侯鈺榮,柯 梅,李 超,蘭吉勇,康 帥,靳俊鵬,魏鵬

(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)是蒿屬荒漠草地主要建群種植物之一[1-2]。如長(zhǎng)期過(guò)度放牧,伊犁絹蒿形態(tài)發(fā)生變化,逐漸出現(xiàn)矮化、小型化、老化,在群落中的占有率也越來(lái)越少,甚至消失,取而代之的是角果藜(CeratocarpusarenariusL.)和叉毛蓬(Petrosimoniasibirica(Pall.)Bunge)等一年生植物[3-4],草場(chǎng)質(zhì)量等級(jí)大幅度降低,草場(chǎng)的有效利用率大大減小[5]。草地植物表型除了受植物自身基因表達(dá)以外,放牧對(duì)其有直接性影響。因此,對(duì)比分析長(zhǎng)期自由放牧和圍欄封育的伊犁絹蒿其形態(tài)特征和內(nèi)源激素含量變化,分析圍欄封育效果,對(duì)退化的蒿屬荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)中植被恢復(fù)有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】重度放牧使糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)的株高和葉長(zhǎng)顯著降低,使其莖粗顯著增加[6]。隨著放牧強(qiáng)度的增加,冰草(Agropyroncristatum)的株高和生物量降幅最大,其次是根長(zhǎng)和根表面積[7]。在重度放牧條件下,克氏針茅(Stipakrylovii)株高變矮、葉片數(shù)和分蘗數(shù)變少、葉片變短變窄,植株基部莖粗與葉片厚度減小[8]。植物表型特征往往與植物體外源激素和內(nèi)源激素也密切相關(guān)[9-10]。目前,針對(duì)外源激素對(duì)牧草產(chǎn)量影響的相關(guān)報(bào)道較多[11-13],與之相關(guān)的內(nèi)源激素報(bào)道較少[14-15]。植物內(nèi)源激素是微量的、自然產(chǎn)生的物質(zhì),具有特異性的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu),這些化合物通過(guò)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育,表現(xiàn)出控制細(xì)胞分化和增殖的網(wǎng)絡(luò)反饋調(diào)節(jié)[16]。牧草生長(zhǎng)發(fā)育和種子打破休眠同樣受內(nèi)源激素調(diào)控[17],脫落酸(ABA)可提高羊草的產(chǎn)量和品質(zhì)[18],土壤鹽堿化程度與羊草葉片生長(zhǎng)素和赤霉素含量[19]呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與羊草葉片脫落酸含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[20]。種子解除休眠后,體內(nèi)生長(zhǎng)素(IAA)含量改變[21]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】圍欄封育是目前退化草地治理最有效、最廣泛的措施之一[22],在促進(jìn)植被自然更新[23]、改變草地植物群落結(jié)構(gòu)[24]、提高土壤養(yǎng)分[25]、增加草地固碳能力[26-27]和提高生產(chǎn)力等占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[28]。需研究圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿生長(zhǎng)規(guī)律和內(nèi)源激素水平的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析圍欄封育(4年)和長(zhǎng)期自由放牧(165只綿羊/hm2)的伊犁絹蒿的表型特征、葉片、莖、根系內(nèi)源激素的變化特征及二者之間的相互關(guān)系,研究圍欄封育對(duì)伊犁絹蒿恢復(fù)生長(zhǎng)的影響以及各指標(biāo)與內(nèi)源激素的關(guān)系及圍欄封育效果,為退化的蒿屬荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)中植被恢復(fù)研究提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)樣地設(shè)置于新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所的荒漠草地固定監(jiān)測(cè)站(E 86°07′19.41″,N 44°02′23.32″),海拔940～990 m,年平均氣溫4.7℃,最高氣溫35℃,最低氣溫-30℃左右。年降水量為240 mm,蒸發(fā)大,降雨少,無(wú)霜期163 d,主要土壤類(lèi)型為栗鈣土。建群種為伊犁絹蒿,伴生種為木地膚(Kochiaprostrata)、叉毛蓬和角果藜等,主要用于春秋放牧利用[29]。試驗(yàn)地于2016年8月圍欄封育。圍欄封育前,放牧家畜為綿羊,放牧強(qiáng)度為165只羊/hm2,利用時(shí)間為每年春季和秋季各2個(gè)月,利用方式為長(zhǎng)期放牧,伊犁絹蒿株數(shù)為5～9株/m2,株高平均13 cm,分枝數(shù)3～8個(gè)/株。自由放牧樣地延續(xù)傳統(tǒng)放牧制度,放牧強(qiáng)度和利用時(shí)間與圍欄封育前保持一致。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年8月,伊犁絹蒿營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)停止,逐步進(jìn)入開(kāi)花期。在圍欄封育4年的樣地內(nèi)和傳統(tǒng)自由放牧的樣地內(nèi)分別設(shè)置3條固定樣線,每樣線長(zhǎng)200 m,每樣線每隔5 m設(shè)置1個(gè)樣方,監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)伊犁絹蒿、挖取單株、采集葉片、莖和根系樣品,密封袋貼標(biāo)簽帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

1.2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)

高度(Plant height,PH):采用卷尺測(cè)量伊犁絹蒿的自然高度,每樣方測(cè)量5株,每處理測(cè)量600株,求其均值;

蓋度(Plant coverage,PC):采用蓋度框法測(cè)定,每處理測(cè)定120次,求其均值,取整;

密度(Plant density,PD):采用現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)法,每樣方計(jì)數(shù)1次,每處理計(jì)數(shù)120次,求其均值,取整;

生物量(Biomass,B):采用現(xiàn)場(chǎng)將每樣方內(nèi)的伊犁絹蒿齊地面刈割后,分別裝袋,帶回實(shí)驗(yàn)室置80℃烘干至恒重,稱(chēng)其干重;

一級(jí)分枝(Primary branch number,PBN):由伊犁絹蒿根部萌生的分枝。采用計(jì)數(shù)法,每樣方隨機(jī)計(jì)數(shù)5株,每處理計(jì)數(shù)120株,求其均值,取整;

二級(jí)分枝(Secondary branch number,SBN):在一級(jí)分枝上生長(zhǎng)的枝條為二級(jí)分枝;單株葉片、莖和根系干重等。

每樣方挖取單株1株(根系挖取15×15×20 (cm3)),每處理挖取120株,分別裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室,將葉片、莖、根(根系帶回后用流動(dòng)水沖洗掉泥土,立即將根系)分別置80℃烘干至恒重,稱(chēng)其干重。

1.2.2.2 內(nèi)源激素指標(biāo)

(1)內(nèi)源激素取樣

在監(jiān)測(cè)樣方的同時(shí),在固定樣線上,每處理隨機(jī)選取10株單株,采集其葉片、莖和根系(根系挖取15×15×20 (cm3)),將同一處理同一部位的樣品混合后,分成3份,分別裝入保鮮袋中,根系用流動(dòng)水沖洗干凈后與葉片和莖一起放入干冰中保存留用于內(nèi)源激素測(cè)定。

(2)內(nèi)源激素測(cè)定

測(cè)定指標(biāo)包括:IAA、細(xì)胞分裂素(CTK)、赤霉素(GAs)、ABA、乙烯(ETH)。

樣品提取:稱(chēng)取研磨好的樣品100 mg,加入氧化鋯珠,加入1 mL提取液(乙腈∶水=1∶1),提取液中加入少量抗氧化劑(二乙基二硫代氨基甲酸鈉),冰上提取4 h,4℃條件下12 000 r/min離心10 min,取上清。

樣品純化:MAX小柱活化:依次用4 mL甲醇、2 mL 0.1 mol氨水溶液活化小柱;上樣:樣品經(jīng)真空濃縮后,加入0.1 mol氨水溶液定容至2 mL,過(guò)MAX小柱;淋洗:依次用2 mL 0.1 mol氨水溶液,2 mL 0.1 mol氨水60%甲醇溶液淋洗;洗脫:加入0.2 mL甲醇溶解,上機(jī)。

儀器色譜參數(shù):色譜系統(tǒng)采用的是Waters超高效液相系統(tǒng)(AcQuity UPLC,Waters, USA),根據(jù)化合物的性質(zhì),采用Waters HSS T3(50 mm×2.1 mm,1.8 μm)液相色譜柱,進(jìn)樣量為μL,柱溫為40℃;流動(dòng)相0.1%乙酸-乙腈,流動(dòng)相0.1%乙酸-水。

質(zhì)譜參數(shù):質(zhì)譜系統(tǒng)采用的是美國(guó)Thermo公司的Q exactive高分辨質(zhì)譜檢測(cè)系統(tǒng),配有電噴霧(ESI)離子源和Xcalibur工作站。優(yōu)化質(zhì)譜分析條件如下:鞘氣40、輔助氣10、離子噴霧電壓-2 800 V、溫度350℃、離子傳輸管溫度320℃。

定量結(jié)果:樣品中各組分含量(ng/mg)=C×V/M,其中,C為儀器讀取的濃度;V為樣品提取液體積;M為樣品稱(chēng)取總量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,單因素方差分析采用Duncan 法多重比較兩處理間的差異顯著性(P<0.05或P<0.01);采用Excel2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿生長(zhǎng)趨勢(shì)的影響

研究表明,圍欄封育和自由放牧條件下的伊犁絹蒿表型特征和生長(zhǎng)趨勢(shì)差異極顯著(P≤0.01),圍欄封育的伊犁絹蒿株高與自由放牧株高相比,提高了2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,一級(jí)分枝是自由放牧的7倍,葉片干重是自由放牧的7.87倍,莖干重是自由放牧的5.21倍,根系干重是自由放牧的5.64倍。表1

表1 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿生長(zhǎng)趨勢(shì)變化

2.2 圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿各器官內(nèi)源激素含量的影響

研究表明,伊犁絹蒿屬于多年生半灌木植物,返青早,且在每年的7月?tīng)I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)達(dá)到旺盛時(shí)期,8月各器官的形態(tài)數(shù)量指標(biāo)已達(dá)到年內(nèi)峰值,體內(nèi)激素水平相對(duì)處于較穩(wěn)定狀態(tài)。圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿葉片生長(zhǎng)素(IAA)、赤霉素(GAs)和乙烯(ETH)含量差異不顯著,僅對(duì)細(xì)胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)含量有影響,且差異顯著(P<0.05%)。圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿莖內(nèi)源激素含量影響較大,除了赤霉素(GAs)在兩個(gè)處理間差異不顯著以外,其他指標(biāo)在兩個(gè)處理間差異均極顯著(P<0.01%),且IAA、CTK和ETH含量都是圍欄封育處于較高水平,僅有ABA含量是自由放牧處于較高水平。圍欄封育和自由放牧對(duì)伊犁絹蒿根系內(nèi)源激素影響較小,僅ETH含量在二者之間差異顯著(P<0.05%)。雖然IAA、ABA、GAs和CTK含量在兩個(gè)處理間差異不顯著,但都是圍欄封育處理處于較高水平。圖1～3

注:不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫(xiě)字母表示差異極顯著(P<0.01)。下同

圖2 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿莖內(nèi)源激素變化

圖3 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿根系內(nèi)源激素變化

2.3 伊犁絹蒿內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)量指標(biāo)的關(guān)系

2.3.1 葉片內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)量指標(biāo)的關(guān)系

研究表明,圍欄封育和自由放牧條件下,伊犁絹蒿高度、蓋度、密度、生物量和二級(jí)分枝均與內(nèi)源激素相關(guān)性不顯著。一級(jí)分枝數(shù)與CTK含量和ABA含量密切相關(guān),呈極顯著正相關(guān)性或顯著正相關(guān)性,與GAs呈顯著負(fù)相關(guān)。圖4

圖4 伊犁絹蒿葉片內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)熱圖

2.3.2 莖內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)量指標(biāo)的關(guān)系

研究表明,圍欄封育處理下伊犁絹蒿的高度與ETH和IAA含量呈極顯著正相關(guān),與GAs呈顯著負(fù)相關(guān);ABA和CTK含量與一級(jí)分枝數(shù)量呈顯著正相關(guān)。自由放牧處理下伊犁絹蒿高度與內(nèi)源激素指標(biāo)含量相關(guān)性均不顯著,一級(jí)分枝數(shù)量與ETH、ABA和CTK含量均呈顯著正相關(guān)。不論是圍欄封育還是自由放牧,內(nèi)源激素含量均與一級(jí)分枝數(shù)量表現(xiàn)出強(qiáng)的相關(guān)性,與葉片內(nèi)源激素含量與伊犁絹蒿生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)量指標(biāo)相關(guān)性表現(xiàn)出相似的規(guī)律。圖5

圖5 伊犁絹蒿莖內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)熱圖

2.3.3 根系內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)量指標(biāo)的關(guān)系

研究表明,圍欄封育條件下,ETH含量與株高呈極顯著正相關(guān)性,GAs含量與株高呈顯著負(fù)相關(guān)性,ABA 含量與一級(jí)分枝數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)性,CTK含量與一級(jí)分枝數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)性。自由放牧條件下,僅一級(jí)分枝數(shù)量與ETH含量呈顯著正相關(guān)性,ABA含量與一級(jí)分枝數(shù)量呈極顯著負(fù)相關(guān)性,GAs含量與一級(jí)分枝數(shù)量呈顯著負(fù)相關(guān)性。圖6

圖6 伊犁絹蒿根系內(nèi)源激素含量與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)熱圖

3 討 論

3.1圍欄封育的伊犁絹蒿一級(jí)分枝和二級(jí)分枝遠(yuǎn)多余自由放牧的伊犁絹蒿個(gè)體,圍欄封育使伊犁絹蒿莖葉茂盛,向大型化生長(zhǎng),圍欄封育對(duì)伊犁絹蒿的恢復(fù)性生長(zhǎng)起到積極作用。自由放牧條件下的伊犁絹蒿個(gè)體低矮、分枝少、生物量低,個(gè)體矮化、小型化。榮浩等[30]對(duì)四子王旗退化荒漠草原研究結(jié)果表明,松土補(bǔ)播、施肥復(fù)壯、草種包衣等修復(fù)措施與圍欄封育結(jié)合使用,退化草地植物恢復(fù)效果顯著,且在保持水土資源,增加群落穩(wěn)定性等方面效益最好。胡金嬌等[31]以重度退化草地為對(duì)照,圍欄封育后,草地植物蓋度提高了13.5倍,生物量提高了13倍。研究結(jié)論與胡金嬌的研究結(jié)論[31]相似,圍欄封育和自由放牧條件下的伊犁絹蒿生長(zhǎng)趨勢(shì)差異極顯著(P≤0.01),圍欄封育的伊犁絹蒿株高是自由放牧株高的2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,覆蓋度是自由放牧的近45.0倍,一級(jí)分枝是自由放牧的7倍。

3.2研究結(jié)果表明,圍欄封育和自由放牧2個(gè)處理對(duì)伊犁絹蒿葉片、莖和根系的內(nèi)源激素含量影響程度不同,從差異性分析來(lái)看,對(duì)莖內(nèi)源激素含量影響更大。與自由放牧處理相比,圍欄封育IAA、CTK和GAs含量在根、莖和葉中的含量均處于較高水平,圍欄封育有利于伊犁絹蒿體內(nèi)IAA、CTK和GAs含量的積累,IAA、CTK和GAs對(duì)伊犁絹蒿生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,與劉泓言等[32]對(duì)草木樨幼苗生長(zhǎng)的研究結(jié)論相似,其含量越高越有利于植株的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。一級(jí)分枝數(shù)與多個(gè)內(nèi)源激素指標(biāo)含量均呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)性。自由放牧條件下伊犁絹蒿被啃食后再生長(zhǎng),一級(jí)分枝數(shù)與圍欄封育相比減少很多,且大部分分枝生長(zhǎng)緩慢,到秋季時(shí),自由放牧處理的伊犁絹蒿二級(jí)分枝數(shù)幾乎為零,與韓召奮等[33]在反式玉米素合成基因促進(jìn)煙草再生試驗(yàn)結(jié)論相反。圍欄封育可以很好地改變伊犁絹蒿體內(nèi)內(nèi)源激素水平,使伊犁絹蒿形態(tài)特征、生長(zhǎng)趨勢(shì)與自由放牧的小型化和矮化形成鮮明對(duì)比。

3.3葉片和莖內(nèi)源激素各指標(biāo)含量總體與伊犁絹蒿高度和一級(jí)分枝數(shù)關(guān)系較為密切,尤其是圍欄封育處理,原因與圍欄封育處理(消除放牧因素)有很大關(guān)系,圍欄封育為伊犁絹蒿生長(zhǎng)提供了良好環(huán)境,體內(nèi)內(nèi)源激素水平處于正常狀態(tài),從而參與生命體的生長(zhǎng)、代謝、發(fā)育、繁殖、免疫及抗病蟲(chóng)害等方面均具有廣泛的生理調(diào)節(jié)作用[34];當(dāng)植物受到外界干擾脅迫時(shí),其自身的代謝產(chǎn)物和生理調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生變化[35],自由放牧處理的伊犁絹蒿由于受到放牧壓力的影響,體內(nèi)內(nèi)源激素水平失調(diào),影響植株正常生長(zhǎng),表現(xiàn)出植株矮化、長(zhǎng)勢(shì)弱。伊犁絹蒿葉片和莖的ETH、ABA和CTK含量與伊犁絹蒿一級(jí)分枝有密切關(guān)系,與自由放牧相比,圍欄封育條件下的伊犁絹蒿內(nèi)源激素有更多指標(biāo)與植株生長(zhǎng)趨勢(shì)關(guān)系明顯。

4 結(jié) 論

圍欄封育使伊犁絹蒿形態(tài)特征、生長(zhǎng)趨勢(shì)與自由放牧的小型化和矮化形成鮮明對(duì)比,圍欄封育4年,伊犁絹蒿株高、生物量和一級(jí)分枝分別是自由放牧的2.57倍、29.73倍和7倍;圍欄封育與自由放牧相比,圍欄封育對(duì)伊犁絹蒿莖內(nèi)源激素的影響大于對(duì)葉片和根系的影響,莖在兩處理間中表現(xiàn)為ABA、ETH、IAA、CTK之間差異極顯著,僅GAs差異不顯著;圍欄封育條件下的葉片、莖和根系形態(tài)特征與內(nèi)源激素指標(biāo)間表現(xiàn)出更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。圍欄封育不僅可以改變伊犁絹蒿形態(tài)特征和內(nèi)源激素水平,而且對(duì)形態(tài)特征和內(nèi)源激素含量之間的關(guān)聯(lián)性有較大影響。