刺槐根际土壤水浸提液对5种常见园林植物种子萌发及幼苗生长的化感作用

(1.西安建筑科技大学建筑学院， 陕西 西安 710048；2.西安工程大学服装与艺术设计学院， 陕西 西安 710048；3.西安工业大学艺术与传媒学院， 陕西 西安 710048)

植物在生长过程中，通过挥发、淋溶、根系分泌及残枝腐解等途径不断向周围环境中释放化感物质，对自身或周围植物产生直接或间接的促进或抑制作用，称为化感作用[1]。大量研究认为，合理利用化感作用可有效控制农田杂草[2]、提升作物病虫害防治效果[3]和减轻连作障碍危害[4]。随着我国经济的飞速发展和绿色环保观念的日益加强，人们对园林绿化提出了越来越高的要求。然而，化感作用在园林植物的研究和利用中起步较晚，我国园林植物配置仍主要以生产和实践经验为主，缺乏科学合理的数据支撑，搭配不合理常导致绿化植物生长发育欠佳，严重影响园林绿化景观的生态效益[5-7]。因此，如何利用植物的化感作用来对园林植物进行科学合理配置、提升园林绿化功能，已成为当前园林绿化中急需解决的关键问题[8-9]。

刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)，又称洋槐、刺儿槐，属豆科刺槐属多年生乔木。原产于北美洲，具有较强的适应性和较高的观赏价值，现已在我国园林绿化中广泛应用。在园林绿化中，刺槐常孤植或与草坪草等其他园林植物混植，增加园林绿化层次，提升景观效果[10]。随着刺槐种植年限的延长，常出现草坪草等配置植物生长不良、逐年退化的现象，这些现象是否由刺槐化感作用引起，哪些植物受刺槐化感作用影响较小，哪些植物适宜进行配置，目前尚未见相关报道。

因此，本研究以5年树龄的刺槐为试材，研究根际土壤水浸提液对5种常见园林植物种子萌发、幼苗生长及生理指标的影响，以期探明刺槐的化感作用，为园林绿化植物配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试土壤采自陕西省西安植物园，选取5年树龄的刺槐，采用五点取样法取样。根际土壤取样采用抖落法，即采集直径小于0.5 cm的刺槐细根并装袋，于实验室自然风干，抖落根际土壤并混匀研碎，过0.25 mm筛去杂物备用。5种受体园林植物分别为一串红(SalviasplendensKer-Gawler)、高羊茅(Festucaelata)、红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop)、结缕草(ZoysiajaponicaSteud.)及鸡冠花(CelosiacristataL.)，均由陕西植物研究所提供。

注：图中不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。图1 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物种子萌发的影响

1.2 方 法

1.2.1实验设计

参照陈艳芳等[11]的方法进行刺槐根际土壤水浸提液制备，并用蒸馏水稀释成0.25 g·mL-1、0.5 g·mL-1和1.0 g·mL-13种浓度。选取大小均匀一致的受体植物种子进行萌发实验，种子采用高锰酸钾消毒预处理后，放入铺有2层定性滤纸的培养皿中培养，每皿50粒，5种受体植物种子分别加入不同质量浓度的刺槐根际土壤水浸提液5.0 mL，以添加等量的蒸馏水为对照(ck)，共20个处理，每处理重复3次，于人工气候箱(温度：24 ℃ 日/14 ℃ 夜；光周期：16 h 暗/8 h 光；湿度：80%)中随机区组培养。5种受体植物幼苗采用盆栽法进行种植，每盆定植1株，花盆规格为20 cm×25 cm，栽培基质为草炭土，2018年5月从定植苗种选取长势、大小一致的受体植物幼苗进行化感试验。分别采用3种浓度的刺槐根际土壤水浸提液对受体植物进行浇灌，每周浇灌60 mL，以浇灌等量蒸馏水为对照(ck)，共20个处理，每处理30株，重复3次。试验期间给予正常的水肥及病虫管理。胁迫处理60 d后，进行各处理形态及生理指标测定。

1.2.2测定指标及方法

以胚根突破中皮为萌发标准，于播种后第2天进行发芽数统计；生长指标测定主要测定各受体植株的株高、茎粗和总干重；叶绿素含量测定采用丙酮-乙醇混合法；叶片细胞膜透性采用相对电导法(RC)测定；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸比色法；分别采用抑制NBT光还原比色法、愈疮木酚法和紫外分光光度法进行超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性测定。

1.2.3数据分析

发芽率(%)=(种子萌发数/培养皿总种子数)×100%；

发芽势(%)=(发芽高峰期种子萌发数/培养皿总种子数)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt(Dt表示相应天数，Gt表示第t天的发芽数)。

化感隶属值(RI)按如下公式计算：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

RI>0为化感促进，RI<0为化感抑制，若某一指标不利于植物生长，则化感促进或抑制相反，绝对值越大表示化感作用越强，用各指标的化感隶属值累加值综合评价浸提液的化感效应。用Excel 2013软件进行实验数据整理、计算及作图，采用SPSS 18.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物种子萌发的影响

不同质量浓度的刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物的种子萌发存在不同程度的影响(图1)。水浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花的种子萌发均受到轻微抑制，发芽率较对照分别降低10%、3.3%、10.23%、4.44%和7.69%；发芽势较对照分别降低12%、5.56%、11.43%、5.41%和12.82%；发芽指数较对照分别降低21.31、7.83、22.01、6.02和17.34，5种园林植物种子的发芽率及发芽势较对照均未达到显著差异水平(p>0.05)，而一串红、红豆草及鸡冠花的发芽指数较对照均达到显著差异水平(p<0.05)。随着水浸提液质量浓度的升高，5种园林植物种子萌发受到的化感抑制越强。水浸提液质量浓度为0.5 g·mL-1时，一串红、红豆草及鸡冠花的发芽率、发芽势及发芽指数较对照均达到显著差异水平(p<0.05)，而高羊茅、结缕草的发芽率及发芽势较对照未达到显著差异水平(p>0.05)；水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花的种子萌发受到严重的化感抑制，发芽率较对照分别降低44.44%、14.29%、45.45%、17.78%和36.26%；发芽势较对照分别降低58.67%、33.33%、58.57%、32.43%和50%；发芽指数较对照分别降低81.67%、35.7%、82.91%、35.86%和69.08%。说明刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物的种子萌发存在化感抑制作用，抑制程度由轻到重依次为高羊茅、结缕草、鸡冠花、一串红和红豆草。

表1 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗生长的影响

植物不同处理/(g·mL-1)株高/cm茎粗/cm总干重/g一串红03.86±0.43a0.84±0.25a1.81±0.39a0.253.42±0.48a0.77±0.21a1.64±0.36a0.53.03±0.41b0.68±0.19b1.43±0.41b12.59±0.45c0.56±0.23c1.25±0.38c高羊茅012.75±2.52a0.75±0.15a2.98±0.31a0.2512.04±2.43a0.71±0.21ab2.81±0.45ab0.511.02±2.13b0.66±0.18bc2.58±0.28b19.63±2.26c0.58±0.13c2.35±0.36c红豆草04.65±0.32a0.79±0.33a1.31±0.49a0.254.02±0.28b0.71±0.31ab1.18±0.46a0.53.53±0.26c0.62±0.28b1.01±0.41b13.05±0.35d0.54±0.34c0.89±0.44c结缕草06.25±0.38a0.81±0.33a1.85±0.55a0.255.78±0.41ab0.76±0.31ab1.74±0.53ab0.55.22±0.36bc0.69±0.28b1.59±0.49b14.85±0.39c0.61±0.34c1.41±0.51c鸡冠花08.78±0.62a1.01±0.36a2.31±0.52a0.257.98±0.57ab0.93±0.32ab2.13±0.48a0.57.06±0.63bc0.82±0.29b1.88±0.51b16.08±0.59c0.73±0.34c1.7±0.44c

注：表中同列不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

2.2 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗生长的影响

刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗生长存在不同程度的化感抑制作用(表1)。浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，5种园林植物幼苗的株高、茎粗及总干重均受到轻微抑制，株高较对照分别降低11.4%、5.57%、13.55%、7.52%和9.11%；茎粗较对照分别降低8.33%、5.33%、10.13%、6.17%和7.92%；总干重较对照分别降低9.39%、5.7%、9.92%、5.95%和7.79%，较对照均未达显著差异水平(p>0.05)。随着水浸提液质量浓度的升高，5种园林植物幼苗生长受抑制程度越严重。水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花幼苗的株高较对照分别降低32.9%、24.47%、34.41%、22.4%和30.75%；茎粗较对照分别降低33.33%、22.67%、31.65%、24.69%和27.72%；总干重较对照分别降低30.94%、21.14%、32.06%、23.78%和26.41%。说明刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物的幼苗生长具有明显的化感抑制，抑制程度由轻到重依次为高羊茅、结缕草、鸡冠花、一串红和红豆草。

2.3 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的光合色素，其含量高低与光合强度、叶片色泽及彩化度密切相关。如图2所示，随着刺槐根际土壤水浸提液浓度的升高，5种园林植物幼苗的叶绿素含量逐渐降低，且不同植物的下降幅度存在明显差异。水浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花幼苗叶片的叶绿素含量较对照分别降低17.57%、13.58%、21.61%、9.06%和12.79%，较对照均未达显著差异水平(p>0.05)；水浸提液质量浓度为0.5 g·mL-1时，一串红、红豆草及鸡冠花幼苗叶片的叶绿素含量较对照均达显著差异水平(p<0.05)，而高羊茅和结缕草则与对照差异不显著(p>0.05)；水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，5种园林植物幼苗叶片的叶绿素含量较对照分别降低60.36%、41.56%、67.8%、39.25%和52.71%，较对照均达显著差异水平(p<0.05)。说明刺槐根际土壤水浸提液可明显降低5种园林植物幼苗的叶绿素含量，降低幅度由小到大依次为高羊茅、结缕草、鸡冠花、一串红和红豆草。

图2 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗叶绿素含量的影响

表2 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗抗氧化酶活性的影响

植物不同处理/(g·L-1)SOD/(U·g-1)POD/[U·(g·min)-1]CAT/[U·(g·min)-1]一串红0183.28±3.56a89.63±1.77a262.31±1.93a10249.76±2.38b117.56±1.62b318.86±2.38b30141.25±2.29c110.31±1.83c227.38±1.52c50103.56±1.83b56.31±1.25b173.35±1.67b高羊茅0174.26±3.12a89.33±1.26a264.25±1.75a10283.34±3.25b145.24±1.38b398.82±1.68b30211.49±2.86c189.85±1.33c311.91±1.39c50145.53±2.59b77.36±1.58b232.29±1.86b红豆草0178.65±1.98a86.83±1.29a260.59±1.95a10251.36±2.65b118.24±1.53b312.87±1.66b30149.52±2.43c121.88±1.72c220.39±2.02c50108.38±3.03b52.33±2.03b170.56±1.63b结缕草0176.32±1.29a89.83±1.49a269.36±2.01a10273.18±1.67b142.44±1.45b385.52±1.94b30196.11±2.06c185.86±1.33c298.96±1.88c50125.45±1.58b81.53±1.52b225.66±1.96b鸡冠花0175.59±1.82a86.27±1.53a265.51±1.67a10251.56±1.96b122.74±2.11b345.75±1.75b30162.87±2.25c151.81±1.06c258.38±1.93c50112.62±2.48b63.39±1.13b200.77±1.56b

图3 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗相对电导率和MDA含量的影响

2.4 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗细胞膜透性的影响

相对电导率和MDA含量是衡量细胞膜透性的重要指标，其含量越高表明细胞膜透性越大，细胞受伤害程度越严重[12]。如图3所示，随着刺槐根际土壤水浸提液浓度的升高，5种园林植物幼苗的相对电导率和MDA含量逐渐增大，且增大幅度因植物种类而存在明显差异。水浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花幼苗叶片的相对电导率较对照分别提升92.11%、65.49%、96.21%、58.73%和82.48%；MDA含量较对照分别增大70.34%、30.89%、69.9%、36.48%和53.66%， 较对照均未达显著差异水平(p>0.05)；水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，5种园林植物幼苗叶片的相对电导率较对照分别提升318.36%、242.08%、334.07%、251%和275.69%；MDA含量较对照分别增大227.19%、170.24%、227.72%、169.94%和208.63%，较对照均达显著差异水平(p<0.05)。说明刺槐根际土壤水浸提液可显著促进5种园林植物幼苗的相对电导率和MDA含量的提升，增大细胞膜透性，促进程度由轻到重依次为高羊茅、结缕草、鸡冠花、一串红和红豆草。

2.5 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗抗氧化酶活性的影响

植物在遭遇逆境胁迫时，体内会产生大量的活性氧，如果不及时清除便会对细胞产生毒害，严重影响植物的生长发育。抗氧化酶在植物清除活性氧中发挥着重要作用，其活性越高，清除活性氧能力越强[13]。如表2所示，刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗抗氧化酶活性具有明显的“低促高抑”规律，且变化幅度因植物种类而存在明显差异。水浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花幼苗叶片的POD较对照分别提升36.27%、62.6%、40.7%、54.93%和43.27%；SOD含量较对照分别提升31.16%、62.59%、36.17%、58.57%和42.27%;CAT含量较对照分别提升21.56%、50.93%、20.06%、43.12%和30.22%， 较对照均达显著差异水平(p<0.05)；水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，5种园林植物幼苗叶片的SOD活性较对照分别降低43.5%、16.49%、39.33%、28.85%和35.86%；POD活性较对照分别降低37.18%、13.4%、39.73%、9.24%和26.52%；CAT活性较对照分别增大33.91%、12.09%、34.55%、16.22%和24.38%，较对照均达显著差异水平(p<0.05)。这说明，低浓度刺槐根际土壤水浸提液可明显提升5种园林植物幼苗的抗氧化酶活性，而高浓度的水浸提液则抑制其抗氧化酶活性。

表3 不同浓度刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗的化感效应综合评价

不同浓度/(g·mL-1)不同植物发芽率RI发芽势RI发芽指数RI株高RI茎粗RI总干重RI叶绿素RI相对电导率RIMDARISODRIPODRICATRI化感隶属累加值RI一串红-0.10-0.12-0.21-0.11 -0.08 -0.09 -0.18-0.48-0.410.27 0.24 0.18 -1.09高羊茅-0.03-0.06-0.08-0.06 -0.05 -0.06 -0.14-0.40-0.240.380.380.34-0.020.25红豆草-0.10-0.11-0.22-0.14 -0.10 -0.10 -0.22-0.49-0.410.290.270.17-1.16结缕草-0.04-0.05-0.06-0.08 -0.06 -0.06 -0.09-0.37-0.270.350.370.30-0.06鸡冠花-0.08-0.13-0.17-0.09 -0.08 -0.08 -0.13-0.45-0.350.300.300.23-0.73一串红-0.30-0.37-0.57-0.22 -0.19 -0.21 -0.43-0.65-0.57-0.43 -0.06 -0.29 -4.29高羊茅-0.09-0.18-0.21-0.14 -0.12 -0.13 -0.19-0.58-0.50-0.25 0.31 -0.22 -2.30.5红豆草-0.32-0.40-0.57-0.24 -0.22 -0.23 -0.40-0.66-0.60-0.41 0.03 -0.30 -4.32结缕草-0.11-0.19-0.20-0.16 -0.15 -0.14 -0.22-0.58-0.50-0.28 0.30 -0.22 -2.45鸡冠花-0.25-0.32-0.44-0.20 -0.19 -0.19 -0.34-0.61-0.55-0.35 0.24 -0.25 -3.45一串红-0.44-0.59-0.82-0.33 -0.33 -0.31 -0.60-0.76-0.69-0.43 -0.37 -0.34 -6.01高羊茅-0.14-0.33-0.36-0.24 -0.23 -0.21 -0.42-0.71-0.63-0.16 -0.13 -0.12 -3.681红豆草-0.45-0.59-0.83-0.34 -0.32 -0.32 -0.68-0.77-0.69-0.39 -0.40 -0.35 -6.13结缕草-0.18-0.32-0.36-0.22 -0.25 -0.24 -0.39-0.72-0.63-0.29 -0.09 -0.16 -3.85鸡冠花-0.36-0.50-0.69-0.31 -0.28 -0.26 -0.53-0.73-0.68-0.36 -0.27 -0.24 -5.21

2.6 刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗化感效应综合评价

由于发芽率、发芽势等12项指标化感隶属值(RI)变化趋势及幅度不尽相同，采用单一指标不能准确评价和量化化感效应，因此采用12个指标的化感隶属值累加值对其化感效应进行综合评价。如表3所示，刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物均存在化感抑制，抑制程度随浸提液浓度的升高而逐渐加重。水浸提液质量浓度为0.25 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花的综合化感效应分别为-1.09、-0.02、-1.16、-0.06和-0.73；水浸提液质量浓度为1 g·mL-1时，一串红、高羊茅、红豆草、结缕草及鸡冠花的综合化感效应分别为-6.01、-3.68、-6.13、-3.85和-5.21。说明刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物具有化感抑制效应，并且水浸提液浓度与抑制程度存在“剂量-效应”关系，抑制程度从轻到重依次为高羊茅<结缕草<鸡冠花<一串红<红豆草。

3 结论与讨论

化感作用在自然界中广泛存在，是植物生存竞争的主要方式之一。植物在生长过程中通过挥发、淋溶、根系分泌及残体分解等方式不断向环境中释放各种化感物质，进而对邻近植物的种子萌发、生长发育及生理生化指标产生显著影响[1]。

种子萌发情况是决定园林绿化效果的重要因素之一，植物化感物质可通过改变种子的细胞膜透性、呼吸速率及RNA转录等对种子萌发效果带来显著影响。本研究结果表明，刺槐根际土壤水浸提液对种子发芽率、发芽势及发芽指数的影响与水浸提液浓度和受体本身密切相关，水浸提液浓度越高抑制程度越重，高羊茅受抑制程度最轻，而红豆草受抑制程度最重。本研究结果与曹子林等[5]研究结果较为一致，其原因可能是刺槐根际土壤水浸提液中含有不利于种子萌发的化感物质，改变了种子内部物质的代谢，导致发芽率降低、活性变差。

植物化感物质对受体植物的生长往往具有“低促高抑”规律[12-13]。本研究结果表明，刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物幼苗的株高、茎粗和总干重具有明显的化感抑制作用，水浸提液浓度越高抑制作用越显著。同时，不同受体植物的受抑制程度存在明显差异，抑制程度由轻到重依次为高羊茅、结缕草、鸡冠花、一串红和红豆草。曾凯等[12]、王杰等[13]等研究认为，先锋灌木和铁杆蒿对受体植物的生长表现为“低促高抑”，与本研究结果不一致，其原因可能是刺槐根际土壤水浸提液中的化感物质种类、作用方式及受体植物与其不同有关。

植物在遭遇逆境胁迫时，体内会产生大量的活性氧，如果不及时清除便会对细胞产生毒害，导致细胞膜透性增强。相对电导率和MDA含量是衡量细胞膜透性的重要指标，其含量越高表明细胞受伤害程度越严重。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是植物体内重要的抗氧化酶，在清除体内活性氧中发挥重要作用。侯林林等研究表明，化感物质可以导致植物细胞膜透性加大，相对电导率和MDA含量大幅提升；低浓度化感物质可以促进植物体内抗氧化酶活性提升，高浓度化感物质则会导致抗氧化酶活性大幅下降[14]。本研究结果表明，随着刺槐根际土壤水浸提液浓度的提高，5种园林植物的相对电导率和MDA含量逐渐升高，抗氧化酶活性则呈现“低促高抑”规律，且5种园林植物的变化幅度存在明显差异，高羊茅受到的化感抑制程度最轻，而红豆草化感抑制程度最重。本研究结果与曾凯等[12]、侯林林等[14]研究结果一致，其原因可能是低浓度的化感物质胁迫下，植物体内的抗氧化防御机制被激活，抗氧化酶活性升高，而高浓度的化感物质胁迫超过了植物的忍耐阀值，造成对细胞的严重破坏，从而导致了相对电导率和MDA含量的大幅提升。

化感隶属值累加值综合评价结果表明，刺槐根际土壤水浸提液对5种园林植物具有化感抑制效应，并且浸提液浓度与抑制程度存在“剂量-效应”关系，抑制程度从轻到重依次为高羊茅<结缕草<鸡冠花<一串红<红豆草。本结果可以为刺槐的生产和在园林绿化中配置植物的选择提供一定的参考和借鉴。