迷人杜鵑群落天然更新障礙的化感研究

李朝嬋，錢沉魚，全文選，唐鳳華，許塔艷，歐 靜

（1. 貴州師范大學(xué) 貴州省山地環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550001；2. 中國科學(xué)院 地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550018；3. 貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

植物化感作用是當(dāng)前化學(xué)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)，森林植物通過向環(huán)境中釋放化學(xué)物質(zhì)，從而抑制林冠層下及周圍植物的生長和發(fā)育[1-4]，其中優(yōu)勢(shì)樹種產(chǎn)生的植物毒素不斷積累從而影響土壤并抑制林下植物生長[5-7]。前人對(duì)野生杜鵑群落化感作用的研究非常有限，主要有極大杜鵑群落Rhododendron maximum、臺(tái)灣杜鵑群落Rhododendron formosanum和露珠杜鵑Rhododendron irroratum[8-10]，主要采用群落調(diào)查和室內(nèi)發(fā)芽實(shí)驗(yàn)對(duì)其化感抑制作用進(jìn)行研究，目前采用較為先進(jìn)的色譜手段對(duì)杜鵑化感物質(zhì)的研究較少。

在貴州百里杜鵑國家級(jí)森林公園內(nèi)，迷人杜鵑Rhododendron agastum是重要的建群種和優(yōu)勢(shì)種之一，其因花色絢麗在群落景觀中起著重要作用。但是，目前迷人杜鵑群落有性繁殖及天然更新均出現(xiàn)了嚴(yán)重的障礙[11-12]，天然更新障礙嚴(yán)重制約了森林公園的可持續(xù)發(fā)展，所以天然更新的抑制因子和種子萌發(fā)的關(guān)鍵因子等一系列科學(xué)問題有待揭示。本研究從化感作用的視角出發(fā)，比較迷人杜鵑群落林下凋落物層、腐殖質(zhì)層和表層土壤的化學(xué)物質(zhì)組成，以期從化學(xué)生態(tài)學(xué)的角度解釋迷人杜鵑林天然更新的障礙問題。

1 材料與方法

1.1 取樣與調(diào)查

百里杜鵑國家級(jí)森林公園位于貴州西北 部 黔 西 縣 和 大 方 縣 交 界 處（105°50′16″～106°04′57″E，27°10′07″～27°17′55″N），海拔1 060～2 121 m，公園內(nèi)年均相對(duì)濕度為84%。研究樣地選取的迷人杜鵑群落位于森林公園的普底景區(qū)，樣地面積為50 m×50 m，按照樣地的上、中、下坡采集樣品，每個(gè)坡位的樣地采集3個(gè)樣點(diǎn)的枯枝落葉層（L層，當(dāng)年未分解的落葉）、腐殖質(zhì)層（H層，厚度約15 cm）和土壤層（S層，表層土壤厚度約30 cm）樣品。樣品采用鋁箔袋保存后，立即帶回實(shí)驗(yàn)室，將樣品自然陰干，仔細(xì)挑去石塊、根莖等，用粉碎機(jī)研磨，經(jīng)孔徑1 mm土壤篩過篩后在4 ℃下冰箱保存，供測(cè)試分析。

1.2 發(fā)芽試驗(yàn)

分別將L層、H層和S層樣品按1g/3mL的比例加入蒸餾水，常溫浸泡48 h，用滅菌紗布過濾后得到浸提液，保存于4 ℃冰箱中備用。迷人杜鵑種子用0.2 %的高錳酸鉀溶液消毒3～5 min，然后用無菌蒸餾水沖洗3～5次至洗凈，進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。發(fā)芽試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[13]的方法并加以改進(jìn)，分別在7 d和30 d時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽情況。發(fā)芽率RG=n/n0×100%。式中：n為發(fā)芽種子數(shù)，n0為供試種子總數(shù)?；凶饔玫男?yīng)指數(shù)IR=1-C/T(T≥C) 或IR=T/C-1(T＜C)。式中：C為對(duì)照值，T為處理值。當(dāng)IR＞0 時(shí)，表示促進(jìn)作用；當(dāng)IR＜0 時(shí)，表示抑制作用；IR絕對(duì)值的大小代表化感作用的強(qiáng)弱[14]。

1.3 儀器與方法

氣質(zhì)聯(lián)譜儀：美國Agilent，7890A-5975C，帶CTC多功能自動(dòng)進(jìn)樣器。樣品前處理、衍生化處理、GC條件和質(zhì)譜條件參照文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

總離子流的各峰經(jīng)與Nist08和Wiley08標(biāo)準(zhǔn)譜庫的檢索及核對(duì)，確定各土壤層中的化學(xué)物質(zhì)，并用內(nèi)標(biāo)法確定各物質(zhì)的相對(duì)含量。采用SPSS17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和LSD多重比較，采用Origin8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸提液對(duì)迷人杜鵑種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

由圖1可知，7 d L層和H層浸提液處理的種子發(fā)芽率較對(duì)照差異極顯著（P＜0.01），30 d L層、H層和S層浸提液處理的種子發(fā)芽率較對(duì)照差異極顯著；迷人杜鵑的發(fā)芽率依次是枯枝落葉層＜腐殖質(zhì)層＜土壤層。3個(gè)層次浸提液處理30 d的化感效應(yīng)指數(shù)均為負(fù)值，其中腐殖質(zhì)層、土壤層浸提液與枯枝落葉層相比差異極顯著，說明迷人杜鵑種子在不同浸提液處理后受到不同程度的抑制作用，其中枯枝落葉層的抑制作用最強(qiáng)（見圖1）。

圖1 不同浸提液對(duì)種子萌發(fā)和化感效應(yīng)的影響Fig.1 Effect of different soil layer extracts on seed germination and allelopathy

2.2 不同層次化感物質(zhì)的分離與鑒定

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)譜庫及前人研究結(jié)果鑒定并確定了31種化感物質(zhì)，其分析結(jié)果見表1。從杜鵑枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層和土壤層中鑒定出相同的化感物質(zhì)共有31種，主要為長鏈脂肪酸、有機(jī)酸類、醇類、生物堿類、酚酸類、氨基酸類等6大類物質(zhì)，均為化感物質(zhì)。其中，枯枝落葉層主要化感物質(zhì)（相對(duì)含量超過5%）有5種，從高到底依次為棕櫚酸、丙三醇、2-羥基乙酸、硬脂酸和肌醇，含量分別為 163.83、102.52、59.94、53.07 和 45.24 ng·g-1。腐殖質(zhì)層主要化感物質(zhì)（相對(duì)含量超過5%）有6種，從高到低依次為棕櫚酸、2-羥基丙酸、2-羥基乙酸、2,2′-聯(lián)吡啶、丙三醇和2,3′-聯(lián)吡啶，含量分別為81.38、77.96、34.53、33.53、32.05和27.56 ng·g-1。土壤層主要化感物質(zhì)（相對(duì)含量超過5%）有9種，從高到低依次為棕櫚酸、2-羥基丙酸、3-吡啶甲酸、硬脂酸、2-羥基乙酸、2,2′-聯(lián)吡啶、丙三醇、對(duì)苯二酸、2,3′-聯(lián)吡啶，含量分別為 88.75、70.84、31.78、31.62、31.35、30.61、27.04、26.96 和 26.23 ng·g-1。

表1 不同層次主要化感物質(zhì)的含量?Table1 The main allelochemicals in different layers

2.3 不同層次化感物質(zhì)的類別

根據(jù)Rice對(duì)化感物質(zhì)的劃分[16]，從迷人杜鵑枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層和土壤層中均鑒定到長鏈脂肪酸類（9種）、有機(jī)酸類（7種）、醇類（5種）、生物堿類（3種）、酚酸類（6種）和氨基酸類（1種）等6大類化感物質(zhì)（見表2），其中，長鏈脂肪酸類和有機(jī)酸類是土壤層、腐殖質(zhì)層主要的化感物質(zhì)，長鏈脂肪酸類和醇類是枯枝落葉層主要的化感物質(zhì)。枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層和土壤層化感物質(zhì)總量分別為 759.47、513.20和 496.85 ng·g-1，表現(xiàn)為枯枝落葉層＞腐殖質(zhì)層＞土壤層，枯枝落葉層與腐殖質(zhì)層、土壤層的各化感組分之間差異極顯著。

表2 不同土壤層化感物質(zhì)組分的類別與相對(duì)含量Table2 Classification and relative content of allelochemicals in different soil layers

3 結(jié)論與討論

3.1 化感作用與種子萌發(fā)

近年來，科學(xué)家對(duì)化感作用進(jìn)行定義并不斷拓展其內(nèi)涵[17-19]。生態(tài)系統(tǒng)中的植物通過化感物質(zhì)獲得更多更大比例的資源，植物因?yàn)樽陨砘形镔|(zhì)而成功入侵并定居，成為優(yōu)勢(shì)種[20-21]。當(dāng)群落中化感物質(zhì)累積到一定程度就會(huì)影響自身以及其它植物的生長，進(jìn)而影響群落更新[22-24]。目前，研究區(qū)內(nèi)野生杜鵑群落出現(xiàn)嚴(yán)重的天然更新障礙，最終導(dǎo)致幼齡種群缺失嚴(yán)重，可能造成巨大的可持續(xù)發(fā)展障礙。同時(shí)，較厚的枯枝落葉層和腐殖質(zhì)層對(duì)種子進(jìn)入土壤起著物理的阻礙作用。本研究中枯枝落葉層對(duì)迷人杜鵑種子的萌發(fā)抑制作用最大，在森林經(jīng)營中要引起足夠的重視，同時(shí)要進(jìn)一步開展去除枯枝落葉層促進(jìn)種子萌發(fā)的大田試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)。

3.2 化感物質(zhì)的來源及作用

植物群落內(nèi)的枯枝落葉層和土壤層對(duì)種子萌發(fā)和早期幼苗的建立產(chǎn)生重要影響，植物也通過揮發(fā)性化感物質(zhì)的釋放量來增強(qiáng)防御與傳遞信號(hào)[25-27]。國內(nèi)外專家對(duì)植物群落內(nèi)的草本層、枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層和根際土的化感作用進(jìn)行了研究和關(guān)注，認(rèn)為化感物質(zhì)在植物群落的演替中起著重要驅(qū)動(dòng)作用[28-29]。本研究測(cè)定了迷人杜鵑群落林下3個(gè)土壤層中的化學(xué)物質(zhì)，其中枯枝落葉層是土壤中化感物質(zhì)的主要來源。

化感物質(zhì)可以影響森林冠層下的幼苗生長和物種組成，對(duì)群落更新有直接影響[30]。本實(shí)驗(yàn)表明迷人杜鵑群落土壤層中存在長鏈脂肪酸類、有機(jī)酸類、酚酸類和醇類等物質(zhì)，這些物質(zhì)均屬于化感物質(zhì)且具有抑制作用，其中酚酸類物質(zhì)在較小濃度下即具有較強(qiáng)的化感作用潛力。土壤特征有助于認(rèn)識(shí)植物群落的養(yǎng)分循環(huán)規(guī)律[31]，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)定到的化感物質(zhì)如何協(xié)同迷人杜鵑的土壤特征（養(yǎng)分、溫度、水分等因子）對(duì)種子萌發(fā)起到抑制作用，有待于進(jìn)一步開展研究。