黃香草木犀水浸提液對雜草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

陳 超， 張 蕊， 夏 凡,2， 闞海明， 王慶海

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀生態(tài)研究所， 北京 100097；2.中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

黃香草木犀(Melilotusofficinalis)又名草木犀、黃花草木樨，黃香草木樨等，為豆科二年生高大草本植物，最高可達(dá)2 m。黃香草木犀原產(chǎn)于歐亞地區(qū)，主要作為牧草和固氮植物種植，除了在歐洲和亞洲有分布外，也廣泛分布和歸化于北美，甚至已經(jīng)在加拿大和阿拉斯加等地造成了嚴(yán)重的入侵危害[1-3]。另外，南美洲、非洲等地也有分布[4]。在我國，黃香草木犀已經(jīng)在30個(gè)省區(qū)有歸化，并在多種生境類型中發(fā)展成為優(yōu)勢群，例如荒地、道旁、農(nóng)田、草原、低濕草地等[5]。草木犀屬植物(含白花草木犀)具有廣泛的適應(yīng)性、較強(qiáng)的耐逆性[6-7]以及豐富的種子產(chǎn)量，很容易在新生境(或生態(tài)系統(tǒng))中建植，進(jìn)而排擠當(dāng)?shù)刂参?；并且?dāng)草木犀屬植物枯死后，其殘留的植株依然含有較高的氮素，在降解中改變原有生境的特征而有利于新一代草木犀屬植物的建植和生長[2,8-9]。另外，黃香草木犀還具有較強(qiáng)的化感作用：不僅其水浸提液對多種植物的種子萌發(fā)和幼苗生長有顯著的抑制作用[10-12]，其刈割后的殘茬[9]作為綠肥進(jìn)行翻埋[13]或者施用干草粉也能抑制田間雜草的生長[10-11]。因此，開展黃香草木犀化感作用的研究，對于了解其競爭優(yōu)勢及其歸化和入侵過程具有重要作用。

本試驗(yàn)設(shè)置了不同濃度黃香草木犀水浸提液測試其對自身和其他4種受試植物的影響，并從種子萌發(fā)和幼苗生長兩個(gè)方面探討黃香草木犀的化感作用。選擇的另外4種受試植物均為分布廣泛、最為常見的雜草種類，分別為雙子葉的反枝莧(Amaranthusretroflexus)和馬齒莧(Portulacaoleracea)，單子葉禾本科的狗尾草(Setariaviridis)和牛筋草(Eleusineindica)。該4種受試植物存在植株高度和長勢上的明顯差異，且發(fā)芽率也各有差別，可代表不同植物類型的差異。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和浸提液制備

試驗(yàn)材料為黃香草木犀地上莖稈(種子成熟期收割后風(fēng)干備用)采自北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地；黃香草木犀、狗尾草、反枝莧、牛筋草、馬齒莧等種子采自試驗(yàn)地及附近農(nóng)田。其中黃香草木犀種子進(jìn)行砂紙打磨和不打磨兩種處理方式。

浸提液制備。將黃香草木犀的莖稈剪碎，長度為2 cm。稱取莖稈樣品100 g，加入500 mL蒸餾水浸泡24 h。過濾殘?jiān)蠓湃? ℃冰箱備用。

1.2 試驗(yàn)方法和測定指標(biāo)

1.2.1種子萌發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)7個(gè)濃度處理進(jìn)行種子的萌發(fā)試驗(yàn)，以不同的原液/蒸餾水比例進(jìn)行配置，稀釋比例分別為1∶1、1∶2、1∶5、1∶10、1∶20、1∶50，得到6個(gè)濃度，分別以V1∶1、V1∶2、V1∶5、V1∶10、V1∶20、V1∶50表示，以蒸餾水為對照(ck)。試驗(yàn)組和ck組均設(shè)5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)50粒種子。將上述種子分別播入鋪有2層濾紙的直徑為12 cm培養(yǎng)皿，置于人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。人工培養(yǎng)箱的光照強(qiáng)度為80%，光照16 h/黑暗8 h。種子萌發(fā)以胚根伸出種皮2 mm為標(biāo)準(zhǔn)，每24 h記錄一次，統(tǒng)計(jì)萌發(fā)種子數(shù)及畸形苗數(shù)，并于試驗(yàn)的第30天按照《GB/T 2930-2011牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程》計(jì)算種子的萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和畸形苗率等。

萌發(fā)率(%)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

萌發(fā)指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt為第t日的萌發(fā)數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)日數(shù)；

畸形苗率(%)=(畸形苗數(shù)/供試種子數(shù))×100%，其中包含死亡幼苗。

1.2.2幼苗生長試驗(yàn)

在花盆內(nèi)播種以上5種試驗(yàn)種子，播種后置于溫室進(jìn)行培養(yǎng)?；ㄅ枰?guī)格為10 cm×11 cm×8.5 cm，培養(yǎng)基質(zhì)為園土，土壤pH值為7.44～7.61，有機(jī)質(zhì)含量為(15.70±2.64) g/kg。根據(jù)種子萌發(fā)試驗(yàn)的發(fā)芽率計(jì)算每種植物需要的播種量(實(shí)際播種量略高于計(jì)算值，于種子萌發(fā)后進(jìn)行間苗)，待株苗生長1個(gè)月后進(jìn)行黃香草木犀水浸提液的澆灌試驗(yàn)。處理組濃度梯度為V1∶1、V1∶2、V1∶10、V1∶20，其中蒸餾水澆灌作為ck。每5 d進(jìn)行一次浸提液澆灌處理，每次澆灌40 mL，澆灌處理1個(gè)月后，測定各處理組的生長發(fā)育指標(biāo)。測定指標(biāo)有株高、地上莖葉和地下根系的重量，計(jì)算總重量和根冠比等。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)、畸形苗率、株高、生物量和根冠比等顯著性檢驗(yàn)，采用SAS 8.2軟件進(jìn)行單因素方差分析。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，差異顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果和分析

2.1 黃香草木犀水浸提液對種子發(fā)芽率和畸形苗率的影響

黃香草木犀水浸提液對不同植物種子萌發(fā)的效應(yīng)不同(表1)，對其自身而言，隨濃度的增加其抑制種子萌發(fā)的作用增強(qiáng)，高濃度(V1∶1)處理顯著降低其種子的發(fā)芽率(p<0.05)；但是，種子是否作打磨處理對發(fā)芽率無明顯影響。對于發(fā)芽率較高(84.0±4.0)%的馬齒莧，所有的處理組發(fā)芽率都高于ck，但增加的趨勢并不明顯；低濃度的黃香草木犀水浸提液對反枝莧表現(xiàn)為抑制作用，更高濃度時(shí)表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用，呈現(xiàn)“低抑高促”的現(xiàn)象。單子葉的狗尾草變化趨勢和黃香草木犀類似，在最高濃度(V1∶1)時(shí)表現(xiàn)出明顯的抑制作用；對于發(fā)芽率較低(26.0±9.2)%的牛筋草，表現(xiàn)為低濃度抑制而高濃度促進(jìn)，且影響效果顯著(p<0.05)。

表1 黃香草木犀水浸提液對發(fā)芽率的影響Table 1 Effects of aqueous extraction of Melilotus officinalis on germination rate 單位：%

隨黃香草木犀水浸提液濃度的增加其自身種子萌發(fā)的畸形苗率有所增加，濃度最高處理組(V1∶1)畸形苗率達(dá)到12.0%(ck為6.7%)，且經(jīng)過打磨處理的畸形苗率略高，為16.7%。對于其他4種雜草，黃香草木犀水浸提液對其畸形苗率無明顯影響。

2.2 黃香草木犀水浸提液對雜草及其自身種子發(fā)芽指數(shù)的影響

黃香草木犀水浸提液降低其自身種子的發(fā)芽勢，且隨著濃度增加而抑制效應(yīng)增強(qiáng)，并在V1∶1濃度時(shí)呈現(xiàn)極顯著的抑制作用(p<0.01)。另外，不論黃香草木犀種子是否經(jīng)過打磨預(yù)處理，都有相似的結(jié)果。馬齒莧、反枝莧和狗尾草種子的發(fā)芽勢和黃香草木犀呈現(xiàn)相似的趨勢，隨著濃度增加而抑制作用顯著；但對于發(fā)芽率較低的牛筋草而言，卻呈現(xiàn)低濃度抑制(V1∶50、V1∶20、V1∶10)而高濃度(V1∶5、V1∶2、V1∶1)促進(jìn)現(xiàn)象，且在濃度為V1∶2時(shí)其種子發(fā)芽勢表現(xiàn)增加趨勢(圖1)。

注：“*”表示差異顯著；“**”表示差異極顯著。圖1 黃香草木犀水浸提液對發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.1 Effects of aqueous extraction of Melilotus officinalis on vigor index

2.3 黃香草木犀水浸提液對株高的影響

黃香草木犀水浸提液促進(jìn)雙子葉植物馬齒莧和反枝莧的生長，且隨濃度增加而株高顯著增加(p<0.05)；但對單子葉植物牛筋草和狗尾草，則呈低濃度抑制高濃度促進(jìn)的現(xiàn)象。黃香草木犀的水浸提液對其自身株高的效應(yīng)與對2種單子葉植物的影響趨勢類似，但和ck比較，其促進(jìn)或抑制的效應(yīng)均不明顯(表2)。

表2 黃香草木犀水浸提液對幼苗株高的影響Table 2 Effects on plant height of seedlings by aqueous extraction of Melilotus officinalis

2.4 黃香草木犀水浸提液對生物量和根冠比的影響

對于植物的地上部分生物量，黃香草木犀水浸提液對狗尾草、牛筋草、反枝莧的生長起明顯的促進(jìn)作用，隨濃度增加促進(jìn)效果顯著(p<0.05)；馬齒莧也呈明顯的高濃度促進(jìn)作用(p<0.05)，但低濃度時(shí)呈現(xiàn)一定的抑制作用；而對其自身的幼苗生長，低濃度促進(jìn)而高濃度抑制，高濃度V1∶1時(shí)顯著降低其地上部分生物量。地下部分生物量方面，黃香草木犀水浸提液對牛筋草起明顯的促進(jìn)作用(p<0.05)；對馬齒莧和反枝莧則呈現(xiàn)高濃度促進(jìn)而低濃度抑制的趨勢，但差異不顯著，而低濃度和高濃度處理之間差異顯著；對于狗尾草地下部分生物量隨浸提液濃度增加而有所增加，但整體并無顯著差異；黃香草木犀水浸提液對其自身根系的抑制作用隨浸提液濃度的增加而增強(qiáng)，V1∶1濃度時(shí)顯著降低根系生物量(p<0.05)(圖2)。

圖2 黃香草木犀水浸提液對幼苗地上和地下生物量的影響 Fig.2 Effects of aqueous extraction on aboveground and underground biomass by aqueous extraction of Melilotus officinalis

在根冠比方面，黃香草木犀浸提液對其自身根冠比的影響呈低濃度降低而高濃度增加的趨勢，但是，各處理組和對照組均無明顯的差異。對于反枝莧，同樣呈現(xiàn)低濃度降低而高濃度增加的趨勢，且在V1∶2濃度時(shí)根冠比達(dá)到最大(0.092)。馬齒莧則隨浸提液濃度增加而根冠比顯著降低。狗尾草和馬齒莧呈現(xiàn)同樣的變化趨勢，在較低濃度時(shí)有增加根冠比的趨勢，但和對照組無顯著差異。牛筋草則與其他植物不同，隨浸提液濃度增加而根冠比極顯著增加(p<0.05)。

3 討論和結(jié)論

本研究表明，黃香草木犀水浸提液對各受試植物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應(yīng)存在明顯的植物種類間的差異；并且，受試植物的不同發(fā)育階段或生長部位對黃香草木犀浸提液的響應(yīng)也各不相同。黃香草木犀水浸提液對其自身種子的萌發(fā)和生物量的積累存在抑制作用，且在高濃度時(shí)抑制作用顯著。劉蘇嬌[11]研究表明，高濃度的黃香草木犀水浸提液明顯抑制其自身種子萌發(fā)和幼苗的生長。但在低濃度時(shí)，黃香草木犀水浸提液卻存在促進(jìn)其植株地上部分生長的現(xiàn)象。結(jié)合株高和根冠比的結(jié)果，本試驗(yàn)表明，水浸提液影響了其植株的形態(tài)，高濃度時(shí)植株更為細(xì)長、易倒伏。此結(jié)果與試驗(yàn)假設(shè)并不太相符，本試驗(yàn)顯示，黃香草木犀水浸提液對其自身種子的萌發(fā)和生長可能具有正面的促進(jìn)作用，但與日本落葉松對黃香草木犀的化感作用較為類似[14]，呈現(xiàn)出化感作用的濃度差異。本試驗(yàn)結(jié)果表明，黃香草木犀水浸提液并非對其他植物都產(chǎn)生負(fù)面的抑制作用，甚至對某些植物具有明顯的促進(jìn)作用。但是對于其他4種受試植物而言，并無通用的模式，表明化感效用與具體的植物種類及水浸提液濃度緊密相關(guān)。

本試驗(yàn)的最高濃度處理為V1∶1、最低濃度處理為V1∶50，高濃度處理對狗尾草種子萌發(fā)表現(xiàn)出明顯的抑制作用。相關(guān)的研究表明，高濃度的黃香草木犀水浸提液對稗草、早熟禾和阿拉伯婆婆納等雜草的種子萌發(fā)和幼苗生長存在明顯的抑制作用[10]，也對多花黑麥草、蘇丹草、紅三葉、紫花苜蓿以及多年生植物如蒲公英、苣荬菜、車前草、巴天酸模等也都有抑制作用[11-13,15-16]。但研究也表明，黃香草木犀水浸提液在較低濃度時(shí)對狗尾草幼苗生長起明顯的促進(jìn)作用，和對黃香草木犀自身的影響相同，這可能和測試的濃度及植物的種類相關(guān)。另外，相關(guān)的研究表明，狗尾草也對其他植物存在化感作用。朱強(qiáng)等[17]研究表明，狗尾草水浸提液對多種作物植物種子(小麥、高粱、黃瓜、蘿卜)萌發(fā)和幼苗生長具有明顯的化感抑制作用。表明這兩種植物之間可能存在相互之間的化感作用。對于反枝莧，本研究表明，黃香草木犀水浸提液對其種子發(fā)芽率呈現(xiàn)“低抑高促”的現(xiàn)象。包賽很那等[18]研究表明，黃香草木犀根浸提液(花期)對千里光、蒲公英、白三葉和白草等植物的種子萌發(fā)及幼苗生長存在“低促高抑”的效應(yīng)。劉亞楠，李宛澤[19]研究表明，反枝莧對其他植物也存在明顯的化感作用，0.001 g/mL反枝莧水浸提液明顯抑制對藜、馬齒莧、龍葵等雜草的種子萌發(fā)及幼苗生長，并隨著水浸提液濃度的增加而抑制作用加強(qiáng)；而惠文森，姚新華[20]研究認(rèn)為，反枝莧水浸提液在濃度0.001 g/mL和0.002 g/mL時(shí)，則對紫花苜蓿種子萌發(fā)和幼苗生長均有所促進(jìn)，濃度更高時(shí)(≥0.02 g/mL)表現(xiàn)為抑制作用。李文增[21]研究則表明，高濃度(0.1 g/mL)的反枝莧水浸提液對幾種作物(玉米、小麥、番茄、黃瓜和大豆)種子萌發(fā)和生長有比較明顯的抑制作用，而低濃度(0.025～0.05 g/mL)下則對番茄、黃瓜和大豆的種子生長有一定的促進(jìn)作用。因此，對于同樣存在化感作用的反枝莧而言，可能還需要更為深入的研究。劉蘇嬌[11]開展的黃香草木犀浸提液對千穂谷(Amaranthushypochondriacus)的影響與其對同屬植物反枝莧的化感作用存在一定的差異，這更表明了黃香草木犀的化感效應(yīng)表現(xiàn)出極為明顯的植物種類間的差異。黃香草木犀水浸提液提高了牛筋草的種子發(fā)芽率(但存在低濃度抑制而高濃度促進(jìn)的現(xiàn)象)促進(jìn)了幼苗生長；黃香草木犀水浸提液對馬齒莧種子萌發(fā)和幼苗生長也存在不同程度的促進(jìn)作用；汪之波和祁馳恒[12]的研究也表明，黃香草木犀水浸提液在較低濃度時(shí)(0.025 g/mL)對馬齒莧的根長和苗長具有明顯的促進(jìn)作用。相關(guān)研究也表明，黃花草木樨水浸提液對萹蓄種子萌發(fā)和幼苗生長有明顯的促進(jìn)作用[11]。因此，黃香草木犀水浸提對于植物的效應(yīng)存在極為明顯的植物種類差異性和濃度相關(guān)性。

此外，化感效應(yīng)除了跟受試植物種類有關(guān)以外，可能也跟選用的植物材料部位及收割時(shí)間有關(guān)。Wu等[10]選用的材料為黃香草木犀花期植物材料，本研究選用的則為結(jié)實(shí)后風(fēng)干的植物莖稈，這可能會(huì)引起化感物質(zhì)在種類和含量上的差異。Moyer等[9]的研究也表明，草木犀屬(含白花草木犀)在不同時(shí)期進(jìn)行刈割其抑制雜草效應(yīng)也存在明顯的區(qū)別。因此，刈割時(shí)期也可能是影響化感效應(yīng)的重要因素。相關(guān)的研究表明，不僅黃香草木犀水浸提液對多種植物的種子萌發(fā)和幼苗生長有抑制作用[10-11]，其刈割后的殘茬或者作為綠肥翻埋都能有效控制田間雜草的發(fā)生[9,13]，施用干草粉也能夠在一定程度抑制田間雜草生長[10-11]。因此，化感物質(zhì)的作用機(jī)理以及不同植物種類對化感物質(zhì)的差異性還需要深入的探討。