日本落葉松林凋落物對(duì)狗牙根、胡枝子種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

施　妍， 陳芳清

(三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北宜昌 443002)

日本落葉松(Larixkaempferi)是我國(guó)重要的外來(lái)樹(shù)種，自其引入到鄂西地區(qū)以來(lái)，表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和速生性[1]。外來(lái)優(yōu)良樹(shù)種的引進(jìn)是林業(yè)生產(chǎn)建設(shè)和森林植被恢復(fù)方面的重要措施，但外來(lái)樹(shù)種的引進(jìn)對(duì)森林的物種多樣性和養(yǎng)分循環(huán)具有重要的影響[2]。野外調(diào)查與相關(guān)研究顯示，大老嶺自然保護(hù)區(qū)日本落葉松的引種栽培對(duì)群落的物種多樣性有重大的影響，群落內(nèi)少有本地物種的定居和生長(zhǎng)，且群落內(nèi)的土壤微生物與多樣性以及凋落物養(yǎng)分歸還和土壤養(yǎng)分含量也受到影響[3-4]。

凋落物可以通過(guò)物理阻斷和化感作用，抑制林下植物種子萌發(fā)而影響其更新[5]。針葉樹(shù)種凋落的針葉和樹(shù)皮通常是其化感作用的主要成分，開(kāi)展其凋落物化感作用的研究對(duì)林分的天然更新和人工營(yíng)林具有重要的意義[6]。由于種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)是植物生活史中對(duì)外界條件反應(yīng)最為敏感的階段，化感作用的研究主要是通過(guò)觀測(cè)受體植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)對(duì)化感物質(zhì)的響應(yīng)來(lái)進(jìn)行[7-8]。目前關(guān)于日本落葉松林物種多樣性的研究尚不多見(jiàn)，是否是凋落物的化感作用導(dǎo)致其物種多樣性低下也無(wú)定論。本研究選取該地區(qū)常見(jiàn)的林下草本植物狗牙根(Cynodondactylon)和灌木胡枝子(Lespedezaformosa)為研究對(duì)象，通過(guò)研究日本落葉松林凋落物水浸提液對(duì)該2種植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，探討外來(lái)物種日本落葉松凋落物潛在的化感作用，為日本落葉松林的管理提供科學(xué)參考。

1　材料與方法

1.1　研究樣地

研究樣地位于鄂西地區(qū)大老嶺自然保護(hù)區(qū)(110°43′42″～111°22′2″E)，該地屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，區(qū)域氣候具有明顯的垂直氣候梯度，土壤以紅壤為主。選取海拔900～1 000 m，坡度22°～23°，坡向陽(yáng)的日本落葉松林作為研究對(duì)象。日本落葉松林年齡為18～24年，林分郁閉度為0.6～0.7。

1.2　凋落物收集與水浸液制備

2014年5月在日本落葉松林收集自然凋落的新鮮凋落物，帶回實(shí)驗(yàn)室后清除其他雜物，充分混勻，置于70 ℃下烘干至恒質(zhì)量。稱(chēng)取50 g凋落物進(jìn)行剪碎，加入裝有500 mL蒸餾水的棕色瓶中，充分搖勻振蕩，置于室溫下暗處間歇振蕩浸提48 h。浸提后以4 000 r/min離心15 min，取上清液，分別以定量濾紙和0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，得到濃度為100 g/L的無(wú)菌凋落物水浸提液，并以此為母液，以121 ℃滅菌 20 min 的去離子水配制不同濃度的凋落物水浸液。

1.3　種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

受體植物為林下草本植物狗牙根和灌木胡枝子，受體植物種子采集于2014年11月并置于4 ℃下保存至2015年5月。分別選取籽粒飽滿、大小均一的2種植物種子，浸泡 24 h，以0.3%高錳酸鉀溶液消毒30 min，以去離子水漂洗后用于萌發(fā)試驗(yàn)。采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)，分別取50粒植物種子均勻地放于鋪有2層濾紙的直徑為9 cm的玻璃培養(yǎng)皿中作為1個(gè)試驗(yàn)單位。參照前人試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)共設(shè)置0、12.5、25、50、100 g/L等5個(gè)處理水平，每個(gè)處理水平5個(gè)重復(fù)。將上述各濃度的凋落物水浸液加入到培養(yǎng)皿中至飽和狀態(tài)為止，然后置于25 ℃、濕度80%、光照30 μmol/(m·s)8 h的人工氣候箱中培養(yǎng)，每天記錄各培養(yǎng)皿萌發(fā)種子的數(shù)量，并補(bǔ)充適量相應(yīng)的凋落物水浸液以保持濕潤(rùn)。7 d后結(jié)束試驗(yàn)，測(cè)定幼苗胚芽和胚根長(zhǎng)度，并對(duì)幼苗稱(chēng)質(zhì)量。

1.4　數(shù)據(jù)處理

分別用萌發(fā)率和萌發(fā)(速率)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)種子的萌發(fā)情況。萌發(fā)率=萌發(fā)種子總數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；萌發(fā)指數(shù)GI=∑Gt/Dt，式中Gt為在td的萌發(fā)數(shù)，Dt為萌發(fā)天數(shù)。以化感效應(yīng)敏感指數(shù)(RI)[9]評(píng)價(jià)凋落物水浸液對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的化感作用，RI=T/C-1(T0為促進(jìn)效應(yīng)，RI<0為抑制效應(yīng)，其數(shù)值大小反映化感作用的強(qiáng)弱。

采用SPSS 19.0對(duì)凋落物水浸液對(duì)日本落葉松種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較分析(LSD)，置信水平為95%。

2　結(jié)果與分析

2.1　凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子種子萌發(fā)的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子種子萌發(fā)有著顯著影響(表1)。凋落物水浸液對(duì)狗牙根種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)隨著處理濃度的增加呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的作用。在低濃度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)處理下，狗牙根種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)均顯著高于對(duì)照組，其中25.0 g/L時(shí)達(dá)到最高值，萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)分別為對(duì)照的1.14、1.15倍。但隨著處理濃度的增加，狗牙根種子的萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)顯著下降，在100.0 g/L時(shí)處于最低值，萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)分別為對(duì)照的0.71、0.69倍。而凋落物水浸液對(duì)胡枝子種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)呈明顯的抑制作用。隨著處理濃度的增加，胡枝子種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)不斷下降，在100.0 g/L時(shí)萌發(fā)率處于最低值，萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)分別為對(duì)照的0.32、0.29倍。

表1　日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子種子萌發(fā)的影響

注：數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=5)。同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著。下表同。

以種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)2個(gè)參數(shù)的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子種子萌發(fā)的化感作用，結(jié)果見(jiàn)圖1。凋落物水浸液在低處理濃度(12.5、25.0 g/L)下促進(jìn)狗牙根種子的萌發(fā)，其中25.0 g/L時(shí)促進(jìn)作用最強(qiáng)(RI=0.29)；在高處理濃度(50.0、100.0 g/L)下則為抑制作用，其中100.0 g/L時(shí)抑制作用最強(qiáng)(RI=-0.35)。而凋落物水浸液抑制胡枝子種子的萌發(fā)，其中100.0 g/L時(shí)抑制作用最強(qiáng)(RI=-0.69)。

2.2　凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生長(zhǎng)的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生長(zhǎng)有顯著影響(表2)。凋落物水浸液對(duì)狗牙根幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)隨著處理濃度的增加呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的作用。在低濃度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)處理下，狗牙根幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)均高于對(duì)照組，其中25.0 g/L時(shí)達(dá)到最高值，幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)分別為對(duì)照的1.26、1.39倍。但隨著處理濃度的增加，狗牙根幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)開(kāi)始下降，在100.0 g/L時(shí)處于最低值，分別為對(duì)照的0.47、0.60倍。而凋落物水浸液對(duì)胡枝子幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)呈明顯的抑制作用。隨著處理濃度的增加，胡枝子幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)開(kāi)始下降，在100.0 g/L時(shí)處于最低值，幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)分別為對(duì)照的0.45、0.56倍。

表2　日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生長(zhǎng)的影響

以幼苗根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)2個(gè)參數(shù)的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生長(zhǎng)的化感作用，結(jié)果見(jiàn)圖2。凋落物水浸液在低處理濃度下(12.5、25.0 g/L)促進(jìn)狗牙根幼苗的生長(zhǎng)，其中25.0 g/L時(shí)促進(jìn)作用最強(qiáng)(RI=0.32)；在高處理濃度下(50.0、100.0 g/L)則為抑制作用，其中100.0 g/L時(shí)抑制作用最強(qiáng)(RI=-0.47)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生長(zhǎng)，其中100.0 g/L時(shí)抑制作用最強(qiáng)(RI=-0.50)。

2.3　凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生物量的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生物量也有顯著影響(圖3)。日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根幼苗生物量隨著處理濃度的增加也呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的作用。但在12.5、25.0、50.0 g/L處理下，狗牙根幼苗生物量均高于對(duì)照，分別為對(duì)照的1.09、1.29、1.19倍，但差異不顯著；僅在100.0 g/L處理下，狗牙根幼苗生物量低于對(duì)照，為對(duì)照的0.65倍，差異顯著。而日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)胡枝子幼苗生物量呈明顯的抑制作用，隨著處理濃度的增加，胡枝子幼苗生物量開(kāi)始下降。與對(duì)照相比，在12.5 g/L時(shí)差異不顯著，其他處理濃度下均差異顯著，在100.0 g/L時(shí)處于最低值，幼苗生物量為對(duì)照的0.65倍。

以幼苗生物量的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子幼苗生物量的化感作用，結(jié)果見(jiàn)圖4。凋落物水浸液在12.5、25.0、50.0 g/L處理濃度下促進(jìn)狗牙根幼苗的生物量，其中25.0 g/L時(shí)促進(jìn)作用最強(qiáng)(RI=0.29)；在100.0 g/L處理濃度下則為抑制作用(RI=-0.34)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生長(zhǎng)，其中100.0 g/L時(shí)抑制作用最強(qiáng)(RI=-0.35)。

3　討論

種子萌發(fā)和幼苗建成是植物生活史的重要階段，其對(duì)森林的物種分布、多樣性和群落更新具有重要的影響，研究植物種子萌發(fā)與幼苗建成對(duì)外來(lái)物種凋落物的響應(yīng)能有效揭示外來(lái)物種潛在的化感作用[10]。針葉樹(shù)種凋落物長(zhǎng)期向環(huán)境中所釋放的大量次生代謝物質(zhì)是導(dǎo)致天然針葉林生產(chǎn)力下降和群落物種多樣性低下的主要原因[11]。其中，凋落物對(duì)種子萌發(fā)的影響主要在于其含有的化感物質(zhì)與種子萌發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的不同代謝物質(zhì)之間的相互作用[12]。本研究表明，日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根種子萌發(fā)的影響隨著處理濃度的增加呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的規(guī)律，而對(duì)胡枝子種子萌發(fā)的影響則隨處理濃度的增加呈明顯的抑制作用。陳立新等在對(duì)紅松凋落物和土壤浸提液對(duì)紅松種子萌發(fā)影響的研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的規(guī)律，高濃度的凋落物和土壤浸提液對(duì)紅松種子的萌發(fā)有顯著的抑制作用，但隨著濃度的降低，抑制作用減弱，甚至消失或者轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用[13]。灌木胡枝子種子萌發(fā)對(duì)日本落葉松凋落物的化感響應(yīng)要強(qiáng)于狗牙根，說(shuō)明不同林下植物種子萌發(fā)對(duì)化感物質(zhì)的耐受閾值有著明顯的差異[14-15]。

凋落物既可作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)其他植物幼苗的生長(zhǎng)，又可因化感物質(zhì)的累積而抑制其他植物幼苗的生長(zhǎng)，但不同植物種類(lèi)間仍存在一定的差異[16]。在本研究中，日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根和胡枝子幼苗的影響與種子萌發(fā)的趨勢(shì)相似，狗牙根幼苗的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)只有在高濃度處理下才會(huì)受到抑制，而胡枝子在處理一開(kāi)始就受到了抑制。凋落物水浸液對(duì)2種植物根長(zhǎng)的抑制作用均強(qiáng)于莖長(zhǎng)，可能的原因在于受體植物幼苗的根部先與凋落物水浸液中的化感物質(zhì)相接觸，化感物質(zhì)破壞了根系細(xì)胞膜，因此可能對(duì)幼苗根部的影響較大[17]。結(jié)合不同濃度下促進(jìn)/抑制化感作用響應(yīng)指數(shù)的變化來(lái)看，胡枝子幼苗生長(zhǎng)對(duì)日本落葉松凋落物的化感響應(yīng)也要強(qiáng)于狗牙根。低濃度凋落物水浸液處理下對(duì)狗牙根幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用強(qiáng)度要高于種子萌發(fā)，在高濃度下則相反；此外，胡枝子幼苗生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)要低于種子萌發(fā)的抑制效應(yīng)。這說(shuō)明在植物生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段，同樣的化感物質(zhì)對(duì)其影響有著很大的差別，一般來(lái)說(shuō)萌發(fā)階段最易受化感作用的影響，而幼苗生長(zhǎng)階段稍弱[18]。

植物的生物量主要取決于其與周?chē)车臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換循環(huán)和限制因子的限制程度[19]。本研究中，狗牙根和胡枝子幼苗生物量對(duì)日本落葉松凋落物的化感響應(yīng)有著明顯的差別，且狗牙根和胡枝子幼苗生物量對(duì)日本落葉松凋落物的化感響應(yīng)要小于種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，其中在低濃度處理下狗牙根生物量顯著增加，而胡枝子生物量的下降不顯著。劉忠玲等對(duì)落葉松與白樺的種間化感作用進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，落葉松葉水浸液對(duì)白樺幼苗生物量有一定的促進(jìn)作用，與其對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)上的抑制作用有著明顯的區(qū)別[20]。以上結(jié)果說(shuō)明植物有自身的保護(hù)機(jī)制，在幼苗初始生長(zhǎng)期間，種子自身攜帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能在很大程度上維持其生長(zhǎng)，并減輕化感物質(zhì)的危害，同時(shí)凋落物水浸液能為幼苗的生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)[21]。

4　結(jié)論

日本落葉松林凋落物水浸液對(duì)狗牙根、胡枝子的種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和幼苗的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和生物量有著顯著影響，其中狗牙根隨著處理濃度的增加各試驗(yàn)指標(biāo)呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的作用，胡枝子的各試驗(yàn)指標(biāo)隨處理濃度增加呈明顯的受抑制作用。相對(duì)而言，胡枝子種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)對(duì)日本落葉松凋落物的化感響應(yīng)強(qiáng)于狗牙根。種子萌發(fā)和幼苗建成是植物生活史的重要階段，日本落葉松林凋落物中的化感物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的不同代謝物質(zhì)之間進(jìn)行相互作用，從而產(chǎn)生促進(jìn)/抑制化感作用。日本落葉松林凋落物中的化感物質(zhì)對(duì)狗牙根和胡枝子的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)存在一定的化感效應(yīng)，其中對(duì)胡枝子的影響要強(qiáng)于狗牙根。凋落物的化感作用是影響日本落葉松林物種多樣性的關(guān)鍵因素之一，在今后的日本落葉松營(yíng)林管理中可通過(guò)間伐等方式來(lái)減少日本落葉松的化感作用和蔭蔽作用，促進(jìn)其他物種的定居與林分更新。

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