外來植物日本落葉松凋落葉對臥龍鄉(xiāng)土植物化感作用的研究

邱艷霞， 楊舒婷， 葉 紅， 駱 娟， 馬曉娜， 張傲來， 白 潔， 何廷美， 譚迎春， 劉明沖，葉 平

(1.四川大學生命科學學院生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 成都 610065；2.四川臥龍國家級自然保護區(qū)管理局， 汶川 623000)

1 引 言

外來植物(alien plants)是指由于人類活動而克服地理障礙，被引入其自然分布區(qū)以外的植物[1]，其可以通過競爭、搶占生態(tài)位、分泌化學物質(zhì)等方式影響本地植物的生長.化感作用(allelopathy)是指植物(包括微生物)向周圍環(huán)境中釋放自身代謝合成的化感物質(zhì)，進而直接或間接對自身及其他生物的生長發(fā)育產(chǎn)生的抑制或促進作用[2].研究表明外來植物能夠通過化感作用減少當?shù)氐奈锓N豐富度，從而對新生境生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響[3].同時，也有研究發(fā)現(xiàn)不同的鄉(xiāng)土植物對外來植物的化感作用敏感性不同[4-6].

臥龍自然保護區(qū)[7]位于西南山地生物多樣性熱點區(qū)的核心，自然條件復雜，珍稀動植物眾多，生物多樣性豐富，是國家級第三大自然保護區(qū).日本落葉松(Larixkaempferi)原產(chǎn)日本，1971年引種到臥龍，因其速生豐產(chǎn)且在川西地區(qū)生物量高于其他樹種的特點，在臥龍造林中大面積使用[8].然而，在日本落葉松快速生長成林的40年間，林下混交的竹子和其他樹木逐漸死亡，植被蓋度、植物多樣性急劇減少，土壤腐殖層變?yōu)閱我凰舍?，土壤肥力下降，大多?shù)林分甚至變?yōu)槿毡韭淙~松純林[9].目前對影響日本落葉松林下植物多樣性的研究主要集中在林窗[10]、間伐[11-12]及不同林齡[13]等方面,而對日本落葉松凋落葉化感作用的研究尚不多見.施研等[14]對大老嶺自然保護區(qū)日本落葉松凋落物的化感作用做了初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日本落葉松林凋落物中的化感物質(zhì)對狗牙根和胡枝子的種子萌發(fā)和幼苗生長存在一定的化感效應，其中對胡枝子的影響要強于狗牙根.目前有關(guān)臥龍日本落葉松的化感作用及利用鄉(xiāng)土植物修復生境的研究未見報道.為探究臥龍自然保護區(qū)日本落葉松人工林生境退化是否與化感作用有關(guān)，本研究模擬自然界淋溶現(xiàn)象，測試日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)以及幼苗生長的影響，分析日本落葉松人工林生境退化的原因；并根據(jù)植物種子萌發(fā)及幼苗長勢，篩選適合日本落葉松林下生長的鄉(xiāng)土植物，利用這些植物進行人工林生態(tài)環(huán)境的修復、提高林下植物多樣性.

2 材料與方法

2.1 試驗材料

日本落葉松凋落葉為 2019年 6月于四川省臥龍自然保護區(qū)收集.去除雜質(zhì)并放在通風處陰干后粉碎備用.鄉(xiāng)土植物紫花苜蓿(M.sativa)、草木犀(M.officinalis)、披堿草(E.dahuricus)、夏枯草(P.vulgaris)、車前(P.depressa)種子采集自四川省臥龍自然保護區(qū).

2.2 試驗方法

2.2.1 日本落葉松凋落葉水浸提液(LkLWE)的制備 稱取日本落葉松凋落葉粉末100 g，置于1 L燒杯中，加 1 000 mL 蒸餾水在室溫25 ℃下暗處浸提48 h(期間每隔12 h搖動5 min).所得溶液用4層紗布過濾，將濾液以4 000 r/min離心10 min，合并濾液定容至1 L，再用0.2 μm孔徑47 mm直徑的微孔濾膜抽濾，即得到濃度為0.1 g/mL的母液.用蒸餾水將母液稀釋為0.01、 0.05 g/mL，置于4 ℃冰箱密封保存、備用.

2.2.2 種子萌發(fā)試驗 采用培養(yǎng)皿濾紙法進行種子發(fā)芽測定.選取籽粒飽滿，大小均勻一致的紫花苜蓿、草木犀、披堿草、夏枯草及車前種子，用0.2%的次氯酸鈉溶液消毒10 min，無菌水沖洗3～5次后，置于直徑9 cm并鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿各50粒.定量加入5 mL不同濃度的水浸提液，以蒸餾水為空白對照(CK).將培養(yǎng)皿放入人工氣候箱內(nèi)，恒溫25 ℃，光照16 h，每天定量補充3 mL的相應水浸液以保持濕潤.播種24 h后每天定時記錄發(fā)芽數(shù)(以胚根沖破種皮1～2 mm為發(fā)芽標準)，7 d以后停止萌發(fā)試驗，并計算萌發(fā)率及萌發(fā)指數(shù).同一濃度實驗重復3次.

萌發(fā)率=(萌發(fā)種子總數(shù)/供試種子總數(shù))×

100%；

萌發(fā)指數(shù)(Gi)= ∑Gt/Dt.

式中，Gt為在第t天的萌發(fā)數(shù)，Dt為相應的萌發(fā)天數(shù).

2.2.3 幼苗生長試驗 采用盆栽土培法進行培養(yǎng).每盆裝入2/3的已滅菌營養(yǎng)土(營養(yǎng)土∶蛭石=1∶1)，挑選30粒已露白的種子播于φ15 cm的花盆內(nèi).每隔3 d定量加入100 mL對應濃度浸提液，以蒸餾水澆灌為對照.各處理重復3次，隨機排列、常規(guī)管理.30 d后結(jié)束澆灌，不同處理各選取10株生長相對均勻一致的幼苗，進行生長指標如根長、株高及生物量的測定.

2.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析 化感效應指數(shù)(RI)=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T0為促進作用，RI<0為抑制作用，其絕對值大小反映化感作用的強弱).

化感綜合效應(SE)為同一受體植物所測的生長指標的RI平均值，是對受體植物的化感效應進行綜合評價的指標.

數(shù)據(jù)采用Excel 2010進行繪圖分析，SPSS19.0軟件進行單因素方差分析、差異顯著性分析等.

3 結(jié)果與分析

3.1 日本落葉松凋落葉水浸提液(LkLWE)對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的影響

LkLWE對5種鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)有著不同的影響，其中紫花苜蓿、夏枯草的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)隨著LkLWE濃度升高而降低，抑制作用與濃度正相關(guān)(表1).LkLWE對草木犀的萌發(fā)率有輕微的抑制作用，對披堿草的萌發(fā)率則表現(xiàn)出輕微的促進作用，但整體反應不敏感，各濃度處理與對照相比差異均不顯著(P>0.05)；LkLWE顯著降低草木犀的萌發(fā)指數(shù)(P<0.05)，對披堿草的萌發(fā)指數(shù)而言，在0.1 g/mL處理下顯著低于對照(P<0.05)，在0.01、0.05 g/mL處理下與對照差異不顯著(P>0.05).LkLWE對車前的萌發(fā)率及萌發(fā)指數(shù)呈現(xiàn)出低促高抑效應，其中LkLWE濃度為0.1 g/mL時顯著降低了其萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)(P<0.05)，而0.01和0.05 g/mL濃度對其影響不顯著(P>0.05).

3.2 日本落葉松凋落葉水浸提液(LkLWE)對鄉(xiāng)土植物幼苗生長的影響

3.2.1 LkLWE對幼苗根長的影響 LkLWE對不同鄉(xiāng)土植物的根長的影響存在一定差異(表2).在試驗濃度范圍內(nèi)，LkLWE對紫花苜蓿、草木犀、披堿草及夏枯草幼苗根長的影響達到顯著水平(P<0.05)，對車前幼苗根長有輕微的促進作用但不顯著(P>0.05).不同濃度LkLWE對紫花苜蓿、披堿草、夏枯草幼苗根長表現(xiàn)為低促高抑的趨勢，紫花苜蓿及夏枯草根長均在濃度為0.05、 0.1 g/mL時幼苗根長受到抑制；披堿草在0.1 g/mL時幼苗根長顯著受到抑制(P<0.05).草木犀幼苗根長隨著LkLWE濃度的增加而受到抑制，但在濃度0.01、 0.05g/mL時與對照差異不顯著，在濃度0.1 g/mL時顯著低于對照(P<0.05).

3.2.2 LkLWE對幼苗株高的影響 LkLWE可顯著影響紫花苜蓿、披堿草及夏枯草幼苗的株高，但對草木犀和車前的株高無顯著影響(P>0.05)(表2).其中，LkLWE各濃度對紫花苜蓿幼苗株高的生長均呈現(xiàn)抑制作用，且與濃度正相關(guān).然而LkLWE對披堿草及夏枯草幼苗株高的生長均表現(xiàn)為低促高抑的作用，當LkLWE濃度為0.1 g/mL時均顯著抑制幼苗株高的生長(P<0.05).LkLWE對草木犀幼苗株高的生長呈現(xiàn)低促高抑的現(xiàn)象，但各濃度處理與對照相比無顯著差異(P>0.05).不同濃度LkLWE對車前幼苗株高的生長始終表現(xiàn)出促進作用，但未達到顯著水平(P>0.05).

3.2.3 LkLWE對幼苗生物量的影響 LkLWE對不同鄉(xiāng)土植物幼苗的生物量表現(xiàn)出較大差異(表2).在試驗濃度范圍內(nèi)，LkLWE可顯著影響紫花苜蓿、草木犀、披堿草、夏枯草幼苗的生物量，但對車前幼苗的生物量無顯著影響.不同濃度LkLWE對紫花苜蓿、草木犀生物量始終表現(xiàn)出抑制作用，且與濃度正相關(guān).紫花苜蓿在LkLWE液濃度為0.05 g/mL時相照對照達顯著水平(P<0.05)，草木犀在LkLWE濃度為0.01 g/mL時相照對照達顯著水平(P<0.05).不同濃度LkLWE對披堿草、車前及夏枯草表現(xiàn)出低促高抑的趨勢，當LkLWE濃度為0.1 g/mL時對披堿草及夏枯草幼苗的生物量達到顯著的抑制作用(P<0.05).

表1 日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的影響

3.3 日本落葉松凋落葉水浸提液(LkLWE)對鄉(xiāng)土植物化感綜合效應的比較

3.3.1 LkLWE對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的化感綜合效應 采用萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)2個指標的RI值計算LkLWE對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的化感綜合效應(SE)，綜合分析LkLWE對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的影響(圖1). LkLWE對紫花苜蓿、草木犀及夏枯草種子萌發(fā)均表現(xiàn)為抑制作用，隨著LkLWE濃度的升高其受到的抑制作用增強，表現(xiàn)出劑量效應，SE最大值分別為-0.49、-0.16、-0.48.而LkLWE對披堿草及車前種子萌發(fā)則表現(xiàn)出低促高抑效應，均在LkLWE濃度0.1 g/mL處理受到抑制，SE值為-0.09、-0.23.LkLWE處理對鄉(xiāng)土草本植物的化感作用由強到弱依次為紫花苜蓿>夏枯草>草木犀>車前>披堿草.

3.3.2 LkLWE對鄉(xiāng)土植物幼苗生長化感綜合效應 根長、株高、生物量3個指標的RI值計算化感綜合效應SE、綜合分析LkLWE對鄉(xiāng)土植物幼苗生長的影響，結(jié)果表明SE差異較大(圖2).在試驗濃度范圍內(nèi)，LkLWE對紫花苜蓿和草木犀幼苗生長始終表現(xiàn)為抑制作用，且隨LkLWE濃度的升高受到的抑制作用增強，表現(xiàn)出劑量效應.對披堿草和夏枯草幼苗生長表現(xiàn)出低促高抑，在0.01、 0.05 g/mL濃度時對披堿草幼苗生長表現(xiàn)為促進作用，

圖1 日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)的化感綜合效應Fig.1 Comprehensive allelopathic effect of water extract from litters of Larix kaempferi on seed germination of native plants

當濃度為0.1 g/mL時則表現(xiàn)為抑制作用；在0.01 g/mL濃度時對夏枯草幼苗生長表現(xiàn)為促進作用，當濃度進一步增加時，則表現(xiàn)為抑制作用，臨界閾值為0.05 g/mL.對車前幼苗生長則始終表現(xiàn)為促進作用.LkLWE對鄉(xiāng)土草本植物幼苗生長的化感綜合效應由強到弱依次為：紫花苜蓿>草木犀>夏枯草>披堿草>車前.

圖2 日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物幼苗生長的化感綜合效應Fig.2 Comprehensive allelopathic effect of water extract from litters of Larix kaempferi on seedling growth of native plants

表2 日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物幼苗生長的影響

4 討 論

種子萌發(fā)和幼苗建成是植物生活史的重要階段，化感作用對這兩個階段的影響較強，尤其種子萌發(fā)對物種的更新和多度至關(guān)重要，且影響植物對水、礦質(zhì)元素的吸收，植株高度和生物量顯著降低也會直接導致植物對空間、光照、水分以及營養(yǎng)物質(zhì)的競爭能力下降，從而直接影響植物的生長發(fā)育以及在植物群落中的地位和作用[15].外來植物通過向環(huán)境釋放化感物質(zhì)抑制或促進種子萌發(fā)及幼苗生長，進而影響植物種群的建立與更新.研究植物種子萌發(fā)與幼苗建成對外來植物凋落物的響應能有效揭示外來植物潛在的化感作用[16].

化感作用強度不僅與化感物質(zhì)種類、供體植物的處理方式有關(guān)，還與受體植物種類及供體濃度有關(guān)[17-19].在供體濃度方面，植物化感作用對種子萌發(fā)及幼苗生長的效果主要有“劑量效應”、“低促高抑”效應以及“低濃度無影響、高濃度抑制”效應[20].本研究發(fā)現(xiàn)不同濃度日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)及幼苗生長均存在化感作用，但對不同鄉(xiāng)土植物有不同的響應.具體而言，浸提液對披堿草及車前種子萌發(fā)表現(xiàn)出低促高抑效應，對其他幾種鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)則表現(xiàn)出抑制作用，且隨著濃度的升高抑制作用增強，表現(xiàn)出一定的劑量效應.浸提液對披堿草及夏枯草幼苗生長表現(xiàn)出低促高抑的效應，對紫花苜蓿、草木犀幼苗生長始終表現(xiàn)為抑制作用.結(jié)果表明不同鄉(xiāng)土植物的種子萌發(fā)及幼苗生長對日本落葉松凋落葉水浸提液有不同的敏感性，這與黃玉梅等[21]、陳林等[22]的研究結(jié)果一致.這可能是因為化感作用對受體植物具有專一性和選擇性，不同受體植物的遺傳學和生物學特性不同，導致其對相同濃度下的化感反應不同[23-24].綜合日本落葉松凋落葉水浸提液對鄉(xiāng)土植物種子萌發(fā)及幼苗生長的化感影響，建議選擇披堿草、車前等鄉(xiāng)土植物作為修復日本落葉松林下生境的優(yōu)選植物.

外來植物對植物群落的影響既有不同物種對其化感作用的差異響應,又有資源競爭等其他因素復雜交織作用.研究證實凋落葉的化感作用是影響日本落葉松林下物種多樣性的關(guān)鍵因素之一.鄉(xiāng)土植物作為一種容易在當?shù)丨h(huán)境生存的植物,在林業(yè)生態(tài)脆弱的環(huán)境下,選擇與配置鄉(xiāng)土植物,對提高生物多樣性和恢復生境具有重要意義.因此在今后的日本落葉松營林管理中，應根據(jù)其化感作用的特點選擇適宜的鄉(xiāng)土植物，并結(jié)合間伐等方式降低日本落葉松的種植密度減少化感強度，促進其林下植物的定居及更新，恢復其林下生境.