凋落物浸提液對格氏栲種子萌發(fā)及胚根生長的影響

王 哲, 藍(lán)亦琦, 何中聲, 劉金福, 邢 聰, 朱 靜, 王雪琳, 施友文, 沈彩霞

(1.福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心，福建 福州 350002；2.生態(tài)與資源統(tǒng)計福建省高校重點實驗室， 福建 福州 350002；3.三明莘口格氏栲自然保護(hù)區(qū)管理站，福建 三明 365000)

林木化感物質(zhì)主要通過凋落物分解、根系分泌、雨霧淋溶和揮發(fā)等途徑釋放到土壤中，能顯著改變土壤的理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)[1-3]，進(jìn)而影響林下種子的萌發(fā)和幼苗生長，導(dǎo)致林木更新困難，群落退化[4-5].森林凋落物是林木化感物質(zhì)的重要來源之一.研究[6]表明，高濃度的毛紅椿(Toonaciliata)凋落葉浸提液對其種子發(fā)芽的抑制作用強(qiáng)，對幼苗影響存在“低促高抑”現(xiàn)象；而低濃度的杉木(Cunninghamialanceolata)凋落物浸提液對其種子萌發(fā)及幼苗生長均有促進(jìn)作用[7]；絲毛相思(Acaciaholosericea)凋落物浸提液對牧地狼尾草(Pennisetumpolystachion)種子萌發(fā)無影響，而對其胚根生長有抑制作用[8].可見凋落物浸提液對種子萌發(fā)和幼苗生長均存在顯著影響，且不同類型、濃度和化學(xué)成分的凋落物浸提液對林木種子萌發(fā)和幼苗生長的影響不同[6-8].

格氏栲(Castanopsiskawakamii)是我國中亞熱帶南緣特有的珍貴瀕危大喬木，僅在福建、臺灣、江西等地零星分布.其種子無休眠期，發(fā)芽周期長而出苗率低，且受蟲鼠病害和人為采食等干擾，導(dǎo)致格氏栲幼苗更新困難，種質(zhì)自然資源瀕臨枯竭[14].促進(jìn)格氏栲種子萌發(fā)與幼苗生長、保護(hù)格氏栲珍貴基因與稀有種質(zhì)資源已成當(dāng)務(wù)之急.研究人員對格氏栲生態(tài)學(xué)特性[9,10]、種子發(fā)芽脅迫與幼苗競爭[11-15]、凋落物與土壤生態(tài)化學(xué)計量特征關(guān)聯(lián)性[16]、凋落物碳庫分配與養(yǎng)分分解[16-18]等方面已進(jìn)行了大量研究，而凋落物化感物質(zhì)對種子更新的影響尚未見報道.本文通過探討不同部位不同濃度的凋落物浸提液對格氏栲種子萌發(fā)與胚根生長的影響，揭示凋落物化感物質(zhì)對其種子萌發(fā)受限的影響程度，旨在為揭示格氏栲天然林凋落物分解對其種子更新的影響機(jī)制.

1 研究區(qū)概況

格氏栲自然保護(hù)區(qū)位于莘口鎮(zhèn)樓源和曹源村，26°07′—26°10′N，117°24′—117°27′E.海拔180～604 m，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫19.5 ℃，年均降水量1 564.1 mm[10].土壤類型以紅壤與暗紅壤為主，凋落物層較厚，土層腐殖質(zhì)層厚，水肥條件良好.境內(nèi)地形以山地丘陵為主，局部小氣候復(fù)雜多樣.林內(nèi)喬木層主要樹種有格氏栲、馬尾松(Pinusmassoniana)和木荷(Schimasuperba)等.灌木層主要有狗骨柴(Diplosporadubia)、山黃皮(Clausenadentata)和杜莖山(Measajaponica)等；草本植物主要有華山姜(Alpiniajaponica)和芒萁(Dicranopterisdichotoma)等[10].

2 研究方法

2.1 供試材料

于2016年10月中旬，在保護(hù)區(qū)設(shè)置10個林分密度一致的20 m×20 m的樣方，每個樣方于東、南、西、北、中5個方位放置5個凋落物收集筐，并逐月收集結(jié)構(gòu)完整的4種凋落物(枝、葉、果殼、皮)，分裝(每袋2 kg)備用.次年，于格氏栲結(jié)實盛期(11—12月)，到保護(hù)區(qū)收集地面新鮮落果，脫粒并篩選成熟種子.

2.2 方法

2.2.1 浸提液制備 將格氏栲的凋落枝、葉、果殼、皮各剪成1 cm左右小段，按0.200 g·mL-1(1 g干物質(zhì)中加入5 mL蒸餾水)的比例分別加入蒸餾水，常溫下浸泡48 h過濾，定為原液；稀釋原液1、3、7倍，制成0.100、0.050、0.025 g·mL-1浸提液.

2.2.2 種子萌發(fā)試驗 挑選當(dāng)年生成熟種子，消毒后5 ℃沙藏60～80 d.發(fā)芽時，選飽滿、均勻的種子((2.5±0.5) g·粒-1)，用50 mg·L-1赤霉素催芽24 h，洗凈劃開種皮，置于沙床(培養(yǎng)皿)中，加入25 mL浸提液.每種凋落物浸提液設(shè)4個處理組.處理1：浸提液含量0.200 g·mL-1.處理2：浸提液含量0.100 g·mL-1.處理3：浸提液含量0.050 g·mL-1.處理4：浸提液含量0.025 g·mL-1.每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)50粒種子，并設(shè)3個蒸餾水組為對照(CK).于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光周期25 ℃，12 h；暗周期15 ℃，12 h.光強(qiáng)50 nmol·cm-2·s-1，相對濕度75 %～80 %.每天補(bǔ)充少量(1～5 mL)相應(yīng)濃度浸提液以濕潤細(xì)沙，安置發(fā)芽當(dāng)天為第1天，3 d后開始觀察.以胚根露出種皮2 mm作為種子萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[11]，逐日統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，同時每3 d測量一次胚根長度并記錄.待連續(xù)3 d無種子萌發(fā)時，發(fā)芽試驗結(jié)束，計算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、化感效應(yīng)指數(shù).胚根生長量基本不變時，胚根試驗結(jié)束，計算每天胚根的生長情況[11].發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和化感指數(shù)的計算參考文獻(xiàn)[11、19].

2.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 采用Excel計算并繪圖，采用SPSS軟件處理數(shù)據(jù).方差分析時先檢驗數(shù)據(jù)方差齊性，確定不同處理間差異顯著水平，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分類，得出不同濃度梯次與對照組的差異性；通過對應(yīng)分析[20]得出不同部位不同濃度的凋落物浸提液對格氏栲發(fā)芽指標(biāo)及胚根生長指標(biāo)的綜合影響.

3 結(jié)果與分析

3.1 不同部位不同濃度凋落物浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響

3.1.1 凋落殼浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響 凋落殼浸提液對格氏栲種子萌發(fā)呈顯著抑制作用.從表1可知：不同濃度殼浸提液對格氏栲種子各項生長指標(biāo)均呈抑制效應(yīng)(化感指數(shù)均為負(fù)值)；各浸提組中處理1的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均最大，處理2的發(fā)芽率最??；處理3的發(fā)芽指數(shù)最小.

表1 不同處理殼浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響1)Table 1 Effects of different concentrations of nut shell extract on the overall seed germination performances of C.kawakamii

1)同一列不同字母表示該部位的凋落物浸提液隨濃度變化的發(fā)芽差異性(P<0.05).

3.1.2 凋落枝浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響 凋落枝浸提液對格氏栲種子萌發(fā)影響顯著.從表2可知：除處理1外，其他處理組對格氏栲種子各項生長指標(biāo)的化感指數(shù)均為負(fù)值，呈顯著抑制作用；浸提組內(nèi)發(fā)芽率差異顯著(P<0.05)，處理1的發(fā)芽率最高；處理組內(nèi)發(fā)芽指數(shù)差異不顯著(P>0.05).

表2 不同濃度枝浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響1)Table 2 Effects of different concentrations of tree branch extracts on the seed germination of C.kawakamii

1)同一列不同字母表示該部位的凋落物浸提液隨濃度變化的發(fā)芽差異性(P<0.05).

3.1.3 凋落物皮浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響 凋落皮浸提液對格氏栲種子萌發(fā)呈顯著抑制作用.從表3可知：不同濃度皮浸提液對格氏栲種子各項生長指標(biāo)均呈抑制效應(yīng)(化感指數(shù)均為負(fù)值)；浸提組中處理1的發(fā)芽率最小，處理3的發(fā)芽指數(shù)最??；CK組的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最大.

表3 不同濃度皮浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響1)Table 3 Effects of different concentrations of tree bark extracts on the seed germination of C.kawakamii

1)同一列不同字母表示該部位的凋落物浸提液隨濃度變化的發(fā)芽差異性(P<0.05).

3.1.4 凋落葉浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響 凋落葉浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響顯著.從表4可知：不同濃度葉浸提液對格氏栲種子兩項生長指標(biāo)的影響不同；除處理1外，其余處理組的種子發(fā)芽率均提高，且隨著其含量的升高促進(jìn)作用顯著；而葉浸提液對發(fā)芽指數(shù)的化感指數(shù)均為較大的負(fù)值，表明抑制作用顯著.

3.1.5 浸提液對格氏栲種子發(fā)芽指標(biāo)的綜合影響 分析凋落物不同部位和濃度浸提液影響在發(fā)芽率上的權(quán)重，結(jié)果見表5.凋落物浸提液對格氏栲發(fā)芽率的綜合影響表現(xiàn)為抑制作用.枝浸提液的抑制作用最強(qiáng)，葉浸提液出現(xiàn)促進(jìn)作用.從圖1可知：葉、皮浸提液與濃度的關(guān)系呈相似的變化趨勢，且葉與皮分布點數(shù)與低濃度距離較近；殼、枝浸提液與濃度間關(guān)系的差異性大，其點數(shù)與處理2的距離最遠(yuǎn)，與處理1的距離最近.總體上看，不同濃度葉與皮的浸提液對發(fā)芽率影響相似，枝與殼浸提液的作用類似.

表4 不同濃度葉浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響1)Table 4 Effects of different concentrations of leaf extracts on the seed germination of C.kawakamii

1)同一列不同字母表示該部位的凋落物浸提液隨濃度變化的發(fā)芽差異性(P<0.05).

表5 不同凋落物浸提液對格氏栲種子發(fā)芽率影響的權(quán)重Table 5 Influence weight of different litter extracts on the seed germination rate of C.kawakamii

從表6可知，凋落物浸提液對發(fā)芽勢的綜合影響為抑制作用.其中處理2的化感指數(shù)最小，而處理3的抑制作用最弱；皮浸提液對發(fā)芽勢的抑制作用最強(qiáng)，葉的抑制作用最弱.從圖2可知：凋落物部位與濃度之間的距離分散，傾向度低；葉與皮分布點數(shù)與處理1的距離最遠(yuǎn)，與其他濃度距離均相似且較近；枝與處理1、處理2的距離均較遠(yuǎn)，與其他低濃度距離均較近；而殼與處理1的距離最近，與其余濃度組距離均較遠(yuǎn).

從表7可知，凋落物浸提液對格氏栲發(fā)芽指數(shù)的綜合影響為抑制作用.皮浸提液的抑制作用最強(qiáng)，葉抑制作用最弱.從圖3可知，凋落物部位與濃度間距離分散，傾向度低.葉與皮的分布點數(shù)位置與高濃度間距離較大，與低濃度距離較小；而枝或殼與濃度間因子的關(guān)聯(lián)較弱.枝與殼對格氏栲發(fā)芽指數(shù)影響偏弱，而葉與皮對格氏栲種子發(fā)芽指數(shù)的影響較大.

表6 不同凋落物浸提液對格氏栲種子發(fā)芽勢影響的權(quán)重Table 6 Influence weight of different litter extracts on the seed germination potential of C.kawakamii

3.2 不同濃度及部位凋落物浸提液對格氏栲種子胚根生長的影響

3.2.1 凋落殼浸提液對格氏栲種子胚根長度的影響 澆注凋落殼浸提液對胚根生長呈顯著的抑制作用(P<0.05)，由圖4a可知，處理4在胚根生長初期顯著抑制，隨著時間變化抑制作用逐漸減弱，胚根生長末期(30 d)轉(zhuǎn)為促進(jìn)作用.而其他浸提組在整個發(fā)芽期對胚根生長均產(chǎn)生抑制作用.試驗結(jié)束時，各處理組胚根長度大小表現(xiàn)為處理3<處理2<處理1

3.2.2 凋落物枝浸提液對格氏栲種子胚根長度的影響 澆注凋落枝浸提液對胚根生長影響顯著(P<0.01).由圖4b可知，除處理1外，各處理組的胚根生長長度均小于CK組，呈顯著的抑制作用.試驗結(jié)束時，各處理組胚根長度大小表現(xiàn)為處理1=CK組>處理2>處理3>處理4.

3.2.3 凋落物皮浸提液對格氏栲胚根生長的影響 澆注凋落皮浸提液對胚根生長呈顯著的抑制作用(P<0.01).由圖4c可知，各濃度浸提組對格氏栲胚根生長均產(chǎn)生抑制效應(yīng)，且隨濃度的升高抑制作用顯著減弱(P<0.01).高濃度的浸提組在整個試驗過程中均對胚根生長產(chǎn)生抑制.試驗結(jié)束時，各處理組胚根長度大小表現(xiàn)為處理1>處理2>處理3>處理4>CK組.

表7 不同凋落物浸提液對種子發(fā)芽指數(shù)影響的權(quán)重Table 7 Influence weight of different litter extracts on the seed germination index of C.kawakamii

3.2.4 凋落物葉浸提液對格氏栲胚根長度的影響 澆注凋落皮浸提液對胚根生長的影響顯著(P<0.01).從圖4 d可知，凋落皮浸提組對格氏栲胚根生長的影響情況大致與凋落枝浸提液一致.除處理1外，各處理組胚根生長長度均小于CK組，呈顯著的抑制作用；處理1在試驗18 d前均促進(jìn)胚根生長，此后促進(jìn)作用減弱甚至出現(xiàn)輕微抑制.試驗結(jié)束時，各處理組胚根長度大小表現(xiàn)為CK組>處理1=處理2>處理3>處理4.

3.2.5 浸提液對格氏栲胚根生長的綜合影響 分析不同部位和濃度凋落物浸提液對格氏栲種子胚根生長影響的權(quán)重，結(jié)果見表8.從表8可知，發(fā)芽結(jié)束時處理3的胚根長度權(quán)重最小，抑制作用最強(qiáng)；葉與枝的抑制作用最弱，而皮的抑制最強(qiáng).從圖5可知，不同濃度葉與枝浸提液對格氏栲胚根生長的影響相似，葉與枝浸提液與處理1、處理2、處理3之間的距離較小，含量對胚根長度的影響不顯著.不同含量殼、皮凋落物對胚根生長的影響無明顯規(guī)律.

表8 不同凋落物浸提液對第30天格氏栲種子胚根長度的影響權(quán)重

4 小結(jié)與討論

不同部位和濃度凋落物浸提液對格氏栲種子萌發(fā)的影響不同.凋落皮與葉的浸提液對格氏栲種子各項發(fā)芽指標(biāo)的影響符合“高濃度抑制、低濃度抑制作用減弱或出現(xiàn)促進(jìn)”的普遍規(guī)律，尤其在發(fā)芽率上表現(xiàn)突出，這與Habteab et al[21]對植物化感作用最敏感指標(biāo)的研究結(jié)果一致.而殼與枝浸提液含量為0.200 g·mL-1時抑制作用極小，甚至產(chǎn)生促進(jìn)作用；其中0.200 g·mL-1殼浸提液組發(fā)芽率達(dá)55.56%，0.200 g·mL-1枝浸提液組發(fā)芽率高達(dá)66.67%，大于對照組(56.67%，P<0.05)，表明高含量殼、枝浸提液總體上對格氏栲種子萌發(fā)的化感抑制作用小，與前人[21-25]的研究結(jié)果不同.原因可能是格氏栲種子為頑拗性種子，種皮厚，種子萌發(fā)周期長，而殼、枝凋落物浸提液對種子萌發(fā)的化感作用有限，且在同等濃度條件下，其化感作用總體上小于皮、葉凋落物浸提液組.而這與朱海軍等[26]研究薄殼山核桃(Caryaillinoinensis)種殼對雜交狼尾草(P.americanum)的化感效應(yīng)，以及翟梅枝等[27]研究核桃(Juglansregia)枝葉水溶物對綠豆(Vignaradiata)種子萌發(fā)化感作用的結(jié)果基本一致.根據(jù)利比希最小因子定律，此時影響種子萌發(fā)的因素可能不再是凋落物的化感因素，而是水分、溫度或病菌產(chǎn)生的霉變.

不同濃度和部位的凋落物浸提液對格氏栲種子胚根的生長也產(chǎn)生抑制效應(yīng)，其中枝、葉、殼在較低濃度時的抑制作用強(qiáng)，這與周艷等[25]的研究結(jié)果一致.皮浸提液在胚根生長后期，對格氏栲胚根的抑制效應(yīng)總體上隨浸提液濃度的升高而減弱，這與孫慶花等[28]的研究結(jié)果一致.主要原因可能是凋落物化感物質(zhì)積累到一定濃度后，阻礙種子吸水，抑制呼吸作用和酶活性，阻礙胚根生長并改變滲透壓，從而使植物產(chǎn)生毒害[29].胚根生長前中期，0.200 g·mL-1葉浸提液對格氏栲胚根生長產(chǎn)生促進(jìn)作用，后期促進(jìn)作用減弱甚至產(chǎn)生抑制效應(yīng).這可能是由于胚根生長前中期該濃度凋落物中營養(yǎng)物質(zhì)含量高于自毒物質(zhì)，呼吸旺盛，ATP中高能鍵活躍，線粒體內(nèi)膜活力強(qiáng)，電子傳遞與氧化磷酸化速率快，根尖分生區(qū)細(xì)胞分裂速度加快[30,31].當(dāng)滯留化感物質(zhì)不斷積累，達(dá)到一定量或超過臨界含量時，對種子發(fā)芽產(chǎn)生毒害[27,28].總體而言，格氏栲胚根對不同濃度不同凋落物的耐受性不同，導(dǎo)致抑制最強(qiáng)濃度的出現(xiàn)時間有差異.可能主要在于凋落物中化感物質(zhì)含量受外界環(huán)境影響，如降雨量、微生物分解量、土壤因子等因素，并且測量時胚根生長形態(tài)各異，彎曲甚至畸形及培養(yǎng)過程中幼苗死亡等，都是導(dǎo)致各處理組胚根生長變化的重要因素.

化感作用對植物的影響機(jī)制復(fù)雜，不同部位和濃度的格氏栲凋落物浸提液對其種子萌發(fā)與胚根生長均產(chǎn)生化感效應(yīng)且影響濃度閾值表現(xiàn)各異，總體上高濃度抑制作用更顯著，皮浸提液的自毒作用最明顯.可見，格氏栲本身掉皮可能是限制其種子萌發(fā)的主要原因.