混合放牧對高寒草地矮生嵩草生殖枝與營養枝性狀的影響

劉文亭， 王芳草， 楊曉霞， 劉玉禎， 馮 斌， 俞 旸， 張春平， 曹 銓， 董全民

(青海大學畜牧獸醫科學院,青海省畜牧獸醫科學院,青海省高寒草地適應性管理重點實驗室, 青海 西寧 810016)

生殖個體性狀是植物種群動態、草地生態系統健康的關鍵[1]。放牧家畜高強度的采食必定破壞植物的營養器官和繁殖器官，并引起葉片變短變窄、株叢變小等消極影響[2-3]，減小植物獲取資源的能力，植物性狀也將承受較強的環境選擇壓力[4]。生活史理論認為植物在營養生長和生殖生長之間的資源分配具有很強的靈活性[5]，資源的存在可以以養分、能量或生物量的形式來體現，在資源一定的情況下，用于任何一項生命活動的資源往往會以犧牲其他生命活動為代價[6]，因此，平衡各功能間的資源配置是自然選擇下有機體生命活動相互妥協的最優解。

權衡的觀點最早源自動物，但該原則同樣適用于植物，即植物也會進行資源的配置，以供其生長、競爭、防御和繁殖。其中抗性、耐性是植物可以表達的兩種防御表型，分別用來減輕草食動物帶來的傷害及負面影響[7-8]。抗性指植物減少草食動物取食偏好性，耐性指植物通過補償性生長、提升繁殖成功率、降低株高來適應草食動物[9]。在資源有限的情況下，植物減少對抗性的投入，可能會增加對耐受性的投入，反之亦然。目前，這種權衡關系已在一些研究體系中得到證實[7]。與未被啃食植物相比，在食草動物存在的情況下，抗性和耐性都可能產生更高適應性的益處[8]。如果植物以犧牲有性繁殖為代價，將資源分配給維持抗性或耐性性狀，則生殖個體在生殖過程中是以母體生存為優先級，營養生長占主導地位，反之，則生殖生長占主導地位。這暗示了生殖個體防御策略會增加營養枝與生殖枝之間的資源分配，長此以往，勢必不利于物種的更新與延續。

高山嵩草草甸是青藏高原主要植被類型之一，矮生嵩草(Kobresiahumilis)是構成嵩草草甸的主要建群種，屬寒冷中生短根莖地下芽多年生莎草科嵩草屬草本植物，具有高蛋白、高脂肪、高無氮浸出物、低纖維素和高熱值等特性，經濟利用價值高，適口性好，一年四季均為家畜喜食，其總營養物質的含量在各經濟類群中居首位，是高寒草甸地區生態和經濟價值兼優的牧草[10-11]。相比一年生植物，多年生植物的繁殖行為取決于目前用于繁殖的資源量與為將來繁殖而儲存的資源量之間的潛在作用[12]，具體表現在植株的表型特征上[13]。研究認為，高度對放牧的反應最為直接和敏感[3]，直接影響著植物獲取光資源的能力，進而影響植物可分配資源的量。這即是說，在不同種類家畜混合放牧的草地，家畜長期的采食勢必會改變矮生嵩草的植株性狀，意味著植株可分配資源會發生改變。

本研究依托于青海省海北州西海鎮高寒草地-家畜系統適應性管理技術平臺作為模式生態系統，以青藏高原高寒草地建群種矮生嵩草為模式植物，從矮生嵩草個體性狀與器官性狀入手，探究以下科學問題：不同家畜組合是否會改變生殖枝和營養枝的資源投入；不同家畜組合是否會改變矮生嵩草個體生殖枝、營養枝性狀的潛在聯系。以期為青藏高原高寒草地的放牧管理提供理論基礎與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

放牧試驗區位于青海省海北州西海鎮高寒草地-家畜系統適應性管理技術平臺(36°92′N，100°93′E)，平均海拔3 000～3 100 m，屬高原大陸性氣候，年均溫1.5℃，年日照時數為2 580～2 750 h，年平均降水量為400 mm左右，降水多集中在5—9月，約占全年降水量的80%以上。土壤類型為高山草甸土，草地植物群落總蓋度較高(85%以上)，植物群落以矮生嵩草和紫花針茅(Stipapurpurea)為主要優勢種，次優勢種主要為干生薹草(Carexaridula)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。

1.2 放牧試驗設計

放牧開始前，本研究選用的試驗樣地位于連續的同一塊草地，地勢相對平坦，環境相對均勻，有效地控制了本底和空間異質性的差異。放牧試驗于2014年開始，每年的放牧時間為6月1日—10月31日。放牧試驗采用隨機區組試驗設計，所有放牧處理的放牧強度均為中等放牧強度(11.6羊單位·km-2)，牧草利用率為50%～55%；試驗設有不放牧(對照)處理(CK)、牦牛單牧處理(Y)、藏羊單牧處理(S)、牦牛藏羊1∶2混牧處理(M1)、牦牛藏羊1∶4混牧處理(M2)、牦牛藏羊1∶6混牧處理(M3)，每個處理設有3個重復，共有18個試驗小區，每個放牧小區間均由1.2 m高的網圍欄分隔。放牧期間不進行補飼，每2天添加一次飲用水。為保證試驗的一致性，選擇同齡的公牦牛和公藏羊，牦牛年齡為1.5歲，體重為(100±5)kg，每頭牦牛為3個羊單位；藏羊年齡為1歲，體重為(30±2)kg，每只藏羊為1個羊單位，每個處理所需的草地面積根據羊單位進行計算，以保證所有處理的放牧強度是一致的。放牧前對家畜進行了投藥驅蟲，以確保家畜在放牧期間的正常采食和代謝活動[14]。

1.3 數據獲取

1.3.1試驗材料 為獲取試驗樣地矮生嵩草個體生殖枝與營養枝數據，本研究于2021年6月下旬進行野外取樣。在每個試驗小區內，隨機選取器官相對完好的矮生嵩草生殖個體各10株，采用電子游標卡尺測量了矮生嵩草個體所有生殖枝、營養枝的自然高度，其中生殖枝、營養枝數量不足5時全部測量，生殖枝、營養枝數量大于5時隨機選取5條枝條進行測量。每個處理的取樣共計30株，將植株個體用剪刀齊地剪起，立即帶回室內陰涼處處理。本試驗共取樣180株。

1.3.2指標獲取 為保證所測指標的精度及誤差最小化，本試驗采用電子游標卡尺測量了矮生嵩草個體所有的營養枝長度、營養枝長度，在分離不同器官后，測量生殖枝數量、營養枝數量。新鮮的植物材料置于105℃烘箱中殺青10 min，分別將矮生嵩草營養枝、生殖枝置于65℃鼓風干燥箱中烘干至恒重，稱量樣品干重，采用萬分之一天平測定營養枝重量、生殖枝重量。

1.4 數據處理

由于矮生嵩草屬基生葉密叢型草本植物，無明顯莖葉分化，葉下部對折、上部平張，寬1～2 mm，生殖枝亦無莖葉分化，因此在分析矮生嵩草(細長型植物器官)在不同處理中的資源獲取能力時，借鑒比葉面積的概念和計算方法，本研究結合矮生嵩草的植物表型特征，定義了矮生嵩草的資源投入，即單位植物器官長度的重量，故而生殖枝、營養枝的資源投入計算方法為：資源投入=器官重量/(器官數量×器官長度)。其中，器官重量為生殖(營養)枝的總重量，器官數量為生殖(營養)枝數量，器官長度為生殖(營養)枝長度。本研究中植物器官的重量為干物質重量，單位為g，故將器官長度單位換算為cm；此外，根據前期的數據積累，種子重量/生殖枝重量<0.03，故在計算生殖枝資源投入時，忽略了種子重量。

利用一般線性模型分析不放牧(對照)處理、牦牛單牧處理、藏羊單牧處理、牦牛藏羊1∶2混牧處理、牦牛藏羊1∶4混牧處理、牦牛藏羊1∶6混牧處理下矮生嵩草個體營養枝高度、營養枝數量、營養枝重量、生殖枝高度、生殖枝數量、生殖枝重量、每條營養枝重量、每條生殖枝重量、生殖枝資源投入和營養枝資源投入，并進行Duncun多重比較，數據以平均值±標準誤進行表示。利用Pearson相關法分析各放牧處理內生殖枝資源投入和營養枝資源投入的相關性，在0.05和0.01水平進行顯著性檢驗。

為探索矮生嵩草營養枝與生殖枝性狀的關系，將放牧處理設為控制變量，對營養枝高度、營養枝數量、營養枝重量、生殖枝高度、生殖枝數量、生殖枝重量進行偏相關分析，并在在0.05和0.01水平進行顯著性檢驗。為了進一步明確營養枝與生殖枝性狀的潛在聯系，本研究構建了營養枝高度、營養枝數量、營養枝重量、生殖枝高度、生殖枝數量、生殖枝重量6個觀測變量的結構方程模型，以上統計分析在R 3.6.1(R Development Core Team,2019)中完成。

2 結果與分析

2.1 矮生嵩草個體性狀與器官性狀

對于矮生嵩草個體營養枝性狀，單因素方差分析結果顯示，M3處理矮生嵩草營養枝高度、數量、重量顯著高于M2處理和Y處理(P< 0.05)，S處理營養枝高度、重量顯著高于M2處理(圖1)。相比矮生嵩草營養枝數量與重量，Y處理營養枝高度與M1，M2處理無顯著差異；S處理營養枝高度顯著高于Y，M1，M2處理(圖1A)。對于矮生嵩草個體生殖枝性狀，M1，M3，Y，S處理生殖枝高度、生殖枝數量、生殖枝重量顯著高于M2處理(圖2)；M2處理生殖枝數量、生殖枝重量與CK處理無顯著差異。對于矮生嵩草每條營養枝重量，M3,CK處理顯著高于M2處理(圖3A)；而對于矮生嵩草每條生殖枝枝重量，各放牧處理間無顯著差異(圖3B)。

圖1 不同放牧處理下矮生嵩草個體營養枝性狀的變化Fig.1 Traits of individual vegetative branch of Kobresia humilis in alpine grassland注：Y，牦牛單獨放牧；S，藏羊單獨放牧；M1，牦牛藏羊放牧比例1∶2；M2，牦牛藏羊放牧比例1∶4；M3，牦牛藏羊放牧比例1∶6；CK，不放牧。不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，下同Note：Y,Single Yak grazing;S,Single Tibetan sheep grazing;M1,Yak∶Tibetan sheep as 1∶2 grazing;M2,Yak∶Tibetan sheep as 1∶4 grazing;M3,Yak∶Tibetan sheep as 1∶6 grazing;CK,No grazing. The different lowercase letters indicate significant at the 0.05 level，the same as below

圖2 不同放牧處理下矮生嵩草個體生殖枝特征的變化Fig.2 Traits of individual reproductive branch of Kobresia humilis in alpine grassland

圖3 不同放牧處理下矮生嵩草器官特征的變化Fig.3 Organ traits of Kobresia humilis in alpine grassland

2.2 矮生嵩草生殖枝與營養枝的資源投入與相關關系

方差分析結果顯示，單位長度矮生嵩草營養枝重量、生殖枝重量均未受放牧處理的影響(圖4)。Pearson相關分析結果顯示，不同放牧處理下矮生嵩草單位長度營養枝重量與單位長度生殖枝重量均呈正相關關系，且在S，M2，M3處理下呈顯著正相關關系(P<0.05)，在Y，M1處理下呈極顯著正相關關系(P< 0.01，圖5)，這說明放牧強化了矮生嵩草在生殖枝和營養枝的資源投入的聯系，且矮生嵩草在生殖枝和營養枝的資源投入不存在權衡關系。

圖4 不同放牧處理下矮生嵩草個體生殖枝、營養枝的資源投入變化Fig.4 Resource input of individual reproductive and vegetative branches of Kobresia humilis in alpine grassland注：ns表示不同放牧處理間差異不顯著Note：ns indicates no significant difference

圖5 不同放牧處理下矮生嵩草個體生殖枝和營養枝的資源投入的Pearson相關分析Fig.5 Pearson correlation between resource input of individual reproductive and vegetative branches of Kobresia humilis注：*，表示P<0.05；* *，表示P<0.01Note：* indicates P<0.05. * * indicates P<0.01

2.3 矮生嵩草生殖枝、營養枝性狀的潛在關系

偏相關分析結果顯示，各性狀間均呈現正相關關系(表1)，說明矮生嵩草個體生殖枝、營養枝性狀呈現協同變化關系。為進一步明確各放牧處理矮生嵩草個體生殖枝、營養枝性狀的潛在聯系，本研究建立了結構方程模型，各處理共性的結果為，矮生嵩草的營養枝重量會顯著影響營養枝數量(標準化回歸系數β> 0.55，P< 0.05)，而生殖枝數量顯著影響了生殖枝重量(圖6)。各放牧處理中共性的結果是，營養枝數量對生殖枝重量產生了負效應(標準化回歸系數β<0)。各混合放牧處理共性的結果是，營養枝重量對生殖枝重量、生殖枝高度產生了正效應，營養枝高度對營養枝數量產生了負效應(圖6C，6D，6E)。在對照處理中，生殖枝高度顯著影響營養枝重量(標準化回歸系數β=0.66，P<0.05)，生殖枝數量顯著影響營養枝數量，進而顯著影響了營養枝高度、生殖枝高度(圖6F)。

表1 矮生嵩草個體生殖枝和營養枝性狀的偏相關關系Table 1 Partial correlation between reproductive branch and vegetative branch traits of Kobresia humilis

Note:* indicates P < 0.05;* * indicates P < 0.01

3 討論

植物表型特征會根據自身所處生境來權衡、轉換或補償自身某些功能，以實現生物生存、生長與繁殖三大功能[15-16]，是植物響應外界環境變化的綜合體現[17]。研究發現，適度放牧處理中，食物相對充足并能滿足放牧家畜的多種營養需求，這使得家畜擁有更多的采食自主選擇性，其采食是以偏食物種為主且選擇多樣化的植物組合來滿足其營養平衡[18]。在本研究中，發現綿羊單獨放牧處理下其營養枝、生殖枝特征均處于較高水平，而在牦牛藏羊放牧比例1∶4(M2)處理下處于較低水平(圖1、圖2、圖3)，這表明在混合放牧處理中，牦牛對矮生嵩草的下行調控作用遠遠高于藏羊，結合牦牛單獨放牧處理下矮生嵩草營養枝特征的表型特征，驗證了草原優勢種數量、重量間的平衡受不同種類、不同體尺的放牧家畜的調控[19]。這可能是因為不同種類家畜的口、牙齒和消化系統等的解剖學特征存在差異，更為重要的是源于牦牛、藏羊體型大小所引起的巨大差異。此外，不同的食性選擇能夠促使草食動物之間產生互利的作用效果，即一種動物的采食可能提高了另一種動物的覓食效率，例如，草兔對優勢種的采食增加了黑雁的有效采食量，而原來這類植物是黑雁不喜食的物種[20-21]。這即是說，與單一物種的放牧相比，不同種類的動物混合放牧對草地植被的影響并不是簡單的食譜疊加，且不能通過單獨放牧的效果進行預測。

家畜采食植物時，不僅喜歡采食品質高的植物，更喜歡適口性好的植物[22]，一般研究認為，草食動物喜歡采食植物最有價值的部分[23]，這與我們的研究結果一致，即放牧一定程度地減少了矮生嵩草每一條生殖枝的重量(圖3)。然而，從矮生嵩草個體生殖枝、營養枝的資源投入角度分析，各放牧處理單位長度矮生嵩草營養枝重量、生殖枝重量均無明顯差異(圖4)。這一結果說明，矮生嵩草會通過提高單位長度生殖枝的資源投入來補償放牧家畜造成的表型差異，即矮生嵩草適應家畜干擾的主要途徑為忍耐策略。這是因為矮生嵩草能夠進行有性生殖與無性生殖，然而在家畜的中度干擾下，增加無性繁殖個體數量顯然不是一種明智的抉擇，無性繁殖幼苗的個體通常與母體形成小尺度的聚集分布，這無疑會減小家畜的采食成本，不利于種群的存活。此外，我們還有一個大膽的設想，即矮生嵩草可能會誘使家畜采食個體的部分器官，通過“犧牲”部分器官的生態策略來完成有性繁殖過程進而保障種群的更新與穩定。

為了進一步探索矮生嵩草生殖個體對放牧的響應模式，本研究對其生殖個體的生殖枝和營養枝的資源投入進行了分析，發現適度放牧顯著提高了生殖個體生殖枝和營養枝資源投入的潛在聯系(圖5)。這與Liu等的研究結果一致，植物在與大型家畜長期互動的過程中，放牧會激活并改變草地優勢物種的資源分配模式[24]。這可能由以下2種機制共同發揮作用：(1)增加營養枝數量，正如上文所述，忍耐策略是矮生嵩草主要采用的避牧策略，圖1的結果顯示，相比不放牧處理，放牧處理下的矮生嵩草營養枝數量相對更多，這說明矮嵩草在受到機械損傷后可通過增加營養枝數量的方式來補償光合作用生產有機物總量，從而在一定程度上維持可獲得資源總量恒定，實現適合度的最大化；(2)增加單位長度枝條重量，研究發現，植物的生殖器官也可進行光合作用，例如，Biscoe等人(1975)的研究顯示，大麥(Hordeumvulgare)旗葉和穗本身的光合作用對最終粒重的貢獻率為47%[25]，Bazzaz等人(1979)發現，生殖器官貢獻了花和果實的資源需求的2.3%～64.5%[26]，上述研究結果均說明了矮生嵩草也可通過增加單位長度的生殖枝、營養枝資源投入量來提高資源分配模式。

結構方程模型結果顯示，放牧改變了矮生嵩草生殖枝性狀與營養枝性狀的潛在因果關系(圖6)，這與Liu等所獲結論較為一致，在種間關系競爭激烈的高寒草地中，不放牧處理矮生嵩草生殖個體中，生殖活動在植物的資源分配中扮演了支配者的角色[24]。這可能是因為處于繁殖期的矮生嵩草個體，其資源分配可能處于一種高效的控制下，即生殖枝與營養枝之間的權衡由生殖枝決定，生殖枝的生長情況在一定程度上調控著營養枝的生長情況。試想長期處于競爭激烈的生境中，生殖枝與營養枝之間的權衡如果偏向營養枝，顯然不是一種明智、有利于有性繁殖的生態策略，無疑會增加矮生嵩草的生存成本，不利于種群的更新與存活。而在其他中度放牧處理中，盡管牦牛藏羊的牧食行為會對矮生嵩草造成一定的影響，但亦會對其他植物物種造成影響，釋放出較為客觀的空域生態位，降低物種的種間競爭。這一結果說明了，在高寒草地生態系統中，矮生嵩草能夠根據環境調控自身性狀間的內在聯系，進而形成適合自身長久生存的生態策略，即在競爭激烈的生境中，矮生嵩草可能更傾向于進行有性生殖活動，而在種間關系相對較弱的中度放牧中，矮生嵩草生殖個體的營養枝活動更明顯。

4 結論

研究認為，在中度放牧干擾下，各放牧處理下青藏高原高寒草地建群種矮生嵩草生殖枝和營養枝的資源投入不存在權衡關系，且能夠根據放牧脅迫調控自身性狀間的內在聯系，即通過增加單位長度的生殖枝、營養枝資源投入量來提高資源分配模式。