无芒隐子草为多年生强旱生密丛禾草,是荒漠草原的建群种和优势种,不仅适口性好,而且具有抗热、抗旱、耐寒和耐践踏等特性,对荒漠草原生态系统的恢复和保育具有重要作用。该文以内蒙古荒漠草原无芒隐子草为研究对象,分析了不同载畜率(不放牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧)对无芒隐子草叶片解剖结构和N、P化学计量特征的影响,以探究无芒隐子草叶片上述性状对环境改变的响应与适应对策。结果表明:不同载畜率水平下,无芒隐子草叶片解剖结构除了上、下表皮细胞厚度之外,其余的指标均产生了显著变化(P < 0.05),但随着载畜率的增加没有明显的一致性变化规律。所有的放牧处理均显著增加了无芒隐子草叶片中的全N含量(P < 0.05)。轻度和中度放牧没有显著影响叶片全P含量,而重度放牧显著降低了叶片的全P含量(P < 0.05)。任何放牧处理对叶片N:P比均没有显著影响。在CK条件下,无芒隐子草叶片的全N含量与上表皮细胞面积之间存在显著的负相关(P < 0.05)。在MG条件下,全P含量与上表皮细胞面积之间存在显著的正相关(P < 0.05),同时与主脉厚度之间存在着极显著负相关(P < 0.01)。因此,在不同载畜率下,无芒隐子草叶片解剖结构及N、P化学计量学特征的变化和二者之间的关系均存在一定的差别。 Cleistogenes songorica, a perennial herb, is the constructive and dominant species of desert steppe in northern China. With excellent palatability as well as heat/drought/cold tolerance and trampling resistance, this species has significant effects on the restoration and conservation of desert steppe. In order to understand the response and adaption strategy of Cleistogenes songorica to grazing, we carried out field experiment to examine the influence of different stocking rates on its blade anatomy structure and N/P stoichiometry. Leaf samples of Cleistogenes songorica (3rd totally matured and sun-sloped disease-free blade from the top) were collected from a controlled-experimental platform with four stocking densities, which has been lasting for nine years on the desert steppe of Inner Mongolia. Using paraffin method, upper epidermal cuticle thickness, lower epidermis thickness, upper epidermal cell thickness, lower epidermis cell thickness, upper epidermal cell area, lower epidermis cell area, main vein thickness, leaf thickness, measured using high-power microscope. Total N and P contents were measured by Semi-micro kjeldahl determination and the H2SO4-HClO4 fusion method, respectively. All leaf anatomic characters of Cleistogenes songorica, except for upper and lower epidermal cell thickness, showed significant variation among different grazing rates (P < 0.05). However, there was no consistent pattern for the changes of these anatomic characters with the increase of stocking rates. Leaf N and P contents showed limited changes under LG and MG levels. Grazing significantly increased leaf N contents (P < 0.05), with the highest value in HG. Total P contents in HG were significantly lower than the 3 others (P < 0.05). Leaf N:P was highest in HG and lowest in MG. In the control plots, leaf N contents were negatively correlated with upper epidermal cell area (P < 0.05). In the MG plots, total P contents were positively correlated with upper epidermal cell area (P < 0.05) and negatively correlated with main vein thickness (P < 0.05).
陈海军1,2,额尔敦花2,单玉梅3,4,何丽君5,杨勇6,白春利3,王明玖2
1内蒙古自治区生物技术研究院,内蒙古 呼和浩特
2内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特
3内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古 呼和浩特
4中国科学院内蒙古草业研究中心,内蒙古 呼和浩特
5内蒙古农业大学农学院,内蒙古 呼和浩特
6内蒙古自治区草原勘察规划院,内蒙古 呼和浩特
收稿日期:2018年6月11日;录用日期:2018年6月25日;发布日期:2018年7月2日
无芒隐子草为多年生强旱生密丛禾草,是荒漠草原的建群种和优势种,不仅适口性好,而且具有抗热、抗旱、耐寒和耐践踏等特性,对荒漠草原生态系统的恢复和保育具有重要作用。该文以内蒙古荒漠草原无芒隐子草为研究对象,分析了不同载畜率(不放牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧)对无芒隐子草叶片解剖结构和N、P化学计量特征的影响,以探究无芒隐子草叶片上述性状对环境改变的响应与适应对策。结果表明:不同载畜率水平下,无芒隐子草叶片解剖结构除了上、下表皮细胞厚度之外,其余的指标均产生了显著变化(P < 0.05),但随着载畜率的增加没有明显的一致性变化规律。所有的放牧处理均显著增加了无芒隐子草叶片中的全N含量(P < 0.05)。轻度和中度放牧没有显著影响叶片全P含量,而重度放牧显著降低了叶片的全P含量(P < 0.05)。任何放牧处理对叶片N:P比均没有显著影响。在CK条件下,无芒隐子草叶片的全N含量与上表皮细胞面积之间存在显著的负相关(P < 0.05)。在MG条件下,全P含量与上表皮细胞面积之间存在显著的正相关(P < 0.05),同时与主脉厚度之间存在着极显著负相关(P < 0.01)。因此,在不同载畜率下,无芒隐子草叶片解剖结构及N、P化学计量学特征的变化和二者之间的关系均存在一定的差别。
关键词 :荒漠草原,无芒隐子草,解剖结构,氮和磷,化学计量学,载畜率
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生态化学计量学(ecological stoichiometry)既是研究生物系统能量平衡和多重化学元素(主要是碳、氮和磷)平衡的科学,也是分析化学元素平衡与生态学过程间相互作用的一种理论,还是研究植物元素分配的重要方法 [
放牧对植被的影响一直是放牧生态学研究的重要领域之一,其研究内容主要集中在放牧对植物个体、种群、群落的影响以及放牧对土壤的影响 [
此外,养分环境是植物赖以生存与发展的基础条件,在各种不同的生境中,聚生着特定的植物种类。植物长期生活在各种特定环境中,获得(或进化)了一些适应环境相对稳定的特性,其中包括形态结构方面的适应特征。同时,随着环境因子的改变,植物在形态结构上也出现某些变化,其中受影响比较大的主要是植物的营养器官 [
无芒隐子草(Cleistogenes songorica)既是禾本科多年生强旱生草本植物,也是短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原的优势种之一,还是我国西部比较重要的牧草,具有很好的饲草价值。由于其具有抗旱、抗寒和耐风沙的特性,已成为一种具有重要生态和遗传价值的植物材料 [
在此背景下,本文以内蒙古荒漠草原无芒隐子草为研究对象,拟解决两个科学问题:1) 无芒隐子草解剖结构是否对载畜率存在响应变化?2) 无芒隐子草叶片N、P化学计量特征是否随载畜率变化而变化,及其与解剖结构的相关性,由此探究无芒隐子草叶片解剖结构和N、P 化学计量特征等功能性状对载畜率的响应过程及适应对策,旨为荒漠草原退化生态系统的恢复与放牧管理提供基础依据。
试验地设在内蒙古农牧业科学院四子王旗试验基地内,地理位置为:111˚53'41.7''E,41˚46'43.6''N,平均海拔为1456 m。研究区处于中温带大陆性季风气候区,春季气温变化剧烈,大风日数较多;夏季炎热,降雨集中,日照充裕;秋季秋高气爽,降雨逐渐减少;冬季漫长而寒冷,气候干燥,多寒潮寒流天气,土地封冻。根据四子王旗气象站1961~2010年监测气象数据显示,多年平均气温为3.6℃,年均降水量为311.4 mm,主要集中在6~9月,占全年降水量的70%以上。无霜期约90~105 d。
试验区植被是以短花针茅为建群种的荒漠草原,植物群落类型为短花针茅(Stipa breviflora) + 冷蒿(Artemisia frigida) + 无芒隐子草,植被低矮,平均高度一般为8 cm,且植被较稀疏,盖度为12%~18%。种类较贫乏,植物群落主要由20余种植物组成。主要多年生草本植物为短花针茅,无芒隐子草、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、银灰旋花(Convolvulus ammannii)、冰草(Agropyron cristatum)、羊草(Leymus chinensis)等;一、二年生草本植物有蓖齿蒿(Artemisia pectinata)、猪毛菜(Salsola collina)等。还有小半灌木冷蒿(Artemisia frigida)和木地肤(Kochia prostrata),矮灌木狭叶锦鸡儿(Caragana stenophylla),灌木小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)等,其中无芒隐子草在群落中生物量所占比重为20%以上。土壤为淡栗钙土。
整个放牧试验开始于2003年,至本试验取样时为止,已具有9年的连续放牧历史。采用完全随机区组设计,每个区组内设3个载畜率水平和1个无牧区作为对照,分别表示为轻度放牧(LG,0.93只/hm2∙半年)、中度放牧(MG,1.82只/hm2∙半年)、重度放牧(HG,2.71只/hm2∙半年)和对照区(CK,不放牧),各处理重复3次,共计12个试验区。各试验区面积基本相等,约为50 hm2。供试羊只为2岁蒙古细毛羯羊。试验期每年持续6个月(5月初至11月末),期间各试验区供试羊只自由采食,夜间赶回畜圈休息,统一管理。
在2011年8月中旬从上述12个放牧试验区取材料。在各试验小区随机选择无芒隐子草株丛,并采集其新鲜叶片。叶片选择标准为:向阳面、完全成熟(从顶部数第3个成熟叶片)、无病虫害。将叶片切成0.5~1.0 cm的小段快速放入FAA固定液(70%酒精:冰乙酸:福尔马林溶液 = 90:5:5)中保存,封存后带回实验室进行相关性状观测。
同时,采集另一份相同标准的无芒隐子草完整叶片置于纸袋中,标记后带回实验室。
将固定的叶片段,先用蒸馏水清洗干净,然后用不同浓度(70%,85%,95%和100%)酒精依次脱水、经过二甲苯透明、渗蜡、包埋和修块等实验过程,采用石蜡切片法切成10~12 μm厚的切片,再用番红固绿对染,然后用加拿大树胶封片,充分干燥后,在Olympus光学显微镜下进行拍照,所得照片在Photoshop8.0软件下观测叶的上表皮角质层厚度(Ctue)、下表皮角质层厚度(Ctle)、上表皮细胞厚度(Tuec)、下表皮细胞厚度(Tlec)、上表皮细胞面积(Auec)、下表皮细胞面积(Alec)、主脉厚度(Mvt)和叶片厚度(Lt)等8项指标,每项指标重复5次,取其平均值。
将纸袋中的叶片清洗干净后,置于65℃恒温条件下烘干至恒重后,用球磨仪(Retsch MM400;Retsch, Haan, Germany)进行粉碎。粉碎样品的全N含量采用凯氏定氮法进行测定(Kjeltec 2300 Auto System II, Foss Tecator AB, Hoganas, Sweden),全P含量用钼锑抗比色法进行测定 [
首先用Excel 2010对所有的原始数据进行初步分析、处理。然后用SAS 9.0软件(SAS Institute,Cary,North Carolina,USA)对数据进行方差分析以及各解剖结构指标之间、化学成分含量与各指标间做相关性分析。
所有作图均在Sigmaplot 11.0 (Systat Software Inc.)软件环境下完成。
无芒隐子草叶的横切面为长条形,由表皮、叶肉和维管束构成(图1 CK)。其中,表皮由单层细胞构成,表皮细胞近圆形,排列紧密,大小不一,有些细胞壁向外形成突起。在光学显微镜下,上、下表皮具明显的角质层(Cu)被染成红色(图1 LG)。叶肉包括下表皮(Le)、栅栏组织和海绵组织。维管束鞘(Vbs)有2层细胞,其中外层细胞体积较大,从横切面角度上看,其直径明显大于叶肉厚度,细胞质较浓。泡状细胞(Bc)较发达,其厚度相当于叶肉厚度。
不同载畜率水平对无芒隐子草叶片的Ctue、Ctle、Mvt和Lt均产生显著影响(P < 0.05) (图2(a)),但随载畜率的增加没有一致性的变化规律。Ctue表现为CK > LG > HG > MG,在MG显著小于其他3个载畜率水平(P < 0.05),其中CK、LG和HG间无显著差异(P > 0.05)。Ctle表现为MG > LG > CK > HG,
图1. 不同载畜率下无芒隐子草叶片横切面解剖结构(×400)
图2. 不同载畜率下无芒隐子草叶片解剖结构性状的变化(厚度包括:上、下表皮角质层厚度,上、下表皮细胞厚度,主脉厚度和叶片厚度等) (柱状图中标识的不同小写字母表示在0.05水平下差异性显著,以下同)
在HG显著小于其他3个载畜率水平(P < 0.05),CK、LG和MG间均无显著差异(P > 0.05),但这3个水平有着随载畜率的增加而加厚的趋势。可见,MG和HG对无芒隐子草叶片的Ctue和Ctle影响显著,而LG对Ctue和Ctle的影响不显著。Mvt表现为CK > LG > HG > MG,CK和LG显著高于MG和HG (P < 0.05)。Lt表现为CK > LG > HG > MG,这与Ctue在各载畜率水平下变化趋势相一致。另外,Tuec和Tlec二者在CK、LG、MG和HG间均无显著差异(P > 0.05),这表明到目前为止,放牧干扰对Tuec和Tlec二者均无显著的影响。
Auec表现为MG > HG > LG > CK (图2(b)),其中CK和LG之间存在显著差异(P < 0.05),且CK显著小于MG (P < 0.05)。Alec则为MG > LG > CK > HG,LG和MG显著高于HG (P < 0.05),这3个载畜率水平与CK间均无显著差异(P > 0.05)。总之,MG对Auec和Alec的影响最大,而HG条件下的Auec和Alec与CK条件下的Auec和Alec之间没有显著差异(P > 0.05)。综上可知,LG对无芒隐子草叶片解剖结构各指标的影响不明显。
无芒隐子草叶片的全N、全P含量在不同载畜率水平下的变化模式不相同(图3)。叶片全N含量在CK显著低于LG、MG和HG (P < 0.05),说明动物啃食对叶片全N有显著影响,但是全N含量对不同载畜率水平的反映不明显。全P含量在HG显著低于其他3个载畜率水平(P < 0.05),说明全P含量在重度载畜率下有显著响应。
无芒隐子草叶片氮磷比(N/P)在HG最高,在MG最低。由此可知,MG和HG对全N:全P的影响较大,不利于无芒隐子草叶片全N含量与全P含量的正常运转,从而影响整个植物的充分生长。总之,LG在一定程度上增加了无芒隐子草叶片的全N含量,有利于植物的正常生长。
不同载畜率水平下的无芒隐子草叶片解剖结构个别指标与全N含量和全P含量显示了较显著的相关关系(表1)。其中,在CK条件下,无芒隐子草叶片全N含量与Auec之间存在显著的负相关关系(P < 0.05),
载畜率 Stocking rate | 指 标 Indexes | TN Total Nitrogen content (g/kg) | TP Total Phosphorus content (g/kg) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
n | r | P | n | r | p | ||
CK | Ctue (μm) | 9 | −0.165 | 0.895 | 9 | −0.223 | 0.857 |
Ctle (μm) | 9 | −0.995 | 0.067 | 9 | −0.987 | 0.104 | |
Tuec (μm) | 9 | −0.289 | 0.813 | 9 | −0.345 | 0.776 | |
Tlec (μm) | 9 | 0.485 | 0.678 | 9 | 0.432 | 0.716 | |
Mvt (μm) | 9 | 0.886 | 0.306 | 9 | 0.858 | 0.344 | |
Lt (μm) | 9 | 0.552 | 0.628 | 9 | 0.502 | 0.666 | |
Auec (μm2) | 9 | −0.997* | 0.049 | 9 | −0.991 | 0.087 | |
Alec (μm2) | 9 | 0.1 | 0.936 | 9 | 0.041 | 0.974 | |
LG | Ctue (μm) | 9 | −0.078 | 0.95 | 9 | −0.228 | 0.854 |
Ctle (μm) | 9 | 0.995 | 0.065 | 9 | 0.968 | 0.162 | |
Tuec (μm) | 9 | 0.635 | 0.562 | 9 | 0.511 | 0.658 | |
Tlec (μm) | 9 | 0.696 | 0.51 | 9 | 0.58 | 0.606 | |
Mvt (μm) | 9 | 0.866 | 0.333 | 9 | 0.781 | 0.429 | |
Lt (μm) | 9 | 0.807 | 0.402 | 9 | 0.709 | 0.498 | |
Auec (μm2) | 9 | −0.703 | 0.503 | 9 | −0.802 | 0.407 | |
Alec (μm2) | 9 | −0.791 | 0.419 | 9 | −0.875 | 0.322 | |
MG | Ctue (μm) | 9 | 0.982 | 0.122 | 9 | −0.734 | 0.475 |
Ctle (μm) | 9 | 0.735 | 0.474 | 9 | −0.112 | 0.928 | |
Tuec (μm) | 9 | −0.411 | 0.731 | 9 | 0.493 | 0.672 | |
Tlec (μm) | 9 | −0.07 | 0.955 | 9 | 0.763 | 0.447 | |
Mvt (μm) | 9 | −0.589 | 0.599 | 9 | −1.000** | 0.001 | |
Lt (μm) | 9 | −0.953 | 0.169 | 9 | −0.808 | 0.401 | |
Auec (μm2) | 9 | 0.56 | 0.622 | 9 | 0.999* | 0.024 | |
Alec (μm2) | 9 | 0.467 | 0.691 | 9 | 0.989 | 0.093 | |
HG | Ctue (μm) | 9 | −0.492 | 0.673 | 9 | −0.52 | 0.652 |
Ctle (μm) | 9 | 0.569 | 0.615 | 9 | 0.595 | 0.594 | |
Tuec (μm) | 9 | −0.886 | 0.306 | 9 | −0.871 | 0.327 | |
Tlec (μm) | 9 | −0.732 | 0.485 | 9 | −0.7 | 0.506 | |
Mvt (μm) | 9 | 0.01 | 0.994 | 9 | 0.043 | 0.973 | |
Lt (μm) | 9 | 0.547 | 0.632 | 9 | 0.574 | 0.611 | |
Auec (μm2) | 9 | 0.861 | 0.339 | 9 | 0.878 | 0.318 | |
Alec (μm2) | 9 | 0.487 | 0.676 | 9 | 0.458 | 0.697 |
表1. 不同载畜率下无芒隐子草叶片解剖结构性状指标与N、P间的相关性分析
r, correlation coefficient; p, significance level. * and ** indicate that the regression coefficients are significant at the 0.05 and 0.01 levels. r,相关系数;p,显著性水平;*和**分别表示显著性达到0.05和0.01水平。
图3. 不同载畜率下无芒隐子草叶片N、P含量及N:P比变化
全P含量与解剖结构各指标之间不存在显著的相关关系。在MG条件下,无芒隐子草叶片全P含量与Auec呈显著的正相关关系(P < 0.05),同时与Mvt呈负相关关系(P < 0.01)。可见,在MG条件下的无芒隐子草叶片全P含量与解剖结构有相对明显的相关关系。
在LG和HG条件下,无芒隐子草的全N含量及全P含量都与解剖结构各指标之间的相关关系不明显(P > 0.05)。
载畜率的不同影响了无芒隐子草叶片解剖结构。植物的叶片角质层为脂肪类物质,是反映植物抗旱能力的一个重要指标,即能够防止植物的体内水分过分蒸腾。较厚的角质层会降低牧草的适口性,所以普遍认为植物角质层变厚是草原植物普遍的对家畜啃食的一种防御措施 [
Auec和Alec均在MG达到最大值。其中Auec在CK和LG之间存在显著差异(P < 0.05),CK显著小于MG (P < 0.05)。Alec在CK、LG和MG条件下,呈现随着载畜率的增加而变大。Ctue和Ctle的表现正好相反,在MG达到最小值,而且显著小于其他3个载畜率水平(P < 0.05)。无芒隐子草是旱生植物,加强了旱生结构的特性 [
Lt是反映植物抗旱性的另一个指标,抗旱性强的植物往往叶片较厚 [
植物叶片中N、P分配因物种、生理生长策略以及土壤环境等的不同而异,但大量研究发现植物叶片N、P的分配服从某一化学计量规律 [
植物化学元素含量反映了植物在一定生境条件下从土壤中吸收和蓄积矿质养分的能力。植物的N、P化学计量特征与植物特性之间的关系可以解释植物群落的功能差异及其对环境变化的适应性 [
不同载畜率水平下,无芒隐子草叶片解剖结构除了Tuec和Tlec之外其余各指标均产生了显著变化(P < 0.05),但随着载畜率的增加没有一致性的变化规律。
无芒隐子草叶片全N、全P含量均在LG、MG变化幅度较小。放牧显著增加了全N含量(P < 0.05),在HG略高于其他3个载畜率水平。全P含量在HG显著低于其他3个水平,在MG略高于其他3个载畜率水平,载畜率(放牧干扰)对叶片的N:P未产生了显著影响(P > 0.05)。
不同载畜率水平下的无芒隐子草叶片解剖结构与全N含量及全P含量之间的相关关系不明显。在CK条件下的无芒隐子草叶片的全N含量与上表皮细胞面积之间存在显著的负相关关系(P < 0.05)。而在MG条件下的无芒隐子草叶片全P含量与上表皮细胞面积之间存在显著的正相关(P < 0.05),同时与主脉厚度之间存在着极显著负相关(P < 0.01)。
内蒙古自然科学基金项目(2009MS0410 和 2015MS0384)、内蒙古草甸草原生态保育与可持续利用模式研究课题(20091402)、内蒙古自治区科技计划项目(201602083)、内蒙古农业大学科研专项资金(YZFC2017023)和内蒙古农牧业创新基金项目(2017CXJJM07)资助。
陈海军,额尔敦花,单玉梅,何丽君,杨勇,白春利,王明玖. 无芒隐子草(Cleistogenes songorica)叶片生态解剖及氮磷化学计量特征对载畜率的响应 Responses of Cleistogenes songorica Blade Ecological Anatomy and N/P Stoichiometry to Stocking Rates[J]. 植物学研究, 2018, 07(04): 375-385. https://doi.org/10.12677/BR.2018.74046