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(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 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)工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

放牧是草地利用和管理的主要方式，家畜可通過多種方式影響草地植物的生長和繁殖[1]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，根系是連接植物與土壤的橋梁，是植物與土壤微環(huán)境之間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要紐帶，其分布特征與土壤微環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系對整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響[2-3]。放牧改變了土壤的理化性質(zhì)和養(yǎng)分含量，為適應(yīng)環(huán)境因子變化，根系及其分布特征也會相應(yīng)的改變，進(jìn)而影響草地群落組成和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[4-5]。因此，進(jìn)一步研究優(yōu)勢植物根系對環(huán)境變化的適應(yīng)和對策，是了解草地植物種群發(fā)展演替的前提和基礎(chǔ)，對草地植物資源的合理利用、草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

放牧家畜對草地的影響主要體現(xiàn)在踐踏、采食和排泄三者的綜合作用。三者相對而言，家畜踐踏作用具有時間長、直接作用于草地的組分多和效果持久的特點，因而對草地的影響可能更為長遠(yuǎn)和深刻，在草地退化和健康維護(hù)中起主導(dǎo)作用[6-8]。目前，由于放牧生態(tài)學(xué)中缺乏科學(xué)的踐踏強度指標(biāo)以及對放牧踐踏的研究相對不足，極大地削弱了人們對“草-畜界面”生態(tài)動力機(jī)制的整體認(rèn)識[9-10]。因此，很有必要把家畜的踐踏從踐踏、采食、排泄物三者對草地的綜合作用中剝離出來，專門研究家畜踐踏對草地的影響[11]，賦予“以草定畜”更為深刻的科學(xué)內(nèi)涵[12]。適度的家畜踐踏可減緩優(yōu)勢種的生長，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)保持較高的物種豐富度和生物多樣性，踐踏能夠?qū)⒎N子踏入土壤，破碎地表結(jié)皮和草絮層，促進(jìn)種子萌發(fā)和出苗[12-13]。同時家畜踐踏導(dǎo)致牧草機(jī)械損傷，改變牧草的競爭格局，導(dǎo)致冠層內(nèi)部光、熱、水等資源的再分配，進(jìn)而影響草群結(jié)構(gòu)、草地冠層結(jié)構(gòu)、生殖分配和種子擴(kuò)散等，引起群落種間、種內(nèi)關(guān)系的變化[14-15]。草地植物的生長特性是長期適應(yīng)環(huán)境變化和放牧干擾的結(jié)果[16]，然而，關(guān)于青藏高原高寒草甸植物根系性狀對家畜踐踏干擾和環(huán)境變化的響應(yīng)研究少見報道。

陰山扁蓿豆(Medicagoruthenicavar.inschanica)，為豆科苜蓿屬多年生草本，為扁蓿豆的一個變種。陰山扁蓿豆?fàn)I養(yǎng)價值較高，抗寒抗旱耐貧瘠，在天祝高寒草甸群落中的蓋度為25%～35%。陰山扁蓿豆既有營養(yǎng)繁殖又有種子繁殖，其無性繁殖以根蘗的形式發(fā)生。因此，以天祝高寒草甸的主要伴生草種陰山扁蓿豆為試驗材料，通過連續(xù)2年植物主要生長季(6—9月)的模擬降水以及模擬牦牛、藏羊踐踏的雙因子野外控制試驗，測定陰山扁蓿豆根表面積、根體積和根系生物量的變化，以探索陰山扁蓿豆根系特征對模擬降水和踐踏的響應(yīng)機(jī)制，為實現(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)天祝高山草原試驗站，地理坐標(biāo)為37°40′ N，102°32′ E，海拔2 960 m，氣候潮濕空氣稀薄、太陽輻射強，晝夜溫差大。該地區(qū)水熱同期，無絕對無霜期，長冬無夏，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1 380℃；1951—2016年的年均降水量414.3 mm，多為地形雨，集中于6—9月。2015年年降水量為418.8 mm，2016年年降水量為510.1 mm(圖1)。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[17]。嵩草草甸為該試驗區(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)勢種為冷地早熟禾(Poacrymophila)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、西北針茅(Stipasareptanavar.krylovii)、洽草(Koeleriacristata)。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用兩因素裂區(qū)實驗設(shè)計。以3個降水處理為主區(qū)，7個踐踏強度梯度處理為副區(qū)。主區(qū)間距為0.7 m，副區(qū)間距為0.5 m，小區(qū)面積為1 m×2 m，3次重復(fù)。

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月降水量的實際情況，共設(shè)置了豐水(每月設(shè)計量110 mm)、平水(每月設(shè)計量70 mm)和少雨(每月設(shè)計量40 mm)[18-19]。模擬降水試驗參考林慧龍[20]的研究方法，分別于2015年6—9月和2016年6—9月實施。每月的降水量分10次實施，每3天實施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次均勻噴施于試驗主區(qū)，每次約施入設(shè)計總量的1/3。采用活動雨棚在降水來臨前遮住自然降水，使降水沿隔離帶中的排水溝排出，無降水則拿掉遮雨布。

圖1 試驗地月平均降水量Fig.1 The monthly mean rainfall of experimental field

副區(qū)處理，設(shè)置不踐踏(對照)(check，CK)、藏羊輕度踐踏(Tibetan sheep light trampling,TSLT)、藏羊中度踐踏(Tibetan sheep moderate trampling,TSMT)、藏羊重度踐踏(Tibetan sheep heavy,TSHT)、牦牛輕度踐踏(yak light trampling,YLT)、牦牛中度踐踏(yak moderate trampling,YMT)、牦牛重度踐踏(yak heavy trampling,YHT)處理。模擬踐踏通過人穿安裝有家畜蹄子的鞋行走實現(xiàn)。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。因放牧家畜采食時3只蹄子著力[21]，因此就代表了體重180 kg的牦牛和45 kg的藏羊放牧采食時對草地的真實踐踏水平。模擬踐踏強度根據(jù)楊海磊[21]在天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)代乾村開展的放牧季每天放牧8 h的輪牧試驗統(tǒng)計結(jié)果(藏羊輕度、中度、重度放牧區(qū)藏羊的蹄印數(shù)分別為40.5、70.5和100.5 個·m-2，牦牛的蹄印數(shù)分別為18、30和40 個·m-2)，轉(zhuǎn)化為模擬踐踏的步數(shù)。在輕度、中度、重度模擬踐踏試驗小區(qū)(1 m×2 m)，藏羊踐踏步數(shù)分別為每天27、47、67步，牦牛踐踏步數(shù)分別為每天36、60、80步。模擬踐踏于2015年6—8月和2016年6—8月進(jìn)行，每副區(qū)在放牧季共實施3期踐踏處理(第1期模擬踐踏時間為6月21—30日；第2期模擬踐踏時間為7月21—30日；第3期模擬踐踏時間為8月21—30日)，同一副區(qū)兩次踐踏的間隔時間為20 d。

1.3 測定方法

于2016年三期模擬踐踏處理完，采用直徑10 cm的根鉆進(jìn)行取樣。按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm進(jìn)行分層取樣，每層每個試驗小區(qū)按對角線法取3鉆，3鉆合一混合均勻。將根系分層裝入尼龍袋中，用流水反復(fù)沖洗去除根系上的泥土。通過對陰山扁蓿豆整株根系的觀察得出，生長年限長的陰山扁蓿豆根系顏色呈棕褐色，根系較粗且柔韌性較弱，而生長年限短的根系顏色呈土黃色，根系較細(xì)且柔韌性較強，因此根據(jù)陰山扁蓿豆活根的顏色、形態(tài)和柔韌性將雜物和其他植物根系挑出。對陰山扁蓿豆根系再次進(jìn)行清洗后，用掃描儀(Epson Perfection 4990 Photo 型)對根系進(jìn)行掃描，掃描儀分辨率為300 dpi，再用根系分析軟件(Win RH IZO)對根系掃描圖像進(jìn)行分析，測得陰山扁蓿豆根表面積和根體積。將掃描后的根系脫水后，放在70℃烘箱烘干至恒重，用感量為0.0001 g的電子天平稱重測定根干重即為陰山扁蓿豆的凈初級生產(chǎn)力。將測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為單位平米的根表面積、根體積和根系生物量進(jìn)行結(jié)果分析。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)值均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，用SPSS18.0統(tǒng)計軟件中的一般線性模型對模擬踐踏和模擬降水進(jìn)行兩因素方差分析(two-way ANOVA)，以說明其交互作用。對踐踏處理和降水處理分別進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，差異顯著性(P=0.05)用Duncan法進(jìn)行多重比較。用Microsoft Excel 2007統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降水和踐踏對根表面積的影響

雙因素方差分析得出，模擬降水對不同土層陰山扁蓿豆根表面積的的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表1)，模擬踐踏對10～20 cm土層陰山扁蓿豆根表面積的的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，兩者的交互作用對不同土層陰山扁蓿豆根表面積均無顯著影響。

0～10 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根表面積均呈下降趨勢(表2)。少雨處理下，牦牛重度踐踏的根表面積顯著低于對照(P<0.05)，其他各踐踏處理與對照均無顯著差異。平水和豐水處理下，根表面積各處理間均無顯著差異。牦牛中度和重度踐踏下，少雨處理的根表面積顯著低于豐水處理(P<0.05)，其他各踐踏處理下，3個模擬降水量處理的根表面積均無顯著差異。

10～20 cm土層，各踐踏處理的根表面積均低于對照處理，少雨處理下，牦牛重度踐踏的根表面積顯著低于對照(P<0.05)(表2)，其他各踐踏處理與對照均無顯著差異。同一放牧強度下，牦牛踐踏處理的根表面積均低于藏羊踐踏處理，但兩者間均無顯著差異。牦牛重度踐踏下，少雨處理的根表面積顯著低于豐水處理(P<0.05)。

20～30 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根表面積均呈下降趨勢(表2)。同一水分處理下各處理間均無顯著差異。藏羊中度踐踏下，3個水分處理的根表面積無顯著差異。其他各踐踏處理下，少雨處理的根表面積均顯著低于豐水處理(P<0.05)。

表1 兩年模擬降水和模擬踐踏交互作用下陰山扁蓿豆根表面積的方差分析Table 1 Analysis of variance (F value) for root surface area of M. ruthenica var. inschanica under the interaction of simulated trampling and rainfall for two years

注：**表示在0.01水平上差異顯著，*表示在0.05水平上差異顯著。下同

Note: **indicates significance at the 0.01 level, *indicates significance at the 0.05 level. The same as below

表2 兩年模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆根表面積Table 2 The root surface area of M. ruthenica var. inschanica under simulated precipitation and trampling for two years /cm2

注：CK：對照；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。同行不同小寫字母表示踐踏強度間差異顯著(P<0.05)；同列不同大寫字母表示降水量間差異顯著(P<0.05)。下同

Note:Different lower-case letters within the same line show significant difference at 0.05 level among trampling intensity, while different capital letters within the same column show significant difference at 0.05 level among rainfall. The same as below

2.2 模擬降水和踐踏對根體積的影響

雙因素方差分析得出，模擬降水對不同土層陰山扁蓿豆根體積的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表3)，模擬踐踏對0～10 cm和10～20 cm土層陰山扁蓿豆根體積的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對20～30 cm土層陰山扁蓿豆根體積的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但兩者的交互作用對不同土層陰山扁蓿豆根體積無顯著影響。

0～10 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根體積均呈下降趨勢(表4)。同一放牧強度下，牦牛踐踏處理的根體積均低于藏羊踐踏處理，但兩者間均無顯著差異。少雨處理下，藏羊重度踐踏和牦牛中度、重度踐踏處理的根體積均顯著低于對照(P<0.05)。平水和豐水處理下各處理間均無顯著差異。

10～20 cm土層，同一模擬降水處理下，各踐踏處理的根體積均低于對照處理，且平水和豐水處理下，藏羊重度踐踏和牦牛中度、重度踐踏處理的根體積均顯著低于對照(P<0.05)(表4)。同一踐踏強度下，少雨處理的根體積均顯著低于豐水處理(P<0.05)。

20～30 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根體積均呈下降趨勢(表4)。少雨處理下，牦牛重度踐踏的根體積顯著低于對照(P<0.05)，其他各踐踏處理與對照均無顯著差異。平水和豐水處理下各處理間均無顯著差異。同一踐踏強度下，少雨處理的根體積均顯著低于豐水處理(P<0.05)，且牦牛輕度和重度踐踏下，陰山扁蓿豆根體積隨著模擬降水量的降低呈顯著降低趨勢(P<0.05)。

表3 兩年模擬降水和模擬踐踏交互作用下陰山扁蓿豆根體積的方差分析Table 3 Analysis of variance (F value) for root volume of M. ruthenica var. inschanica under the interaction of simulated trampling and rainfall for two years

2.3 模擬降水和踐踏對根系生物量的影響

雙因素方差分析得出，模擬降水對不同土層陰山扁蓿豆根系生物量的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表5)，模擬踐踏對0～10 cm和10～20 cm土層陰山扁蓿豆根系生物量的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對20～30 cm土層陰山扁蓿豆根系生物量的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但兩者的交互作用對不同土層陰山扁蓿豆根系生物量無顯著影響。

0～10 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根系生物量均呈下降趨勢(表6)。少雨和豐水處理下，牦牛重度踐踏的根系生物量顯著低于對照(P<0.05)，平水處理下各處理間均無顯著差異。藏羊和牦牛輕度、重度踐踏處理下，少雨處理的根系生物量顯著低于豐水處理(P<0.05)，而藏羊和牦牛中度踐踏處理下，各模擬降水處理的根系生物量差異均不顯著。

10～20 cm土層，同一放牧強度下，藏羊踐踏處理的根系生物量均高于牦牛踐踏處理，但兩者間均無顯著差異(表6)。少雨和平水處理下，各踐踏處理間均無顯著差異，豐水處理下，牦牛和藏羊輕度踐踏處理的根系生物量與對照差異均不顯著，而牦牛和藏羊中度、重度踐踏處理的根系生物量均顯著低于對照(P<0.05)。藏羊踐踏處理下，少雨和平水處理的根系生物量均顯著低于豐水處理(P<0.05)，少雨和平水處理間無顯著差異。

20～30 cm土層，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低，陰山扁蓿豆根系生物量均呈下降趨勢(表6)。少雨處理下，藏羊和牦牛重度踐踏處理的根系生物量均顯著低于對照(P<0.05)，其他各踐踏處理與對照均無顯著差異。平水和豐水處理下各處理間均無顯著差異。牦牛輕度和中度踐踏下，3個模擬降水處理間無顯著差異，其他各踐踏處理下，少雨和平水處理的根系生物量均顯著低于豐水處理(P<0.05)。

表4 兩年模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆根體積Table 4 The root volume of M. ruthenica var. inschanica under simulated precipitation and trampling for two years /cm3

表5 兩年模擬降水和模擬踐踏交互作用下陰山扁蓿豆根系生物量的方差分析Table 5 Analysis of variance (F value) for root biomass of M. ruthenica var. inschanica under the interaction of simulated trampling and rainfall for two years

表6 兩年模擬降水和踐踏下陰山扁蓿豆根系生物量Table 6 The root biomass of M. ruthenica var. inschanica under simulated precipitation and trampling for two years /g·m-2

3 討論

放牧家畜踐踏對草地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤具有直接的影響，導(dǎo)致植被機(jī)械損傷，土壤緊實度增加，持水和保水能力下降，土壤空隙減少[22]，土壤水分利用效率降低，進(jìn)一步影響植物生長和繁殖。同時，家畜的踐踏效應(yīng)與踐踏強度、土壤水分密切相關(guān)[20,23-26]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，多年生草本植物強大的根系是連接“土-草”界面的紐帶，是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要碳源。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，草原植物強大的根系還可改良土壤的理化性質(zhì)，增強土壤抗侵蝕的能力[27-28]。有研究表明，植物根系受放牧家畜采食的影響較小，而受放牧家畜踐踏的影響較大[20]。植物在放牧干擾下出現(xiàn)個體小型化和根系淺層化現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于家畜的踐踏作用[29-30]。同時，植物根系也受環(huán)境因子、自然和人為干擾等眾多因素的影響。陰山扁蓿豆?fàn)I養(yǎng)繁殖靠根蘗繁殖，其根系的生長狀況間接反映了營養(yǎng)繁殖的能力。本試驗以放牧季每天放牧8 h的輪牧試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在植物主要生長季(6—9月)對天祝高寒草甸進(jìn)行了連續(xù)2年的模擬降水量和模擬家畜踐踏的雙因子組合試驗，結(jié)果表明，隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，陰山扁蓿豆根表面積、根體積和根系生物量均呈下降趨勢。有研究[31-32]結(jié)果表明，踐踏首先導(dǎo)致土壤容重增加、通氣透水性變差，且隨著模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，陰山扁蓿豆自然株高、葉面積均呈下降趨勢。已有研究結(jié)果也表明，踐踏可降低植物的高度、蓋度和生物量[20,33-34]。植物的地上和地下生長是關(guān)聯(lián)的，踐踏減弱植物地上部分的生長，進(jìn)而導(dǎo)致地下根系生長減緩。同時少雨和家畜重度踐踏對陰山扁蓿豆根系生長的抑制性更強，說明家畜踐踏對草地植物根系的影響與降水量和放牧強度緊密相關(guān)，高寒草甸降水年際間波動很大，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對氣候變化和人類活動極其敏感[35]，在降水較少的年份，草地超載放牧影響植被根系生長，增加了高寒草甸土壤侵蝕的潛在危險，進(jìn)而加劇草地退化。林慧龍等[36]通過建模也得出了相似的結(jié)論，即隨著踐踏強度的逐漸加大，土壤可蝕性K值依次增大，表明踐踏增大了放牧侵蝕的風(fēng)險。

林慧龍等[37]研究了模擬灘羊踐踏對甘肅環(huán)縣典型草原地下生物量的影響，結(jié)果得出，隨著踐踏強度的增加，0～10 cm土層地下生物量呈先升后降的趨勢，其中中度踐踏(80次羊踐踏·m-2·期-1)處理下地下生物量最高，而在10～20 cm土層，輕度踐踏(40次羊踐踏·m-2·期-1)處理下地下生物量最高，20～30 cm土層地下生物量與踐踏強度無顯著相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，隨著踐踏強度的增加，陰山扁蓿豆根系呈減少趨勢。存在差異的原因可能在于草地類型和植物不同，模擬踐踏強度也不同，植物的地下生物量對踐踏的響應(yīng)也存在差異。同時本研究還發(fā)現(xiàn)水分對陰山扁蓿豆根系的影響大于家畜踐踏。在高寒草甸，降水較少的一年，不同放牧強度的草地植被差異表現(xiàn)很明顯；而在降雨較多的一年，不同放牧強度的草地植被差異表現(xiàn)并不明顯。這也印證了本研究得出的結(jié)果，即適宜的降水能掩蓋或減輕不同放牧強度或踐踏強度對草地影響的差異。

本研究結(jié)果還表明，同一放牧強度下，同一土層，藏羊踐踏處理的根表面、根體積和根系生物量均高于牦牛踐踏處理，說明相同的放牧強度下，牦牛踐踏對陰山扁蓿豆根系生長的抑制大于藏羊踐踏。在放牧草地中發(fā)現(xiàn)，藏羊的蹄面積小，踐踏過后在草地上留下的蹄印較淺，通過土壤自身的恢復(fù)能力能快速得到修復(fù)，而牦牛的蹄面積較大，踐踏過后在草地上留下的蹄印較深，破壞性較大，土壤可能需要更長的時間才能得到修復(fù)。因此在草地放牧實踐中，雖然放牧強度相同，但可能由于牦?；虿匮驍?shù)量比的不同，導(dǎo)致不同的踐踏強度，造成草地的差異。

4 結(jié)論

在0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土層，陰山扁蓿豆根表面積、根體積和根系生物量均隨模擬牦牛和藏羊踐踏強度的增加，降水量的降低呈下降趨勢；少雨和牦牛重度踐踏對陰山扁蓿豆根系的生長具有抑制性。同一放牧強度下，牦牛踐踏對陰山扁蓿豆根系生長的不利影響大于藏羊踐踏；家畜踐踏對深層根系(20～30 cm)的影響較小。水分對陰山扁蓿豆根系的影響大于家畜踐踏。