狼毒種子不同密度對6種草地植物種子發(fā)芽及幼苗生長的化感影響

劉秀艷,郭麗珠,劉 麗,黃 頂

(中國農(nóng)業(yè)大學 動物科學技術(shù)學院，北京 100193)

化感作用是植物通過分泌化感物質(zhì)而影響周圍植物，微生物以及自身的生長和繁殖的生化互作[1]，在自然條件下，化感物質(zhì)主要來源于植物活的或死的根、莖、葉、花和花序等器官[2-3]，目前，大量研究集中于植物根、莖、葉、花的提取液對其他植物種子發(fā)芽的化感作用[4-7]。近年來，學者們開始關注植物種子對其他種子和幼苗化感作用的研究[8-9]，但是在草地生態(tài)系統(tǒng)上進行的相關研究較少。

狼毒(Stellerachamaejasme)是我國草地生態(tài)系統(tǒng)中重要的有毒植物，廣泛分布于西藏、青海、甘肅、四川、寧夏、內(nèi)蒙古等地[10]，放牧時家畜采食常常會引起家畜中毒，還會同牧草爭奪光和肥，狼毒數(shù)量的增多，使我國草地畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和草地生態(tài)安全受到了嚴重的威脅[11]。此外，有研究認為狼毒對牧草的化感作用是草地退化的重要原因[12]，但有學者認為狼毒對周圍植物生長有積極影響[13]，這種不定性使狼毒化感作用的研究在草地退化恢復中很重要。

種子繁殖是狼毒繁殖的唯一途徑，土壤種子庫中狼毒種子的數(shù)量決定狼毒植被的更新[13-14]，狼毒的研究在植株產(chǎn)生的化感物質(zhì)對其他植物花粉萌發(fā)和種子結(jié)實的花粉化感效應以及狼毒的治理方面[4，12，15]較多，對狼毒種子在草地退化過程中對其他植物種子發(fā)芽是否起到化感作用的研究較少。選擇退化草地上狼毒周圍的植物扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草以及獨行菜，堿地風毛菊為供試草種種子，旨在探究草地生態(tài)系統(tǒng)中狼毒種子對周圍牧草種子發(fā)芽的化感影響，以期為狼毒退化草地補播草種的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于河北省沽源縣國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學觀測研究站的典型草原(Typical Steppe)，地理位置E 116°14′，N 41°37′，海拔1 430 m，河北沽源典型草原屬于溫帶半干旱季風氣候帶，年均溫1.4℃，1月平均氣溫-18.6℃，7月平均氣溫17.6℃，霜期80～110 d；年均降水量350～450 mm，主要集中于生長季的6～9月，占全年降水量的80%，年潛在蒸發(fā)量1 700～2 300 mm，平均氣溫為1℃，最冷月(1月)平均氣溫-18.6℃，最熱月(7月)平均氣溫17.6℃，≥0℃年積溫2 000～2 800℃，≥10℃年積溫1 500～2 200℃；土壤類型以栗鈣土為主；羊草為該地區(qū)的建群種，主要植物種類為羊草(Aneurolepidiumchinense)、克氏針茅(Stipakrylovii)、冰草(Agropyroncristatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。

1.2 試驗材料與測定

于2017年7～8月收集狼毒的種子和當?shù)卮嬖谟诶嵌局車^多的扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草，獨行菜，堿地風毛菊種子，風干備用。

試驗設置0(對照)、5、10、20、40粒/皿5個狼毒種子密度梯度處理[16](培養(yǎng)皿規(guī)格15 cm×15 cm，狼毒種子數(shù)，代表狼毒種子中化感物質(zhì)的濃度)，分別與禾本科牧草扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草和雜類草獨行菜，堿地風毛菊)的種子一起培養(yǎng)(每個培養(yǎng)皿10粒種子)，每個處理設置4次重復，試驗前將種子放入15%次氯酸鈉溶液中消毒30 min，蒸餾水清洗。將6種草地種子規(guī)則擺放在帶有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，將狼毒種子放在草地草種子之間。為了保證發(fā)芽時水分的需求，每日每個處理加入等量蒸餾水，所有處理置于20～30℃的人工培養(yǎng)箱中，光照10 h/d，光照強度12 000 lx培養(yǎng)。從發(fā)芽試驗起，每日記錄供試種子發(fā)芽數(shù)(胚根長度大于1 mm 視為發(fā)芽)，直到發(fā)芽數(shù)不再改變(15 d)。測量根長、苗長(芽長)后烘干稱重，并計算各項指標：

發(fā)芽率= (15 d后發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽指數(shù)GI=(GT表示試驗期內(nèi)每天的發(fā)芽數(shù)，DT表示發(fā)芽天數(shù))

發(fā)芽勢=(試驗期5 d內(nèi)正常種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%

化感效應指數(shù)(RI)=1-C/T

式中：C為不加狼毒種子的對照值，T為處理值，RI>0 時，表示為促進作用，RI<0 時，表示為抑制作用，而RI絕對值的大小表示狼毒的化感作用強度的大小。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel軟件對數(shù)據(jù)進行初步整理，SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)方差分析，方差分析采取LSD法進行多重比較，并且計算綜合化感系數(shù)，綜合化感系數(shù)為同一處理下發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，根長，苗長，干重各個指標化感系數(shù)的平均值[17]，最后運用GraphPad Prism 5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 狼毒種子不同密度處理對4種草地植物種子的發(fā)芽率、根長，苗高和干重的影響

隨著狼毒種子密度的增大，扁穗冰草種子的發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，干重先增加后減少，根長，苗長呈先增加后減少再增加的趨勢(表1)。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)在種子密度為10粒/皿 時達到最大，前者與對照差異顯著(P<0.05)，其他處理與對照差異不顯著(P>0.05)。苗長在種子密度為5、20粒/皿時與對照差異顯著(P<0.05)，其余處理間差異不顯著(P>0.05)。隨著狼毒種子密度的增加，羊草種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，苗長表現(xiàn)為先增加后減少再增加，干重表現(xiàn)為隨著種子密度的增加而增大。狼毒種子密度為5粒/皿時，羊草種子的發(fā)芽勢與對照差異顯著，對于發(fā)芽指數(shù)，種子密度為20粒/皿時與對照差異顯著(P<0.05)，其余處理間差異不顯著(P>0.05)。對于根長，種子密度為5粒/皿時與對照差異顯著(P<0.05)。對于干重，種子密度為40粒/皿時與對照相比差異顯著(P<0.05)。其余處理間差異不顯著(P<0.05)。此外，狼毒種子密度對針茅種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、根長、干重的影響趨勢為先增加后減少，種子密度為20粒/皿時達到最大值。試驗中除了根長，苗長之外，其余指標在狼毒種子密度為20粒/皿時與對照相比差異顯著(P<0.05)，各處理間差異不顯著(P>0.05)。最后，隨著狼毒種子密度的增加，披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、根長、苗長、干重的影響表現(xiàn)為先增加后減少后稍有波動，在種子密度為5粒/皿時達到最大。發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)處理間差異不顯著(P>0.05)。對于根長，種子密度為10、20粒/皿時，與對照相比差異顯著(P>0.05)。其余處理間差異不顯著(P>0.05)。

在狼毒種子密度為5粒/皿時，羊草與披堿草種子發(fā)芽率達到最大，與對照相比分別增加了15%、17.5%，當狼毒種子密度為10粒/皿時，扁穗冰草種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，干重達到最大，與對照相比分別增加了22.5%、16%、1.44、0.002 3 g，增加量大于針茅>披堿草>羊草。當狼毒種子密度為20粒/皿時，針茅種子的發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，根長，干重達到最大，比對照分別增加了32.5%、21.82%、1.60、0.004 6 g，與對照相比種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，根長，干重的增加量大于披堿草>羊草>扁穗冰草，披堿草的干重達到最大，比對照增加了0.005 1 g。但是羊草，針茅，披堿草種子發(fā)芽的根長苗長變化不大，都與對照差異不顯著(P>0.05)。狼毒種子密度為40粒/皿時，受試種子發(fā)芽率與對照相比增加量最大的是披堿草，其次針茅，羊草，增加量最少的是扁穗冰草。

表1 狼毒種子處理下扁穗冰草、羊草、針茅、披堿草種子的萌發(fā)及幼苗生長情況

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 狼毒種子不同密度處理下堿地風毛菊和獨行菜種子發(fā)芽的影響

狼毒種子密度對堿地風毛菊種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，苗長，干重的影響不顯著，對于根長，種子密度為10、40粒/皿時與對照相比差異顯著(P<0.05)。其余處理間差異不顯著(P>0.05)。對獨行菜種子的發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，干重的影響不顯著(表2)。

堿地風毛菊種子的發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，干重在狼毒種子密度為5粒/皿時達到最大，比對照分別增加了12.5%、5%、0.82、0.0013 g。但在狼毒種子密度為10粒/皿時，堿地風毛菊根長與對照相比減少了0.80 cm。而獨行菜發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，根長，苗長在狼毒種子密度為10粒/皿達到最大，比對照分別增加了2.5%、3.5%、1.52、2.79 cm、0.13 cm。其余指標與對照相比變化不大(表2)。

2.3 狼毒種子不同密度處理下對植物種子的綜合化感系數(shù)

狼毒種子密度對供試草種子發(fā)芽的綜合化感系數(shù)(除堿地風毛菊)均有程度不同的促進作用，只有堿地風毛菊種子密度為10粒/皿時，種子發(fā)芽受狼毒種子密度抑制。狼毒種子密度對扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草，堿地風毛菊，獨行菜發(fā)芽的綜合化感系數(shù)分別在狼毒種子密度為10、5、20、5、5、10粒/皿時達到最大，分別為0.24、0.42、0.45、0.71、0.16、0.14(圖1)。

表2 狼毒種子不同密度處理下堿地風毛菊和獨行菜的種子萌發(fā)及幼苗生長情況

圖1 狼毒種子不同密度處理下對其他種子發(fā)芽的綜合化感系數(shù)Fig.1 The integrated allelopathy coefficient of Stellera chamaejasme seeds on seed germination of 6 grassland plants

3 討論

3.1 狼毒種子不同密度處理對草地植物種子發(fā)芽的影響

狼毒是瑞香科狼毒屬植物，是草地重要的有毒植物，遍布于典型草原，干草原，沙質(zhì)草原的退化草地[18]。其化感作用的研究已經(jīng)成為天然草地退化恢復過程中的熱門問題。從狼毒種子入手，研究狼毒種子對6種草地植物的發(fā)芽的影響，隨著狼毒種子密度增大，受試植物種子的發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)先增加后減少，表現(xiàn)為促進作用而沒有起到化感抑制，可能是因為狼毒種子密度不大，其中水溶性種子滲透液還沒有達到產(chǎn)生化感抑制作用的臨界濃度，還有可能是，狼毒種子因其種皮限制，因此，化感物質(zhì)達不到臨界濃度。有研究表明隨著狼毒莖葉量的增加，新麥草表現(xiàn)出先促后抑[18]，化感作用存在低促高抑的現(xiàn)象[19-21]。試驗表明，當狼毒種子密度為20粒/皿時，對針茅種子發(fā)芽各指標促進作用最大，相同狼毒種子密度下(密度小于10粒/皿)，受試植物種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)促進作用最大的為披堿草，其次是羊草，扁穗冰草，針茅，堿地風毛菊，獨行菜。說明不同植物達到最大促進作用的狼毒種子密度不同，在同狼毒種子密度下，各種植物表現(xiàn)出的化感影響不同。可能是因為不同植物種子發(fā)芽對狼毒種子化感物質(zhì)的耐性不同，這與周淑清等[23]狼毒對披堿草，黑麥草，扁穗冰草，草木樨的化感作用不同的結(jié)果一致。

3.2 狼毒種子不同密度處理對草地植物種子幼苗生長的影響

根是吸收水分，礦質(zhì)元素的重要器官，根的生長和發(fā)育能夠?qū)χ参锏纳L發(fā)育以及代謝活動產(chǎn)生重要的影響，苗長、干重能夠反應植物的生物量狀況，研究中，相同狼毒種子密度下，對有的受試植物根長、苗長有顯著的促進作用，但對有的受試植物有顯著的抑制作用。如當狼毒種子密度為10粒/皿時，堿地風毛菊根長表現(xiàn)顯著的抑制作用，卻對獨行菜根長、苗長有顯著的促進作用，可能是因為不同植物對狼毒種子化感物質(zhì)抗性有差異，有研究報道披堿草在狼毒水浸溶液達到12%時種子發(fā)芽沒有受到抑制，但紫花苜蓿，沙打旺則受到抑制[5]。當狼毒種子密度為5粒/皿時，羊草根長表現(xiàn)顯著的促進作用，而堿地風毛菊卻有抑制效果，也說明了不同植物種子發(fā)芽對狼毒種子化感物質(zhì)的反應不同。結(jié)果還表明，不同狼毒種子密度下，堿地風毛菊的根長表現(xiàn)出抑制作用，而苗長卻產(chǎn)生促進作用。可能是因為同種植物的不同部位對狼毒種子化感物質(zhì)的敏感度不同導致不同部位的化感作用有差異。有研究表明[24]，狼毒對扁穗冰草的化感作用在株高和干重上促進作用最大，與此次研究的狼毒種子對扁穗冰草的苗長影響結(jié)果一致，但扁穗冰草的干重作用不顯著，可能是因為狼毒種子與狼毒根、莖、葉的化感作用相比較弱，還有可能是因為只研究了對扁穗冰草萌發(fā)期的影響，狼毒種子密度對扁穗冰草的干重化感作用未到顯著的時期[24]。

3.3 狼毒種子不同密度處理對草地植物種子的綜合化感系數(shù)

綜合化感系數(shù)能評價受試植物對狼毒種子化感作用的表現(xiàn)，研究中，不同狼毒種子密度下，除狼毒種子密度為10粒/皿時，堿地風毛菊綜合化感系數(shù)為負，其余受試植物綜合化感系數(shù)為正，說明狼毒種子對扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草，獨行菜種子發(fā)芽都為促進作用，促進作用最小的是獨行菜，扁穗冰草，其次是羊草，針茅，披堿草?？赡苁且驗槔嵌痉N子對披堿草種子發(fā)芽的化感促進作用最大，表明其對狼毒種子的抗性最強，這與周淑清等[25]披堿草對狼毒化感作用耐受性強(RI>0)的研究結(jié)果一致。說明披堿草廣泛的適應性，抗寒抗旱的重要特性，保證了其在不利條件下保持自身發(fā)育不受影響[23]，又因為其能在狼毒周圍很好的生長[13]，可考慮作為狼毒退化草地上補播草種。對于針茅和羊草，作為沽源典型草原的主要植物種類，狼毒種子對其種子發(fā)芽的促進影響，也使針茅和羊草種子的發(fā)芽受狼毒種子抑制作用很小。綜合分析，在狼毒肆意蔓延的退化草地上可考慮補播披堿草，針茅，羊草，扁穗冰草種子。

4 結(jié)論

(1) 狼毒種子密度對扁穗冰草，羊草，針茅，披堿草，堿地風毛菊，獨行菜種子的發(fā)芽率，發(fā)芽勢，發(fā)芽指數(shù)，根長，苗長化感作用表現(xiàn)為促進作用(只有堿地風毛菊在種子密度為10粒/皿時表現(xiàn)抑制作用，相同狼毒種子密度下，不同受試植物促進作用不同，發(fā)芽率在低狼毒種子密度時(小于10粒/皿)，促進作用最大的是披堿草，在狼毒種子為20粒/皿時，促進作用最大為針茅，當種子密度為40粒/皿時，促進作用最大的仍是披堿草。

(2) 狼毒種子對禾本科種子和雜類草種子綜合化感系數(shù)大多為正，只有在狼毒密度為10粒/皿時，堿地風毛菊的綜合化感系數(shù)為負，不同狼毒種子密度下，披堿草的綜合化感系數(shù)最大，因此，在狼毒生長較多的退化草地上可優(yōu)先考慮補播披堿草，進行草地恢復。