長期連栽楊樹林根際土壤自毒作用的生物測定

陸 茜,張金池,孟苗婧

南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210037

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長期連栽楊樹林根際土壤自毒作用的生物測定

陸 茜,張金池*,孟苗婧

南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210037

選取10—40a不同代際的長期集約連栽楊樹土壤為對象,從自毒作用的角度探討人工林連栽障礙的原因與機(jī)理。實(shí)施了不同連栽代際的楊樹人工林土壤對萵苣種子發(fā)芽和扦插楊樹枝條生長的抑制活性的系統(tǒng)生物測定試驗(yàn)。結(jié)果表明,連栽楊樹林的根際土壤比非根際土壤能夠顯著抑制萵苣種子萌發(fā)率。對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代林根際土壤的濃度梯度試驗(yàn)都表明浸提液的質(zhì)量濃度越大,對種子萌發(fā)的抑制性越強(qiáng),其中Ⅲ代林處理液的濃度效應(yīng)最明顯。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代楊樹林根際土壤配置成加營養(yǎng)液組與無營養(yǎng)液組兩組對照水培溶液測定扦插楊樹枝條的胚芽生長長度和根伸長長度。結(jié)果表明,III代林根際土壤處理液的胚芽生長長度和根伸長長度顯著小于Ⅱ代林根際土壤處理液,Ⅱ代林處理又顯著小于Ⅰ代林處理,Ⅰ代林處理液與對照組無顯著差別,這種隨林代增大、根際土壤對植株生長的抑制活性增大的趨勢在加營養(yǎng)液組更為顯著。本文確定了連栽土壤抑制活性的根際效應(yīng)與濃度效應(yīng),為連栽楊樹人工林的自毒作用研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù),并推斷連栽楊樹人工林通過根系分泌物的方式在根際部分逐代積累自毒物質(zhì),由于自毒物質(zhì)的濃度效應(yīng),Ⅰ代林階段自毒效應(yīng)不顯著甚至促進(jìn)林木生長；隨著集約時(shí)間增長,到Ⅲ代林階段自毒效應(yīng)顯著抑制楊樹生長和更新。在集約撫育中,對土壤實(shí)施人工添加營養(yǎng)液的方式無法緩解其抑制性自毒作用,有可能加劇連栽障礙的產(chǎn)生。

化感作用;連栽障礙;扦插;萵苣;單一種植;種子萌發(fā)

化感作用(Allelopathy)是近年來化學(xué)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,它主要指植物(或微生物)之間相互抑制或促進(jìn)的生物化學(xué)作用[1],供體產(chǎn)生化感物質(zhì)后通過淋溶、揮發(fā)、根系分泌或殘?bào)w分解等途徑釋放到環(huán)境中,從而影響到受體植物的生長和發(fā)育。供體植物(或微生物)與受體植物(或微生物)屬于同一物種時(shí),就稱為自毒作用[2]。其中抑制性的化感-自毒作用更為普遍,受到研究者重視,成為近年來植物化感研究的一種趨勢[3-4]。

楊樹(Populus)是中國重要的人工林栽培樹種之一,2015年楊樹栽培面積已超0.067億hm2,居世界首位。楊樹在集約栽培中會(huì)出現(xiàn)土壤病或樹病,其中連栽障礙的問題較為常見[5]。所謂“連栽障礙”,是指植物在單一連栽/作的條件下,隨著栽培時(shí)間增長而地力逐代衰退、植物質(zhì)量隨之下降的現(xiàn)象。對于植物連栽障礙的研究,早期大多從土壤養(yǎng)分匱乏和人工撫育的角度對其發(fā)生機(jī)制進(jìn)行闡釋[6- 7]；近期的研究指出：連栽障礙的發(fā)生與植物在連栽過程中積累一定質(zhì)量濃度的自毒物質(zhì)從而產(chǎn)生抑制性的自毒作用有關(guān)[8- 9],自毒作用很可能是連栽障礙的關(guān)鍵誘因。學(xué)界對楊樹化感/自毒作用的研究已有涉足,如探討楊樹不同器官的浸提液或分解物對作物生長的影響[10- 12]、研究外源自毒物質(zhì)對楊樹的抑制效應(yīng)與修復(fù)[13- 15]、比較不同撫育方式或不同品種的楊樹自毒效應(yīng)[16- 17]等,但目前尚缺乏基于長期數(shù)據(jù)的楊樹化感生物測定的報(bào)道,各研究樣本的時(shí)長最多不超過10a。而在撫育實(shí)踐中,長期集約連栽人工林是普遍存在的,長期連栽年限與自毒作用的關(guān)系值得探討。本研究以單一連栽時(shí)間達(dá)40a的長期集約種植楊樹人工林作為研究對象,并選?、翊?連栽10a)、Ⅱ代林(連栽30a)、Ⅲ代林(連栽40a)3個(gè)連續(xù)時(shí)間的人工林土壤為樣本形成對照,以揭示人工林連栽及土地利用的臨界年限。

確認(rèn)植物是否存在化感-自毒作用,用模式植物對研究對象進(jìn)行生物測定(bioassay)是最常用的方法。目前對連栽作物的化感生物測定較為充分[18- 20],而連栽人工林受樹木生長周期和野外條件的影響,取樣比較困難,通常采用模擬試驗(yàn)進(jìn)行生物測定[13,21],只有少數(shù)報(bào)道以直接取樣于連栽樣地的樣本配置成母液進(jìn)行生物測定[22]。本研究采取野外采樣的方式,選?、?、Ⅱ、Ⅲ代連栽楊樹林土壤為樣本,對楊樹的根部進(jìn)行生物測定。根際是植物與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的活躍區(qū)域,研究顯示多年生植物的根際土與非根際土土壤微生物群落存在差異[23],這可能是根系區(qū)域發(fā)生化感作用的證據(jù)。本文通過對不同代際楊樹林土壤的生物測定和營養(yǎng)液對照實(shí)驗(yàn),旨在探察長期集約連栽是否有可能導(dǎo)致楊樹林在土壤中逐步積累具備顯著自毒效應(yīng)的毒性物質(zhì)、以及推斷楊樹發(fā)生自毒作用的途徑,以期為從化學(xué)生態(tài)學(xué)的角度解決楊樹人工林連栽障礙和土地利用時(shí)限問題提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

黃淮海平原是中國楊樹人工林的主要栽培區(qū)之一。本研究選擇江蘇省徐州市西北部的豐縣大沙河林場(34°79′ N, 116°57′ E)作為實(shí)驗(yàn)區(qū),區(qū)內(nèi)林地的撫育管理措施具有一致性。樣區(qū)3個(gè)林代的基本信息如表1所示:生物量逐代下降,顯示出連栽障礙的特點(diǎn)。其中Ⅰ代林的土壤栽植年限約為10a,Ⅱ代林約為30a,Ⅲ代林約為40a。楊樹品種均為意大利引進(jìn)歐美楊無性系72楊P.euramericana‘San Martino’,其特點(diǎn)為生長期較長、林積生長較快。

表1 林分基本特征

1.1.2 采樣方法

2013年5月, 在大沙河林場選?、瘛ⅱ?、Ⅲ代楊樹林樣地,土壤質(zhì)地均為砂土。每代試驗(yàn)樣地隨機(jī)選取10株楊樹。采樣木樹高12—14m、胸徑18—20cm、樹齡約10a。每株楊樹分別采集一袋(170mm×240mm自封袋)根際土壤和一袋非根際土壤。根際土壤采用抖落法采集直徑<0.5cm的楊樹細(xì)根上附著的土壤(1—2mm),連同細(xì)根一起放入袋內(nèi)。非根際土壤為根區(qū)域內(nèi)非附著于根際的土壤。在選取的10株楊樹中任選其中5株,在距離樹干約90cm無根系處隨機(jī)選取兩點(diǎn),用內(nèi)徑6cm的取土環(huán)刀采集土壤樣品,每個(gè)林代10個(gè)樣品用于測定土壤理化性質(zhì)?；貙?shí)驗(yàn)室后取出根際土壤中的細(xì)根切碎,剩余根際土壤過0.25mm篩去除雜物,切碎后的細(xì)根仍舊放進(jìn)過篩后的土壤樣品中,混勻風(fēng)干備用。非根際土壤直接過0.25mm篩風(fēng)干備用。對土壤化學(xué)性質(zhì)的測定每個(gè)指標(biāo)設(shè)立3次重復(fù)。

1.1.3 供試植物

種子萌發(fā)試驗(yàn)選取敏感植物萵苣(Lactucasativa)為供試受體,與相關(guān)報(bào)道一致[24- 25]。選取顆粒飽滿、大小一致、無發(fā)霉無破損的萵苣種子,乙醇消毒后超純水沖洗干凈備用。植株生長試驗(yàn)所用的扦插楊樹條采自與土壤樣本同一地點(diǎn)的植株,截取長度20cm、直徑約為2cm的楊樹條做為供試受體,超純水清洗干凈備用。

1.2 方法

1.2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤化學(xué)性質(zhì)測定的具體操作參考文獻(xiàn)進(jìn)行[26]：采用便攜式pH計(jì)測定土壤pH值；采用半微量凱氏定氮法測定全氮含量；采用堿解擴(kuò)散法測定速效氮含量；采用硫酸-高氯酸消煮法測定全磷含量；采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定速效磷含量。

土壤物理性質(zhì)的計(jì)算方式如下：

土壤容重(g/cm3)=環(huán)刀內(nèi)干土重/環(huán)刀體積

最大持水量(%)=(浸水12h環(huán)刀內(nèi)濕土重-環(huán)刀內(nèi)干土重)/環(huán)刀內(nèi)干土重×100

總孔隙度(容積%)=毛管孔隙度(容積%)+非毛管孔隙度(容積%)

其中,

毛管孔隙度(容積%)=毛管持水量(%)×土壤容重

非毛管孔隙度(容積%)=(最大持水量(%)-毛管持水量(%))×土壤容重

不同代際楊樹林土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果見表2 。

表2 楊樹人工林土壤物理性質(zhì)

小寫字母不同表示5%顯著差異

1.2.2 種子萌發(fā)生物測定試驗(yàn)方法

將50粒萵苣種子置于鋪有兩層濾紙、直徑為12cm的培養(yǎng)皿中。光周期20℃,16 h；暗周期15℃,8 h。種子萌發(fā)以破皮發(fā)芽為標(biāo)準(zhǔn)。3d后統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽數(shù)。

(1)根際土壤浸提液與非根際土壤浸提液抑制活性初步篩選：將Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液和非根際土壤浸提液分別加入培養(yǎng)皿,質(zhì)量濃度均為1g/mL,對照為3 mL純水,共7個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

種子萌發(fā)率(%)=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/50)×100%

(2)根際土壤的抑制種子萌發(fā)濃度梯度試驗(yàn)：為進(jìn)一步確定連栽楊樹人工林根際土壤浸提液抑制種子萌發(fā)的濃度依賴性以及最低抑制濃度,將Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林的根際土壤母液稀釋后分別配置成0.1、0.2、0.5、0.8、1 g/mL的培養(yǎng)溶液,加入培養(yǎng)皿,每個(gè)培養(yǎng)皿擺放萵苣種子50粒,共15個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù)。

種子萌發(fā)抑制率(%)=(第3天對照發(fā)芽種子數(shù)-第3天處理發(fā)芽種子數(shù)) / 第3天對照發(fā)芽種子數(shù)×100%

當(dāng)抑制率>0,表示浸提液對種子萌發(fā)具有抑制作用；當(dāng)抑制率<0,表示浸提液對種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

1.2.3 扦插楊樹水培試驗(yàn)方法

購置塑料小桶若干,桶口放置白色塑料泡沫,將楊樹扦插條從泡沫插入深入到桶內(nèi),每個(gè)桶插入5根枝條,整齊排列,用泡沫固定好位置。

(1)不同代際楊樹林根際土壤浸提液對水培扦插楊樹生長發(fā)育的影響：將質(zhì)量濃度均為1g/mL的Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液加入各小桶作為第1處理組,對照為純水；另將質(zhì)量濃度均為1g/mLⅠ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液與霍格蘭德營養(yǎng)液一起加入各小桶作為第2處理組,對照為純水+營養(yǎng)液。兩組共8個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)5次。

(2)不同質(zhì)量濃度的根際土壤浸提液對水培扦插楊樹生長發(fā)育的影響：將Ⅲ代林的根際土壤母液稀釋后分別配置成0.1、0.2、0.5、0.8、1 g/mL的培養(yǎng)溶液,加入小桶,對照為1L純水。共6個(gè)處理,每個(gè)處理5次重復(fù)。

生長抑制率(%)=(第30天對照生長長度-第30天處理生長長度) /第30天對照生長長度×100%

當(dāng)抑制率>0,表示浸提液對扦插枝條生長具有抑制作用；當(dāng)抑制率<0,表示浸提液對扦插枝條生長具有促進(jìn)作用。

光周期20℃,16 h；暗周期15℃,8 h。每3d換新溶液1次,30d后剪下胚芽和根,進(jìn)行長度測量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著極差法(LSD)檢驗(yàn),主要用Excel 2007和SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果

2.1 萵苣種子萌發(fā)的生物測定試驗(yàn)

2.1.1 根際土壤與非根際土壤的化感活性對照試驗(yàn)

圖1 Ⅰ代林、Ⅱ代林、Ⅲ代林土壤浸提液對萵苣種子的萌發(fā)率 Fig.1 Germination rate of lettuce seeds of soil extracts from Generation I、Generation Ⅱ and Generation Ⅲ plantationsrs：根際土壤組； ns：非根際土壤組； CK：對照組。柱形圖頂部不同小寫字母表示5%顯著差異,不同大寫字母表示1%極顯著差異

根際土壤浸提液對萵苣種子的萌發(fā)具有顯著的抑制作用,而非根際土壤浸提液對萵苣種子的萌發(fā)抑制不顯著(圖1)。其中,與純水對照組84.5%的萌發(fā)率相比,無論是Ⅰ代林、Ⅱ代林還是Ⅲ代林,根際土壤組的萵苣種子萌發(fā)率均顯著減少,萌發(fā)率最高不超過60%,尤其是Ⅲ代林的萌發(fā)率僅為48.7%,達(dá)到極顯著抑制的水平(P<0.01)；而非根際土壤組只有Ⅲ代林的土壤浸提液顯著抑制了萵苣種子的萌發(fā)(P<0.05),其萌發(fā)率為72.7%,而Ⅰ代林與Ⅱ代林土壤浸提液的種子萌發(fā)率分別為83.0%和79.7%,與對照組相比無顯著性差異(P>0.05)。此外,根際土壤與非根際土壤的處理組內(nèi)呈現(xiàn)一致的規(guī)律：Ⅰ代林與Ⅱ代林對萵苣種子的萌發(fā)抑制性無顯著差異(P>0.05),而Ⅲ代林的土壤浸提液與前兩代林相比,對萵苣種子萌發(fā)有顯著的抑制性,其中根際土壤組呈現(xiàn)極顯著的差異(P<0.01)。由此可見,根際土壤能夠明顯抑制萵苣種子的萌發(fā),而Ⅲ代林的根際土壤對種子萌發(fā)的抑制效應(yīng)最顯著。

2.1.2 根際土壤的抑制種子萌發(fā)濃度梯度試驗(yàn)

圖2 根際土壤對種子萌發(fā)抑制率的濃度梯度試驗(yàn) Fig.2 Concentration gradient test of rhizosphere soils on seed germination inhibition rate

結(jié)果如圖2所示：隨著根際土壤的浸提液質(zhì)量濃度的增高,其對萵苣種子的萌發(fā)抑制率增大。其中Ⅱ代林和Ⅲ代林在0.1g/mL的低濃度時(shí)能夠促進(jìn)萌發(fā)率增長(萌發(fā)率高于對照)。而3個(gè)林代的抑制趨勢略有不同：其中Ⅰ代林隨著濃度增大,抑制率增大的幅度最小,Ⅱ代林接近線性趨勢,Ⅲ代林隨著濃度升高而增大抑制萌發(fā)率的幅度最大。0.2—0.5g/mL的濃度范圍內(nèi),3個(gè)林代的抑制萌發(fā)率最接近。

2.2 根際土壤浸提溶液抑制楊樹植株生長試驗(yàn)

2.2.1 不同代際楊樹林根際土壤浸提液對水培扦插楊樹生長的影響

如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示：根伸長方面, Ⅰ代、Ⅱ代、Ⅲ代林的土壤浸提液在營養(yǎng)液組與無營養(yǎng)液組的抑制趨勢完全一致：Ⅰ代林比對照組根伸長長度略大,但差異不顯著；Ⅱ代林比Ⅰ代林根伸長長度顯著降低、Ⅲ代林比Ⅱ代林根伸長長度顯著降低(圖3)；胚芽生長長度方面,兩組中Ⅲ代林的胚芽生長長度均比Ⅱ代林顯著降低、Ⅰ代林與對照組的胚芽生長長度均無顯著差異,Ⅱ代林與Ⅰ代林在無營養(yǎng)液組的胚芽生長長度沒有顯著差異,但營養(yǎng)液組中,Ⅱ代林比Ⅰ代林的土壤浸提液顯著抑制了胚芽生長長度(圖3)。

因此總體而言,無論在營養(yǎng)液組還是無營養(yǎng)液組,楊樹的胚芽生長長度和根伸長長度均隨著代際增大呈現(xiàn)一致的降低趨勢,并且營養(yǎng)液組比無營養(yǎng)液組的抑制程度更顯著。

圖3 不同代際楊樹林根際土壤浸提液對水培扦插楊樹生長發(fā)育的影響Fig.3 Effect of rhizosphere soil extracts of poplar from different generations on the growth of poplar cutting branches 柱狀圖頂部小寫字母不同表示5%顯著有差異

2.2.2 不同質(zhì)量濃度的根際土壤浸提液對水培扦插楊樹生長的影響

隨著Ⅲ代林根際土壤浸提液質(zhì)量濃度增大,扦插楊樹胚芽生長長度和根伸長長度都顯著降低,而浸提液對胚芽生長長度和根伸長長度的抑制率隨濃度增大而增大(表3)。

胚芽生長長度隨土壤浸提溶液濃度的升高而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,抑制率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,其中在最低濃度0.1g/mL時(shí)抑制率為負(fù),即與對照相比,土壤浸提液對胚芽生長有促進(jìn)作用。土壤溶液濃度為0.5g/mL時(shí)胚芽生長長度為4.88cm、抑制率為14.7%,與溶液濃度在0.1、0.2g/mL和1g/mL時(shí)均存在顯著差異,但與0.8g/mL濃度無顯著性差異。

與胚芽生長長度類似,根伸長長度隨土壤浸提溶液濃度的升高亦呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,抑制率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,其中在最低濃度0.1g/mL時(shí)抑制率為負(fù),即與對照相比,土壤浸提液對根伸長有促進(jìn)作用。土壤溶液為0.8g/mL時(shí)根伸長長度為4.12cm、抑制率為39.2%,兩者與溶液在0.1、0.2g/mL和1g/mL濃度時(shí)均存在顯著差異,與溶液在0.5g/mL時(shí)無顯著性差異。

表3 不同濃度根際土壤浸提液對扦插楊樹胚芽和根的生長影響

Table 3 Experimental results of different concentrations of rhizosphere soil extract affect the germ and root growths of cutting poplar branches

處理Treatment濃度/(g/mL)Concentration胚芽Germ根Root生長長度/cmGrowthlength抑制率/%Inhibitionrate伸長長度/cmElongationlength抑制率/%Inhibitionrate土壤溶液0.15.66±0.64d-0.70%±0.08%d9.04±1.28d-33.33%±4.72%bSoilextracts0.25.38±1.03cd5.94%±1.14%cd7.10±1.05cd-4.72%±0.25%b0.54.88±0.72bc14.69%±2.16%bd5.94±1.14bc12.39%±2.38%a0.84.42±1.01a22.73%±5.19%a4.12±0.76ab39.23%±7.24%a14.32±0.31a24.83%±1.78%a2.16±0.40e68.14%±12.6%e空白對照Control5.72±0.74e6.82±1.07c

小寫字母不同表示5%顯著有差異

3 討論

化感作用的發(fā)生途徑主要有揮發(fā)、淋溶和根系分泌3種,本研究的結(jié)果表明楊樹人工林的根際土壤相較于非根際土壤,對測試種子的萌發(fā)具有更顯著的抑制作用,這種“根際效應(yīng)”與已有的報(bào)道結(jié)論一致[27- 28],該結(jié)果也提示連栽楊樹林更主要通過根際集聚化感物質(zhì)而非枯落物淋溶化感物質(zhì)的路徑產(chǎn)生自毒效應(yīng)；而連栽年限最長的Ⅲ代林無論是根際土壤還是非根際土壤的浸提液都顯示出對測試種子的萌發(fā)抑制作用,加上在Ⅲ代林階段,土壤的酸性程度較前兩代林顯著增大(表2),很有可能與枯落物的長期淋溶作用相關(guān),因此推測到了連栽后期,楊樹根系分泌物與枝葉淋溶均有可能成為化感作用的發(fā)生途徑。已有報(bào)道顯示,生長期較長的森林的確可以通過枝葉淋溶的途徑逐漸積累自毒物質(zhì),如天山云杉在天然更新過程中,針葉通過淋溶作用對更新種子產(chǎn)生自毒作用從而阻礙森林更新[8]。而長期連栽楊樹的枯落物淋溶作用與植株自毒效應(yīng)的相互關(guān)系與內(nèi)在機(jī)理需要進(jìn)一步澄清和研究。

本研究的結(jié)果證實(shí)楊樹人工林根際土壤浸提液在低質(zhì)量濃度時(shí),可能對種子萌發(fā)和植株生長具有促進(jìn)作用,而在高質(zhì)量濃度時(shí),對兩者只有抑制作用,并且濃度越大、抑制性越強(qiáng)。這與普遍報(bào)道的化感物質(zhì)對植株生長具有“低濃度促進(jìn)、高濃度抑制”的濃度效應(yīng)的結(jié)果相一致[29- 31]?！皾舛刃?yīng)”的產(chǎn)生應(yīng)與化感作用的濃度依賴性有關(guān),也證實(shí)了化感物質(zhì)在田間條件下需要積累到致毒濃度才有可能對植株產(chǎn)生抑制性。需要指出的是,本研究的結(jié)果顯示出植物在連栽環(huán)境中,其根際物質(zhì)的濃度效應(yīng)與植物的連栽年限相關(guān)：連栽時(shí)間最長的Ⅲ代林在根際土壤低質(zhì)量濃度時(shí)對植物生長具有促進(jìn)作用,而栽種時(shí)間最短的Ⅰ代林在低濃度時(shí)并不顯示對種子萌發(fā)的促進(jìn)作用(圖2)。亦即連栽時(shí)間越長其濃度依賴性越顯著。這個(gè)結(jié)果在以往的報(bào)道中尚不多見,該現(xiàn)象進(jìn)一步提示連栽之后的植物在根部積聚的物質(zhì)很可能正是具有濃度效應(yīng)的化感/自毒物質(zhì),尤其在連栽后期土壤中自毒物質(zhì)的積累已經(jīng)較為充分,其“低促高抑”的特征也比前兩代林顯著,成為引發(fā)連栽障礙的重要因素。

本文結(jié)果表明隨著連栽年限增加,植株的自毒效應(yīng)顯著增大而生長質(zhì)量降低,這與一些學(xué)者采用土培實(shí)驗(yàn)對連作植物進(jìn)行自毒作用研究的結(jié)果相一致[32- 33]。有研究報(bào)道顯示植物連栽障礙與土壤有效養(yǎng)分的降低有關(guān)[34],在人工林撫育實(shí)踐中也采用增肥措施來解決連栽障礙,因?yàn)殚L期連栽常常伴隨土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的惡化。在本研究中,連栽林代出現(xiàn)不同程度的養(yǎng)分惡化：盡管撫育措施相同,但土壤中速效氮的含量出現(xiàn)逐代下降、Ⅲ代林土壤的速效磷含量也顯著低于前兩代林(表2)。然而,本研究所采用表明添加營養(yǎng)液的方式?jīng)]有緩解連栽土壤浸提液對植株生長的抑制作用,甚至抑制作用相較于無營養(yǎng)液組更顯著(圖3)。這至少表明對于長期集約連栽的楊樹,僅用施用營養(yǎng)液來改善連栽障礙的依據(jù)是不充分的。添加營養(yǎng)液不能改變抑制作用的原因可能是自毒物質(zhì)本身會(huì)限制植物吸收養(yǎng)分的有效性或惡化土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)[35],自毒物質(zhì)積累越多,對植株吸收養(yǎng)分的限制越強(qiáng)。但由于施肥存在多樣化的措施,增施氮肥、綠肥等是否能夠有效遏制連栽楊樹自毒作用則有賴于下一步在土培實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證?；诒狙芯恳延械慕Y(jié)果,本文支持近期以來從化感作用的角度闡釋連栽障礙的發(fā)生機(jī)制,并推斷長期連栽使得自毒物質(zhì)積聚在植物根部(或其它重要器官),抑制植物生長發(fā)育與種內(nèi)更新,引發(fā)連栽障礙。

4 結(jié)論

(1)連栽楊樹人工林土壤對植物的抑制性自毒作用主要發(fā)生在楊樹根際部分,根系分泌的方式是楊樹人工林主要的自毒作用途徑。

(2)楊樹人工林根際土壤的自毒作用具有濃度效應(yīng)：隨著自毒物質(zhì)的濃度增大,對植株的生長抑制性增強(qiáng)。但在低濃度時(shí)有時(shí)會(huì)促進(jìn)植株的生長。

(3)根際土壤對楊樹生長的抑制作用隨著連栽林代的增加而顯著,而采用增施營養(yǎng)的措施不一定緩解連栽時(shí)間過長對植株生長的抑制性。

(4)長期連栽楊樹土壤產(chǎn)生顯著的自毒效應(yīng),建議人工楊樹林連栽30年后應(yīng)改變土地利用方式。

[1] Rice E L. Allelopathy. 2nd ed. New York: Academic Press, 1984: 1- 3

[2] Singh H P, Batish D R, Kohli R K. Autotoxicity: Concept, organisms, and ecological significance. Critical Reviews in Plant Sciences, 1999, 18(6): 757- 772.

[3] Willis R J. Approaching the modern era//Willis R J. The History of Allelopathy. Netherlands: Springer, 2007: 251- 300.

[4] Fitter A. Making allelopathy respectable. Science, 2003, 301(5638): 1337- 1338.

[5] 吳秋芳, 王景順, 路志芳. 楊樹人工林退化及恢復(fù)的研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2015, 31(31): 1- 6.

[6] 孔令剛, 劉福德, 王華田, 姜岳忠, 董玉峰, 焦緒娟. 施肥對I- 107楊樹人工林土壤根際效應(yīng)的影響. 中國水土保持科學(xué), 2006, 4(5): 60- 65.

[7] 郭修武, 李坤, 郭印山, 李成祥, 謝洪剛, 胡禧熙, 張立恒, 孫英妮. 不同種植年限葡萄園根區(qū)土壤養(yǎng)分變化及對再植葡萄生長的影響. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 18(3): 477- 481.

[8] 李兆慧. 天山云杉自毒作用與自毒物質(zhì)的鑒定[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2011: 1- 108.

[9] 陳龍池. 杉木人工林土壤中毒性化感物質(zhì)的鑒定與來源[D]. 沈陽: 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所, 2009.

[10] 陳莉莎, 張金池, 陸茜, 卓為君, 李梅花, 李世昌. 楊樹根際土壤水浸提液對3種農(nóng)作物的化感效應(yīng). 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 32(2): 264- 271.

[11] 趙勇, 陳楨, 王科舉, 王謙, 樊巍. 泡桐、楊樹葉水浸液對作物種子萌發(fā)的化感作用. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(13): 400- 405.

[12] 賀維, 陳剛, 陳洪, 胡庭興, 王彬, 胡義, 杜朝云. 美洲黑楊凋落葉分解初期對小白菜生長的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(7): 2067- 2075.

[13] 楊陽, 王華田, 王延平, 姜岳忠, 王宗芹. 外源酚酸對楊樹幼苗根系生理和形態(tài)發(fā)育的影響. 林業(yè)科學(xué), 2010, 46(11): 73- 80.

[14] 李冠喜, 吳小芹, 葉建仁. 楊樹根際土自毒物質(zhì)的積累、毒害及生物修復(fù). 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 37(3): 71- 76.

[15] 王延平. 連作楊樹人工林地力衰退研究: 酚酸的累積及其化感效應(yīng)[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010: 1- 164.

[16] 孔令剛, 王華田, 姜岳忠, 譚秀梅, 焦緒娟. 楊樹不同品種更替連作對林地土壤生化特性的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2006, 20(5): 69- 72.

[17] 王延平, 王華田, 譚秀梅, 姜岳忠, 孔令剛. 楊樹人工林品種更替連作與非更替連作根際效應(yīng)的比較. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 1379- 1389.

[18] 張新慧, 郎多勇, 張恩和. 當(dāng)歸根際土壤水浸液的自毒作用研究及化感物質(zhì)的鑒定. 中草藥, 2010, 41(12): 2063- 2066.

[19] 沙紅, 高燕, 李雪源. 棉花植株水提取液對種子萌發(fā)和幼苗生長的自毒作用. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 49(5): 826- 830.

[20] 張文明, 邱慧珍, 張春紅, 劉星, 高怡安, 沈其榮. 連作馬鈴薯不同生育期根系分泌物的成分檢測及其自毒效應(yīng). 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 23(2): 215- 224.

[21] 汪思龍, 陳龍池, 廖利平, 黃志群. 幾種化感物質(zhì)對杉木幼苗生長的影響. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2002, 8(6): 588- 591.

[22] 林思祖, 黃世國, 曹光球, 黃志群. 杉木自毒作用的研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1999, 10(6): 661- 664.

[23] 何瑋, 郭琳微, 樊鵬輝, 郭斌, 傅艷萍, 尉亞輝. 黃花棘豆在腐解過程中的化感作用及其土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 21- 29.

[24] 萬開元, 陳防, 陶勇, 陳樹森, 羅治建. 楊樹對萵苣的化感作用. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 37(1): 21- 22.

[25] 耿廣東, 張素勤, 程智慧. 不同作物根系分泌物對萵苣化感作用的研究. 北方園藝, 2009, (6): 24- 26.

[26] 鮑士旦. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析(第三版). 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2000: 231- 245.

[27] 李勇, 黃小芳, 丁萬隆. 根系分泌物及其對植物根際土壤微生態(tài)環(huán)境的影響. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2008, 23(Z1): 182- 186.

[28] 吳林坤, 林向民, 林文雄. 根系分泌物介導(dǎo)下植物—土壤—微生物互作關(guān)系研究進(jìn)展與展望. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 38(3): 298- 310.

[29] 耿廣東, 程智慧, 張素勤. 不同濃度的辣椒化感物質(zhì)對萵苣化感效應(yīng)研究. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2008, 23(2): 30- 33.

[30] 王丹丹, 楊建設(shè), 燕志強(qiáng), 孫玉合, 崔海燕, 丁蘭, 秦波. 綠原酸對萵苣生長的化感作用及其機(jī)理研究. 西北植物學(xué)報(bào), 2014, 34(5): 957- 962.

[31] 黃玉茜, 韓立思, 楊勁峰, 王月, 韓曉日. 花生植株和土壤水浸液自毒作用研究及土壤中自毒物質(zhì)檢測. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(19): 6023- 6032.

[32] 徐雪風(fēng), 回振龍, 李自龍, 張俊蓮, 李朝周. 馬鈴薯連作障礙與土壤環(huán)境因子變化相關(guān)研究. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2015, 33(4): 16- 23.

[33] 李坤. 葡萄連作障礙機(jī)理及調(diào)控途徑的研究[D]. 沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010: 1- 149.

[34] 鄧陽春, 黃建國. 長期連作對烤煙產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(4): 840- 845.

[35] 張恩平, 衣寧寧, 李亮亮, 李天來, 劉勇. 番茄自毒物質(zhì)對土壤養(yǎng)分的影響. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2010, 23(3): 820- 823.

Bioassay for inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil under long-term successive monoculture poplar plantations

LU Qian, ZHANG Jinchi*, MENG Miaojing

Co-InnovationCentreforSustainableForestryinSouthernChina,JiangsuProvincialKeyLaboratoryofSoil&WaterConservationandEcologicalRestoration，NanjingForestryUniversity，Nanjing210037,China

Populusis one of the most important tree species in the economic plantations in China. However, poplar plantations are vulnerable to the continuous monoculture problems. Previous studies have focused on low availability of soil nutrients and poor management as the possible causes for such decline. With the progress of chemical ecology, allelopathy and autotoxicity in forest plantations have been increasingly regarded as key triggers of the problems associated with continuous monoculture. To the best of our knowledge, few studies on poplar autotoxicity have been based on long-term samples, even though poplar monoculture is common in planting practice. Moreover, experiments to compare the effects of low availability of soil nutrients and autotoxicity have not been attempted. In this study, we selected soil samples from three generations of poplar plantations, which included monoculture plantation as old as 40 years, and carried out systemic germination bioassays oflactucasativaseeds and seedling growth tests on branch cuttings of poplar trees grown on soils in which successive generations of the plant had been grown. We identified the inhibitory activity of rhizosphere soil and the effects of concentration dependence and independence on nutrient inhibitory activity, which provided basic experimental evidence for further study on autotoxicity in continuously cropped poplar plantations. In a laboratory experiment, we contrasted the inhibitory activities of rhizosphere soil and non-rhizosphere soil on continuously cropped poplar plantations by determining lettuce seed germination in the soil extracts. The results showed that rhizosphere soil significantly inhibited lettuce seed germination compared to the non-rhizosphere soil. Concentration-controlled assays of rhizosphere soil extracts of generations I, II, and III (GenI, GenII, and GenIII) poplar plantations were used to investigate the inhibitory dose attribution effect. The results showed that greater the soil extract concentration, stronger was the inhibitory effect on seed germination, suggesting that soil extracts inhibited seed germination in a concentration-dependent manner. The results also showed that concentration dependence was strongest in GenIII poplar plantations. The rhizosphere soil extracts of GenI, GenII, and GenIII poplar plantations were divided into two groups (an added-nutrition group and a non-nutrition group) of culture solutions, which determined the length of shoot and root in the poplar branch cuttings. The results showed that the length of shoot and root in the GenIII treatments were significantly lower than in the GenII treatments, whereas those in the GenII treatments were significantly lower than in the GenI treatments. There were no significant differences between the GenI treatments and the control group. This tendency toward inhibitory activity on plant growth increased with time (with the successive poplar generations) and was more prominent in the added-nutrition group. Our results, therefore, suggest that autotoxins accumulated through root exudates in the rhizosphere soil of continuously monocultured poplar plantations. As a result of concentration dependence, autotoxins did not significantly inhibit the plant growth at GenI stage. With increasing years of monoculture, the autotoxic effects significantly inhibited the plant growth by GenIII stage and were especially significant in the soils that

artificial nutrition. Therefore, long-term monoculture practice and inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil are likely to cause the continuous planting problems seen in poplar plantations.

allelopathy; continuous planting obstacle; cutting branch;Lactucasativa; long-term monoculture; seed germination

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470709);國家林業(yè)公益行業(yè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201504406);江蘇省優(yōu)勢學(xué)科資助項(xiàng)目(PAPD)

2016- 02- 23;

2017- 01- 04

10.5846/stxb201602230314

*通訊作者Corresponding author.E-mail: nfujczhang@sina.com

陸茜,張金池,孟苗婧.長期連栽楊樹林根際土壤自毒作用的生物測定.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(12):4053- 4060.

Lu Q, Zhang J C, Meng M J.Bioassay for inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil under long-term successive monoculture poplar plantations.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4053- 4060.