入侵植物野胡蘿卜浸提液對(duì)4種草坪草的化感效應(yīng)

廖博通, 陳 琳, 劉志華, 劉陽(yáng)華, 文明英, 向國(guó)紅

1衡陽(yáng)市蔬菜研究所, 湖南 衡陽(yáng) 421000; 2湖南人文科技學(xué)院, 湖南 婁底 417000

化感作用是指植物或微生物通過向環(huán)境釋放化感物質(zhì),從而對(duì)自身或其他植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生有利或有害的作用(Kaliszetal.,2021; Kayanifaroetal.,2017)?；形镔|(zhì)幾乎存在于植物體的各個(gè)器官中,不同器官所產(chǎn)生的化感物質(zhì)對(duì)植物的影響具有一定的差異(Peng,2019)。自然條件下,植物化感物質(zhì)主要通過根系分泌、地上部淋溶、莖葉揮發(fā)和植株枯落物在土壤中降解等方式釋放到自然界,化感物質(zhì)的釋放是外來入侵植物成功入侵的重要因子(Saraetal.,2012; Zhangetal.,2021)。多數(shù)入侵植物具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、繁殖能力強(qiáng)等特點(diǎn),通過植物化感途徑影響本土植物生長(zhǎng),廣泛存在于農(nóng)田、荒地、草地、林地和濕地等生態(tài)環(huán)境中(李玉霞等,2019; 廖慧璇等,2021)。入侵到農(nóng)作物區(qū),通過釋放化感物質(zhì),影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育(李澳然等,2020; 盧東升等,2019),如假臭草EupatoriumcatariumVeldkamp水浸提液對(duì)4種作物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)均有較強(qiáng)的化感作用,且隨著浸提液濃度的增大,化感效應(yīng)顯著增強(qiáng)(馬永林等,2016);入侵到荒地,通過迅速定居和分泌化感物質(zhì),抑制本土植物種子萌發(fā)和生長(zhǎng),影響本土植物的株數(shù)和地上生物量(李鳳蘭等,2020; 桂富榮等,2011),如薇甘菊MikaniamicranthaH.B.K.水溶性化感物質(zhì)能夠促進(jìn)有效氮的生成,進(jìn)而促進(jìn)自身生長(zhǎng)并抑制本地植物的生長(zhǎng)(鄭亞萍等,2021);入侵到草地生態(tài)區(qū),一方面向周圍環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生化感作用,影響草地植物的生長(zhǎng),另一方面與本地植物競(jìng)爭(zhēng)資源,減少原有群落中的優(yōu)勢(shì)植物,降低群落物種多樣性,影響草地功能,惡化草場(chǎng)質(zhì)量(魯京慧,2018; 趙威等,2017)。

野胡蘿卜DaucuscarotaL.原產(chǎn)于歐洲,是傘形科胡蘿卜屬兩年生草本植物,全國(guó)各地均有分布(張玥等,2021),在我國(guó)部分地區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)中已成為惡性入侵植物(曹婧等,2020)。研究表明,野胡蘿卜水浸提液對(duì)禾本科雜草具有一定的化感作用(陶俊杰等,2014),但關(guān)于野胡蘿卜水浸提液對(duì)草坪草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)采用室內(nèi)生物測(cè)定的方法,研究野胡蘿卜根、莖、葉不同濃度水浸提液對(duì)白三葉TrrifoliumrepensL.、黑麥草LoliumperenneL.、翦股穎AgrostisstoloniferaL.和高羊茅FestucaarundinaceaL.種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響,旨在探究野胡蘿卜不同部位浸提液的化感差異,評(píng)價(jià)不同草坪草對(duì)野胡蘿卜化感作用的耐受差異,為野胡蘿卜入侵嚴(yán)重地區(qū)草地的建植及入侵機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2021年6月,在湖南省衡陽(yáng)市泉溪鎮(zhèn)(26°87′N,112°75′E ,平均海拔78 m)采集野胡蘿卜根系和莖葉。白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅種子購(gòu)于北京正道生態(tài)科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 野胡蘿卜水浸提液的制備 參考姚樹寬等(2018)的方法,將采集到的野胡蘿卜根、莖和葉分開,蒸餾水洗凈,所有樣品經(jīng)自然風(fēng)干后剪成1～2 cm的長(zhǎng)度進(jìn)行粉碎,粉碎后過0.425 mm孔徑篩。分別稱取野胡蘿卜根、莖和葉粉末40 g,加1000 mL蒸餾水在25 ℃條件下,120 r·min-1振蕩浸提48 h,用3層紗布和雙重濾紙過濾浸提液,再用孔徑為0.45 μm微孔濾膜過濾,得到濃度為40 g·L-1的野胡蘿卜根、莖和葉浸提液母液,再用蒸餾水稀釋成10、20、30 g·L-1浸提液,4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 化感作用測(cè)定 采用培養(yǎng)皿濾紙發(fā)芽法進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)(周娟娟等,2021),選50粒大小均勻顆粒飽滿的供試草坪草種子,用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒10 min,無菌水沖洗5次,再用濾紙吸干種子表面水分,置于直徑為9 cm鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中。分別加入不同濃度的野胡蘿卜根、莖和葉浸提液5 mL,以蒸餾水為對(duì)照(CK),每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù),在25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中12 h光照培養(yǎng),每天適當(dāng)補(bǔ)充浸提液和蒸餾水以保持濕潤(rùn)。

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法 每日以胚芽突破種皮1 mm為標(biāo)準(zhǔn)記錄發(fā)芽種子數(shù),第5 天計(jì)算發(fā)芽勢(shì)(germination potential,PG),第7 天計(jì)算發(fā)芽率(germination rate,RG)、發(fā)芽指數(shù)(germination index,IG)、活力指數(shù)(vigor index,IV),第7天從培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取10株幼苗,用精度為1 mm的直尺測(cè)量幼苗根長(zhǎng)(root length,LR)和芽長(zhǎng)(shoot length,LS)。

PG/%=5 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子×100;

RG/%=7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子×100;

IG=∑(tG/t);

IV=IGS;

式中:tG為逐日發(fā)芽數(shù),t為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù),S為發(fā)芽周期結(jié)束時(shí)的芽長(zhǎng)。

參照Williamsonetal. (1988)的方法,計(jì)算化感效應(yīng)指數(shù)(response index,IR),IR=1-C/T(T≥C)或IR=T/C-1(T0表示促進(jìn)作用,IR<0為抑制作用,絕對(duì)值的大小與化感作用強(qiáng)度一致。

化感綜合效應(yīng)指數(shù)(synthetic effects of allelopathic index,ISE)為同一浸提液處理對(duì)同一受體植物各個(gè)測(cè)試指標(biāo)IR的算術(shù)平均值,ISE=(IR1+IR2+IR3+IR4+IR5+IR6)/6,式中,IR1～I(xiàn)R6分別為發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)的化感效應(yīng)指數(shù)。ISE<0為抑制作用,ISE>0為促進(jìn)作用,絕對(duì)值大小表示化感效應(yīng)作用強(qiáng)度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素(one-way ANOVA)和三因素方差分析(three-way ANOVA),Duncan氏法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)受體植物種子發(fā)芽率的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發(fā)芽率呈降低趨勢(shì),黑麥草發(fā)芽率在野胡蘿卜根、葉浸提液處理下,高羊茅發(fā)芽率在野胡蘿卜莖、葉浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低的趨勢(shì)(表1)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)白三葉和翦股穎的發(fā)芽率抑制程度大于黑麥草和高羊茅的,且在浸提液濃度為40 g·L-1時(shí),4種草坪草的發(fā)芽率均為最低值,與CK相比,均具顯著差異(P<0.05)。在根浸提液處理下分別降低71.53%、12.95%、46.06%和16.08%,在莖浸提液處理下分別降低56.94%、10.08%、52.81%和11.18%,在葉浸提液處理下分別降低100.00%、15.83%、79.77%和34.26%。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)4種草坪草發(fā)芽率的抑制情況總體表現(xiàn)為葉的抑制強(qiáng)度大于根和莖。

表1 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草種子的發(fā)芽率

2.2 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)受體植物種子發(fā)芽勢(shì)的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發(fā)芽勢(shì)呈降低趨勢(shì),黑麥草和高羊茅發(fā)芽勢(shì)在野胡蘿卜根、莖浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(shì)(表2)。當(dāng)根浸提液濃度為10 g·L-1時(shí),白三葉和翦股穎的發(fā)芽勢(shì)與CK相比,分別降低了34.09%和39.09%,均顯著低于CK (P<0.05),黑麥草和高羊茅的發(fā)芽勢(shì)與CK相比分別增加了6.26%和7.64%,差異均不顯著;在莖浸提液濃度為10 g·L-1時(shí),白三葉和翦股穎的發(fā)芽勢(shì)與CK相比,分別降低了5.31%和35.64%,其中翦股穎的發(fā)芽勢(shì)顯著低于CK (P<0.05),黑麥草和高羊茅的發(fā)芽勢(shì)分別增加了3.13%和6.11%,與CK差異均不顯著;在葉浸提液濃度為10 g·L-1時(shí),白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發(fā)芽勢(shì)與CK相比,分別降低了81.06%、2.34%、20.69%和0.72%,其中白三葉和翦股穎的發(fā)芽勢(shì)顯著低于CK (P<0.05)。當(dāng)浸提液濃度為40 g·L-1時(shí),白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發(fā)芽勢(shì)均顯著低于CK (P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了71.97%、25.78%、62.07%和11.45%,在莖浸提液處理下分別降低了56.82%、15.62%、70.12%和5.34%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、36.72%、80.47%和29.77%。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)4種草坪草的發(fā)芽勢(shì)抑制情況總體表現(xiàn)為葉的抑制強(qiáng)度大于根和莖。

表2 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的發(fā)芽勢(shì)

2.3 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)受體植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉和翦股穎的發(fā)芽指數(shù)呈降低趨勢(shì),與CK相比,均具有顯著差異(P<0.05),黑麥草的發(fā)芽指數(shù)在野胡蘿卜莖浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(shì),高羊茅的發(fā)芽指數(shù)在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液處理下,隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(shì)(表3)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)白三葉和翦股穎的發(fā)芽指數(shù)抑制程度大于黑麥草和高羊茅,且浸提液濃度為40 g·L-1時(shí),白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅4種草坪草的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最低值,與CK相比,均具有顯著差異(P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了79.29%、35.96%、71.66%和17.33%,在莖浸提液處理下分別降低了78.37%、25.58%、70.43%和13.74%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、37.05%、81.93%和48.39%。

表3 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的發(fā)芽指數(shù)

2.4 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)受體植物種子活力指數(shù)的影響

隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的增加,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數(shù)呈降低趨勢(shì),高羊茅的發(fā)芽指數(shù)隨濃度的增加呈先增高后降低趨勢(shì)(表4)。當(dāng)根浸提液濃度為10 g·L-1時(shí),白三葉和翦股穎的活力指數(shù)分別降低了54.52%和24.57%,顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數(shù)增加了37.75%,顯著高于CK (P<0.05);在10 g·L-1莖浸提液處理下,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數(shù)分別降低了10.33%、12.31%和33.87%,其中翦股穎的活力指數(shù)顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數(shù)增加了34.91%,顯著高于CK(P<0.05);在10 g·L-1葉浸提液處理下,白三葉、黑麥草和翦股穎的活力指數(shù)分別降低了90.86%、23.67%和5.97%,其中白三葉和黑麥草的活力指數(shù)顯著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指數(shù)增加了2.58%,與CK相比差異不顯著。當(dāng)浸提液濃度為40 g·L-1時(shí),白三葉、黑麥草、翦股穎和高羊茅的發(fā)芽指數(shù)顯著低于CK (P<0.05),在根浸提液處理下分別降低了82.31%、45.50%、64.91%和29.68%,在莖浸提液處理下分別降低了82.40%、52.30%、73.41%和21.52%,在葉浸提液處理下分別降低了100%、69.16%、83.62%和79.64%。

表4 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的活力指數(shù)

2.5 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)4種草坪草根長(zhǎng)的影響

由表5可知,在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1時(shí),白三葉根長(zhǎng)均顯著低于CK (P<0.05),葉浸提液濃度為40 g·L-1時(shí)為最低值,降低了100%;在野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1時(shí),黑麥草根長(zhǎng)均顯著低于CK (P<0.05),根、莖浸提液濃度為40 g·L-1時(shí)為最低值,分別降低了47.28%、38.49%;在野胡蘿卜根浸提液濃度為10 g·L-1時(shí),翦股穎根長(zhǎng)顯著高于CK (P<0.05),隨著浸提液濃度的增加根長(zhǎng)逐漸降低,與CK差異不顯著,在莖浸提液濃度≥20 g·L-1,葉浸提液濃度≥10 g·L-1處理時(shí),與CK差異顯著(P<0.05);高羊茅的根長(zhǎng)與CK相比,在根浸提液濃度≥10 g·L-1,莖浸提液濃度≥30 g·L-1,葉浸提液濃度≥20 g·L-1時(shí),差異顯著(P<0.05),浸提液濃度為40 g·L-1時(shí)為最低值,分別降低了50.81%、31.27%、53.75%。

表5 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的根長(zhǎng)

2.6 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)4種草坪草芽長(zhǎng)的影響

由表6可知,在葉浸提液濃度為40 g·L-1時(shí),白三葉的芽長(zhǎng)顯著低于CK (P<0.05);黑麥草的芽長(zhǎng)與CK相比,在根浸提液濃度≥30 g·L-1,莖、葉浸提液濃度≥10 g·L-1處理時(shí)差異顯著(P<0.05),莖、葉浸提液濃度為40 g·L-1時(shí)為最低值,分別降低了36.63%、50.82%;高羊茅的芽長(zhǎng)與CK相比,在葉浸提液濃度≥20 g·L-1時(shí)顯著低于CK (P<0.05),在根、莖、葉浸提液濃度為40 g·L-1時(shí)最低,分別降低了14.95%、9.35%、60.44%。

表6 野胡蘿卜不同部位浸提液處理下4種草坪草的芽長(zhǎng)

2.7 影響草坪草種子萌發(fā)的三因素交互作用分析

單因素方差分析下,草坪草品種、浸提液種類及濃度對(duì)草坪草種子萌發(fā)存在極顯著影響(P<0.01)(表7)。雙因素方差分析下,浸提液種類和浸提液濃度交互作用對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)存在極顯著影響(P<0.01);浸提液種類和草坪草品種交互作用對(duì)草坪草種子萌發(fā)有極顯著影響(P<0.01);浸提液濃度和草坪草品種交互作用對(duì)發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和芽長(zhǎng)具有極顯著影響(P<0.01),對(duì)根長(zhǎng)有顯著影響(P<0.05)。在三因素方差分析中,浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種的互作對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)有極顯著影響(P<0.01),對(duì)根長(zhǎng)有顯著影響(P<0.05)。從浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種對(duì)草坪草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的交互作用分析來看,浸提液濃度因素影響較弱。

表7 浸提液種類、濃度和草坪草品種對(duì)草坪草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)影響的三因素方差分析

2.8 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)4種草坪草的化感綜合效應(yīng)

野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)白三葉、黑麥草和翦股穎種子均存在一定的化感抑制作用,隨著野胡蘿卜浸提液濃度的增加,其化感抑制作用逐漸加強(qiáng)(表8)。野胡蘿卜根、莖、葉浸提液對(duì)高羊茅種子則表現(xiàn)為“低促高抑”的雙重效應(yīng)。4種草坪草種子中,白三葉、翦股穎比黑麥草、高羊茅更易受野胡蘿卜浸提液的影響,其中野胡蘿卜根、葉浸提液對(duì)4種草坪草種子的抑制作用強(qiáng)弱順序?yàn)榘兹~>翦股穎>黑麥草>高羊茅,野胡蘿卜莖浸提液對(duì)4種草坪草種子的抑制作用強(qiáng)弱順序?yàn)轸骞煞f>白三葉>黑麥草>高羊茅。

表8 野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)4種草坪草的化感綜合效應(yīng)指數(shù)

3 討論

化感作用是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的一種適應(yīng)機(jī)制,有利于提高植物競(jìng)爭(zhēng)資源和空間的優(yōu)勢(shì),化感物質(zhì)能抑制種子胚生長(zhǎng)、影響種子細(xì)胞結(jié)構(gòu)并干擾種子中活性氧的產(chǎn)生與積累、打破種子內(nèi)源激素平衡等(Toshihiro,2019)。植物化感作用強(qiáng)弱與受試植物種類、浸提液部位及濃度有關(guān)(趙威等,2017)?；形镔|(zhì)主要是植物次生代謝產(chǎn)物,自然界中常見的化感物質(zhì)有酚類、萜類和生物堿類物質(zhì)等(師小平等,2020)。

本研究表明,隨著野胡蘿卜根、莖、葉浸提液濃度的逐漸增大,白三葉和翦股穎的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的降低,且隨著浸提液濃度的升高抑制效果加強(qiáng)。這與星毛委陵菜PotentillaacaulisL.莖葉和根系水浸提液對(duì)5種牧草種子萌發(fā)的影響基本一致(任秀珍等,2010)。黑麥草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和高羊茅的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在根浸提液處理下,黑麥草的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和高羊茅的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在莖浸提液處理下,黑麥草的發(fā)芽率和高羊茅的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在葉浸提液處理時(shí)均呈現(xiàn)出“低促高抑”的雙重效應(yīng)。陶俊杰等(2014)在研究野胡蘿卜水浸提液對(duì)2種禾本科雜草的化感作用中發(fā)現(xiàn),隨著浸提液濃度的增加,對(duì)雀麥BromustectorumL.種子化感抑制作用增強(qiáng),對(duì)野燕麥AvenafatuaL.種子的化感作用整體表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象,這與本研究結(jié)果基本一致。

4種草坪草對(duì)野胡蘿卜不同部位、不同濃度的化感耐受力表現(xiàn)出一定的差異,野胡蘿卜相同部位、相同濃度浸提液對(duì)4種草坪草的化感作用也不同,可能野胡蘿卜的化感物質(zhì)在不同部位具有差異,野胡蘿卜化感作用具有一定物種選擇性及濃度效應(yīng)(任秀珍等,2010)。通過對(duì)野胡蘿卜浸提液種類、浸提液濃度和草坪草品種進(jìn)行三因素方差分析發(fā)現(xiàn),浸提液濃度對(duì)草坪草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)影響相對(duì)較弱,這與李鈺瑩等(2020)研究黃花蒿ArtemisiaannuaL.浸提液對(duì)4種草坪草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響的三因素交互作用分析結(jié)果基本一致?；芯C合效應(yīng)指數(shù)表明,野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)高羊茅的化感作用表現(xiàn)為“低促高抑”的雙重效應(yīng),白三葉、黑麥草和翦股穎則表現(xiàn)為抑制作用,野胡蘿卜浸提液對(duì)白三葉和翦股穎的化感抑制作用強(qiáng)于黑麥草和高羊茅,原因可能是不同草坪草品種間的耐受差異,具體原因需要做深入細(xì)致的研究。王輝等(2022)研究發(fā)現(xiàn),3種供試牧草對(duì)舟葉橐吾Ligulariacymbulifera(W. W. Smith)Hand.-Mazz.植株浸提液的敏感程度也有差異。野胡蘿卜不同部位浸提液對(duì)4種草坪草的化感作用有一定差異,其中葉浸提液的化感作用最強(qiáng)。這與袁著耕等(2017)對(duì)刺蒼耳XanthiumspinosumL.不同部位水浸提液的研究中得出其葉浸提液的化感作用最強(qiáng)的結(jié)果一致。本研究結(jié)果可為野胡蘿卜入侵嚴(yán)重地區(qū)草坪的建植提供一定理論依據(jù)。