四種菊科入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子萌發(fā)的影響

彭一龍, 楊麗萍, 吳 甜, 李 秀, 申 科, 蔣智林

(1.泰國(guó)清邁大學(xué)理學(xué)院, 泰國(guó) 清邁 50200; 2.普洱學(xué)院, 云南 普洱 665000;3.昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 6650214)

外來入侵植物給被入侵生境生物多樣性帶來嚴(yán)重的影響，造成原有生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生嚴(yán)重的變化，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域生態(tài)安全造成嚴(yán)重的破壞[1-2]。據(jù)研究分析，入侵生物對(duì)生物多樣性的影響僅次于生境的破壞，對(duì)農(nóng)、林業(yè)和畜牧業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅[3-4]。入侵植物作為外來入侵物種的主要組成，隨著觀賞植物的國(guó)際貿(mào)易加劇和國(guó)際旅游的頻繁，入侵植物對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響呈逐年加重的趨勢(shì)。諸多研究表明，外力植物通過化感作用影響本地物種生長(zhǎng)而提高其自身競(jìng)爭(zhēng)力是其成功入侵的重要機(jī)制之一，同時(shí)也是影響生境恢復(fù)的難點(diǎn)科學(xué)技術(shù)問題[5-7]。很多研究發(fā)現(xiàn)，入侵植物給本地物種種子萌發(fā)或幼苗生長(zhǎng)帶來了嚴(yán)重的化感作用。如：三裂葉豚草(Ambrosiatrifida)[8]、薇甘菊(Mikaniamicrantha)[9]、加拿大一枝黃(Solidagocanadensis)[10]、紫莖澤蘭(AgeratinaadenophoraSpreng.)[11-12]、馬櫻丹(Lantanacamara)[13-14]、腫柄菊[7,15]和五爪金龍(Ipomoeacairica)[16]等?？梢?，對(duì)于入侵植物化感影響研究和如何克服化感作用進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)已經(jīng)成為20余年來研究者高度關(guān)注的問題。

狗牙根(Cynodondactylon)為禾本科狗牙根屬草本植物，是最具代表性的暖季型草坪草，廣泛分布于歐洲、亞洲的熱帶及亞熱帶地區(qū)，在我國(guó)華北、西北、西南及長(zhǎng)江中下游等地有著廣泛應(yīng)用[17]。由于其繁殖力和根莖蔓延力很強(qiáng)，在地面平鋪性能好，且具有抗旱、抗鹽及耐重金屬等優(yōu)點(diǎn)[18]，被廣泛用作固堤保土[19-20]、生態(tài)恢復(fù)[21]、鋪建草坪等綠地建設(shè)草本植物[22]。對(duì)于外力入侵植物擬選用替代植物的化感影響篩選，很多研究者應(yīng)用入侵植物葉浸提物對(duì)替代植物種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)進(jìn)行研究[11-12，23]，而采用入侵植物莖干浸提物對(duì)替代植物種子的影響研究相對(duì)較少[14，24]。入侵植物莖作為其生物量中的重要組成部分，在其生長(zhǎng)和凋落演變中對(duì)生態(tài)環(huán)境有著重要的影響，研究入侵植物莖的化感影響對(duì)揭示其入侵機(jī)制和生態(tài)恢復(fù)技術(shù)同樣具有非常重要的意義。為深入探究入侵植物對(duì)狗牙根的影響，本研究采用室內(nèi)生物監(jiān)測(cè)法，選用紫莖澤蘭(A.adenophora)、小飛蓬(ConyzaCanadensis)、飛機(jī)草(Chromolaenaodoratum(L.) R. King et H. Rob.)和腫柄菊(T.diversifolia)等四種菊科入侵植物莖水浸提液在不同濃度下對(duì)狗牙根種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和化感效應(yīng)影響進(jìn)行了比較研究，旨在評(píng)價(jià)四種入侵植物莖浸提物對(duì)狗牙根的化感效應(yīng)和作用規(guī)律，為進(jìn)一步豐富外來入侵植物的入侵機(jī)理和對(duì)外來入侵植物的替代控制與入侵跡地生態(tài)恢復(fù)措施選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)用紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機(jī)草和腫柄菊四種入侵植物均采自云南省普洱市思茅區(qū)郊區(qū)；狗牙根種子購(gòu)于普洱當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種子公司。

1.2 方 法

1.2.1供試材料處理

將采集到的四種入侵植物莖在60 ℃條件下烘干，用粉碎機(jī)粉碎過40目篩后，在干燥處保存。

1.2.2浸提液制備

參照桂富榮等[12]、林春蕊等[25]、高興祥等[26]及梁曉華等[27]的方法，分別稱取供試材料各100 g，按W樣品∶V蒸餾水=1∶10的比例加入蒸餾水，在常溫條件下用搖床振蕩提取48 h，依次用4層紗布和定性濾紙過濾，濾液即為水浸提液母液(0.10 g/mL)，置于4 ℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)時(shí)，將母液配制成0.25 g/L、0.50 g/L、1.00 g/L和2.00 g/L等4個(gè)濃度的溶液，以蒸餾水作為對(duì)照處理。

1.2.3種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)[25]。隨機(jī)選取成熟、籽粒飽滿的狗牙根種子置于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿放50粒種子，然后分別加入適量的處理液(對(duì)照則加入適量蒸餾水)，以濾紙充足吸水,濾紙周邊無(wú)余水，種子周圍不形成液膜為標(biāo)準(zhǔn)；在25 ℃、濕度80%、光照度1 600 lx和光照時(shí)間12 h/d的條件下培養(yǎng)，每隔24 h檢查濾紙干燥情況，如發(fā)現(xiàn)濾紙有部分干燥，即補(bǔ)充處理液或蒸餾水(對(duì)照)至上述標(biāo)準(zhǔn)，以胚根突破種皮1 mm，胚芽為種子長(zhǎng)1/2為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每日記錄發(fā)芽數(shù)；共記錄28 d，重復(fù)3次。

1.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算與處理

種子發(fā)芽率(GR)、發(fā)芽勢(shì)(GP)及化感效應(yīng)指數(shù)(RI)按下列公式計(jì)算：

GR=(SN1/SN0)×100%；

GP=(SNmax/SN0)×100%；

RI=1-C/T，當(dāng)T≥C時(shí)，

或RI=C/T-1，當(dāng)T

式中：SNl為供試種子發(fā)芽粒數(shù)，SN0為供試種子總粒數(shù)，SNmax為種子發(fā)芽達(dá)到最高峰時(shí)種子發(fā)芽粒數(shù)，以最初7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)計(jì)；C為對(duì)照種子發(fā)芽率，T為處理種子發(fā)芽率。RI表示化感作用強(qiáng)度，正值表示促進(jìn)效應(yīng)，負(fù)值表示抑制效應(yīng)，其絕對(duì)值大小反映化感作用的強(qiáng)弱。

不同物種在不同濃度下各指標(biāo)的差異采用單因變量多因素方差分析(General Linear,Univariate)；不同物種參數(shù)間或同一物種不同濃度間差異采用單因素方差分析(One-way ANOVA)，統(tǒng)計(jì)分析軟件為SPSS(SPSS 19.0 Inc.,Chicago,USA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率的影響

由表1可知，四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率化感作用差異顯著(F=323.13,p<0.05)，且隨著浸提液濃度的升高，其化感效應(yīng)均表現(xiàn)出遞增效應(yīng)(F=303.16，p<0.05)。狗牙根種子在ck處理下的發(fā)芽率為39.3%，隨著處理液濃度升高，紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊莖水浸提液使狗牙根種子發(fā)芽率較對(duì)照分別降低3.4%～30.5%，22.0%～32.2%，24.6%～37.3%和25.4%～45.8%。

表1 不同濃度入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率的影響Table 1 Effects of aqueous extract from 4 invasive plants stems on seed germination percentage of Cynodon dactylon

在浸提液同一濃度下，四種入侵植物對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率的抑制效應(yīng)差異顯著(p<0.05)。在0.50、1.00、2.00 g/L濃度條件下，其抑制強(qiáng)度大小均為：紫莖澤蘭<飛機(jī)草<小飛蓬<腫柄菊(p<0.05)；在0.25 g/L濃度條件時(shí)，四種入侵植物總體上對(duì)狗牙根種子表現(xiàn)出顯著的抑制效應(yīng)(F=100.61，p<0.05)，紫莖澤蘭在該濃度下對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率抑制強(qiáng)度最小(p<0.05)，而其他3種入侵植物對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率抑制效應(yīng)無(wú)顯著差異(p>0.05)。

2.2 四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽勢(shì)的影響

由表2可知，狗牙根種子的發(fā)芽勢(shì)在四種入侵植物莖水浸提液處理下均表現(xiàn)出顯著差異(F=59.03,p<0.05)，且隨著浸提液濃度的升高，狗牙根種子的發(fā)芽勢(shì)表現(xiàn)出明顯遞減效應(yīng)(F=238.85,p<0.05)。狗牙根種子在ck處理下的發(fā)芽勢(shì)為33.3%；與對(duì)照條件相比，在0.25 g/L、0.50 g/L、1.00 g/L和2.00 g/L處理濃度下，紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊水浸提液使狗牙根種子發(fā)芽勢(shì)分別降低8.0%、10.0%、38.0%和54.0%；24.0%、26.0%、32.0%和34.0%；28.0%、36.0%、59.0%和62.0%；及10.0%、18.0%、28.0%和72.0%。

表2 不同濃度入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽勢(shì)的影響Table 2 Effects of aqueous extract from 4 invasive plants stems on seed germination potential of Cynodon dactylon

在浸提液同一濃度下，狗牙根種子發(fā)芽勢(shì)在四種入侵植物間的差異顯著(F=336.64,p<0.05)，但在不同物種入侵植物間隨著其浸提液濃度的增大呈不同的下降規(guī)律(F=9.44,p<0.05)。

2.3 四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

由表3可知，四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽率的化感效應(yīng)敏感指數(shù)值差異顯著(F=134.88,p<0.05)，隨著浸提液濃度的升高，其化感效應(yīng)敏感指數(shù)值為負(fù)值且均呈現(xiàn)顯著升高趨勢(shì)(F=153.06,p<0.05)。在0.25 g/L處理濃度下，狗牙根種子對(duì)紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊莖水浸提液的化感效應(yīng)敏感指數(shù)值為負(fù)值，分別為-0.04、-0.28、-0.34和-0.31；隨著濃度的升高，在濃度為0.50 g/L、1.00 g/L和2.00 g/L時(shí)，狗牙根種子對(duì)紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊莖水浸提液的RI值分別為0.25 g/L時(shí)的1.5倍、8.1倍和12.5倍；1.1倍、1.1倍和1.7倍；1.1倍、1.4倍和1.7倍；及1.4倍、2.1倍和2.7倍。

表3 不同濃度入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子發(fā)芽的化感效應(yīng)Table 3 Allelopathic effects of aqueous extract from 4 invasive plants stems on seed germination percentage of Cynodon dactylon

在浸提液同一濃度下，狗牙根種子RI值四種入侵植物間的差異顯著(F=134.88,p<0.05)。在0.50 g/L、1.00 g/L和2.00 g/L濃度下，四種入侵植物浸提液所對(duì)應(yīng)處理的狗牙根種子RI值大小順序均為：紫莖澤蘭<飛機(jī)草<小飛蓬<腫柄菊(p<0.05)，而在0.25 g/L濃度時(shí)，其狗牙根種子RI值大小順序均為：紫莖澤蘭<飛機(jī)草<小飛蓬(p<0.05)，而飛機(jī)草=腫柄菊(p=0.26)，小飛蓬=腫柄菊(p=0.21)。

3 討 論

外來植物的化感作用是成功入侵的重要機(jī)制之一，它通常從入侵植物的不同部位向周圍環(huán)境以淋漓、凋落物腐化或釋放化感物質(zhì)等方式來抑制其他生物的生存或生長(zhǎng)，從而使自身獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)新生境資源和空間，最終形成優(yōu)勢(shì)群落甚至單優(yōu)群落[1,28-29]。研究表明，菊科入侵植物絕大多數(shù)都具有很強(qiáng)的化感作用，對(duì)農(nóng)、林業(yè)和草原等種子萌發(fā)和生長(zhǎng)具有很大的影響,且植物的不同組成部分的化感影響不同[30]。如：馬纓丹葉、果和莖干不同部位水浸液均對(duì)一串紅(Salvia splendens)種子萌發(fā)和生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著的抑制作用，且以葉水浸液化感作用最強(qiáng)而莖干最弱[31]；亦有研究發(fā)現(xiàn)，馬櫻丹不同部位間的化感作用沒有顯著差異，而與所處環(huán)境影響因素密切相關(guān)[3，14]。對(duì)于紫莖澤蘭化感作用的研究發(fā)現(xiàn)，紫莖澤蘭地上部分的化感作用往往強(qiáng)于地下部分[24，32]，且其化感作用會(huì)隨著生長(zhǎng)發(fā)育期的發(fā)展呈遞增趨勢(shì)[33]；同時(shí)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在一些受體植物上還存在低促高抑現(xiàn)象[34-35]。在本研究中，紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊等四種入侵植物莖水浸提液在不同濃度下對(duì)狗牙根種子的萌發(fā)均具有化感抑制效應(yīng)，且隨著濃度的增大其抑制效應(yīng)越強(qiáng)，這與許多入侵植物的研究結(jié)果基本一致；隨著四種入侵植物莖水浸提液濃度的變化，對(duì)狗牙根種子萌發(fā)抑制作用強(qiáng)度的變化不同，這說明不同入侵植物的化感作用不僅來自于其本身，還與環(huán)境影響密不可分。

入侵植物的生物量主要組成是根、莖和葉，且隨著生長(zhǎng)期推進(jìn)和更替，以葉和莖的生物量積累最大。植物化感作用主要是以凋落物或淋漓形式進(jìn)入生境而產(chǎn)生影響，這樣入侵植物化感作用的成分、濃度和存留時(shí)限將是影響所在生境生物生存和生長(zhǎng)的重要決定因素。本研究在原有對(duì)葉的研究基礎(chǔ)上，選取紫莖澤蘭、飛機(jī)草、小飛蓬和腫柄菊等四種入侵植物的主要生物量組分莖來進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子的萌發(fā)也具有顯著的抑制作用，在試驗(yàn)中不同濃度下對(duì)狗牙根種子萌發(fā)的抑制作用最大能達(dá)到45.8%，說明這四種入侵植物莖對(duì)狗牙根影響也非常大。這與前期對(duì)這四種入侵植物葉水提取物對(duì)狗牙根種子萌發(fā)影響研究存在一定相似規(guī)律，但在相同濃度下其抑制作用要比葉的小[7]。認(rèn)為這四種入侵植物莖生物量也非常大，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致在入侵生境產(chǎn)生較大量的掉落物和淋漓物而增大其化感物濃度；因此，在選用狗牙根草種進(jìn)行相關(guān)替代控制和入侵跡地生態(tài)恢復(fù)時(shí)應(yīng)該高度關(guān)注和進(jìn)行相關(guān)評(píng)估，或在實(shí)施生態(tài)修復(fù)前做相應(yīng)生境的前期處理措施。

此外，本研究對(duì)于試驗(yàn)中所設(shè)置水浸提液與現(xiàn)實(shí)生境土壤的水浸提液在相同濃度作用下是否一致或接近，這也是值得思考和深入研究的科學(xué)問題。結(jié)合入侵植物的生境化感物質(zhì)濃度關(guān)系，如何科學(xué)設(shè)置合理的水浸提液濃度梯度或者在入侵生境取入侵程度不同區(qū)域的土壤直接研究其對(duì)受體植物的化感影響，對(duì)比研究化感作用強(qiáng)度和作用規(guī)律，以及深入分析其發(fā)生作用的生化成分與關(guān)鍵限制因素，將是未來研究外來植物入侵機(jī)理或生態(tài)恢復(fù)機(jī)理的重要科學(xué)問題。

4 結(jié) 論

紫莖澤蘭、小飛蓬、飛機(jī)草和腫柄菊這四種入侵植物莖水浸提液對(duì)狗牙根種子萌發(fā)均具有較強(qiáng)的化感作用，隨著其水浸提液濃度的增強(qiáng)對(duì)狗牙根種子的化感作用不斷增強(qiáng)；應(yīng)用狗牙根進(jìn)行抵御生態(tài)入侵或?qū)θ肭稚驰E地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，需采取適當(dāng)措施來應(yīng)對(duì)入侵植物化感作用的不利影響。