放牧踐踏對黃蒿功能性狀的影響

程 莉，劉新平，何玉惠，劉偉春，楊春宇，胡鴻姣

(1 中國科學院 西北生態環境資源研究院奈曼沙漠化研究站，蘭州 730000; 2 中國科學院大學，北京 100101; 3 中國科學院 西北生態環境資源研究院皋蘭生態與農業綜合研究站，蘭州 730000; 4 內蒙古通遼市庫倫旗農業技術推廣中心，內蒙古庫倫 028200)

放牧作為天然草地最重要的利用和管理方式[1-2]，包括排泄、采食和踐踏3個作用途徑[3-4]，三者對草地的影響具有一定的相互獨立性，可以分別調控[5]。在整個放牧草地中，家畜的尿和糞便只占其中的4%～20%和1%～5%，對放牧地的影響有限[6]；牛羊采食雖直接作用于牧草，但并不是一直持續存在，只占整個放牧期的60%～70%，而且短期內不會改變草地物種組成，同時植物還能通過再生長削弱其影響[7]。相比于采食和排泄，踐踏具有作用草地組分多、作用時間長和效果持久的特點，因而對草地的影響更為全面和深刻[8-9]。踐踏作用持續于整個放牧期，直接作用于草地植物和土壤，經家畜高強度踐踏的草地恢復時間長。有研究表明，翻耕的草地經綿羊踐踏40周后便又逆轉到壓實狀態[10]。此外，家畜踐踏因草地的健康狀況差異而與之存在正或負的反饋機制，這可能在草地退化和健康維護中起主導作用[11]。因此，有必要對家畜踐踏這一重要而又不受關注的問題展開系統性的研究。但到目前為止，關于半干旱沙質草地優勢植物功能性狀如何響應放牧踐踏方面的研究還非常有限。

踐踏可以減少凋落物現存量，增加土壤肥力，對種子進行物理摩擦，縮短休眠期，促進種子萌發[12]，影響實生苗生長。一方面踐踏鎮壓產生的土壤緊實作用，引起植物根系分布淺層化，根系活力、營養物質吸收和積累能力下降，植物生長受阻[13]；另一方面踐踏導致地上植物對莖、葉及芽的生長發育的機械損傷[14]。研究表明，植物對踐踏的敏感性不同，對踐踏的響應存在種間和生長方式間的差異[15]。牧草的形態學特征與其耐踐踏性密切相關[16]，植物通過協調整體生長，來削弱或彌補踐踏的負面影響[17]，實現踐踏脅迫下的生長對策最優以完成生活史周期[18-19]。植物性狀是指植物體的任何可以鑒別的表型特征，它能夠客觀表達植物對外部環境的適應性[20]。環境變化影響植物的生長發育，而植物通過根系、莖稈和葉片在外部形態和內部生理上的性狀權衡來適應環境變化[21-22]。植物功能性狀理論和研究方法的完善，為探索在不同踐踏壓力下植物的響應機制提供了一條新的思路[23-24]。目前，對于植物功能性狀的研究主要集中在易于測量的葉性狀上[25-28]，對于較難測度的枝干性狀和根性狀[29-32]方面的研究較少[33]，而關于植物功能性狀在不同器官間關聯的研究在國內更少[34]。植物地上-地下性狀之間相互關聯，只有緊密結合植物地上-地下多個性狀指標才能較為全面的明確植物功能性狀與環境之間的關系。

中國半干旱沙質草地生態環境十分脆弱，環境因子的改變會影響群落特征和植物個體功能性狀。黃蒿(Artemisiascoparia)屬于二年生草本植物，也是一種中等飼用植物，在開花之前牛羊相對喜食[35]。與高山草原和典型草原以多年生禾本科植物為優勢種的情況有所不同，半干旱沙地草地主要是以一年生或二年生草本植物如黃蒿、狗尾草(Setariaviridis)、大果蟲實(Corispermummacrocarpum)、豬毛菜(Salsolacollina)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)等為建群種[36]。黃蒿是半干旱沙區除流動沙地之外的任何區域都能生長的優勢物種，在調節半干旱沙地物種多樣性和維護沙地植物群落穩定中具有重要作用[37-38]，其個體功能性狀對年際降水和放牧干擾響應敏感[39]。因此，本研究以處于中國北方半干旱區的科爾沁沙質草地作為研究區域，選取優勢草本植物黃蒿為研究對象，通過比較全株、葉片、莖稈和根系性狀在生長季早期對不同放牧踐踏強度的差異化響應，探究黃蒿在不同放牧踐踏強度處理下如何通過根、莖、葉器官間功能性狀的協變-權衡來適應踐踏脅迫，確定黃蒿是否屬于耐踐踏的牧草品種，為耐踐踏的牧草品種選擇和草地健康管理提供理論依據，也為半干旱退化沙質草地的保護和可持續利用提供科學指導。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗區選在位于科爾沁沙地腹地的中國科學院奈曼沙漠化研究站。地理位置為42.92° N, 120.70° E，海拔高度約為360 m[40]。多年平均降水量360 mm[41]，多年平均氣溫3～7 ℃[42]，無霜期為90～140 d[43]，多年平均風速在3.5～4.5 m/s之間，冬季以西北風為主，春秋則為西南風[44]。該區域流動沙地、半固定沙地、固定沙地和丘間低地交錯分布，主要土壤類型為風沙土[45]，約占土地總面積的84.3%。沙質草地優勢草本植物主要有黃蒿、狗尾草、豬毛菜、大果蟲實等。

1.2 試驗設計

試驗以科爾沁細毛羊蹄形作模具，自制模擬踐踏器(圖1)，底部設置有2個羊蹄印，頂部設置有彈簧測力計，可以達到的彈力限度為500 N，模擬體重40 kg、平均羊蹄面積為14.8 cm2的科爾沁細毛羊對沙質草地進行均勻踐踏，施加400 N的壓力于模擬踐踏器，對地面的踐踏壓強與羊相同。對于科爾沁沙質草地生長季放牧系統，根據科爾沁細毛羊放牧行為和蹄印數的觀測結果，放牧強度為無放牧(0羊/hm2)、正常放牧(1羊/hm2)、輕度放牧(2羊/hm2)、中度放牧(4羊/hm2)和重度放牧(6羊/hm2)時家畜對草地的作用，分別相當于無踐踏(0 蹄印·m-2·d-1)、正常踐踏(1 蹄印·m-2·d-1)、輕度踐踏(4 蹄印·m-2·d-1)、中度踐踏(9 蹄印·m-2·d-1)和重度踐踏(16 蹄印·m-2·d-1)強度。

圖1 試驗小區模擬踐踏Fig.1 Simulated trampling of experimental plot

在研究區內，選擇地形、土壤等條件較為一致的地段設立30個1 m×2 m的試驗小區。在2021年4月初至5月初實施模擬踐踏處理，模擬踐踏于每月1日和15日進行，將15 d的踐踏強度一次性施加，每個小區(1 m×2 m)在2021年生長季初期共實施3次踐踏(4月初、4月中旬、5月初)。踐踏強度分別為：無踐踏(0 蹄印/小區/15 d)、正常踐踏(30 蹄印/小區/15 d)、輕度踐踏(120 蹄印/小區/15 d)、中度踐踏(270 蹄印/小區/15 d)和重度踐踏(480 蹄印/小區/15 d)；每個踐踏強度6次重復，隨機區組排列，共計30個1 m×2 m的小區。5個模擬踐踏強度分別相當于每個小區15 d的蹄印數為0、30、120、270和480；相當于放牧強度為0、1、2、4和6羊/hm2時15 d對2 m2草地的踐踏強度。

1.3 性狀測定

踐踏結束15 d后，于2021年5中旬生長季早期進行調查取樣，在每個樣地內隨機設置6個1 m×1 m的樣方，調查樣方中植物群落組成、高度、冠幅和蓋度。在樣方內隨機選取黃蒿3株，用鐵鏟完整地挖取整株植株，將其編號并置于濕潤的濾紙中間，放入自封袋儲藏于便攜式車載冰箱內，立即帶回實驗室。用直尺及電子游標卡尺測量植株葉片(葉長、葉寬、葉厚)、莖稈(莖長、莖直徑)與根系(根長、根直徑)形狀指標，使用掃描儀(Epson V370， Japan)掃描葉片，通過圖像分析軟件(Win RHIZO, Canada)獲取葉面積。測定完的根莖葉分別裝入信封袋，放入80 ℃烘箱內烘48 h至恒重，用電子天平稱取干重。

本研究中分析的優勢草本構件性狀包括全株性狀、葉性狀、莖性狀和根性狀4類，全株性狀包括植株高度(plant height, PH)、總生物量(total biomass, TB)；葉片性狀包括葉片厚度(leaf thickness, LT)、葉片數(leaf number, LN)、葉長(leaf length, LL)、葉寬(leaf width, LW)、葉片長寬比(leaf length width ratio, LLWR)、單葉面積(leaf area, LA)和葉生物量(leaf biomass, LB)；莖性狀包括莖長(stem length, SL)、莖直徑(stem diameter, SD)、莖長/莖直徑(stem length diameter ratio, SLDR)和莖生物量(stem biomass, SB)；根性狀包括根長(root length, RL)、根直徑(root diameter, RD)、一級根分支數(first root branch, FRB)、根長/根直徑(root length diameter ratio, RLDR)和根生物量(root biomass, RB)。其中，根、莖、葉、植株生物量均是指個體水平上根、莖、葉、植株的干重。

1.4 數據分析

2 結果與分析

2.1 放牧踐踏強度對群落結構的影響

在群落水平上，踐踏顯著降低了生長季早期植被高度(P<0.05)。相比于對照，T1、T2、T3、T4處理下植被高度分別降低了26.63%、23.97%、27.65%和40.75%。與自然封育相比，T1、T2、T3處理下，植被冠幅呈增大趨勢；而T4處理下植被冠幅減小。物種豐富度、植被蓋度、植株密度在不同放牧踐踏處理之間無顯著差異(圖2)。在不同放牧踐踏處理下，黃蒿的重要值均位居首位，分別為39.1%、48.8%、60.2%、44.1%和45.4%(表1)。可以看出，黃蒿為半干旱沙質草地生長季早期不同踐踏強度下的優勢種。

T0.自然封育;T1.正常放牧踐踏;T2.輕度放牧踐踏;T3.中度放牧踐踏;T4.重度放牧踐踏；下同。不同小寫字母代表不同處理之間差異顯著(P<0.05)圖2 不同放牧踐踏強度干擾下群落結構參數(平均值±標準誤差)T0. None of trampling; T1. Normal trampling; T2. Light trampling; T3. Moderate trampling; T4. Heavy trampling; The same as below. Different normal letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)Fig.2 Community structures (mean±SE) under varying trampling intensity

表1 不同放牧踐踏強度干擾下物種的重要值

2.2 黃蒿表型性狀對放牧踐踏強度的響應

由表2可知，黃蒿的葉長、葉寬隨踐踏強度的增加呈現先增加后減少的趨勢，在T3處理下增到最高，與T0相比，分別顯著增加了20.74%和17.07% (P<0.05)。與對照相比，T1、T2、T3、T4處理下黃蒿的單葉面積分別增加了17.36%、22.92%、51.39%和33.33%，但不同踐踏強度之間并無顯著差異。莖直徑隨踐踏強度的增加呈現增加趨勢，T3和T4處理下的莖直徑分別為T0處理下的2.29倍和2.61倍(P<0.05)，而莖長和莖生物量隨踐踏強度增加表現出的差異并不顯著。不同處理間根長、根直徑、一級根分支、根分支強度、根生物量、植株高度、總生物量并無顯著差異(表2)。

表2 不同放牧踐踏強度對黃蒿根莖葉表型性狀的影響

2.3 黃蒿根莖葉功能性狀與生物量的關系

對生長季早期黃蒿各功能性狀間的關系進行分析，由圖3可知，黃蒿的株高隨莖長的增加而增加(P<0.01)。黃蒿的葉片長度、葉片寬度、單葉面積隨著葉片厚度的增加而減小(P<0.01)。黃蒿葉片數與一級根分支之間呈極顯著正相關關系(P<0.01)。黃蒿的根、莖、葉生物量之間也存在極顯著正相關關系(P<0.01)。

*. 相關性顯著(雙尾檢驗) **. 相關性極顯著(雙尾檢驗)圖3 黃蒿根莖葉表型性狀之間的協同變化關系*. Correlation is significant at 0.05 level (2-tailed), **. Correlation is significant at 0.01 level (2-tailed)Fig.3 The coordinated variation of root, stem and leaf morphological traits of A. scoparia

葉寬、葉片數、一級根分支、根長、根直徑、根莖葉生物量與總生物量呈顯著正相關關系(P<0.05)。黃蒿的葉長、葉寬、單葉面積、葉片數與葉生物量具有極顯著正相關關系(P<0.01)；一級根分支、根直徑與根生物量正相關關系顯著(P<0.05) (圖3)。通過結構方程模型(圖4)可以看出，在踐踏強度引發葉片生物量累積的影響因素之中，盡管踐踏強度、葉長、葉寬、葉厚度4個因子均顯著地影響了黃蒿植株個體的葉片生物量積累，其中葉厚度的變化是最大的貢獻因子，路徑系數為0.59(P<0.01)；葉片數的變化對葉生物量累積的影響子最小；踐踏強度的變化對葉片數、葉長、葉寬、葉厚度的影響均不顯著。在踐踏強度引發單株黃蒿莖稈生物量積累的影響因素之中，莖直徑比莖長、踐踏強度對莖稈生物量積累的貢獻率更大(P<0.05)。在踐踏強度導致黃蒿根生物量積累的因素中，根直徑是引發根生物量積累的主要貢獻因子，路徑系數為0.76 (P<0.01)，而一級根分支、根長、踐踏強度的作用相對較小。結果表明，黃蒿根莖葉器官的表型變化是個體生物量變化的重要環節，而踐踏強度的增加對植物根莖葉器官形態變化的作用相對較小，進而導致植株根莖葉器官及個體生物量隨踐踏強度的增加表現出的差異不顯著(圖4)。

實線箭頭表示顯著路徑，虛線箭頭表示不顯著路徑。R2表示對該因變量解釋的比例。* P<0.05, ** P<0.01圖4 通過結構方程模型模擬踐踏強度導致黃蒿植株根莖葉生物量積累的最終模擬結果Solid arrows represent significant positive and negative pathways, respectively, and dotted arrows indicate nonsignificant pathways. R2 represent the proportion of variance explained for each dependent variable in the model.* P < 0.05, ** P < 0.01Fig.4 Final model results of structural equation model for the trampling effects on biomass accumulation of root, stem and leaf

2.4 不同功能性狀對放牧強度的敏感性分析

以對照為參照系，分析黃蒿植株個體性狀的可塑性指數，圖5對T1、T2、T3、T4樣地黃蒿18種根莖葉以及全株功能性狀的可塑性指數大小進行了排序。根據張璐等判斷性狀敏感性的方法[46]，由圖5可知，各個性狀指標中， T1、T2、T3、T4處理下與對照有顯著差異的指標其變異率最小的分別為21.71%、94.83%、17.07%和11.85%，將這一數值作為各個處理下判斷敏感性指標的一個參考值，當某一指標變異率大于該值時，稱其為敏感性指標。據此總結出T1處理下的敏感性指標有：莖長/莖直徑、根長/根直徑、根莖葉以及植株生物量、一級根分支數、莖直徑；T2處理下的敏感性指標有：莖直徑；T3處理下的敏感性指標有：葉長/葉寬、根長/根直徑、根莖葉及植株生物量、葉長、單葉面積、莖長、莖直徑、根長；T4處理下的敏感性指標有：葉長/葉寬、莖長/莖直徑、根莖葉及植株生物量、葉片數、單葉面積、莖長、莖直徑、一級根分支數。其中，莖直徑在不同踐踏處理下均為敏感性指標；而葉厚度、根直徑和株高在不同踐踏處理下均為惰性指標。

圖5 不同放牧踐踏強度下黃蒿根莖葉性狀可塑性指數(PI)變化程度排序Fig.5 Sorting of Artemisia scoparia root, stem and leaf trait plasticity index (PI) change under different simulated grazing trampling intensities

3 討 論

其中，植株高度是反映植物生存策略的重要性狀，能夠反映植物在不同踐踏梯度下獲取資源的能力，是草地放牧管理中的有效指標[2]。本研究發現在群落水平上，踐踏處理顯著降低了植被高度，這是植物為避免機械損傷采取的逃避策略[47]；而黃蒿株高隨踐踏強度增加表現出的差異并不顯著，這可能是因為在不同踐踏強度下黃蒿株高并非對踐踏響應的敏感性狀。這與李西良等[47]、李江文等[48]、安景源等[49]的研究結果不同，草甸草原羊草、荒漠草原短花克氏針茅以及典型草原糙隱子草株高均為對放牧響應的敏感性狀，這可能與植物種類、樣地條件以及踐踏處理有關，尚需進一步研究。

單一性狀并不能充分表征和指示植被變化[50-51]，植物在生長發育過程中，通過不同功能性狀之間的協同和權衡來適應外界環境變化[52]。在環境梯度下，植物表型性狀呈現出明顯的協同變化規律[2]。本研究發現植物不同器官間功能性狀表現出一致的聯系。例如，黃蒿葉片和一級根的數目、根莖葉的生物量呈正相關。安慧[53]的研究同樣發現，在放牧干擾下植物功能性狀的變異方向具有一致性。這種植物功能性狀在根、莖、葉不同器官間的協同進化，體現了植物性狀對所處環境的趨同構建[54-55]。放牧干擾下，植物性狀的權衡包括兩種策略，一種是性狀之間的正相關與異速變化規律；另一種是性狀之間呈現出負相關關系[2]。在放牧脅迫下，葉長、葉寬的變異方向一致，而葉片長寬比變大，說明葉長和葉寬的變化幅度不一致，呈現正相關和異速變化的權衡對策。在放牧踐踏干擾下，黃蒿隨著葉片厚度減小，單葉面積呈現增加趨勢。在放牧導致的生態系統亞穩態下，黃蒿通過葉厚度與單葉面積之間負相關的功能權衡來實現最優生態對策。植物充分利用環境資源供給，通過各功能性狀之間的權衡和組合來完成植物的生活史，占據物種在群落中所占有的生態位，進而維持種群穩定[8, 52, 56]。

個體形態表型會影響植株生物量的積累乃至草原生產力的形成[47]，植物通過各性狀之間的聯動變化影響生物量[47, 49]。本研究中黃蒿根莖葉幾何性狀的變化是其根莖葉生物量積累的主要貢獻因子，踐踏作用下黃蒿葉生物量主要由葉長、葉寬、葉厚度調控；莖生物量由莖長和莖直徑共同調控；根生物量主要由根直徑調控，解釋了根莖葉生物量形成與變化的主體部分，而葉片數，一級根和根長對葉片和根系生物量的貢獻相對較小。說明不同性狀因子對個體植株生物量貢獻存在差異，這與李西良[57]的研究相吻合。放牧壓力會改變草原生物量，大多數研究認為放牧利用使草原植物生物量顯著降低[8, 57]；安景源等[49]的研究表明隨著放牧強度增加，糙隱子草生物量先降低后增加而踐踏強度的增加。本研究發現黃蒿根莖葉器官及個體生物量隨踐踏強度的增加表現出的差異不顯著。一方面是因為主體調控黃蒿各器官生物量的表型性狀多為惰性性狀，比如葉厚度和根直徑；另一方面是因為踐踏作用對植物根莖葉形態變化的作用相對較小，進而導致踐踏強度的增加對黃蒿各器官生物量積累的影響較小。植物對踐踏的短期響應用來指示其抵抗力[58]。本研究證實了黃蒿在生長季早期對放牧踐踏具有較強的抵抗力，黃蒿各性狀對踐踏干擾的聯動變化，不同性狀對個體生物量的貢獻存在差異，從而決定生物量對踐踏強度的響應模式。

4 結 論

植物在生長發育過程中，通過不同功能性狀之間的協同和權衡來適應外界環境。在根莖葉器官間，黃蒿葉片和一級根的數目、根莖葉生物量呈現出協同變化趨勢；在葉片內部，黃蒿呈現出葉長、葉寬“正相關和異速變化”以及葉厚度、單葉面積“負相關”的兩種權衡策略。黃蒿各性狀可塑性程度差異較大，其中莖直徑是踐踏響應的敏感性狀；而株高、葉厚度、根直徑是踐踏響應的惰性性狀。葉寬、葉片數、一級根分支、根長、根直徑、根莖葉生物量與總生物量正相關關系顯著。在踐踏強度引發根莖葉生物量累積的影響因素之中，葉厚度、莖直徑、根直徑分別是葉片、莖稈、根系生物量積累最大的貢獻因子，但莖直徑和葉厚度為對踐踏響應的惰性性狀，同時踐踏強度的變化對除莖直徑外根莖葉表型性狀的影響均不顯著，故踐踏強度的增加對生長季早期黃蒿根莖葉器官生物量積累的影響相對較小，黃蒿在生長季早期對放牧踐踏具有較強的忍耐力。