱干擾較大，?為0.74 g，而GZ為0.58 g，同時NG與GZ根莖生物量在對照處理下存在顯著差異（P<0.05），但是在干旱處理下差異不顯著（P>0.05）（圖3）。

圖3 放牧與圍封羊草生物量累積對干旱的響應(yīng)Fig.3 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of biomass accumulation

2.3 根莖性狀

干旱處理顯著降低了羊草的總根莖長度、總根莖節(jié)間數(shù)、最長根莖長度、最長根莖節(jié)間數(shù)及節(jié)間長（P<0.05）（表1）。雙因素方差分析表明材料來源與干旱處理對羊草總根莖長度及總根莖節(jié)間數(shù)存在顯著交互作用（P<0.001，P=0.05），GZ在干旱處理下的總根莖長度及總根莖節(jié)間數(shù)的?分別為99.51 cm和35.71個，而NG分別為150.79 cm和49.50個；在對照處理下，NG的總根莖長度、總根莖節(jié)間數(shù)皆顯著大于GZ，但是在干旱處理下都無顯著性差異（表1）。材料來源與干旱處理對羊草最長根莖長度和最長根莖節(jié)間數(shù)交互作用未達(dá)到顯著水平（P=0.24，0.73），GZ具有更大的PI，分別為94.38%和90.08%，而NG分別為82.21%和75.00%（表1）。由于方差不齊沒有對羊草節(jié)間長進(jìn)行雙因素方差分析，放牧來源羊草在干旱處理下節(jié)間長的PI與?分別為44.88%和1.27 cm，而NG分別為31.48%和0.96 cm。

表1 放牧與圍封羊草根莖性狀對干旱的響應(yīng)Table 1 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of rhizome characters

2.4 生物量分配

干旱處理對NG與GZ的生物量分配具有不同的影響，其顯著增加了GZ生物量的地上分配（P<0.05），而降低了NG的地上生物量分配，但差異沒有達(dá)到顯著水平（P>0.05）（圖4），雙因素方差分析表明交互作用顯著（P=0.01）（表2）。干旱處理顯著增加了NG的根系分配（P<0.05），PI和?分別為-68%和-15%，但對GZ的根系分配無顯著影響（P>0.05）（圖4和表2）。干旱處理降低了羊草的根莖分配，雖然NG差異不顯著，但是PI和?分別達(dá)到了27%和7%；材料來源與干旱處理對羊草的根莖分配無顯著交互作用（P=0.621），NG與GZ的?基本相同，但是GZ具有更大的P（I50%），NG為27%（圖4）。

表2 羊草生物量分配雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of L.chinensis biomass allocation

圖4 放牧和圍封羊草生物量分配對干旱的響應(yīng)Fig.4 The responses of GZ and NG to drought treatment in terms of biomass allocation

3 討論

GZ個體株高、生物量對干旱環(huán)境的抵抗力更強，但是子株數(shù)的抵抗力比NG低，這可能是放牧遺留效應(yīng)與干旱環(huán)境對羊草具有相同的調(diào)節(jié)途徑所致。由于羊草個體株高、生物量與子株數(shù)均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，推測在對照處理下GZ具有較弱的頂端優(yōu)勢，因而其單株個體較小，子株數(shù)較多［22］。放牧遺留效應(yīng)對羊草的影響在對照處理下對GZ和NG均具有一定的適應(yīng)意義，GZ較弱的頂端優(yōu)勢可以通過增加子株數(shù)提高其耐牧性，也可以通過較矮的個體提高其避牧性［23］，而NG較強的頂端優(yōu)勢可以提高其個體的光競爭能力［24］。植物的頂端優(yōu)勢一般通過生長素和細(xì)胞分裂素調(diào)節(jié)［25］，而生長素、細(xì)胞分裂素也是植物在干旱環(huán)境下的主要調(diào)節(jié)方式［26-28］。羊草在干旱環(huán)境下生長素、細(xì)胞分裂素的調(diào)節(jié)可能掩蓋了放牧遺留效應(yīng)對兩種激素的影響，因此干旱環(huán)境對頂端優(yōu)勢較強的NG單株株高、生物量影響更大，而對頂端優(yōu)勢較弱的GZ子株數(shù)的影響更大。

植物可以通過增加根系生物量分配增大吸水面積，同時減少地上部水分的蒸騰散失來適應(yīng)干旱環(huán)境［29］，NG可以通過減少地上及根莖分配，增加根系分配適應(yīng)干旱環(huán)境。從總生物量角度來看，GZ與NG對干旱環(huán)境具有相同的抵抗能力，但是GZ在干旱處理下并沒有增大根系生物量分配。除了增大根系生物量之外，植物還可以通過改變氣孔特性、酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等方式適應(yīng)干旱環(huán)境［30］。有關(guān)植物“干旱脅迫記憶”的研究表明母代經(jīng)歷過干旱的植物往往可以“記住”某些應(yīng)對干旱環(huán)境的生理及分子響應(yīng)，如較小的氣孔導(dǎo)度、活性更高的保護(hù)酶系統(tǒng)及濃度更高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等，在子代經(jīng)歷干旱環(huán)境時表現(xiàn)出更快速地生理響應(yīng)［31］。羊草在放牧過程中會遭受更加嚴(yán)重的干旱干擾，因此GZ可能“記住”了其母代的干旱響應(yīng)，更依賴于氣孔、保護(hù)酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理性狀的方式來適應(yīng)干旱環(huán)境。

資源儲存和覓食是根莖兩個重要的功能，植物既可以通過根莖快速逃離養(yǎng)分匱乏區(qū)域或競爭區(qū)域［32］，也可以在資源匱乏時增大根莖分配，待養(yǎng)分資源豐富時用于子株生長［33］。本研究表明，GZ與NG在干旱環(huán)境下均減小根莖分配，將更多的資源分配給吸收或光合器官，說明羊草在遭遇干旱環(huán)境時趨向于“對抗”策略，而非“逃避”策略，相對于尋找水資源豐富區(qū)域（根莖覓食）或等待水資源的改善（根莖資源儲存），其更傾向于提高干旱環(huán)境下的水分吸收能力和光合能力。雖然GZ與NG根莖分配對干旱環(huán)境具有相同的響應(yīng)趨勢，但是地上和根系分配的響應(yīng)卻不同，NG減少地上分配，增大根系分配，而GZ增加地上分配，根系分配則保持不變。NG的原生環(huán)境（圍封樣地）在未遭遇干旱時，光資源是種內(nèi)及種間的主要環(huán)境競爭因子［24］，個體通過增加地上分配提高光競爭能力，而遭遇干旱時，光資源競爭因子消失，植物個體轉(zhuǎn)向水分因子適應(yīng)，增大根系分配以增加根系水分吸收能力［29］；GZ的原生環(huán)境中（放牧樣地），放牧啃食、踐踏等是其生長的限制因子，當(dāng)遭遇干旱時，限制因子依舊存在，此時植物增加地上分配是為了補充可能因放牧啃食而導(dǎo)致的光合面積的損失，水分吸收能力可能更主要的通過生理、根系形態(tài)等方式來維持；因此，GZ與NG地上、根系分配對干旱環(huán)境的不同響應(yīng)是其在原生環(huán)境下對不同環(huán)境限制因子長期適應(yīng)的結(jié)果。

4 結(jié)論

1）放牧與圍封羊草對干旱環(huán)境的適應(yīng)方式不同，圍封羊草通過增加根系分配適應(yīng)干旱環(huán)境，放牧羊草可能更依賴于生理過程適應(yīng)干旱環(huán)境；

2）放牧與圍封羊草總生物量對干旱環(huán)境具有相同的抵抗能力，但是地上部對干旱環(huán)境的響應(yīng)模式不同，圍封羊草單株株高、單株生物量響應(yīng)更為敏感，放牧羊草子株數(shù)響應(yīng)更為敏感；

3）放牧與圍封羊草生物量分配對干旱環(huán)境的響應(yīng)模式不同，放牧羊草在干旱環(huán)境下增加地上分配，圍封羊草則增加根系分配。