刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物的化感效應(yīng)

何 斐，崔 鳴，孫 婭，田 瀟

(安康學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生物科技學(xué)院，陜西 安康 725000)

刺槐(Robiniapseudoacacia)系豆科蝶形花亞科刺槐屬具有固氮功能的落葉喬木。起源于北美阿拉巴契亞山脈，自19世紀(jì)末從德國引進(jìn)到我國膠東地區(qū)，經(jīng)百余年的栽培，在我國黃淮海河及長(zhǎng)江流域等幾乎所有地區(qū)均有栽培[1]。刺槐具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱、耐貧瘠、耐水淹、易繁殖、生長(zhǎng)快、固氮等優(yōu)良特性，在荒山綠化、行道樹、速生薪炭林營(yíng)造、鹽土改良、作為蜜源植物等方面均有廣泛應(yīng)用[2-3]。刺槐側(cè)根發(fā)達(dá)，延伸速度快，容易形成大面積的刺槐純林，造成林木樹種單一。目前，在全球入侵物種數(shù)據(jù)庫(global invasive species database)中，刺槐被列為入侵種[4]。在入侵過程中，化感作用是導(dǎo)致外來物種進(jìn)入新生境后入侵成功的重要因素[5]，也是森林生態(tài)系統(tǒng)中植物配置不可忽視的要素之一。森林植物化感作用的研究對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)中植物配置的合理性和植被演替有直接影響，同時(shí)也影響人工林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和生態(tài)多樣性。

化感作用即一種植物通過向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)而對(duì)周圍植物包括微生物所產(chǎn)生的直接或間接的抑制或促進(jìn)作用[6]?；形镔|(zhì)主要來源于植株根系分泌、凋落物的淋溶和腐解等[7]。目前關(guān)于刺槐化感作用相關(guān)的研究，主要集中在刺槐種子浸提液、枯落葉及根際土壤浸提液對(duì)其它受體生長(zhǎng)發(fā)育的影響方面[8-10]，而關(guān)于刺槐凋落葉腐解液的化感研究在國內(nèi)外鮮有報(bào)道。刺槐凋落葉浸提液具有化感自毒作用，能夠阻礙刺槐自身的正常生長(zhǎng)發(fā)育[9]。那么，刺槐自然凋落物(刺槐葉)在進(jìn)入土壤物質(zhì)循環(huán)之后，經(jīng)過微生物的腐解，是否對(duì)刺槐種植區(qū)其他作物的生長(zhǎng)發(fā)育造成不良影響。因此，本試驗(yàn)?zāi)M自然條件，對(duì)刺槐自然凋落物進(jìn)行人工腐解，研究不同濃度的刺槐凋落葉腐解液對(duì)刺槐種植區(qū)常見作物(甜瓜、綠豆和油菜)化感效應(yīng)的強(qiáng)弱和作用規(guī)律，為刺槐種植區(qū)科學(xué)、合理的農(nóng)作物生產(chǎn)格局提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

刺槐凋落葉：在陜西省安康市漢濱區(qū)香溪洞隧道旁2 km范圍內(nèi)刺槐純林中采集刺槐凋落葉，凋落葉自然風(fēng)干后粉碎(1～2 mm)。從隧道旁采集未種植刺槐的土壤作為空白土壤，去雜，自然風(fēng)干后過1 mm孔徑篩，備用。

種子：“津密1號(hào)”甜瓜、“渝綠1號(hào)”綠豆、“中油雜16”油菜種子購于漢中現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司安康種子分公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 腐解液的制備[5]將粉碎后的刺槐凋落葉與空白土壤以1∶3比例混合，CK對(duì)照不加刺槐凋落葉粉末。裝入1 L玻璃廣口瓶中，澆透水，置于人工氣候箱內(nèi)25℃恒溫避光腐解30 d。分別稱取100 g腐解物，裝入三角瓶中，加100 mL蒸餾水在25℃溫度下，120 r·min-1振蕩浸提24 h，雙層濾紙過濾，孔徑0.45 μm濾膜抽濾，即得到250 g·L-1的刺槐凋落葉腐解液母液，取部分母液分別稀釋至150、50 g·L-1，4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 化感活性生物測(cè)定 采用培養(yǎng)皿濾紙法[11-12]，以空白土壤浸提液為對(duì)照。分別選取顆粒飽滿的甜瓜、綠豆和油菜種子，用1% H2O2消毒1 min，無菌水沖洗5次。將種子分別放入裝有5 mL不同濃度(0、50、150、250 g·L-1)上述腐解液的試管中，每試管10粒種子，重復(fù)3次，25℃避光浸種24 h。浸種結(jié)束后置于無菌培養(yǎng)皿內(nèi)濕潤(rùn)的雙層濾紙上，25℃恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個(gè)處理重復(fù)3皿，每皿10粒。種子萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為胚根突破種皮1 mm，每天記錄發(fā)芽情況，第7天結(jié)束發(fā)芽試驗(yàn)，用精度0.1 mm的尺子測(cè)量幼苗胚根和胚軸長(zhǎng)度，用精度0.000 1 g的電子天平稱量每皿幼苗的總鮮重和總干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)量指標(biāo)計(jì)算公式[13-15]如下：

發(fā)芽率/%=(種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100

發(fā)芽勢(shì)/%=(前5 d內(nèi)發(fā)芽總數(shù)/供試種子總數(shù))×100

簡(jiǎn)明活力指數(shù)=發(fā)芽率×胚根長(zhǎng)度[16]

參照Williamson和Richandson[17]的方法計(jì)算化感效應(yīng)指數(shù)(RI)：

RI=1-C/T(T≥C或RI=T/C-1(T

式中，C為空白土壤浸提液對(duì)照值，T為處理值。其中，當(dāng)RI>0時(shí)，表示促進(jìn)作用；當(dāng)RI<0時(shí)，表示抑制作用。RI絕對(duì)值越大，化感效應(yīng)強(qiáng)度也越大。

化感綜合效應(yīng)指數(shù)反映化感效應(yīng)的強(qiáng)弱，指同一處理下對(duì)同一受體各測(cè)試項(xiàng)目化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的算術(shù)平均值[18]：

化感綜合效應(yīng)指數(shù)=(RI發(fā)芽率+RI發(fā)芽勢(shì)+RI簡(jiǎn)明活力指數(shù)+RI胚根長(zhǎng)+RI胚軸長(zhǎng)+RI苗鮮重+RI苗干重/7

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析(Two-way ANOVA)，用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。試驗(yàn)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 刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物種子萌發(fā)的影響

2.1.1 發(fā)芽率 雙因素方差分析表明(表1)，不同供試物種間種子發(fā)芽率存在極顯著差異(P<0.01)，但腐解液濃度、作物物種與腐解液濃度的交互作用對(duì)種子發(fā)芽率影響均不顯著(P>0.05)。由圖1A和圖2可看出，相同濃度腐解液處理下，綠豆與油菜種子發(fā)芽率之間差異不顯著，但均顯著高于甜瓜種子發(fā)芽率。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜、油菜種子發(fā)芽率均與對(duì)照差異不顯著，但綠豆種子發(fā)芽率隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。其中，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理時(shí)，綠豆種子發(fā)芽率較對(duì)照組分別顯著降低6.7%和10.0%。

2.1.2 發(fā)芽勢(shì) 雙因素方差分析表明，腐解液濃度、作物物種與腐解液濃度的交互對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)影響均不顯著(P>0.05)，但不同供試作物物種間種子發(fā)芽勢(shì)差異極顯著(P<0.01)(表1)。由圖1B可知，相同濃度腐解液處理下，甜瓜種子發(fā)芽勢(shì)顯著低于綠豆和油菜。

2.1.3 簡(jiǎn)明活力指數(shù) 由表1可知，供試作物物種、刺槐凋落葉腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響種子的簡(jiǎn)明活力指數(shù)(P<0.01)。由圖1C也可看出，甜瓜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加呈逐漸增加的趨勢(shì)，在250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)較對(duì)照顯著增加53.4%。在不同濃度刺槐凋落葉腐解液處理下，綠豆種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)與對(duì)照相比顯著降低，50～250 g·L-1處理組較對(duì)照組的簡(jiǎn)明活力指數(shù)降低13.8%～40.7%。隨著腐解液濃度的增加，油菜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)逐漸減小，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，油菜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)較對(duì)照組分別顯著降低13.8%和19.8%。

表1 作物物種和腐解液濃度對(duì)種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的雙因素方差分析Table 1 Variance analysis of species and decomposed liquid concentrations on seed germination and seedlings growth

注：A.發(fā)芽率; B.發(fā)芽勢(shì); C.簡(jiǎn)明活力指數(shù)。不同小寫字母表示相同供試作物在不同濃度腐解液處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同濃度腐解液處理下不同供試作物間差異顯著(P<0.05)。下同。

注：A.甜瓜; B.綠豆; C.油菜。

50g·L-1腐解液處理下，綠豆種子的簡(jiǎn)明活力指數(shù)最大，其次是油菜，最小的為甜瓜。150 g·L-1腐解液處理下，綠豆和油菜種子的簡(jiǎn)明活力指數(shù)差異不顯著，但均顯著高于甜瓜。250 g·L-1腐解液處理下，3種供試作物種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)排序?yàn)橛筒?綠豆>甜瓜，且三者之間差異均顯著。

2.2 刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 胚根長(zhǎng) 雙因素方差分析表明，供試作物物種、刺槐凋落葉腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響幼苗胚根長(zhǎng)(P<0.01)(表1)。由圖3A可看出，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜幼苗胚根長(zhǎng)較對(duì)照分別顯著增加29.4%和54.8%。隨著腐解液濃度的增加，綠豆和油菜胚根長(zhǎng)逐漸減小。在50 g·L-1腐解液處理下，綠豆的胚根長(zhǎng)最大，其次為油菜，最小為甜瓜。150 g·L-1腐解液處理下，甜瓜胚根長(zhǎng)較綠豆和油菜分別顯著減少18.1%和19.5%。250 g·L-1腐解液處理，甜瓜與油菜胚根長(zhǎng)差異不顯著，但均顯著高于綠豆。

圖3 不同濃度刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.3 Effect of different concentrations of decomposed liquid from R.pseudoacacia leaf litter on the growth of three crop seedlings

2.2.2 胚軸長(zhǎng) 雙因素方差分析表明(表1)，供試作物物種、腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響3種作物幼苗的胚軸長(zhǎng)(P<0.01)。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜胚軸長(zhǎng)呈逐漸增加的趨勢(shì)(圖3B)。150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜胚軸長(zhǎng)分別較對(duì)照顯著增加29.9%和42.4%。50～250 g·L-1腐解液處理下，綠豆、油菜的胚軸長(zhǎng)分別較對(duì)照顯著減小7.7%～36.2%、8.0%～19.9%。對(duì)照和50 g·L-1腐解液處理下，3種作物胚軸長(zhǎng)表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)：綠豆>油菜>甜瓜。但150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理?xiàng)l件下，油菜的胚軸長(zhǎng)顯著高于甜瓜和綠豆。

2.2.3 苗鮮重 由表1雙因素方差分析表明，供試作物物種、腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響3種作物的苗鮮重(P<0.01)。由圖3C可看出，隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜苗鮮重呈逐漸增加的趨勢(shì)。150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜苗鮮重較對(duì)照顯著增加5.8%和34.4%。50～250 g·L-1腐解液處理下，綠豆和油菜苗鮮重分別較對(duì)照顯著降低11.4%～36.6%和11.2%～26.9%。相同濃度腐解液處理下，3種作物苗鮮重差異均顯著，且表現(xiàn)出相同趨勢(shì)：綠豆>甜瓜>油菜。

2.2.4 苗干重 雙因素方差分析表明，供試作物物種、物種與腐解液濃度的交互作用極顯著影響3種作物苗干重(P<0.01)(表1)。由圖3D可看出，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜幼苗干重較對(duì)照顯著增加26.0%和34.0%。250 g·L-1腐解液處理的綠豆苗干重較對(duì)照顯著降低9.8%。隨著腐解液濃度的增加，油菜苗干重逐漸降低，但與對(duì)照相比差異均不顯著。相同濃度腐解液處理下，3種作物苗干重差異均顯著，且與苗鮮重表現(xiàn)出相同趨勢(shì)：綠豆>甜瓜>油菜。

2.3 化感效應(yīng)評(píng)價(jià)

2.3.1 對(duì)化感效應(yīng)指數(shù)的影響 化感效應(yīng)指數(shù)(RI)是評(píng)價(jià)化感作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)[19]。甜瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)化感效應(yīng)指數(shù)隨著腐解液濃度的增加逐漸增高，50 g·L-1腐解液處理下最小，此時(shí)抑制作用最強(qiáng)(表2)。綠豆和油菜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)RI值均隨著腐解液濃度的增加，呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；250 g·L-1腐解液處理下，綠豆發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)RI值分別為-0.1和-0.07，油菜發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)RI值分別為-0.04和-0.07，此時(shí)抑制作用均達(dá)到最大。

隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，3種作物種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)的化感效應(yīng)指數(shù)(RI)呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。250 g·L-1腐解液對(duì)甜瓜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)的促進(jìn)作用最大(RI=0.35)，而對(duì)綠豆和油菜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)的抑制作用達(dá)到最大，其RI值分別為-0.41和-0.20。

表2 刺槐凋落葉腐解液處理?xiàng)l件下3種作物的化感效應(yīng)指數(shù)Table 2 Allelopathic effect index of decomposed liquid from R.pseudoacacia leaf litter on three crops

由表2可知，甜瓜幼苗胚根、胚軸、苗鮮重及苗干重化感效應(yīng)指數(shù)均隨著腐解液濃度的增大而逐漸增加，250 g·L-1腐解液處理下達(dá)到最大，分別為0.35、0.30、0.26及0.25，此時(shí)促進(jìn)作用最強(qiáng)。隨著腐解液濃度的增加，綠豆和油菜幼苗胚根、胚軸、苗鮮重及苗干重化感效應(yīng)指數(shù)|RI|越來越大，抑制作用則越來越強(qiáng)。

2.3.2 對(duì)化感綜合效應(yīng)的影響 為了綜合分析刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的化感效應(yīng)，統(tǒng)計(jì)甜瓜、綠豆和油菜3種作物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、簡(jiǎn)明活力指數(shù)、胚根長(zhǎng)、胚軸長(zhǎng)、苗鮮重和苗干重7個(gè)指標(biāo)的化感效應(yīng)指數(shù)計(jì)算出化感綜合效應(yīng)指數(shù)(表3)。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的升高，甜瓜受到的促進(jìn)作用逐漸增強(qiáng)，而綠豆和油菜受抑制程度逐漸增強(qiáng)，在腐解液濃度為250 g·L-1時(shí)作用強(qiáng)度均達(dá)到最大。在濃度范圍為50～250 g·L-1條件下，刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物的抑制作用強(qiáng)弱順序?yàn)榫G豆>油菜>甜瓜。

表3 刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種作物的化感綜合效應(yīng)Table 3 Comprehensive allelopathic effect of leaf litter of R.pseudoacacia on three crops

3 結(jié)論與討論

植物互作的化感效應(yīng)主要表現(xiàn)在對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響方面[11]。研究發(fā)現(xiàn)，化感物質(zhì)來源與種類、浸提液提取方式與濃度、受試物種敏感性等對(duì)植物化感效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響[13-14,20-22]。本試驗(yàn)將刺槐凋落葉粉碎物混入土壤中，模擬自然條件下刺槐植株殘?bào)w在土壤中的腐解過程，使得研究結(jié)果更接近于自然界的原始情況。通過研究發(fā)現(xiàn)，刺槐凋落葉腐解液對(duì)綠豆和油菜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)有不同程度的抑制作用，說明刺槐還可能通過凋落葉腐解釋放的化感物質(zhì)抑制作物的生長(zhǎng)。

種子萌發(fā)在大部分植物整個(gè)生命史中扮演著非常重要的角色，它是多數(shù)植物生存繁衍的必經(jīng)及首要階段，同時(shí)也是植物生長(zhǎng)史中較為脆弱的一個(gè)階段[19]。化感物質(zhì)具有一定的選擇性和專一性，且化感效應(yīng)與腐解液濃度密切相關(guān)[19-20]。本研究中，刺槐凋落葉腐解液對(duì)甜瓜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響不明顯，但對(duì)簡(jiǎn)明活力指數(shù)具有促進(jìn)作用，隨著腐解液濃度的增大，對(duì)甜瓜種子簡(jiǎn)明活力指數(shù)的促進(jìn)效果越明顯。與之相反，刺槐凋落葉腐解液對(duì)綠豆和油菜種子萌發(fā)呈現(xiàn)抑制效應(yīng)，且濃度越高，抑制作用越大，此結(jié)論與劉冬杰等[9]在研究刺槐枯落葉浸提液對(duì)刺槐種子的化感自毒作用中得出的結(jié)論相符，亦與田雅麗等[23]在研究雪嶺云杉森林中化感物質(zhì)對(duì)雙子葉植物種子萌發(fā)表現(xiàn)出“濃度效應(yīng)”的結(jié)果一致。說明刺槐凋落葉腐解液對(duì)3種受試作物種子萌發(fā)的化感作用具有物種選擇性和濃度依賴性；甜瓜、綠豆和油菜種子對(duì)刺槐凋落葉的化感作用有一定的耐受性，當(dāng)腐解液濃度<50 g·L-1時(shí)，3種供試作物種子在萌發(fā)過程中能夠抵御逆境干擾。

幼苗的健康生長(zhǎng)是保障作物生存和繁衍的重要前提。本研究通過刺槐凋落葉水腐解液的生物測(cè)定，推斷刺槐凋落葉腐解液中含有某些化學(xué)成分能抑制綠豆和油菜幼苗的生長(zhǎng)。隨著腐解液濃度的提高，腐解液中化感物質(zhì)含量增加，對(duì)綠豆和油菜胚根、胚軸、苗鮮重和干重的影響也越明顯，這與方芳等[10]對(duì)白菜幼苗的試驗(yàn)結(jié)果一致。這些化感物質(zhì)通過抑制胚根生長(zhǎng)，阻礙根系的生長(zhǎng)發(fā)育，從而降低根系吸收土壤水分和養(yǎng)分的能力，抑制胚軸的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致幼苗矮小、瘦弱。植物體內(nèi)化感物質(zhì)主要是一些植物次級(jí)代謝產(chǎn)物，其中水溶性酚酸是高等植物的主要化感物質(zhì)成分[24]。盡管研究發(fā)現(xiàn)刺槐凋落葉腐解液具有化感抑制和促進(jìn)作用，但還應(yīng)該對(duì)其成分、主要活性物質(zhì)種類、來源途徑進(jìn)行深入研究，以便得出更科學(xué)的結(jié)論。

綜上所述，刺槐凋落葉腐解液對(duì)甜瓜具有促進(jìn)作用，對(duì)綠豆和油菜具有抑制作用。為進(jìn)一步確定刺槐的化感作用，在以后的工作中，需對(duì)刺槐植株及周圍土壤中的化感物質(zhì)進(jìn)行鑒定，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，以便為刺槐種植區(qū)科學(xué)、合理的農(nóng)作物生產(chǎn)格局提供更加全面、深入的理論基礎(chǔ)。