4种针叶纯林枯落叶对3种豆科灌草的化感效应

李 俊，刘增文,2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100； 2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

化感效应在自然界中广泛存在，在森林群落演替、植被恢复、农业及林业生产过程中是一个不可忽视的化学生态因子[1]，其作用利弊共存[2]。国外有很多关于化感效应影响森林植物生长和林草重建的实例，如桉树(Eucalyptusspp.)抑制欧石楠(Ericacarnea)和木麻黄(Casuarinnequiestifolia)生长[3]，佛罗里达州的灌木丛中含有化感物质阻止草本植物及松树(Pinusspp.)的进入，使两者之间形成裸带[4]，美洲黑杨(Populusdeltoides)抑制萝卜(Raphanussativus)种子萌发和幼苗生长[5]等。在国内，起初发现淡黑接骨木(Sambucusnigra)对云杉(Piceaasperata)根系的分布扩展有利[6]，黄栌木(Cotinuscoggygria)与鞑靼槭(Acertataricum)及红瑞木(Swidaalba)与白蜡槭(A.negundo)等在一起生长相互间有促进作用，榆树(Ulmuspumila)和辽东栎(Quercusliaotungensis)及白桦(Betulaplatyphylla)和云杉与油松(P.tabulaeformis)之间均有相互抑制的作用[6]之后，相继有研究表明，木豆(Cajanuscajan)叶片浸提液对黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaarundinacea)和非洲狗尾草(Setariaanceps)等种子萌发和幼苗生长具有不同程度的影响[7]，巨桉(Eucalyptusgrandis)对其林下的紫花苜蓿(Medicagosativa)亦存在明显的化感作用[8]，落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)枯落叶半分解浸提液对水曲柳(Fraxinusmandshurica)种子发芽有明显的促进作用[9]，落叶松枯落叶浸提液对白菜(Brassicarapapekinensis)种子的萌发具有抑制作用[10]等。

在植被生长过程中，乔木层产生大量枯落叶，在土壤微生物的参与下分解，经降水和径流等的淋洗和浸泡后，枯落叶中原有的或在分解过程中形成的化学物质(包括养分物质和化感物质)被释入土壤而对其林下灌木或草本植物产生影响。其中，养分物质起到积极有益的富养作用，化感物质则会产生抑制或促进的化感效应，二者综合作用的结果会使得乔-灌-草植物组合或适宜于一起生长、连栽，或相互抑制。

综上所述，无论从表象还是理论上分析判断均可以认为，种间化感效应是乔-灌-草复合建设中一个不容忽视的关键问题。大量的实地考察发现，在黄土高原地区，很多森林树种出现林下灌草稀疏甚至无草、幼苗生长不良或林下植被更新困难等现象[11]。而目前针对此类现象所进行的研究多从光照、水分和养分条件出发考虑，对化感效应分析不足，事实上，一些林草更新和重建的成败与化感问题密切相关[12]。因此，为避免植被建设的盲目性，保证乔-灌-草复合生态系统的稳定和可持续发展，本研究以黄土高原4种重要的用材和造林针叶乔木为主体，引进紫穗槐(Amorphafruticosa)、毛苕子(Viciavillosa)和草木樨(Melilotusofficinalis)，进行针叶纯林与灌草间化感效应的初步研究，以期为选择和制定适宜黄土高原的乔-灌-草复合生态系统提供理论依据，为探索生产中合理的乔-灌-草复合模式和高产栽培配套技术提供参考。

1 材料和方法

1.1样品采集与处理 针对黄土高原主要针叶树种,油松、侧柏(Platycladusorientalis)、落叶松和樟子松(Pinussylvestrisvar.Mongolica)纯林，于2010年秋末冬初采集当年枯落叶，仔细挑拣(剔除病虫害叶、腐烂叶)、漂洗、晾干，经1 mm筛粉碎备用。

取用黄土高原典型黄绵土作为林木枯落叶分解介质。先用清水反复漂洗土壤以去除各种养分和有机物质，然后风干磨碎过2 mm土壤筛备用。

1.2枯落叶分解培养 将待用黄绵土与4种针叶乔木枯落叶粉碎样分别按照8∶1的干质量比例充分混匀(根据野外实际调查测定林地表层土壤与枯落叶的比例确定)，然后分别取3 kg混合样装入塑料培养钵(直径18 cm，高16 cm)中，加蒸馏水统一调节湿度为田间持水量的60%(预先测定田间持水量，计算应加水量)，并用塑料薄膜(留2个直径为1.5 cm的通气孔)覆盖钵口(保湿)，室温(20～25 ℃)分解培养(等量黄绵土直接培养作为对照处理)，每处理3次重复。培养过程中，每3 d称量培养钵，根据失水情况，揭开钵口用喷水器均匀补充水分，保证湿度不变(培养钵重量保持恒定)。连续培养120 d(2011年5月初-2011年9月初)，直到80%以上枯落叶分解为止。

1.3枯落叶分解浸提液制备 按枯落叶分解样品(含土)90 g，蒸馏水250 mL的比例在室温下浸泡48 h，经定性和定量滤纸双重过滤后，将浸提液装入棕色玻璃瓶中，在灭菌锅内消毒30 min后在常温常压下放置24 h，同样条件下再消毒30 min，重复3次后得到浓度为40 mg·mL-1不含微生物的浸提液母液，在4 ℃冰箱中保存备用，用时按体积比稀释至10、20和40 mg·mL-1。

1.4豆科灌草种子萌发和幼苗生长试验 采用培养皿滤纸法[13]进行种子萌发试验。3种豆科灌草(紫穗槐、毛苕子和草木樨)种子预先用1%的 NaClO消毒30 min，冲洗2～3次，再用蒸馏水冲洗3次。选取籽粒饱满、大小均一的种子置于铺有3层滤纸的培养皿(直径12 cm)中，根据种子大小每皿放置50或100粒，再加入一定量(以淹没种子的1/3为准)不同浓度(分别为0、10、20和40 mg·mL-1)的针叶乔木枯落叶分解浸提液后加盖，置于27 ℃、70%湿度、30 μmol·m-2·s-1，12 h光照条件下进行培养，每处理3次重复。培养期间及时添加相应的浸提液，每天分别在08:00和20:00为培养箱通风30 min。

每隔24 h记录发芽种子数量(以胚根突破皮2 mm为标准)，紫穗槐、毛苕子和草木樨3种植物分别于第7天、第5天和第6天(不再有种子萌发时)计算种子发芽率和发芽速率。随后每隔1 d补充2～3 mL相应浸提液，分别于第13天、第9天和第15天(直到幼苗植株长出两片真叶及侧根后)结束幼苗生长试验，每皿中随机取10株幼苗准确测量苗高和根长，随后将地上部分和幼根分别于105 ℃下杀青30 min后置于75 ℃下烘至质量恒定，称重并计算单株苗干质量和根干质量。幼苗全株丙二醛含量(MDA)用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定[14]。

发芽率(GR)=(发芽种子总数/供试种子总数)×100%；

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)。

式中，Gt为逐日发芽种子数，Dt为相应发芽天数。

1.5数据统计分析 采用SPSS 16.0软件进行单因素方差ANOVA分析(多重比较采用LSD检验法)，文中数据均为3次重复(误差不超过5%)的平均值，用OriginPro 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1植物枯落叶浸提液对紫穗槐、毛苕子和草木樨种子萌发的影响 油松浸提液对紫穗槐种子萌发表现出显著的“低促高抑”规律(表1)。其中20和40 mg·mL-1浸提液对毛苕子发芽率有显著抑制作用(P<0.05)，但对其发芽指数无显著影响，而各个浓度浸提液对草木樨种子萌发均表现出显著抑制作用(P<0.05)，且随处理浓度升高增强。

侧柏各浓度浸提液对紫穗槐种子萌发均无显著影响(P>0.05)(表1)。其中40 mg·mL-1浸提液处理显著降低了毛苕子的发芽率(P<0.05)，其它处理均与对照差异不显著，对毛苕子种子发芽指数无显著影响，而对草木樨种子萌发均表现出显著的促进作用(P<0.05)。

落叶松各浓度浸提液对紫穗槐种子发芽速率均无显著影响(表1)。20和40 mg·mL-1浸提液降低了紫穗槐和毛苕子种子发芽率，40 mg·mL-1浸提液对毛苕子的发芽率和发芽指数均有显著抑制作用(P<0.05)，其它处理对种子萌发影响均不显著，对草木樨种子萌发整体表现为促进作用，且10 mg·mL-1浸提液促进作用最强。

樟子松浸提液对紫穗槐种子发芽速率表现出显著的“低促高抑”(P<0.05)。10 mg·mL-1浸提液对紫穗槐发芽率有显著促进作用(P<0.05)，其它处理均无显著差异(表1)。对毛苕子和草木樨种子萌发均表现为抑制作用，且各处理下，草木樨种子发芽率和发芽指数均显著低于对照(P<0.05)。

2.2植物枯落叶浸提液对紫穗槐、毛苕子和草木樨幼苗生长的影响

2.2.1对豆科灌草幼苗地上部分生长的影响 油松各浓度浸提液对紫穗槐幼苗苗高和苗干质量均无显著影响(P>0.05)，对毛苕子幼苗地上部分生长表现为“低促高抑”，40 mg·mL-1浸提液对毛苕子地上部分的生长表现出显著抑制作用(P<0.05)。各浓度浸提液对草木樨幼苗苗高有显著促进作用(P<0.05)，10 mg·mL-1浸提液显著提高了草木樨幼苗干质量(P<0.05)，较对照提高了25.0%。

侧柏浸提液对紫穗槐幼苗地上部分生长表现为“低促高抑”，但并不显著。各浓度浸提液对毛苕子苗高均有显著促进作用(P<0.05)，较低浓度显著提高幼苗干质量，10 mg·mL-1浸提液显著促进草木樨幼苗地上部分生长，其它浓度影响均不显著。

落叶松10 mg·mL-1浸提液对紫穗槐和草木樨幼苗苗高和苗干质量均有显著促进作用(P<0.05)，其它浓度无显著差异(P>0.05)。对毛苕子幼苗地上部分生长均表现出显著促进作用(P<0.05)，各浓度处理下毛苕子幼苗苗高和苗干质量分别提高了29.5%和24.0%以上。

樟子松各浓度浸提液均显著降低了紫穗槐幼苗苗干质量(P<0.05)。40 mg·mL-1浸提液对紫穗槐幼苗苗高表现出显著抑制作用(P<0.05)，各浓度对毛苕子幼苗地上部分生长和草木樨幼苗苗高均表现出显著促进作用(P<0.05)，10 mg·mL-1浓度显著提高了草木樨幼苗苗干质量(P<0.05)，其它浓度与对照均无显著差异。

2.2.2对豆科灌草幼苗幼根生长的影响 油松浸提液对紫穗槐和毛苕子幼根的生长均表现为显著的“低促高抑”(P<0.05)。10 mg·mL-1浓度浸提液对草木樨幼根生长表现出显著促进作用(P<0.05)，根长和根干质量较对照分别提高21.5%和25.8%，其它浓度处理与对照差异不显著。

侧柏浸提液对紫穗槐幼根的生长整体表现为促进作用，且各浓度对紫穗槐幼苗根长影响显著(P<0.05)。10和20 mg·mL-1浸提液对毛苕子幼苗根长具显著促进作用(P<0.05)，10 mg·mL-1浸提液显著提高了毛苕子幼苗根干质量，各浓度浸提液对草木樨幼苗根干质量均无显著影响，10 mg·mL-1浓度浸提液对幼根伸长表现出显著的促进作用(P<0.05)。

落叶松10 mg·mL-1浸提液显著促进了紫穗槐幼根伸长(P<0.05)，40 mg·mL-1浸提液显著降低了紫穗槐幼苗根干质量(P<0.05)，对毛苕子幼根生长表现为促进作用(P<0.05)，对毛苕子幼苗根长均具显著促进作用(P<0.05)，对草木樨幼根伸长有显著的促进作用(P<0.05)，但对其幼根干质量无显著影响。

表1 4种针叶乔木不同浓度枯落叶分解水浸提液对3种豆科灌草种子萌发的影响Table 1 Effects of different concentrations of water extracts from decomposed leaf litters of four coniferous trees on seed germination of three leguminous shrub and grass species

表2 4种林木不同浓度枯落叶分解浸提液对3种豆科灌草幼苗生长的影响Table 2 Effects of different concentrations of water extracts from decomposed leaf litters of four coniferous trees on seedling growth of three leguminous shrub and grass species

续表2

图1 4种针叶乔木不同浓度的枯落叶分解水浸提液对3种豆科灌草幼苗MDA含量的影响Fig.1 Effects of different concentrations of water extracts from decomposed leaf litters of four coniferous trees on MDA content of A.fruticosa, V.villosa and M.officinalis

樟子松浸提液显著促进了紫穗槐幼苗幼根的伸长(P<0.05)，但对其幼根干质量无显著影响；对毛苕子幼根生长表现出促进作用，且10和20 mg·mL-1浸提液促进作用显著(P<0.05)；10 mg·mL-1浸提液对草木樨幼根的伸长有显著促进作用(P<0.05)，但对其根干质量无显著影响。

2.3植物枯落叶浸提液对紫穗槐、毛苕子和草木樨幼苗MDA含量的影响 丙二醛产生数量的多少在一定程度上能够代表植物膜脂过氧化的程度[15]。油松浸提液提高了紫穗槐幼苗体内MDA含量(图1A)，且随浸提液浓度升高MDA含量升高。10和20 mg·mL-1浸提液显著降低毛苕子幼苗MDA含量，40 mg·mL-1浸提液显著增加幼苗MDA含量 (P<0.05)；10 mg·mL-1浸提液显著降低草木樨幼苗MDA含量，其它浓度对其影响不显著。

侧柏10和20 mg·mL-1浸提液显著降低了紫穗槐幼苗MDA含量(图1B)，对毛苕子幼苗MDA含量具显著降低作用(P<0.05)，且MDA含量随浸提液浓度的降低而降低，20和40 mg·mL-1浸提液可显著提高草木樨幼苗MDA含量，10 mg·mL-1对其含量无显著影响。

落叶松40 mg·mL-1浸提液显著增加紫穗槐幼苗MDA含量(P<0.05)，10 mg·mL-1浸提液显著降低毛苕子幼苗MDA含量 (P<0.05)，对草木樨幼苗MDA含量无显著影响(图1C)。

樟子松各浓度浸提液对紫穗槐幼苗MDA含量均无显著影响(图1D) ，而对毛苕子和草木樨幼苗MDA含量具显著降低作用(P<0.05)。

3 讨论与结论

MDA是生物膜系统脂质过氧化的有害产物之一，能与细胞内各种成分发生强烈反应，引起酶和膜的严重损伤，最终导致膜结构及生理完整性的破坏。其含量水平可指示脂质过氧化强度和膜系统的伤害程度，含量越高表明化感物质引起受体植物细胞内活性氧水平越高，发生氧化胁迫的可能性就越大[16-17]。研究发现，随着针叶乔木枯落叶浸提液浓度的升高，3种豆科灌草幼苗叶内MDA含量也增加，并且豆科灌草幼苗体内MDA含量分析结果与其幼苗生长的分析结果相吻合(图1)。即豆科灌草幼苗MDA含量低于对照，则幼苗受害程度轻，生长状况显著优于对照，反之，MDA含量升高，幼苗受害程度增强，生长发育受抑，这与郑丽和冯玉龙[18]、袁娜等[19]的研究结果类似。表明针叶乔木枯落叶化感效应对豆科灌草幼苗生长的影响很可能与其引起MDA含量的变化有关，同时MDA含量可能是衡量化感效应的最敏感指标。

研究结果还表明，油松和樟子松低浓度浸提液对草木樨种子萌发，油松低浓度浸提液对紫穗槐和毛苕子种子萌发和幼苗生长，侧柏低浓度浸提液对草木樨以及落叶松低浓度浸提液对紫穗槐的幼苗生长均具有促进作用，然而高浓度下均具较强抑制作用。这种“低浓度促进高浓度抑制”的化感效应在其它植物化感效应的研究中也有较多报道[19-21]。浸提液中化感物质浓度高，对受体植物生长的抑制作用就强，当化感物质未达到一定浓度时，对受体植物生长影响不明显，甚至具一定促进作用[22]，这与Xuan[23]研究紫花苜蓿能促进水稻(Oryzesativa)增产试验的结果基本一致。某些化感物质进入土壤后经土壤动物和微生物作用，性质和化感强度会发生变化，影响化感物质的迁移并减弱其化感潜能[24]。然而本研究结果发现，油松、落叶松、侧柏和樟子松低浓度浸提液对毛苕子幼苗生长整体均表现出促进作用。这可能是由于枯落叶在混土培养分解过程中，土壤微生物对化感物质进行了降解和分解，使浸提液中能产生抑制作用的化感物质的量不能累积到其产生化感作用的阈值[1]。此外，枯落叶的分解增加了土壤中有机质的含量，部分有机物质在分解过程中经微生物作用直接转化为腐殖质[25]，提高了土壤养分含量，从而对植物灌草种子生长表现出促进作用。

利用枯落叶经混土室内分解培养获得的浸提液进行的试验结果与利用直接淋洗枯落叶得到的试验结果[19]之间存在一定差异，说明土壤分解会对树木枯落叶化感物质和养分物质的释放产生影响。土壤结构、土壤成分以及培养条件的差异等都会影响枯落叶分解的结果。在自然状态下，化感物质主要是通过雨雾淋溶和枯落物分解进入土壤引发化感效应[26]。因此，本试验以相同的土壤(黄绵土)作为枯落叶分解介质，将4种林木枯落叶粉碎混入土壤分解后再用蒸馏水浸提，类似于枯落叶在土壤中自然腐解，最大限度的使研究结果接近于自然中的实际情况。虽然以分解浸提液为培养基质进行的室内的种子发芽和幼苗生长试验结果并不具有完全代表性，仅能初步检验是否存在潜在的化感现象，但是，本研究结果表明化感效应的产生会受到土壤的影响，同时试验结果最大程度地反映出不同林木对灌草植物存在的潜在化感效应。这对林草复合生态系统的合理构建作具有重要的理论指导意义，而关于种间化感效应方式和作用机理等问题还有待更深入的研究。

总体来看，油松浸提液对毛苕子和草木樨种子萌发有抑制作用，低浓度浸提液显著促进了草木樨幼苗生长(P<0.05)；侧柏浸提液对草木樨种子萌发有促进作用，有利于毛苕子地上部分和紫穗槐幼根生长；落叶松浸提液抑制了紫穗槐和毛苕子种子萌发，促进了草木樨种子萌发以及毛苕子幼苗和草木樨幼根生长；樟子松浸提液抑制了毛苕子和草木樨种子萌发以及紫穗槐幼苗地上部分生长，低浓度浸提液显著促进了草木樨幼苗生长(P<0.05)。本研究结果表明，幼苗MDA含量可能是衡量4种针叶纯林枯落叶化感效应最敏感的指标，毛苕子和草木樨对其化感效应的敏感性较强，但紫穗槐较弱。

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