狼毒浸提液對3種牧草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

劉雅婧，蒙仲舉*，黨曉宏,3，宋文娟，翟波

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

化感作用是一些植物(包括微生物)通過其自身產(chǎn)生并釋放到其所處周圍環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)，會對其他植物(或微生物)生長發(fā)育產(chǎn)生直接或間接的相互促進(jìn)或抑制的影響[1]。網(wǎng)紋瓶子草(Sarracenialeucophylla)釋放出毒性單萜類化合物，使其附近的許多草本植物的生長受到抑制，導(dǎo)致形成了大量的裸露區(qū)域[2]。忍冬(Loniceramaackii)通過釋放化感物質(zhì)，保護(hù)自身免受當(dāng)?shù)貎蓷珓游镉紫x的攻擊[3]。披針葉黃華(Thermopsislanceolata)浸提液對早熟禾(Poapratensis)、高羊茅(Festucaarundinacea)和黑麥草(Loliumperenne)種子萌發(fā)、幼苗生長和鮮重具有較強(qiáng)的抑制作用[4]。紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)浸提液對4 種冰草(Agropyroncristatum)種子萌發(fā)和幼苗生長具有低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的化感效應(yīng)[5]。草原上生長著一些植物，如常見的菊科、豆科、瑞香科和蓼科等也可以向環(huán)境中釋放大量的化感物質(zhì)，從而抑制周圍其他植物的生長,導(dǎo)致草原退化[6-7]。狼毒(Stellerachamaejasme)為瑞香科狼毒屬多年生草本植物，俗稱斷腸草、饅頭花等；是我國草原有毒植物，廣泛分布于我國沙質(zhì)草原和典型草原的退化草地上，為草原植物群落的伴生種，在重度退化的草原上已成為主要的建群種[8-9]。在以狼毒為優(yōu)勢種的草原上，植物種類稀少，蓋度降低，可食飼草生長低矮，產(chǎn)草量降低[10]。在狼毒侵占的退化草原上，狼毒的化感作用對該類草原植物種的消長具有重要作用[11-12]。目前有關(guān)狼毒化感作用的研究主要集中于狼毒在土壤中腐解對其他植物的影響[11,13]以及狼毒生物活性物質(zhì)的分離和鑒定[14]。但對于狼毒浸提液對草原牧草的化感作用研究較少，基于此，研究了草原退化指示植物狼毒的浸提液對紫花苜蓿(Medicagosativa)、披堿草(Elymusdahuricus)和冰草這3種牧草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用，旨在探明狼毒對牧草的化感作用強(qiáng)度規(guī)律，對恢復(fù)、重建狼毒侵占的退化草地提供有價值的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究材料

供試植物狼毒于2018年7月采自錫林郭勒盟草原東南邊緣正藍(lán)旗。受試紫花苜蓿、冰草和披堿草種子均由內(nèi)蒙古呼和浩特草原站提供。受試種子植物學(xué)特性如表1所示。

表1 3種受試牧草種子Table 1 Three species of forage seeds for testing

1.2 研究方法

1.2.1浸提液的制備 將狼毒植株上的灰土刷凈，并剔除枯黃葉和死枝，自然風(fēng)干，將狼毒植株體剪成約1 cm小段并稱取125 g，放入1000 mL蒸餾水中，放在振蕩機(jī)振蕩12 h，靜置12 h；用定量濾紙和孔徑為0.45 μm的濾膜二重過濾，得到125 g·L-1的浸提液母液，將該母液用蒸餾水稀釋，分別獲得濃度為25、50、75、100和125 g·L-1的浸提液。對照組為蒸餾水(CK)，共計6個濃度梯度。浸提液放入 4 ℃的冰箱中冷藏備用[15]。

1.2.2種子萌發(fā)及幼苗生長試驗 使用人工培養(yǎng)箱采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗[16]。受試種子用次氯酸鈉溶液消毒5 min。用自來水沖洗3次，再用蒸餾水沖洗數(shù)次，然后用濾紙吸干種子表面水分[17]。選用籽粒飽滿、大小均勻且無病蟲害的受體植物種子, 置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中，每皿放置60粒種子[18]。分別加入25、50、75、100和125 g·L-1的浸提液5 mL，以蒸餾水為對照。每個處理3次重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 d。用萬分之一電子天平稱量培養(yǎng)皿的質(zhì)量，并用蒸餾水補(bǔ)足其損失水量以保證狼毒浸提液濃度。參照國家標(biāo)準(zhǔn)結(jié)束種子萌發(fā)試驗[19]。每天記錄種子發(fā)芽數(shù)，發(fā)芽試驗以種子連續(xù)3 d不再萌發(fā)的時間為末次計數(shù)時間，計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。用直尺測量幼苗苗高和根長。

1.3 數(shù)據(jù)處理

發(fā)芽率=(第12天受試種子發(fā)芽總數(shù)/受試種子數(shù))×100%[20]

發(fā)芽勢=(第7天受試種子發(fā)芽總數(shù)/受試種子數(shù))×100%[20]

發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)=∑(Gt/Dt)

活力指數(shù)(vital index,VI)=GI×S

式中：Gt為第t日內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt是相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；GI為發(fā)芽指數(shù)；S為一定時期內(nèi)的幼苗長度。

參照 Williamson 等[21]的方法計算化感作用效應(yīng)指數(shù)(allelopathic response index，RI)：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

式中：C為對照值；T為處理值。RI>0 為促進(jìn)，RI<0 為抑制，絕對值的大小與作用強(qiáng)度一致。

化感綜合效應(yīng)指數(shù)(synthetical effect of allelopathy，SE)[22]反映化感效應(yīng)的強(qiáng)弱，是指同一處理下對同一受體各測試項目化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的算術(shù)平均值：

SE=(RI發(fā)芽率+RI發(fā)芽勢+RI發(fā)芽指數(shù)+RI活力指數(shù)+RI苗高+RI根長)/6

采用 Origin 2018 軟件作圖，SPSS 22.0 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用Duncan’s檢驗法進(jìn)行多重比較。試驗所得數(shù)據(jù)均用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 狼毒浸提液對3種受試種子萌發(fā)的影響

2.1.1狼毒浸提液對3種受試種子發(fā)芽率的影響 狼毒浸提液處理下紫花苜蓿種子發(fā)芽率與對照組相比都有不同程度的減少(圖1)，50～125 g·L-1處理下與對照組存在顯著差異(P<0.05)。隨著狼毒浸提液濃度增加，披堿草種子發(fā)芽率呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。25 g·L-1時披堿草種子發(fā)芽率較對照組增加19.76%，50～125 g·L-1處理下較對照組顯著減少48.85%、53.50%、56.97%和69.78%(P<0.05)。冰草種子隨著狼毒浸提液濃度的增加呈現(xiàn)出低濃度發(fā)芽率升高，高濃度發(fā)芽率下降的現(xiàn)象。25 g·L-1處理下冰草種子發(fā)芽率較對照組相比顯著增加45.91%(P<0.05)。125 g·L-1處理下較對照組顯著減少37.84%(P<0.05)。狼毒浸提液處理下紫花苜蓿、披堿草和冰草種子發(fā)芽率均受到一定的影響。濃度為125 g·L-1的處理組較對照組相比披堿草種子發(fā)芽率降幅最大，達(dá)到69.78%，其次是冰草(37.84%)，最小為紫花苜蓿(33.56%)。

2.1.2狼毒浸提液對3種受試種子發(fā)芽勢的影響 紫花苜蓿種子發(fā)芽勢隨著狼毒浸提液濃度的增加呈逐漸減少的趨勢(圖2)。125 g·L-1處理下與對照組相比減少69.86%，且與對照組存在顯著差異(P<0.05)。披堿草種子發(fā)芽勢在狼毒浸提液處理下與對照相比也有所減少，50～100 g·L-1處理組與對照組之間均存在顯著差異(P<0.05)，分別減小64.71%、66.66%和74.51%。冰草種子發(fā)芽勢隨著狼毒浸提液濃度的增加并沒有呈現(xiàn)出一致規(guī)律，25和125 g·L-1處理組與對照組之間存在顯著差異(P<0.05)。

2.1.3狼毒浸提液對3種受試種子發(fā)芽指數(shù)的影響 隨著狼毒浸提液濃度增加，紫花苜蓿種子發(fā)芽指數(shù)逐漸減小(圖3)。25～125 g·L-1處理下紫花苜蓿種子發(fā)芽指數(shù)與對照組相比顯著減少37.62%、55.99%、67.19%、70.83%和77.70%(P<0.05)。50～125 g·L-1處理下披堿草發(fā)芽指數(shù)較對照顯著減少62.83%、63.00%、63.08%和63.55%(P<0.05)。隨著浸提液濃度的增加，冰草發(fā)芽指數(shù)呈先升高后下降的趨勢。25 g·L-1處理下較對照組顯著增加77.44%(P<0.05)，125 g·L-1處理下較對照減少36.28%(P<0.05)。

2.2 狼毒浸提液對3種受試植物幼苗生長的影響

2.2.1狼毒浸提液對3種受試植物苗高的影響 25和50 g·L-1處理下紫花苜蓿苗高均顯著增長(P<0.05)，較對照組增加16.09%和16.67%(圖4)；100和125 g·L-1處理下紫花苜蓿苗高較對照組分別顯著減少27.13%和41.38%(P<0.05)。由此可以得出隨著浸提液濃度增大，紫花苜蓿苗高呈低濃度(≤50 g·L-1)促進(jìn)生長，高濃度(≥75 g·L-1)抑制生長的趨勢。50～125 g·L-1處理下披堿草苗高較對照組分別顯著減少11.97%、16.58%、27.69%和38.29%(P<0.05)。隨著浸提液濃度的增加，冰草苗高逐漸減小，125 g·L-1處理下較對照組顯著減少27.83%(P<0.05)。

圖1 狼毒浸提液對3種牧草種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of the extract of S. chamaejasme on the germination rate of three species of forage seeds

圖2 狼毒浸提液對3種牧草種子發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effect of extract of S. chamaejasme on germination energy of three species of forage seeds

不同小寫字母表示同一植物不同處理間在0.05水平下差異顯著。下同。The different lowercase letters on the column indicate the significant differences between different treatments of the same plant at 0.05 level. The same below.

圖3 狼毒浸提液對3種牧草發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.3 Effect of the extract of S. chamaejasme on the germination index of three species of forage grasses

圖4 狼毒浸提液對3種牧草苗高的影響Fig.4 Effect of extract of S. chamaejasme on seedling height of three species of forage grasses

2.2.2狼毒浸提液對3種受試植物根長的影響 25和50 g·L-1狼毒浸提液處理下紫花苜蓿幼苗根長較對照組顯著增加10.27%和14.87%(P<0.05)；75～125 g·L-1處理下較對照組顯著減少21.02%、21.68%和30.08%(P<0.05)。隨著浸提液濃度增加，紫花苜蓿幼苗根長呈低濃度(≤50 g·L-1)促進(jìn)生長，高濃度(≥75 g·L-1)抑制生長的趨勢(圖5)。25～125 g·L-1處理下冰草幼苗根長較對照組顯著減少36.25%、46.64%、51.73%、59.47%和78.21%(P<0.05)。

2.2.3狼毒浸提液對3種受試植物活力指數(shù)的影響 活力指數(shù)比常規(guī)發(fā)芽率的測定更能反映種子在實際條件下萌發(fā)速度和整齊度以及幼苗健壯生長的潛勢[23]。隨著狼毒浸提液濃度的增加，紫花苜蓿、披堿草和冰草種子的活力指數(shù)均逐漸減少(圖6)。125 g·L-1處理下紫花苜蓿的活力指數(shù)減少最明顯，抑制作用最強(qiáng)。狼毒浸提液處理對3種牧草的種子萌發(fā)和幼苗生長都有抑制作用。

圖5 狼毒浸提液對3種牧草根長的影響Fig.5 Effect of the extract of S. chamaejasme on the root length of three species of forage grasses

圖6 狼毒浸提液對3種牧草活力指數(shù)的影響Fig.6 Effect of extract of S. chamaejasme on seedling vigor index of three species of forage grasses

2.3 化感效應(yīng)評價

2.3.1狼毒浸提液對3種牧草化感效應(yīng)指數(shù)的影響 化感效應(yīng)指數(shù)(RI)是衡量化感作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)，正值表示促進(jìn)作用，負(fù)值表示抑制作用。紫花苜蓿種子發(fā)芽率化感效應(yīng)指數(shù)隨著浸提液濃度的增大逐漸減少，125 g·L-1處理下達(dá)到最小為-0.34， 此時抑制作用達(dá)到最強(qiáng)(表2)。披堿草和冰草種子發(fā)芽率RI值都是隨著浸提液濃度的增加，呈先增大后減小的趨勢；25 g·L-1處理下披堿草發(fā)芽率RI=0.16，冰草發(fā)芽率RI=0.31，此時狼毒浸提液對披堿草、冰草種子發(fā)芽率起到促進(jìn)作用；125 g·L-1處理下披堿草發(fā)芽率|RI|=0.70，冰草發(fā)芽率|RI|=0.38，此時抑制作用達(dá)到最大。

表2 狼毒浸提液對3種牧草的化感效應(yīng)指數(shù)Table 2 Allelopathic response index of extract of S. chamaejasme on three species of forage grasses

3種牧草種子經(jīng)過狼毒浸提液處理后發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的化感效應(yīng)指數(shù)都呈現(xiàn)出隨著處理濃度的增加，|RI|逐漸增大，表明狼毒浸提液對3種牧草發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的抑制作用越強(qiáng)。25和50 g·L-1處理下紫花苜蓿幼苗苗高RI=0.14，75 g·L-1處理下|RI|=0.09，由此可以得出，隨著處理濃度增大，紫花苜蓿苗高呈現(xiàn)出低濃度促進(jìn)幼苗生長，高濃度抑制幼苗生長，125 g·L-1抑制作用最大為0.41。冰草幼苗苗高隨著浸提液濃度的增大，抑制作用逐漸增強(qiáng)，100和125 g·L-1抑制作用最大,為0.28。25 g·L-1處理下冰草活力指數(shù)RI=0.28，此時為促進(jìn)作用。紫花苜蓿和披堿草的活力指數(shù)隨著浸提液濃度增大，|RI|越來越大，抑制作用越來越強(qiáng)。

2.3.2狼毒浸提液對3種牧草化感綜合效應(yīng)的影響 為了綜合分析狼毒浸提液對3種牧草種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的化感效應(yīng)，統(tǒng)計3種植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、幼苗根長、苗高6個指標(biāo)的化感效應(yīng)指數(shù)計算出化感綜合效應(yīng)指數(shù)(表3)。隨著狼毒浸提液濃度的升高，紫花苜蓿、披堿草受抑制程度逐漸增強(qiáng)，在125 g·L-1時達(dá)到最大；冰草受狼毒浸提液的影響表現(xiàn)為“低促高抑”的雙重效應(yīng)，在狼毒浸提液濃度為25 g·L-1時，對冰草表現(xiàn)為促進(jìn)作用，高于25 g·L-1時，表現(xiàn)為抑制作用，且隨著濃度的升高抑制作用逐漸增強(qiáng)。在濃度范圍為25～125 g·L-1狼毒浸提液對3種牧草的抑制作用強(qiáng)弱順序為：披堿草>紫花苜蓿>冰草。

表3 狼毒浸提液對3種牧草的化感綜合效應(yīng)Table 3 Synthetical effect of allelopathy of extract of S. chamaejasme on three species of forage grasses

3 討論

植物間的化感作用主要體現(xiàn)在對受試植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響[24-25]。大量研究表明，浸提液濃度、化感物質(zhì)種類及受試植物的種類都會在一定程度下對植物化感作用產(chǎn)生影響[26-27]?；形镔|(zhì)是通過自然途徑進(jìn)入環(huán)境，從而影響植物生長，在自然狀態(tài)下，降水是唯一能將植物中化感物質(zhì)淋溶出來的方式[28]。因此本研究采用水浸提的方法來提取植物中的化感物質(zhì)。

種子萌發(fā)在植物整個生命史中扮演著重要的角色，它是植物生存的必經(jīng)過程，在植物生長史中屬于比較脆弱的一個階段[29]。不同植物的化感作用敏感程度不同，化感物質(zhì)具有選擇性和專一性，且化感作用與浸提液的濃度有關(guān)[28]，本試驗中，狼毒浸提液對紫花苜蓿種子萌發(fā)具有抑制作用，隨著狼毒浸提液濃度的增大，對紫花苜蓿種子萌發(fā)的抑制效果越明顯，這一結(jié)論與周淑清等[30]對狼毒異株克生現(xiàn)象的研究中得出結(jié)論一致。狼毒浸提液處理下披堿草和冰草種子萌發(fā)呈現(xiàn)“低促高抑”雙重效應(yīng)，且濃度越高，抑制作用越大，此結(jié)論與馬文生等[31]在研究狼毒浸提液對7種牧草的化感作用中得出的結(jié)論相符。說明不同受試植物的種子萌發(fā)和幼苗生長對狼毒浸提液有不同的敏感性，或者可以說狼毒對3種牧草植物的化感作用具有物種選擇性及濃度依賴性[24]；披堿草和冰草種子對狼毒化感作用有一定的耐受性，當(dāng)濃度小于25 g·L-1時，披堿草種子在萌發(fā)過程中能抵御一定的干擾和競爭[32]。

幼苗生長對于植物整個生活至關(guān)重要，植物在幼苗階段向外界充分吸收營養(yǎng)物質(zhì)供植物體生存和繁衍[28]。本研究結(jié)果顯示，狼毒浸提液對紫花苜蓿、披堿草和冰草幼苗生長具有抑制作用。這與劉桂霞等[33]對披堿草幼苗實驗結(jié)果一致，說明狼毒浸提液中的某些化感物質(zhì)對受試植物向外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)的階段產(chǎn)生了阻礙，從而影響受試植物的幼苗生長。

綜上所述，狼毒對紫花苜蓿、披堿草和冰草存在化感作用，后期在制定解決草原退化方案中，不僅要考慮人為破壞草原和草原過度放牧，還應(yīng)該考慮到草原退化指示植物狼毒對周圍生境中其他植物的化感作用[34]。本研究主要針對狼毒浸提液對3種牧草種子萌發(fā)和幼苗生長展開試驗，得到不同濃度的狼毒浸提液對3種牧草的化感作用強(qiáng)度，但對于狼毒化感物質(zhì)的成分和化感物質(zhì)機(jī)理研究還需要進(jìn)一步開展科學(xué)試驗進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

1)狼毒浸提液對紫花苜蓿、披堿草和冰草種子萌發(fā)具有化感作用。對紫花苜蓿種子發(fā)芽率具有抑制作用；對披堿草種子發(fā)芽率具有低濃度(≤25 g·L-1)促進(jìn)，高濃度(≥50 g·L-1)抑制作用；對冰草種子發(fā)芽率具有低濃度(≤50 g·L-1)促進(jìn)，高濃度(≥75 g·L-1)抑制作用。

2)狼毒浸提液對紫花苜蓿、披堿草和冰草幼苗生長具有化感作用。隨著浸提液濃度增大，紫花苜蓿苗高、根長呈現(xiàn)低濃度(≤50 g·L-1)促進(jìn)生長，高濃度(≥75 g·L-1)抑制生長的現(xiàn)象；125 g·L-1處理下紫花苜蓿苗高較對照組顯著減少41.38%(P<0.05)。根長較對照組顯著減少30.08%(P<0.05)。隨著浸提液濃度增大，披堿草苗高呈低濃度(≤25 g·L-1)促進(jìn)生長，高濃度(≥50 g·L-1)抑制生長的趨勢。冰草苗高、根長的生長隨浸提液濃度的增加表現(xiàn)為抑制作用，且浸提液濃度越大抑制作用越強(qiáng)。