陰山扁蓿豆光合特性對(duì)模擬牦牛、藏羊踐踏和降水的短期響應(yīng)

肖紅，徐長(zhǎng)林，張德罡，張建文，楊海磊，柴錦隆，潘濤濤，王艷，魚(yú)小軍

(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，中美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

陰山扁蓿豆光合特性對(duì)模擬牦牛、藏羊踐踏和降水的短期響應(yīng)

肖紅，徐長(zhǎng)林，張德罡，張建文，楊海磊，柴錦隆，潘濤濤，王艷，魚(yú)小軍*

(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，中美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

為明晰牦牛和藏羊踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合特性的分異影響，在天祝高寒草地采用模擬降水和踐踏雙因子控制試驗(yàn)，研究了陰山扁蓿豆單葉面積、葉綠素含量、葉片氣體交換參數(shù)變化對(duì)短期模擬牦牛、藏羊踐踏和降水的響應(yīng)。結(jié)果表明，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加、模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆單葉面積、葉綠素含量、蒸騰速率(Tr)、葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和凈光合速率(Pn)均呈下降趨勢(shì)，胞間CO2濃度(Ci)呈上升趨勢(shì)。相同降水量下，藏羊和牦牛輕度踐踏強(qiáng)度下陰山扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均高于對(duì)照，胞間CO2濃度低于對(duì)照。與對(duì)照相比，牦牛重度踐踏處理下陰山扁蓿豆單葉面積、葉綠素含量、蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的降幅和胞間CO2濃度的升幅均大于藏羊重度踐踏處理。單一的模擬降水或模擬踐踏極顯著地影響了各測(cè)定指標(biāo)，且兩者共同作用對(duì)陰山扁蓿豆單葉面積、蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和踐踏末期葉綠素含量的影響達(dá)極顯著水平。綜合可得，牦牛和藏羊輕度踐踏可促進(jìn)陰山扁蓿豆光合作用，重度踐踏嚴(yán)重抑制了陰山扁蓿豆光合作用，且牦牛踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合能力的抑制作用大于藏羊踐踏。

陰山扁蓿豆；光合特性；模擬牦牛、藏羊踐踏；模擬降水；高寒草甸

青藏高原是我國(guó)主要的牧區(qū)之一，同時(shí)也是國(guó)家的重要生態(tài)功能區(qū)。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)脆弱，抗干擾能力差，極易受到人為等因素的干擾，造成草地退化，植被一旦破壞很難恢復(fù)[1-2]，青藏高原面積為1.3億hm2，飼養(yǎng)著約1400萬(wàn)頭牦牛和5000萬(wàn)只藏羊[3]。牦牛和藏羊是分布在青藏高原及其毗鄰高山地區(qū)的重要畜種，是青藏高原農(nóng)牧民賴以生存的重要生產(chǎn)和生活資料[4-5]。因此，家畜踐踏對(duì)草地土壤、植被有著重要的影響，近30年來(lái)，由于家畜數(shù)量劇增，踐踏使草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了較為普遍的退化，植物種的多樣性、蓋度、生物量和高度下降，破壞植物根系，改變競(jìng)爭(zhēng)格局[6-8]。土壤肥力流失、侵蝕加劇、水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能減弱[9-10]，這事實(shí)上是天然草地植被和土壤系統(tǒng)的協(xié)調(diào)退化。為了緩解家畜踐踏帶來(lái)的負(fù)面影響，更有針對(duì)性地解決其所帶來(lái)的相關(guān)生態(tài)問(wèn)題，有必要深入研究草原植被對(duì)家畜踐踏的生理生態(tài)響應(yīng)。

光合作用(photosynthesis)是綠色植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)和生產(chǎn)力高低的決定性因素，有利于生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)，其生理過(guò)程對(duì)外界環(huán)境變化敏感[11]。植物的光合性能可以通過(guò)葉面積、葉綠素含量、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等得到衡量。研究植物的光合特性，有利于了解植物對(duì)光能的利用效率，闡明植物光合的生態(tài)學(xué)特征。放牧采食和踐踏顯著影響植物對(duì)光和水分的利用[12]。同時(shí)也影響牧草的生理活動(dòng)和光合特性，從而影響了牧草的產(chǎn)量。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)放牧影響牧草光合方面做了較多的研究[13-18]，但其研究結(jié)果反映的是放牧家畜踐踏、采食和排泄三者的綜合作用。三者相對(duì)而言，家畜踐踏作用具有時(shí)間長(zhǎng)、直接作用于草地的組分多和效果持久的特點(diǎn)，因而對(duì)草地的影響可能更為長(zhǎng)遠(yuǎn)和深刻，在草地退化和健康維護(hù)中起主導(dǎo)作用[19-23]。目前關(guān)于踐踏對(duì)牧草光合特性的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以天祝高寒草甸的主要伴生草種陰山扁蓿豆(Medicagorutheniavar.inschanicus)為試驗(yàn)材料，通過(guò)模擬降水以及模擬牦牛、藏羊踐踏的雙因子控制試驗(yàn)，測(cè)定陰山扁蓿豆單葉面積、葉綠素含量和氣體交換參數(shù)的變化，以探索陰山扁蓿豆光合特性對(duì)模擬降水和踐踏的短期響應(yīng)機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)天然草地的健康管理以及退化高寒草甸的修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地設(shè)在青藏高原東北緣的甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)天祝高山草原試驗(yàn)站，地理坐標(biāo)為37°40′ N，102°32′ E，海拔2960 m，氣候潮濕,空氣稀薄,太陽(yáng)輻射強(qiáng)，晝夜溫差大。該地區(qū)水熱同期，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，長(zhǎng)冬無(wú)夏，僅有冷熱季之分，年均氣溫-0.1 ℃，7月均溫12.7 ℃，1月均溫-18.3 ℃，>0 ℃的年積溫1380 ℃；年均降水量416 mm，多為地形雨，集中于7、8、9三個(gè)月。土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土等為主，土層厚度40～80 cm，土壤pH為7.0～8.2[24]。嵩草草甸為該試驗(yàn)區(qū)主要植被類型，由多年生草本植物組成，建群種為矮生嵩草(Kobresiahumilis)。優(yōu)勢(shì)種為冷地早熟禾(Poacrymophila)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、西北針茅(Stipasareptana)、陰山扁蓿豆。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以踐踏因子為主因子，水分因子為次因子進(jìn)行野外人工調(diào)控試驗(yàn)，采用復(fù)因子裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以4個(gè)模擬降水處理為主區(qū)，4個(gè)試驗(yàn)踐踏強(qiáng)度梯度處理為副區(qū)，主副區(qū)完全隨機(jī)排列，3次重復(fù)。主區(qū)間間距為0.7 m，副區(qū)間間距為0.5 m，小區(qū)面積為1 m×2 m。

主區(qū)處理，即水分控制方法：根據(jù)多年天祝高寒草地不同年份6-9月降水量的實(shí)際情況，共設(shè)置了豐水(每月設(shè)計(jì)量110 mm)、平水(每月設(shè)計(jì)量70 mm)、少雨(每月設(shè)計(jì)量40 mm)和自然狀況[25-26]。模擬降水試驗(yàn)在2015年6-8月實(shí)施。每月的降水量分10次實(shí)施，每3 d實(shí)施1次。以距地面30 cm的高度，于上午8：00前或下午8：00后，用噴壺分3次均勻噴施于試驗(yàn)主區(qū)，每次約施入設(shè)計(jì)總量的1/3；并參照氣候條件，確保灌水前2日和灌水1日后無(wú)降水發(fā)生。自然情況不控制，利用自然降水。采用活動(dòng)雨棚在降水來(lái)臨前遮住自然降水，使降水沿隔離帶中的排水溝排出，模擬少雨?duì)顩r；無(wú)降水則拿掉遮雨布。

副區(qū)處理，即踐踏因子控制方法：根據(jù)踐踏強(qiáng)度、蹄壓強(qiáng)度，用自制的踐踏模擬器模擬輪牧的成年牦牛和藏羊?qū)Σ莸氐嫩`踏。模擬踐踏通過(guò)人穿安裝有家畜蹄子的鞋行走實(shí)現(xiàn)(圖1)。蹄子選用4歲牦牛和2歲藏羊的后蹄，模擬牦牛踐踏人的體重為60 kg，踐踏器安裝1只蹄子；模擬藏羊踐踏人的體重為45 kg，踐踏器安裝3只蹄子；這樣，就代表了體重180 kg的牦牛和45 kg的藏羊放牧采食時(shí)對(duì)草地的真實(shí)踐踏水平。模擬踐踏試驗(yàn)根據(jù)2014年開(kāi)展的放牧季每天放牧8 h的輪牧試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,每m2藏羊在輕度、中度、重度放牧區(qū)的蹄印數(shù)分別為：40.5、70.5、100.5；牦牛在輕度、中度、重度放牧區(qū)的蹄印數(shù)分別為：18、30、40。再轉(zhuǎn)化為模擬踐踏的步數(shù)，藏羊在輕度、中度、重度模擬踐踏試驗(yàn)小區(qū)(1 m×2 m)的踐踏步數(shù)分別為27、47、67步，牦牛踐踏步數(shù)分別為：36、60、80步。分別進(jìn)行不踐踏(對(duì)照)(CK)、藏羊輕度踐踏(TSLT)、藏羊中度踐踏(TSMT)、藏羊重度踐踏(TSHT)、牦牛輕度踐踏(YLT)、牦牛中度踐踏(YMT)、牦牛重度踐踏(YHT)處理。模擬踐踏在2015年6-8月進(jìn)行，每副區(qū)在放牧季共實(shí)施3期踐踏處理(第1期模擬踐踏時(shí)間為6月21日-30日；第2期模擬踐踏時(shí)間為7月21日-30日；第3期模擬踐踏時(shí)間為8月21日-30日)，同一副區(qū)兩次踐踏的間隔時(shí)間為20 d。

圖1 模擬家畜踐踏器Fig.1 The livestock hoof impact simulator a模擬牦牛踐踏器，b模擬藏羊踐踏器，c模擬踐踏。(a) Shoes made from yak hooves used to simulate the effects of trampling by yak, (b) Shoes made from Tibetan sheep hooves used to simulate the effects of trampling by Tibetan sheep, (c) Use of the shoes in trampling a plot.

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 陰山扁蓿豆葉面積的測(cè)定 第3期模擬踐踏處理完后，采集各試驗(yàn)小區(qū)生長(zhǎng)均勻一致、完全張開(kāi)且沒(méi)有病蟲(chóng)害的陰山扁蓿豆葉片(單葉)，將葉片置于兩片潮濕的濾紙之間，放入自封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行葉面積的測(cè)定。

葉面積采用臺(tái)式掃描儀(Epson Perfection 4990 Photo 型)將葉片掃描并存入電腦，掃描儀的分辨率為300 dpi，再用分析系統(tǒng)軟件(Win RH IZO)對(duì)葉片的圖像進(jìn)行分析，測(cè)得葉面積，每個(gè)處理15次重復(fù)。

1.3.2 陰山扁蓿豆葉綠素含量的測(cè)定 于第2期和第3期模擬踐踏處理完后，利用SPAD-502便攜式葉綠素儀對(duì)各試驗(yàn)小區(qū)陰山扁蓿豆葉片的葉綠素含量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)定陰山扁蓿豆葉片中部葉脈周邊位置，葉片大小相似無(wú)病蟲(chóng)害，每試驗(yàn)小區(qū)15次重復(fù)。SPAD測(cè)定值為葉綠素估測(cè)值，未進(jìn)行估測(cè)值與實(shí)測(cè)值的擬合。

1.3.3 氣體交換參數(shù)的測(cè)定 第3期模擬踐踏處理完后測(cè)定各試驗(yàn)小區(qū)陰山扁蓿豆光合生理指標(biāo)。采用GFS-3000便攜式光合測(cè)定儀(德國(guó)產(chǎn))，于晴朗天氣上午9:00-11:00測(cè)定，選擇健康、長(zhǎng)勢(shì)一致、葉片節(jié)位相似的陰山扁蓿豆葉片作為測(cè)定葉片，每試驗(yàn)小區(qū)測(cè)定10株陰山扁蓿豆，即10次重復(fù)。各參數(shù)穩(wěn)定后，測(cè)量結(jié)果變異率小于0.05時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每次讀取數(shù)據(jù)5次，取其平均值。測(cè)定指標(biāo)分別為陰山扁蓿豆葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及胞間CO2濃度(Ci)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件包中的Compare Means法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著性用Duncan法進(jìn)行多重比較，用Microsoft Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降水和踐踏對(duì)陰山扁蓿豆單葉面積的影響

由表1可知，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆單葉面積均呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)；同一放牧強(qiáng)度下藏羊踐踏處理的單葉面積均大于牦牛踐踏處理，且在少雨處理下藏羊中度踐踏的單葉面積顯著高于牦牛中度踐踏(P<0.05)，豐水處理下藏羊重度踐踏的單葉面積顯著高于牦牛重度踐踏(P<0.05)。

隨著模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆單葉面積呈下降趨勢(shì)(表1)，少雨和豐水處理下各踐踏處理的陰山扁蓿豆單葉面積均顯著低于對(duì)照(P<0.05)；豐水處理對(duì)陰山扁蓿豆單葉面積的影響較大，與對(duì)照相比，隨著模擬藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為24.8%、44.6%、56.8%，隨著模擬牦牛踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為25.1%、48.2%、70.7%。

2.2 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆單葉面積的影響

隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆單葉面積均呈下降趨勢(shì)(圖2)。藏羊和牦牛輕度踐踏處理下的單葉面積與對(duì)照處理無(wú)顯著差異(P>0.05)；與對(duì)照相比，隨著模擬藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆單葉面積分別降低了3.3%、36.7%、63.9%，

表1 模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆單葉面積Table 1 The single leaf area of M. ruthenia var. inschanicusunder simulated precipitation and trampling mm2

注：CK：對(duì)照；TSLT：藏羊輕度踐踏；TSMT：藏羊中度踐踏；TSHT：藏羊重度踐踏；YLT：牦牛輕度踐踏；YMT：牦牛中度踐踏；YHT：牦牛重度踐踏。同列不同小寫(xiě)字母表示踐踏強(qiáng)度間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫(xiě)字母表示降水量間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: CK, Check; TSLT, Tibetan sheep light trampling; TSMT, Tibetan sheep moderate trampling; TSHT, Tibetan sheep heavy trampling; YLT, Yak light trampling; YMT, Yak moderate trampling; YHT, Yak heavy trampling.Different lowercase letters within the same column show significant different at 0.05 level among trampling intensity, while different capital letters within the same line show significant different at 0.05 level among rainfall. The same below.隨著模擬牦牛踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為5.4%、48.4%、69.3%。

2.3 模擬降水和踐踏對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量(SPAD值)的影響

由表2可得，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆葉綠素含量均呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)，且各踐踏處理顯著低于對(duì)照(P<0.05)；同一放牧強(qiáng)度下，藏羊踐踏處理的葉綠素含量均大于牦牛踐踏處理，第3期模擬踐踏后，同一放牧強(qiáng)度下牦牛和藏羊踐踏處理的葉綠素含量差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

圖2 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆單葉面積的影響 Fig.2 The effect of simulated trampling on the single leaf area of M. ruthenia var. inschanicus under natural level of rainfall 不同小寫(xiě)字母表示踐踏強(qiáng)度間差異顯著(P<0.05)，下同。Different lowercase letters show significant different at 0.05 level among trampling intensity, the same below.

同一踐踏強(qiáng)度下，陰山扁蓿豆葉綠素含量隨著模擬降水量的降低呈下降趨勢(shì)；第3期各處理下的陰山扁蓿豆葉綠素含量均低于第2期；第2期模擬踐踏處理后，平水處理對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量的影響較大，與對(duì)照相比，隨著模擬藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為15.7%、31.1%、54.3%，隨著模擬牦牛踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為18.3%、36.2%、55.1%；第3期踐踏處理后，少雨處理對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量的影響較大，與對(duì)照相比，隨著模擬藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為16.1%、29.2%、56.5%，隨著模擬牦牛踐踏強(qiáng)度的增加，其降幅分別為23.8%、36.7%、61.6%。

表2 模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆葉綠素含量Table 2 The chlorophyll content (SPAD value) of M. ruthenia var. inschanicusunder simulated precipitation and trampling

2.4 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量

圖3 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量的影響Fig.3 The effect of simulated trampling on the chlorophyll content (SPAD value) of M. ruthenia var. inschanicus under natural level of rainfall

(SPAD值)的影響

自然降水下，陰山扁蓿豆葉綠素含量隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加均呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)(圖3)，且各踐踏處理均顯著低于對(duì)照(P<0.05)。第2期同一放牧強(qiáng)度下藏羊和牦牛踐踏處理的陰山扁蓿豆葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)，而第3期同一放牧強(qiáng)度下藏羊踐踏處理的葉綠素含量顯著高于牦牛踐踏處理(P<0.05)。第2期和第3期踐踏處理后，牦牛和藏羊重度踐踏處理下陰山扁蓿豆葉綠素含量與對(duì)照相比均下降了50%以上。

2.5 模擬降水和踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合氣體交換參數(shù)的影響

由表3可得，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆蒸騰速率均呈下降趨勢(shì)；同一降水量處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏下陰山扁蓿豆蒸騰速率均高于對(duì)照，且藏羊輕度踐踏處理達(dá)顯著水平(P<0.05)；同一踐踏強(qiáng)度下，隨著模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆的蒸騰速率均呈下降趨勢(shì)，少雨處理下陰山扁蓿豆蒸騰速率均顯著低于豐水處理(P<0.05)。

陰山扁蓿豆葉片氣孔導(dǎo)度隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加均呈下降趨勢(shì)(表3)；同一降水量處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏下陰山扁蓿豆葉片氣孔導(dǎo)度均高于對(duì)照，且藏羊輕度踐踏處理達(dá)顯著水平(P<0.05)；同一踐踏強(qiáng)度下，隨著模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆的葉片氣孔導(dǎo)度均呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)；少雨處理對(duì)陰山扁蓿豆葉片氣孔導(dǎo)度的影響較大，與對(duì)照相比，藏羊和牦牛重度踐踏下陰山扁蓿豆葉片氣孔導(dǎo)度分別降低了54.1%和56.9%。

表3 模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆光合氣體交換參數(shù)Table 3 Photosynthetic gas exchange parameters of M. ruthenia var. inschanicusunder simulated precipitation and trampling

隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆凈光合速率均呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)(表3)；同一降水量處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏下陰山扁蓿豆凈光合速率均顯著高于對(duì)照處理(P<0.05)，且在平水處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏下陰山扁蓿豆凈光合速率與對(duì)照相比分別升高了60.1%和36.2%；同一踐踏強(qiáng)度下，隨著模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆的凈光合速率均呈下降趨勢(shì)，少雨處理下陰山扁蓿豆凈光合速率均顯著低于豐水處理(P<0.05)。

隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆胞間CO2濃度均呈上升趨勢(shì)(表3)；同一降水量處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏下陰山扁蓿豆胞間CO2濃度均低于對(duì)照處理，且與對(duì)照相比，藏羊輕度踐踏下扁蓿豆胞間CO2濃度降低的幅度均大于牦牛輕度踐踏處理；同一降水量處理下，牦牛重度踐踏下陰山扁蓿豆胞間CO2濃度均顯著高于其他各處理(P<0.05)；同一踐踏強(qiáng)度下，隨著模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆胞間CO2濃度均呈上升趨勢(shì)，豐水處理下陰山扁蓿豆胞間CO2濃度均顯著低于少雨和平水處理(P<0.05)，少雨和平水處理間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.6 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合氣體交換參數(shù)的影響

自然降水下，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，陰山扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均呈下降趨勢(shì)(表4)，胞間CO2濃度呈上升趨勢(shì)；藏羊和牦牛輕度踐踏強(qiáng)度下陰山扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均高于對(duì)照，胞間CO2濃度低于對(duì)照，且與對(duì)照相比，藏羊輕度踐踏下扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率的升幅及胞間CO2濃度的降幅均大于牦牛輕度踐踏處理。

2.7 模擬降水和模擬踐踏交互作用對(duì)各測(cè)定指標(biāo)影響的顯著性分析

F測(cè)驗(yàn)表明，模擬降水處理和模擬踐踏處理對(duì)各測(cè)定指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表5)。模擬降水和模擬踐踏交互作用極顯著地影響了陰山扁蓿豆單葉面積、蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度、凈光合速率和第3期葉綠素含量(P<0.01)，兩者的交互作用對(duì)胞間CO2濃度和第2期葉綠素含量無(wú)顯著影響(P>0.05)。

表4 自然降水下模擬踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合氣體交換參數(shù)的影響Table 4 The effect of simulated trampling on photosynthetic gas exchange parameters ofM. ruthenia var. inschanicus under natural level of rainfall

表5 模擬降水和模擬踐踏交互作用下各測(cè)定指標(biāo)的方差分析Table 5 Analysis of variance (F value) for different indicators under the interaction of simulated trampling and rainfall

注：**表示在0.01水平上差異顯著。DF:自由度。

Note: **means significance at 0.01 level. DF: Degree of freedom.

3 討論

植物的光合作用易受復(fù)雜多變的環(huán)境條件和自身內(nèi)部生理生化變化的影響，其中葉面積和葉綠素含量是影響光合作用的重要內(nèi)在因素，葉綠素含量的高低直接影響到植物光合能力的強(qiáng)弱，葉面積能反映葉片獲取光照資源的能力[27]。本研究表明，與對(duì)照(不踐踏)相比，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆單葉面積和葉綠素含量均呈下降趨勢(shì)。第3期模擬踐踏處理后陰山扁蓿豆葉綠素含量均低于第2期，模擬降水和模擬踐踏交互作用極顯著地影響了陰山扁蓿豆第3期葉綠素含量，而兩者的交互作用對(duì)第2期葉綠素含量無(wú)顯著影響。由此表明，重度踐踏和少雨條件下，陰山扁蓿豆葉面積減小以適應(yīng)外界脅迫干擾。這與前人的研究結(jié)果“在草原過(guò)度放牧的條件下，植物個(gè)體出現(xiàn)小型化現(xiàn)象，即植株變矮，葉片變短，節(jié)間縮短，植物根系淺層化”[28]相似。由于踐踏具有累計(jì)作用，第3期踐踏處理后對(duì)陰山扁蓿豆葉綠素含量的影響較大，同時(shí)，青藏高原高寒草甸植物的生長(zhǎng)季主要集中在6-9月，第3期踐踏處理后，植物體的生長(zhǎng)發(fā)育減緩，植物葉片的葉綠素開(kāi)始降解。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者較多的研究了放牧脅迫對(duì)牧草光合特性的影響，總結(jié)前人的研究結(jié)果表明，放牧對(duì)植物光合速率有促進(jìn)[27]、降低[29]和無(wú)影響[30]3種結(jié)果。由此說(shuō)明，草原植物對(duì)放牧的響應(yīng)存在本身的適應(yīng)機(jī)制、生理特性和形態(tài)特征差異，從而潛在地影響植物種間競(jìng)爭(zhēng)和群落結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強(qiáng)度的增加，模擬降水量的降低，陰山扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均呈下降趨勢(shì)，胞間CO2濃度呈上升趨勢(shì)，這一研究結(jié)果與前人在放牧脅迫條件下對(duì)多種牧草光合特性的研究中所得出的結(jié)果一致[31-32]。同時(shí)，本研究表明，同一降水量處理下，藏羊和牦牛輕度踐踏強(qiáng)度下陰山扁蓿豆蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均高于對(duì)照，胞間CO2濃度低于對(duì)照，說(shuō)明輕度的踐踏有利于陰山扁蓿豆光合作用。由于陰山扁蓿豆屬于下層植物，踐踏首先影響上層植物的生長(zhǎng)，由于上層植物的保護(hù)作用，對(duì)下層植物的踐踏有緩沖和滯后作用，踐踏可以改變植物的冠層結(jié)構(gòu)，上層的冷地早熟禾、垂穗披堿草可以充分利用光熱，而下層的陰山扁蓿豆受上層植物的遮擋，光照不充足。輕度的踐踏有利于陰山扁蓿豆更好地利用光能進(jìn)行光合作用。這與前人的研究結(jié)果“低放牧強(qiáng)度(即適度放牧)提高牧草的光合和再生能力”[27,33]具有相似性。

關(guān)于模擬踐踏在草地研究中的應(yīng)用主要集中于觀賞草坪草或運(yùn)動(dòng)場(chǎng)草坪草，由于觀賞草坪和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)草坪的主要干擾因素是人，通過(guò)人為踐踏的方法可以真實(shí)客觀地反映出人踐踏對(duì)草坪產(chǎn)生的影響以及作用[30]。而天然草地的主要干擾因素是家畜，眾所周知人的踐踏與家畜的踐踏截然不同，同時(shí)，家畜不同，蹄壓強(qiáng)度和踐踏強(qiáng)度各異，對(duì)草地的影響也存在差異[34]。本研究結(jié)果表明，同一放牧強(qiáng)度下，藏羊踐踏處理下陰山扁蓿豆的單葉面積、葉綠素含量、蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度和凈光合速率均高于牦牛踐踏處理，藏羊踐踏處理下陰山扁蓿豆胞間CO2濃度低于牦牛踐踏處理，表明牦牛踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合能力的抑制大于藏羊踐踏，造成這一結(jié)果的原因應(yīng)該是同一放牧強(qiáng)度下牦牛的踐踏強(qiáng)度高于藏羊。關(guān)于青藏高原高寒草甸牦牛和藏羊踐踏對(duì)植物光合特性影響的研究未見(jiàn)報(bào)道，本試驗(yàn)初步得出“牦牛踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合能力的抑制作用大于藏羊”僅是對(duì)一個(gè)放牧季(6-9月)實(shí)施踐踏處理后得出的結(jié)果，是陰山扁蓿豆對(duì)模擬降水和踐踏的短期響應(yīng)。對(duì)于此結(jié)果，還需對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論

重度踐踏和少雨條件下，陰山扁蓿豆葉面積減小以適應(yīng)外界脅迫干擾，輕度的踐踏有利于陰山扁蓿豆光合作用，重度踐踏嚴(yán)重抑制了陰山扁蓿豆光合作用，且牦牛踐踏對(duì)陰山扁蓿豆光合能力的抑制大于藏羊踐踏。

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Short-term photosynthetic responses ofMedicagorutheniavar.inschanicusto simulated yak and Tibetan sheep trampling and rainfall

XIAO Hong, XU Chang-Lin, ZHANG De-Gang, ZHANG Jian-Wen, YANG Hai-Lei, CHAI Jin-Long, PAN Tao-Tao, WANG Yan, YU Xiao-Jun*

PrataculturalCollege,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemofMinistryofEducation,Sino-U.S.CentersforGrazingLandEcosystemSustainability,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,Lanzhou730070,China

To determine the effects of yak and Tibetan sheep trampling and rainfall on the photosynthetic characteristics ofMedicagorutheniavar.inschanicus, the responses of single leaf area, chlorophyll content (SPAD value), and photosynthetic gas exchange parameters to short simulated yak and Tibetan sheep trampling and rainfall were studied with a two-factor (simulated trampling and rainfall) controlled experiment in a Tianzhu alpine meadow. The single leaf area, SPAD value, transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs), and net photosynthetic rate (Pn) decreased with increasing yak and Tibetan sheep trampling intensity and declining rainfall, while the intracellular concentration of CO2(Ci) increased. Under the same rainfall conditions, theTr,Gs, andPnwere all higher under a light trampling intensity of Tibetan sheep and yaks than in the control (no trampling), while the Ci was lower than that in the control. The magnitude of decreases in the single leaf area, SPAD value,Tr,Gs, andPn, and increases inCiwere greater under heavy trampling by yaks than under heavy trampling by Tibetan sheep. Simulated rainfall alone or simulated trampling alone significantly affected the tested indicators, and the interaction between simulated rainfall and simulated trampling had a significant effect on single leaf area,Tr,Gs,Pn, and SPAD value (at the final trampling stage) ofM.rutheniavar.inschanicus. These results showed that the photosynthesis ofM.rutheniavar.inschanicuswas promoted by light trampling, but inhibited by heavy trampling by Tibetan sheep and yaks. Compared with Tibetan sheep, yaks had stronger inhibitory effects on the photosynthetic activity ofM.rutheniavar.inschanicus.

Medicagorutheniavar.inschanicus; photosynthetic characteristics; simulated yak and Tibetan sheep trampling; simulated rainfall; alpine meadow

10.11686/cyxb2016130

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-23；改回日期：2016-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(31360570)資助。

肖紅(1990-)，女，甘肅蘭州人，在讀碩士。E-mail：1181827215@qq.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: yuxj@gsau.edu.cn

肖紅, 徐長(zhǎng)林, 張德罡, 張建文, 楊海磊, 柴錦隆, 潘濤濤, 王艷, 魚(yú)小軍. 陰山扁蓿豆光合特性對(duì)模擬牦牛、藏羊踐踏和降水的短期響應(yīng). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(2): 43-52.

XIAO Hong, XU Chang-Lin, ZHANG De-Gang, ZHANG Jian-Wen, YANG Hai-Lei, CHAI Jin-Long, PAN Tao-Tao, WANG Yan, YU Xiao-Jun. Short-term photosynthetic responses ofMedicagorutheniavar.inschanicusto simulated yak and Tibetan sheep trampling and rainfall. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 43-52.