刺槐根際土壤水浸提液對5種常見園林植物種子萌發(fā)及幼苗生長的化感作用

(1.西安建筑科技大學建筑學院， 陜西 西安 710048；2.西安工程大學服裝與藝術設計學院， 陜西 西安 710048；3.西安工業(yè)大學藝術與傳媒學院， 陜西 西安 710048)

植物在生長過程中，通過揮發(fā)、淋溶、根系分泌及殘枝腐解等途徑不斷向周圍環(huán)境中釋放化感物質，對自身或周圍植物產(chǎn)生直接或間接的促進或抑制作用，稱為化感作用[1]。大量研究認為，合理利用化感作用可有效控制農(nóng)田雜草[2]、提升作物病蟲害防治效果[3]和減輕連作障礙危害[4]。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和綠色環(huán)保觀念的日益加強，人們對園林綠化提出了越來越高的要求。然而，化感作用在園林植物的研究和利用中起步較晚，我國園林植物配置仍主要以生產(chǎn)和實踐經(jīng)驗為主，缺乏科學合理的數(shù)據(jù)支撐，搭配不合理常導致綠化植物生長發(fā)育欠佳，嚴重影響園林綠化景觀的生態(tài)效益[5-7]。因此，如何利用植物的化感作用來對園林植物進行科學合理配置、提升園林綠化功能，已成為當前園林綠化中急需解決的關鍵問題[8-9]。

刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)，又稱洋槐、刺兒槐，屬豆科刺槐屬多年生喬木。原產(chǎn)于北美洲，具有較強的適應性和較高的觀賞價值，現(xiàn)已在我國園林綠化中廣泛應用。在園林綠化中，刺槐常孤植或與草坪草等其他園林植物混植，增加園林綠化層次，提升景觀效果[10]。隨著刺槐種植年限的延長，常出現(xiàn)草坪草等配置植物生長不良、逐年退化的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是否由刺槐化感作用引起，哪些植物受刺槐化感作用影響較小，哪些植物適宜進行配置，目前尚未見相關報道。

因此，本研究以5年樹齡的刺槐為試材，研究根際土壤水浸提液對5種常見園林植物種子萌發(fā)、幼苗生長及生理指標的影響，以期探明刺槐的化感作用，為園林綠化植物配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試土壤采自陜西省西安植物園，選取5年樹齡的刺槐，采用五點取樣法取樣。根際土壤取樣采用抖落法，即采集直徑小于0.5 cm的刺槐細根并裝袋，于實驗室自然風干，抖落根際土壤并混勻研碎，過0.25 mm篩去雜物備用。5種受體園林植物分別為一串紅(SalviasplendensKer-Gawler)、高羊茅(Festucaelata)、紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)、結縷草(ZoysiajaponicaSteud.)及雞冠花(CelosiacristataL.)，均由陜西植物研究所提供。

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物種子萌發(fā)的影響

1.2 方 法

1.2.1實驗設計

參照陳艷芳等[11]的方法進行刺槐根際土壤水浸提液制備，并用蒸餾水稀釋成0.25 g·mL-1、0.5 g·mL-1和1.0 g·mL-13種濃度。選取大小均勻一致的受體植物種子進行萌發(fā)實驗，種子采用高錳酸鉀消毒預處理后，放入鋪有2層定性濾紙的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，每皿50粒，5種受體植物種子分別加入不同質量濃度的刺槐根際土壤水浸提液5.0 mL，以添加等量的蒸餾水為對照(ck)，共20個處理，每處理重復3次，于人工氣候箱(溫度：24 ℃ 日/14 ℃ 夜；光周期：16 h 暗/8 h 光；濕度：80%)中隨機區(qū)組培養(yǎng)。5種受體植物幼苗采用盆栽法進行種植，每盆定植1株，花盆規(guī)格為20 cm×25 cm，栽培基質為草炭土，2018年5月從定植苗種選取長勢、大小一致的受體植物幼苗進行化感試驗。分別采用3種濃度的刺槐根際土壤水浸提液對受體植物進行澆灌，每周澆灌60 mL，以澆灌等量蒸餾水為對照(ck)，共20個處理，每處理30株，重復3次。試驗期間給予正常的水肥及病蟲管理。脅迫處理60 d后，進行各處理形態(tài)及生理指標測定。

1.2.2測定指標及方法

以胚根突破中皮為萌發(fā)標準，于播種后第2天進行發(fā)芽數(shù)統(tǒng)計；生長指標測定主要測定各受體植株的株高、莖粗和總干重；葉綠素含量測定采用丙酮-乙醇混合法；葉片細胞膜透性采用相對電導法(RC)測定；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法；分別采用抑制NBT光還原比色法、愈瘡木酚法和紫外分光光度法進行超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性測定。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

發(fā)芽率(%)=(種子萌發(fā)數(shù)/培養(yǎng)皿總種子數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(發(fā)芽高峰期種子萌發(fā)數(shù)/培養(yǎng)皿總種子數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt(Dt表示相應天數(shù)，Gt表示第t天的發(fā)芽數(shù))。

化感隸屬值(RI)按如下公式計算：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

RI>0為化感促進，RI<0為化感抑制，若某一指標不利于植物生長，則化感促進或抑制相反，絕對值越大表示化感作用越強，用各指標的化感隸屬值累加值綜合評價浸提液的化感效應。用Excel 2013軟件進行實驗數(shù)據(jù)整理、計算及作圖，采用SPSS 18.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物種子萌發(fā)的影響

不同質量濃度的刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物的種子萌發(fā)存在不同程度的影響(圖1)。水浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花的種子萌發(fā)均受到輕微抑制，發(fā)芽率較對照分別降低10%、3.3%、10.23%、4.44%和7.69%；發(fā)芽勢較對照分別降低12%、5.56%、11.43%、5.41%和12.82%；發(fā)芽指數(shù)較對照分別降低21.31、7.83、22.01、6.02和17.34，5種園林植物種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢較對照均未達到顯著差異水平(p>0.05)，而一串紅、紅豆草及雞冠花的發(fā)芽指數(shù)較對照均達到顯著差異水平(p<0.05)。隨著水浸提液質量濃度的升高，5種園林植物種子萌發(fā)受到的化感抑制越強。水浸提液質量濃度為0.5 g·mL-1時，一串紅、紅豆草及雞冠花的發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)較對照均達到顯著差異水平(p<0.05)，而高羊茅、結縷草的發(fā)芽率及發(fā)芽勢較對照未達到顯著差異水平(p>0.05)；水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花的種子萌發(fā)受到嚴重的化感抑制，發(fā)芽率較對照分別降低44.44%、14.29%、45.45%、17.78%和36.26%；發(fā)芽勢較對照分別降低58.67%、33.33%、58.57%、32.43%和50%；發(fā)芽指數(shù)較對照分別降低81.67%、35.7%、82.91%、35.86%和69.08%。說明刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物的種子萌發(fā)存在化感抑制作用，抑制程度由輕到重依次為高羊茅、結縷草、雞冠花、一串紅和紅豆草。

表1 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗生長的影響

植物不同處理/(g·mL-1)株高/cm莖粗/cm總干重/g一串紅03.86±0.43a0.84±0.25a1.81±0.39a0.253.42±0.48a0.77±0.21a1.64±0.36a0.53.03±0.41b0.68±0.19b1.43±0.41b12.59±0.45c0.56±0.23c1.25±0.38c高羊茅012.75±2.52a0.75±0.15a2.98±0.31a0.2512.04±2.43a0.71±0.21ab2.81±0.45ab0.511.02±2.13b0.66±0.18bc2.58±0.28b19.63±2.26c0.58±0.13c2.35±0.36c紅豆草04.65±0.32a0.79±0.33a1.31±0.49a0.254.02±0.28b0.71±0.31ab1.18±0.46a0.53.53±0.26c0.62±0.28b1.01±0.41b13.05±0.35d0.54±0.34c0.89±0.44c結縷草06.25±0.38a0.81±0.33a1.85±0.55a0.255.78±0.41ab0.76±0.31ab1.74±0.53ab0.55.22±0.36bc0.69±0.28b1.59±0.49b14.85±0.39c0.61±0.34c1.41±0.51c雞冠花08.78±0.62a1.01±0.36a2.31±0.52a0.257.98±0.57ab0.93±0.32ab2.13±0.48a0.57.06±0.63bc0.82±0.29b1.88±0.51b16.08±0.59c0.73±0.34c1.7±0.44c

注：表中同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗生長的影響

刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗生長存在不同程度的化感抑制作用(表1)。浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，5種園林植物幼苗的株高、莖粗及總干重均受到輕微抑制，株高較對照分別降低11.4%、5.57%、13.55%、7.52%和9.11%；莖粗較對照分別降低8.33%、5.33%、10.13%、6.17%和7.92%；總干重較對照分別降低9.39%、5.7%、9.92%、5.95%和7.79%，較對照均未達顯著差異水平(p>0.05)。隨著水浸提液質量濃度的升高，5種園林植物幼苗生長受抑制程度越嚴重。水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花幼苗的株高較對照分別降低32.9%、24.47%、34.41%、22.4%和30.75%；莖粗較對照分別降低33.33%、22.67%、31.65%、24.69%和27.72%；總干重較對照分別降低30.94%、21.14%、32.06%、23.78%和26.41%。說明刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物的幼苗生長具有明顯的化感抑制，抑制程度由輕到重依次為高羊茅、結縷草、雞冠花、一串紅和紅豆草。

2.3 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進行光合作用的光合色素，其含量高低與光合強度、葉片色澤及彩化度密切相關。如圖2所示，隨著刺槐根際土壤水浸提液濃度的升高，5種園林植物幼苗的葉綠素含量逐漸降低，且不同植物的下降幅度存在明顯差異。水浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花幼苗葉片的葉綠素含量較對照分別降低17.57%、13.58%、21.61%、9.06%和12.79%，較對照均未達顯著差異水平(p>0.05)；水浸提液質量濃度為0.5 g·mL-1時，一串紅、紅豆草及雞冠花幼苗葉片的葉綠素含量較對照均達顯著差異水平(p<0.05)，而高羊茅和結縷草則與對照差異不顯著(p>0.05)；水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，5種園林植物幼苗葉片的葉綠素含量較對照分別降低60.36%、41.56%、67.8%、39.25%和52.71%，較對照均達顯著差異水平(p<0.05)。說明刺槐根際土壤水浸提液可明顯降低5種園林植物幼苗的葉綠素含量，降低幅度由小到大依次為高羊茅、結縷草、雞冠花、一串紅和紅豆草。

圖2 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗葉綠素含量的影響

表2 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗抗氧化酶活性的影響

植物不同處理/(g·L-1)SOD/(U·g-1)POD/[U·(g·min)-1]CAT/[U·(g·min)-1]一串紅0183.28±3.56a89.63±1.77a262.31±1.93a10249.76±2.38b117.56±1.62b318.86±2.38b30141.25±2.29c110.31±1.83c227.38±1.52c50103.56±1.83b56.31±1.25b173.35±1.67b高羊茅0174.26±3.12a89.33±1.26a264.25±1.75a10283.34±3.25b145.24±1.38b398.82±1.68b30211.49±2.86c189.85±1.33c311.91±1.39c50145.53±2.59b77.36±1.58b232.29±1.86b紅豆草0178.65±1.98a86.83±1.29a260.59±1.95a10251.36±2.65b118.24±1.53b312.87±1.66b30149.52±2.43c121.88±1.72c220.39±2.02c50108.38±3.03b52.33±2.03b170.56±1.63b結縷草0176.32±1.29a89.83±1.49a269.36±2.01a10273.18±1.67b142.44±1.45b385.52±1.94b30196.11±2.06c185.86±1.33c298.96±1.88c50125.45±1.58b81.53±1.52b225.66±1.96b雞冠花0175.59±1.82a86.27±1.53a265.51±1.67a10251.56±1.96b122.74±2.11b345.75±1.75b30162.87±2.25c151.81±1.06c258.38±1.93c50112.62±2.48b63.39±1.13b200.77±1.56b

圖3 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗相對電導率和MDA含量的影響

2.4 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗細胞膜透性的影響

相對電導率和MDA含量是衡量細胞膜透性的重要指標，其含量越高表明細胞膜透性越大，細胞受傷害程度越嚴重[12]。如圖3所示，隨著刺槐根際土壤水浸提液濃度的升高，5種園林植物幼苗的相對電導率和MDA含量逐漸增大，且增大幅度因植物種類而存在明顯差異。水浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花幼苗葉片的相對電導率較對照分別提升92.11%、65.49%、96.21%、58.73%和82.48%；MDA含量較對照分別增大70.34%、30.89%、69.9%、36.48%和53.66%， 較對照均未達顯著差異水平(p>0.05)；水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，5種園林植物幼苗葉片的相對電導率較對照分別提升318.36%、242.08%、334.07%、251%和275.69%；MDA含量較對照分別增大227.19%、170.24%、227.72%、169.94%和208.63%，較對照均達顯著差異水平(p<0.05)。說明刺槐根際土壤水浸提液可顯著促進5種園林植物幼苗的相對電導率和MDA含量的提升，增大細胞膜透性，促進程度由輕到重依次為高羊茅、結縷草、雞冠花、一串紅和紅豆草。

2.5 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗抗氧化酶活性的影響

植物在遭遇逆境脅迫時，體內會產(chǎn)生大量的活性氧，如果不及時清除便會對細胞產(chǎn)生毒害，嚴重影響植物的生長發(fā)育。抗氧化酶在植物清除活性氧中發(fā)揮著重要作用，其活性越高，清除活性氧能力越強[13]。如表2所示，刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗抗氧化酶活性具有明顯的“低促高抑”規(guī)律，且變化幅度因植物種類而存在明顯差異。水浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花幼苗葉片的POD較對照分別提升36.27%、62.6%、40.7%、54.93%和43.27%；SOD含量較對照分別提升31.16%、62.59%、36.17%、58.57%和42.27%;CAT含量較對照分別提升21.56%、50.93%、20.06%、43.12%和30.22%， 較對照均達顯著差異水平(p<0.05)；水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，5種園林植物幼苗葉片的SOD活性較對照分別降低43.5%、16.49%、39.33%、28.85%和35.86%；POD活性較對照分別降低37.18%、13.4%、39.73%、9.24%和26.52%；CAT活性較對照分別增大33.91%、12.09%、34.55%、16.22%和24.38%，較對照均達顯著差異水平(p<0.05)。這說明，低濃度刺槐根際土壤水浸提液可明顯提升5種園林植物幼苗的抗氧化酶活性，而高濃度的水浸提液則抑制其抗氧化酶活性。

表3 不同濃度刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗的化感效應綜合評價

不同濃度/(g·mL-1)不同植物發(fā)芽率RI發(fā)芽勢RI發(fā)芽指數(shù)RI株高RI莖粗RI總干重RI葉綠素RI相對電導率RIMDARISODRIPODRICATRI化感隸屬累加值RI一串紅-0.10-0.12-0.21-0.11 -0.08 -0.09 -0.18-0.48-0.410.27 0.24 0.18 -1.09高羊茅-0.03-0.06-0.08-0.06 -0.05 -0.06 -0.14-0.40-0.240.380.380.34-0.020.25紅豆草-0.10-0.11-0.22-0.14 -0.10 -0.10 -0.22-0.49-0.410.290.270.17-1.16結縷草-0.04-0.05-0.06-0.08 -0.06 -0.06 -0.09-0.37-0.270.350.370.30-0.06雞冠花-0.08-0.13-0.17-0.09 -0.08 -0.08 -0.13-0.45-0.350.300.300.23-0.73一串紅-0.30-0.37-0.57-0.22 -0.19 -0.21 -0.43-0.65-0.57-0.43 -0.06 -0.29 -4.29高羊茅-0.09-0.18-0.21-0.14 -0.12 -0.13 -0.19-0.58-0.50-0.25 0.31 -0.22 -2.30.5紅豆草-0.32-0.40-0.57-0.24 -0.22 -0.23 -0.40-0.66-0.60-0.41 0.03 -0.30 -4.32結縷草-0.11-0.19-0.20-0.16 -0.15 -0.14 -0.22-0.58-0.50-0.28 0.30 -0.22 -2.45雞冠花-0.25-0.32-0.44-0.20 -0.19 -0.19 -0.34-0.61-0.55-0.35 0.24 -0.25 -3.45一串紅-0.44-0.59-0.82-0.33 -0.33 -0.31 -0.60-0.76-0.69-0.43 -0.37 -0.34 -6.01高羊茅-0.14-0.33-0.36-0.24 -0.23 -0.21 -0.42-0.71-0.63-0.16 -0.13 -0.12 -3.681紅豆草-0.45-0.59-0.83-0.34 -0.32 -0.32 -0.68-0.77-0.69-0.39 -0.40 -0.35 -6.13結縷草-0.18-0.32-0.36-0.22 -0.25 -0.24 -0.39-0.72-0.63-0.29 -0.09 -0.16 -3.85雞冠花-0.36-0.50-0.69-0.31 -0.28 -0.26 -0.53-0.73-0.68-0.36 -0.27 -0.24 -5.21

2.6 刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗化感效應綜合評價

由于發(fā)芽率、發(fā)芽勢等12項指標化感隸屬值(RI)變化趨勢及幅度不盡相同，采用單一指標不能準確評價和量化化感效應，因此采用12個指標的化感隸屬值累加值對其化感效應進行綜合評價。如表3所示，刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物均存在化感抑制，抑制程度隨浸提液濃度的升高而逐漸加重。水浸提液質量濃度為0.25 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花的綜合化感效應分別為-1.09、-0.02、-1.16、-0.06和-0.73；水浸提液質量濃度為1 g·mL-1時，一串紅、高羊茅、紅豆草、結縷草及雞冠花的綜合化感效應分別為-6.01、-3.68、-6.13、-3.85和-5.21。說明刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物具有化感抑制效應，并且水浸提液濃度與抑制程度存在“劑量-效應”關系，抑制程度從輕到重依次為高羊茅<結縷草<雞冠花<一串紅<紅豆草。

3 結論與討論

化感作用在自然界中廣泛存在，是植物生存競爭的主要方式之一。植物在生長過程中通過揮發(fā)、淋溶、根系分泌及殘體分解等方式不斷向環(huán)境中釋放各種化感物質，進而對鄰近植物的種子萌發(fā)、生長發(fā)育及生理生化指標產(chǎn)生顯著影響[1]。

種子萌發(fā)情況是決定園林綠化效果的重要因素之一，植物化感物質可通過改變種子的細胞膜透性、呼吸速率及RNA轉錄等對種子萌發(fā)效果帶來顯著影響。本研究結果表明，刺槐根際土壤水浸提液對種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)的影響與水浸提液濃度和受體本身密切相關，水浸提液濃度越高抑制程度越重，高羊茅受抑制程度最輕，而紅豆草受抑制程度最重。本研究結果與曹子林等[5]研究結果較為一致，其原因可能是刺槐根際土壤水浸提液中含有不利于種子萌發(fā)的化感物質，改變了種子內部物質的代謝，導致發(fā)芽率降低、活性變差。

植物化感物質對受體植物的生長往往具有“低促高抑”規(guī)律[12-13]。本研究結果表明，刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物幼苗的株高、莖粗和總干重具有明顯的化感抑制作用，水浸提液濃度越高抑制作用越顯著。同時，不同受體植物的受抑制程度存在明顯差異，抑制程度由輕到重依次為高羊茅、結縷草、雞冠花、一串紅和紅豆草。曾凱等[12]、王杰等[13]等研究認為，先鋒灌木和鐵桿蒿對受體植物的生長表現(xiàn)為“低促高抑”，與本研究結果不一致，其原因可能是刺槐根際土壤水浸提液中的化感物質種類、作用方式及受體植物與其不同有關。

植物在遭遇逆境脅迫時，體內會產(chǎn)生大量的活性氧，如果不及時清除便會對細胞產(chǎn)生毒害，導致細胞膜透性增強。相對電導率和MDA含量是衡量細胞膜透性的重要指標，其含量越高表明細胞受傷害程度越嚴重。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物體內重要的抗氧化酶，在清除體內活性氧中發(fā)揮重要作用。侯林林等研究表明，化感物質可以導致植物細胞膜透性加大，相對電導率和MDA含量大幅提升；低濃度化感物質可以促進植物體內抗氧化酶活性提升，高濃度化感物質則會導致抗氧化酶活性大幅下降[14]。本研究結果表明，隨著刺槐根際土壤水浸提液濃度的提高，5種園林植物的相對電導率和MDA含量逐漸升高，抗氧化酶活性則呈現(xiàn)“低促高抑”規(guī)律，且5種園林植物的變化幅度存在明顯差異，高羊茅受到的化感抑制程度最輕，而紅豆草化感抑制程度最重。本研究結果與曾凱等[12]、侯林林等[14]研究結果一致，其原因可能是低濃度的化感物質脅迫下，植物體內的抗氧化防御機制被激活，抗氧化酶活性升高，而高濃度的化感物質脅迫超過了植物的忍耐閥值，造成對細胞的嚴重破壞，從而導致了相對電導率和MDA含量的大幅提升。

化感隸屬值累加值綜合評價結果表明，刺槐根際土壤水浸提液對5種園林植物具有化感抑制效應，并且浸提液濃度與抑制程度存在“劑量-效應”關系，抑制程度從輕到重依次為高羊茅<結縷草<雞冠花<一串紅<紅豆草。本結果可以為刺槐的生產(chǎn)和在園林綠化中配置植物的選擇提供一定的參考和借鑒。