枯落物水浸液对华北落叶松种子萌发与幼苗生长的影响

李 进， 高润梅， 石晓东， 党裳霓， 张雨晴， 李 聪， 李红月

(山西农业大学林学院，030801，山西晋中)

森林更新对丰富树种组成、提高森林生态系统稳定性十分重要[1]。华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)为我国华北地区中高山重要针叶林带中的主要树种[2]，常与白杄(Piceameyeri)、青杄(Piceawilsonii)、白桦(Betulaplatyphylla)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、山杨(Populusdavidiana)和山柳(Salixpseudotangii)等树种混生，或成小面积纯林[3]。关帝山林区的华北落叶松生长良好，有“华北落叶松故乡”之称[4]。华北落叶松多集中分布于该区海拔1 800 m以上的中高山地区，林下灌木主要有茶藨子(Ribeskomarovii)、土庄绣线菊(Spiraeapubescens)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)等；林下草本主要为小红菊(Dendranthemachanetii)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、东方草莓(Fragariaorientalis)等。关帝山林区华北落叶松林下更新较差，一直把与郁闭度有关的林内光照、温度和水分条件等作为主要影响因子[5]；然而，还存在着其他影响因子[6]。明确这些障碍因子及其作用机制，对完善华北落叶松天然更新理论，实现现有林分的合理保护和科学管理等都有重要的理论和实践价值[6]。

森林枯落物层在涵养水源、保持水土及促进物质和养分循环方面的作用不可替代[7]，同时对种子萌发及幼苗生长产生影响，主要表现在其分解淋溶产生的毒素作用和枯落物机械阻碍作用[8]。关帝山林区的华北落叶松林年凋落量19.15 t/(hm2·a)，高于同纬度其他森林类型，残留量达9.80 t/(hm2·a)，枯落物分解50%和95%分别需1.67～2.10和7.20～9.10年[9]，积累于地表的枯落物层是天然更新的障碍之一[10- 12]。课题组前期研究表明，华北落叶松针叶、云杉针叶和桦树树皮水浸液均对华北落叶松种子萌发有影响[10]，在此基础上笔者进一步研究不同林分类型和分解程度的枯落物的水浸液对华北落叶松种子萌发和幼苗生长的影响，以期揭示枯落物对华北落叶松林天然更新的作用机制，为现有林分可持续经营提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 种子及枯落物采集

2018年9月，在山西吕梁市关帝山林区采集华北落叶松球果，阳光下曝晒1周左右，待球果开裂种子脱出，采收种子，4 ℃贮藏备用[10]。2019年6月，采集华北落叶松纯林、华北落叶松云杉林和华北落叶松杨桦林的林下枯落物，区分未分解、半分解和完全分解层分层采集[9]，带回实验室自然风干后备用[13]。

1.2 种子萌发试验

区分林分类型和枯落物分解程度，分别称取50 g装入棕色瓶，加入1 L蒸馏水，震荡摇匀，室温下置于暗处浸提2 d，间歇震荡[10,14]。浸提物过滤后得50 g/L浸提液，121 ℃高压灭菌15 min，分别配置质量浓度为5.0、12.5、25.0和50.0 g/L的水浸液[10]。选取饱满均匀的华北落叶松种子，浸泡24 h，0.3% KMnO4消毒25 min，蒸馏水漂洗后备用[10]。

将直径9 cm的培养皿110 ℃高温下灭菌2 h，平铺2层定性滤纸，无菌水浸润，上面均匀放置20粒消毒的华北落叶松种子，用滴管沿边缘注入5 mL枯落物水浸液，对照则添加等量蒸馏水[10,15]，光照培养箱培养，温度(23±1) ℃，每天光照8 h。每处理3次重复。置床后，每天观察并记录种子发芽数[10,16]。15 d后结束试验，测定幼苗的胚根、胚轴和子叶长度[17]。称取幼苗鲜质量，由于各处理幼苗数不同，换算成50株幼苗的鲜质量[10]。

1.3 数据处理

发芽试验结束后计算发芽率、发芽势和发芽指数。发芽势=发芽高峰期发芽的种子数/供试种子数×100%；发芽指数Gi=∑(Gt/Dt)，式中：Gt为第t天的发芽数；Dt为相应的发芽时间，d[18]。以化感作用响应指数(response index，IR)衡量化感作用的类型和强度[10,19]：当T≥C时，IR=1-C/T；当T0为促进作用[20- 21]。以|IR|大小划分作用强度，|IR|≤0.30为作用微弱；0.30<|IR|≤0.50为作用中等；|IR|>0.50为作用较强[10]。

以SPSS22.0双因素方差分析法分析林分类型、枯落物分解程度及水浸液浓度对种子发芽和幼苗生长的影响差异。如差异显著，用最小显著差异法进行多重比较，显著性水平为α=0.05[22]。

2 结果与分析

2.1 枯落物对种子萌发的影响

3种林分枯落物的分解程度、水浸液质量浓度及其交互作用的种子萌发影响结果见表1。由表1可知，3种林分枯落物分解程度对种子萌发影响显著(P<0.05)，而水浸液质量浓度及其二者的交互作用的影响不显著(P>0.05)。就华北落叶松纯林和华北落叶松云杉林而言，枯落物分解程度对种子的发芽率和发芽指数影响显著(P<0.05)；而对华北落叶松杨桦林来说，枯落物分解程度对种子萌发的3个指标均影响显著(P<0.05)。

2.1.1 华北落叶松纯林 表2为华北落叶松纯林枯落物对种子萌发的影响。由表可知，未分解枯落物对种子萌发影响微弱，仅50.0 g/L水浸液处理下，发芽指数18.99±1.44，显著低于对照(25.15±0.67)，其余处理的发芽指标数均与对照相近。半分解和完全分解枯落物显著影响种子萌发，尤其是发芽率和发芽指数：发芽率的IR值为-0.45～-0.18，发芽指数的IR值为-0.49～-0.27，多数为中等抑制作用。完全分解的枯落物对发芽势仅有微弱抑制作用，IR值为-0.18～-0.09。5.0 g/L水浸液处理下，种子发芽率和发芽指数存在3个差异水平，随分解程度加深，上述2个指标显著降低，对种子萌发的抑制作用增强。

2.1.2 华北落叶松云杉林 表3为华北落叶松云杉林枯落物对种子萌发的影响。由表可知，枯落物水浸液处理下的发芽率和发芽指数多数显著低于对照，表现为抑制作用。其中，12.5 g/L的半分解枯落物水浸液处理的发芽指数的IR值为-0.62，50.0 g/L的完全分解枯落物水浸液处理的发芽率和发芽指数的IR值分别为-0.54和-0.64，抑制作用较强。其余处理下的半分解和完全分解枯落物表现为中等抑制作用，而未分解枯落物的抑制作用微弱至中等。就水浸液浓度的影响而言，各处理差异不显著。

表1 枯落物分解程度、水浸液质量浓度及其交互作用对华北落叶松种子萌发影响的方差分析Tab.1 Variance analysis of litter decomposition, aqueous extracts concentration and their interaction on seed germination

表2 华北落叶松纯林枯落物水浸液对华北落叶松种子萌发的影响Tab.2 Seed germination of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from PLS

2.1.3 华北落叶松杨桦林 表4为华北落叶松杨桦林枯落物对种子发芽的影响。由表可知，未分解枯落物处理的种子发芽率为30.00%～43.33%，水浸液质量浓度为12.5和25.0 g/L时，IR值分别为-0.50和-0.41，表现为中等抑制作用；其余2个浓度的|IR|>0.50，抑制作用较强；50.0 g/L水浸液处理的种子发芽势为16.67%，IR值为-0.55，抑制作用较强；种子发芽指数为12.36～15.60，IR值为-0.51～-0.38，抑制作用中等及较强。随枯落物分解程度加大，抑制作用趋于减弱：5.0～25.0 g/L的半分解和完全分解枯落物处理下，发芽率的IR值为-0.27～-0.18；对发芽势与发芽指数的影响也相应减弱。

表3 华北落叶松云杉林枯落物水浸液对华北落叶松种子萌发的影响Tab.3 Seed germination of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from LWS

2.2 枯落物对幼苗生长的影响

以胚根、胚轴和子叶的长度及鲜质量作为幼苗生长参数，衡量枯落物水浸液对华北落叶松幼苗生长的影响[23]。由表5可知，3种林分的枯落物分解程度对幼苗生长影响显著(P<0.05)；水浸液浓度及其交互作用对幼苗鲜质量影响显著。此外，就华北落叶松云杉林而言，水浸液浓度也显著影响幼苗生长。

2.2.1 华北落叶松纯林 表6为华北落叶松纯林枯落物对幼苗生长的影响，半分解枯落物显著抑制幼苗胚轴伸长，IR值为-0.40～-0.25；完全分解枯落物显著抑制幼苗胚根和子叶伸长，IR值分别为-0.42～-0.29和-0.39～-0.29，中等抑制作用。枯落物对幼苗鲜质量为微弱的促进或抑制作用。

2.2.2 华北落叶松云杉林 表7为华北落叶松云杉林枯落物对幼苗生长的影响。由表可知，未分解、半分解枯落物处理的幼苗鲜质量IR值为0.01～0.22，呈微弱促进作用；完全分解枯落物的水浸液抑制幼苗生长(IR<0)，对子叶伸长影响较强，50.0 g/L处理的子叶长度(0.31±0.07) cm，IR值达-0.70。

2.2.3 华北落叶松杨桦林 表8为华北落叶松杨桦林枯落物对幼苗生长的影响。由表可知，25.0和50.0 g/L完全分解枯落物的水浸液微弱增加幼苗鲜质量(IR>0)；其余处理均显著抑制幼苗生长(IR<0)。未分解枯落物对幼苗生长影响最强，对幼苗的胚根、胚轴、子叶和鲜质量多数为中等及较强的抑制作用(IR<-0.30)；半分解和完全分解枯落物对胚轴有中等及较强抑制作用(IR<-0.30)，对胚根、子叶和鲜质量多为微弱的抑制作用。

2.3 枯落物分解程度和林分类型的影响差异

2.3.1 枯落物分解程度的影响 以枯落物不同分解程度和水浸液浓度梯度处理下，华北落叶松种子萌发指标、幼苗生长指标和幼苗鲜质量的IR均值，分析枯落物对种子萌发和幼苗生长的影响[10](图1)。可知，随分解程度加深，华北落叶松纯林和华北落叶松云杉林枯落物的抑制作用增强，而华北落叶松杨桦林枯落物的抑制作用则逐渐减弱。

表4 华北落叶松杨桦林枯落物水浸液对华北落叶松种子萌发的影响Tab.4 Seed germination of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from LPB

表5 枯落物分解程度、水浸液浓度及其交互作用对幼苗生长的方差分析Tab.5 Variance analysis of litter decomposition, aqueous extracts concentration and their interaction on seedling growth

2.3.2 林分类型的影响 以3种林分中未分解、半分解和完全分解枯落物对种子萌发、幼苗生长和幼苗鲜质量影响的IR均值和|IR|的最大值，衡量不同林分枯落物的影响，结果见图2。可知，华北落叶松纯林枯落物的抑制作用最弱，其次为华北落叶松云杉林，华北落叶松杨桦林抑制作用最强。

3 讨论

种子萌发和幼苗生长是植被更新的重要阶段，枯落物层是种子落地后接触到的初始环境[24]，对种子萌发、幼苗生长有重要影响[25]。本研究发现，3种华北落叶松林分的枯落物均抑制华北落叶松林下更新，与他人研究结果相似[18,26- 27]。但林分树种组成不同，枯落物的化感效应不同[10]。本研究中，随枯落物分解程度加深，华北落叶松纯林和华北落叶松云杉林的枯落物抑制作用增强，而华北落叶松杨桦林枯落物的抑制作用逐渐减弱。究其原因，针叶树种枯落物的次生代谢物经雨水淋溶和根系分泌等作用后在土壤中富积，表现出自毒现象[28]，自毒作用是影响针叶林天然更新成败的关键因素[29]，华北落叶松枝叶的挥发性气体和挥发油对自身种子萌发和幼苗生长存在显著抑制作用[12]。因此，随枯落物分解，有效养分被林内植物吸收利用，自毒物质逐渐积累[29]，抑制林下更新。白桦叶虽抑制落叶松种子萌发[18]，但混交林环境促进了枯落物分解和元素释放[30]，分解后期化感物质已大量释放，因此抑制作用减弱[31]。

表6 华北落叶松纯林枯落物水浸液对华北落叶松幼苗生长的影响Tab.6 Seedling growth of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from PLS

表7 华北落叶松云杉林枯落物水浸液对华北落叶松幼苗生长的影响Tab.7 Seedling growth of of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from LWS

表8 华北落叶松杨桦林枯落物水浸液对华北落叶松幼苗生长的影响Tab.8 Seedling growth of Larix principis-rupprechtii treated by the aqueous extracts of litters from LPB

图1 不同分解程度枯落物水浸液对华北落叶松种子萌发和幼苗生长的影响Fig.1 Seed germination and seedling growth affected by the aqueous extracts of litter at different decomposition degree

图2 不同林分枯落物水浸液对华北落叶松种子发芽和幼苗生长的影响Fig.2 Seed germinations and seedling growths affected by the aqueous extracts of litters from different stands

本研究的3种林分中，枯落物的抑制作用以华北落叶松纯林最弱，华北落叶松杨桦林最强，但实际调查发现，华北落叶松杨桦林林下的更新状况好于华北落叶松纯林。造成这一结果的差异，在于本次浸提液中的化感物质多为水溶性，部分油溶性或通过其他途径释放的物质则无法浸提释放[32]。今后应开展化感物质的分离、纯化与鉴定，及其作用机理的研究。同时，枯落物除外，水分、光照[2,6]等也显著影响林下更新，干燥的林地环境以及较高的林分郁闭度也是限制林下更新的重要原因[33]。在更新较差且枯落物较厚的林地，可通过间伐或择伐等抚育措施，适当降低林分密度，既可减少枯落物凋落量，也可增强光照与雨水淋溶，加速化感物质释放，以减弱化感作用[32]。今后还应展开林下更新影响因素的综合研究，探讨华北落叶松天然更新的适宜生境。

4 结论

1)3种林分枯落物水浸液显著抑制华北落叶松种子萌发与幼苗生长，纯林抑制作用最小，华北落叶松云杉林次之，华北落叶松杨桦林的抑制作用最大。

2)华北落叶松纯林和华北落叶松云杉林枯落物，随分解程度的加深，对华北落叶松种苗的抑制作用逐渐增强。

3)华北落叶松杨桦林枯落物随分解程度的加深，华北落叶松种苗受到的抑制作用逐渐减弱。