渤海湾贝壳堤湿地蒙古蒿化感效应研究

王浩宇，王庆善，赵艳云，王淑敏

（山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

化感作用是自然界普遍存在的一种现象，其是指在植物生长发育过程中，植物通过自然挥发、雨雾淋溶、凋落物、残体分解和根系分泌等途径向外释放化学物质，影响土壤中的生物、非生物生境及相邻植物对资源的获取与表现，进而影响植物群落的种类组成与空间分布[1-2]、物种协同进化[3]、生物入侵[4-5]和群落演替[6]等过程，是森林经营、有害生物控制、作物调控和环境可持续发展等决策制定的重要参考之一[7-8]。

湿地是地球上最有生产力的生态系统。已有研究表明，在湿地生态系统中，相邻植物的化感作用是导致植被格局差异的一个重要原因[9-10]。渤海湾西南岸贝壳堤湿地（38°14′30″N，117°52′58″E）是当前世界上保存相对完整的三大古贝壳堤海岸湿地之一，因其在环境变迁、物种多样性孕育和生态防护等方面的重要作用，近30年来，该湿地受到了学术界的广泛关注[11-12]。然而，由于旅游开发、石油开采、盐池与养殖塘修建、贝沙采挖和出海捕鱼等人类活动，从20世纪70年代到21世纪初，植物赖以生存的环境不断变化，物种多样性持续下降[13]，植物的保护与恢复工作迫在眉睫，因此，及时弄清原生植物的适应和拓殖机理将丰富人们对贝壳堤湿地植物群落结构维持机制的理解，并可为该湿地的植物保护和管理工作提供重要借鉴。

经过多年跟踪研究，作者及团队成员发现，在渤海湾贝壳堤湿地，单优蒙古蒿（Artemisia mongolica)群落长期保持稳定并鲜有其他杂草侵入，表明其在竞争上的优势地位[14]。然而，产生这种植被格局的原因，除了与蒙古蒿具有较强的抗逆性和克隆生长等生物学习性有关外[15-16]，是否也与蒙古蒿具有对其他植物的化感作用抑制有关？如果蒙古蒿具有化感潜力，其又是通过怎样的化感机理来影响相邻植物的？这些问题迄今未有相关报道。

基于此，本文以渤海湾贝壳堤湿地生态系统为研究区域，以探讨蒙古蒿与其他植物的种间关系和蒙古蒿群落结构的维持机制为最终目标，以化感作用作为技术手段，通过室内实验验证蒙古蒿对其他植物的化感作用，并试图探讨其中的化感机理，为贝壳堤湿地的植物保护和恢复工作提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究植物

蒙古蒿为根茎型多年生草本菊科植物[14]。在贝壳堤湿地，其在高潮线附近、滩脊处及向陆侧隆起地区均有生长，是发生频率最高、覆盖面积最广的一种优势植物，常形成大小不等的优势种群落[13]。芦苇（phragmites australis）属于世界广布种，耐瘠薄并对水分、盐分具有广适性，多年在贝壳堤湿地研究发现，从海到陆地区，芦苇均有分布，但其往往以伴生种和次优势种的地位出现在群落中。而杠柳（periploca sepium）为夹竹桃科杠柳属落叶蔓性灌木，具有喜光、耐旱和耐盐碱的特性，在贝壳堤湿地的沙堤顶部和向陆侧地区，杠柳是一种常见的灌木建群种，发挥了重要的防风固沙和保持水土等作用。因此，基于代表性和典型性的原则，本文以蒙古蒿为化感潜力的研究对象，以优势草本植物——芦苇和优势灌木植物——杠柳作为供试植物受体研究蒙古蒿的化感潜力及其强度。

1.2 浸提液的制备

2014年10月，于山东省无棣贝壳堤与湿地国家自然保护区（37°54′30″~38°19′10″N，117°45′08″~118°05′37″E）采集蒙古蒿完整植株，带回实验室后用自来水冲洗干净，然后用蒸馏水润洗3次，自然晾干后，将植株分为叶（含叶柄）、茎和根3部分，剪成4 mm长的片段。分别取20 g放入1 L的三角瓶中，加入500 mL蒸馏水在摇床上振荡提取24 h，滤纸过滤后利用离心机离心20 min，上清液在真空过滤器中用0.45 μm滤膜过滤，得到40 g/L的浸提液，于－10℃保存备用。在实验期间，将浸提液分别稀释为1、5、10、20、40 g/L 5个浓度梯度。

1.3 目标植物种子来源和监测实验

于2014年芦苇和杠柳成熟期时，在保护区采集和挑选颗粒均匀饱满、大小一致的种子晾干后置于4℃冰箱冷藏直至实验开始。实验开始前，为避免真菌和细菌对种子萌发产生不利影响，先用5% H2O2对种子表面消毒20 min，再用蒸馏水冲洗5次。均匀播入直径为9 cm装有石英砂的培养皿中，每皿20粒。处理组分别加蒙古蒿水浸液10 mL，并以等量蒸馏水处理为对照，每处理重复3次，置于25℃光照培养箱培养（光照时间12 h/d，光照度为4 000 lx）进行培养。

植床后，每天定时观察、记录种子萌发数，测量胚根、胚芽长度，并更换滤纸和水浸液。其中，种子萌发以种子露白作为发芽标志，依据国际种子检验规程，种子发芽天数需连续监测10 d[17]，本实验在植床后第10天所有处理均达到了最大萌发数，为保证实验的合理性，又连续监测4 d，发现未有新萌发的种子，说明种子萌发充分。因此，统计萌发数、更换滤纸和水浸液以及胚根和胚芽的监测工作一直维持到植床后的第14天。

1.4 统计分析

统计和计算种子的最终萌发率（Gf）、日平均萌发率（MDG）、发芽指数（S）、发芽值（Vg）。其计算公式如下

式中：N为供试种子数，本文为20；n14为在植床第14天时种子总萌发数；Gf为最终萌发率；RGf为相对萌发率；G0为对照组最终萌发率；MDG为日平均萌发率；Df为不再有种子萌发也即发芽结束时的植床天数；S，Vg分别为发芽指数和发芽值；n1，n2，n3，…，n14分别为对应植床天数下的种子总萌发数，记为ni；i分别从1，2，…，13，14，下同；Vp为发芽高峰值，其中，np达到发芽高峰时的发芽量，Dp达到高峰发芽日时的植床天数[18]。

胚根、胚轴的伸长速率参照Debez等[19]的方法进行计算，计算公式如下

式中：ERr和ERh分别代表胚根和胚轴的伸长速率，Lr和Lh分别指每一皿中全部萌发种子胚根和胚轴长度的总和；Di指植床的第i天；ni为植床第i天时种子萌发数。

参照Lin等[20]的方法，利用化感作用抑制率（Inhib itory Rate，IR）作为化感作用强度的研究指标,计算公式如下

式中：Ti为处理值，T0为对照值。如果IR>0，表示具有抑制作用，IR<0，表示具有促进作用。IR绝对值越大，其化感作用潜力（促进或抑制作用）越大，本文通过对最终萌发率、胚根伸长率和胚轴伸长率分别进行统计。。

利用Excel 2010进行数据的前期整理，SPSS 19.0对数据进行数理统计和Duncan多重比较，图1—图3中小写字母表示数据在置信水平p<0.05时的差异性。

图1 蒙古蒿浸提液对芦苇和杠柳Gf、MDG、Vg和S的影响

图3 蒙古蒿浸提液对芦苇和杠柳最终发芽率、胚根和胚轴伸长率的抑制率

2 结果

2.1 浸提液对种子发芽的影响

蒙古蒿浸提液对芦苇和杠柳种子的最终发芽率、日平均萌发率、发芽速率和发芽值的影响与受体植物、蒙古蒿浸提液及质量浓度呈显著相关（p<0.05，表1）。由图1可知，同一蒙古蒿浸提液和质量浓度水平下，芦苇种子相对发芽率、日平均萌发率、发芽速率和发芽值比杠柳低。芦苇的相对发芽率和发芽指数在同一质量浓度下均呈现茎大于叶大于根。而杠柳种子相对发芽率和发芽指数在浸提液质量浓度为10 g/L的情况下，茎小于根小于叶，20 g/L和40 g/L质量浓度下，茎大于根大于叶。此外，随蒙古蒿浸提液质量浓度升高，2种植物的种子相对萌发率、日平均萌发率、发芽指数和发芽值均显著下降（p<0.05）。

表1 蒙古蒿浸提液对植物Gf、MDG、S和Vg影响的方差分析(ANOVA)

2.2 蒙古蒿浸提液对胚根、胚轴伸长率的影响

蒙古蒿浸提液对胚根和胚轴伸长率的影响与受体植物、蒙古蒿浸提液及其质量浓度极显著相关（p<0.01，表2）。同一浸提液及质量浓度下，芦苇的胚根和胚轴伸长率高于杠柳；除1 g/L浸提液质量浓度外，同一蒙古蒿浸提液及质量浓度下，根浸提液处理相较茎和叶浸提液具有较高的胚根和胚轴伸长率。随浸提液质量浓度升高，胚根和胚轴的伸长率下降（图2）。

图2 蒙古蒿茎、根和叶浸提液对芦苇和杠柳胚根、胚轴伸长率（ERr、ERh）的影响

表2 蒙古蒿浸提液对植物ERr、ERh影响的方差分析（ANOVA）

2.3 蒙古蒿化感强度

由图3可知，蒙古蒿浸提液显著抑制了芦苇和杠柳的最终萌发率，随浸提液质量浓度升高，IR增加。低质量浓度下（20 g/L以下），芦苇种子最终萌发率的抑制强度IR大于杠柳。相同浸提液质量浓度下不同器官对芦苇和杠柳种子最终萌发率的抑制强度分别为根大于叶大于茎和叶大于根大于茎。浸提液对芦苇胚根、胚轴伸长率的IR抑制率表现为茎、叶浸提液随质量浓度升高，抑制率增加，茎的化感强度大于叶。而根浸提液的IR远远小于0，说明根浸提液具有显著促进胚根和胚轴伸长的作用，且对胚根伸长率的促进作用大于胚轴。对杠柳而言，茎浸提液下，胚根、胚轴伸长率的IR均大于0，且随质量浓度升高，IR越大。叶和根浸提液对胚根、胚轴伸长率的影响呈现相同趋势，低质量浓度下IR＜0，而高质量浓度下IR>0，说明浸提液在低质量浓度下促进了胚根、胚轴的伸长，但随后随浸提液质量浓度升高，IR增加，抑制增加，具有“低促高抑”的特征。

3 讨论

菊科是世界上被子植物最大的一个科，在自然生态系统中，菊科植物的化感作用是导致其具有“攻击性”而易于形成单一群落的一种原因[21]。本研究通过室内实验证实，黄河三角洲贝壳堤湿地菊科蒿属植物——蒙古蒿对芦苇和杠柳均具有化感潜势，其浸提液不仅会影响2种植物的种子发芽，导致芦苇、杠柳的发芽率、发芽指数降低，还影响胚根、胚轴的伸长率而阻碍幼苗的建植。由此可见，在黄河三角洲贝壳堤湿地，蒙古蒿化感作用可能是其长期保持稳定并阻止其他植物侵入群落的一种原因，今后深入研究蒙古蒿化感作用将促进人们对该地区植物群落构建机制的理解。

不同生育期，芦苇和杠柳对蒙古蒿浸提液的敏感程度不同。种子萌发期，芦苇发芽率受蒙古蒿浸提液的影响下降显著，而发芽后，杠柳胚根和胚轴的伸长率比芦苇显著受蒙古蒿浸提液的影响。究其原因，可能与植物种进化历史的差异导致植物不同生育期对化感作用的敏感程度不同有关[18]。在今后的植物配置过程中，可以根据2种植物对蒙古蒿的适应特征，采用芦苇萌后定植、杠柳就地育苗除蒿（蒙古蒿枯落物和立枯物）等方式来保证两者在蒙古蒿群落中的生存，提高蒙古蒿群落的物种多样性。

不同蒙古蒿浸提液来源——根、茎和叶均有化感潜力，但来源不同化感强度存在差异。发芽阶段，蒙古蒿浸提液的化感强度对芦苇和杠柳的抑制分别为根大于叶大于茎和叶大于根大于茎，发芽后，茎对2种植物的胚根、胚轴伸长的抑制作用最为显著。究其原因，可能与蒙古蒿不同器官内的化感物质组分以及含量不同有关，叶和根内成分能显著阻碍植物种子萌动、抑制发芽，而茎内含有的物质则能抑制幼苗生长和表现，体现出各生育期不同器官来源的化感作用强度的差异。

此外，蒙古蒿化感强度也表现出明显的质量浓度效应。随浸提液质量浓度升高，蒙古蒿对种子萌发的化感抑制强度增加，体现出较强的化感作用。而发芽后，尽管茎和叶浸提液对胚根深长均具有鲜明的质量浓度效应，但在根浸提液的作用下，胚根伸长却具有“低促高抑”的特征。在自然条件下，化感物质的释放途径与积累过程受很多环境条件如降水、温度、光照、土壤和微生物等的制约。在今后的研究过程中，为恢复贝壳堤湿地的生态环境，实地情况下蒙古蒿群落化感物质含量、成分、释放途径、影响方式以及综合利用等还有待进一步研究。

4 结论

本研究通过提取蒙古蒿茎、叶、根的浸提液，研究不同浸提液质量浓度下对芦苇和杠柳种子萌发及根茎生长的影响。结果表明，蒙古蒿浸提液对贝壳堤芦苇和杠柳种子萌发进程具有显著的抑制作用，导致初始发芽时间延长和发芽率降低。不同浸提液质量浓度对种子萌发进程影响不同，随着浸提液质量浓度升高，种子的萌发率越低、发芽初始时间越长。通过对比其发芽种子根、茎生长的长度发现，随着浸提液质量浓度的升高，根、茎长度越短。化感作用强度与浸提液的质量浓度呈正相关的关系，即随着浸提液质量浓度的增加，其对芦苇和杠柳种子的化感作用强度也随之增加，对种子的萌发具有更加显著的抑制效果。由芦苇和杠柳2种植物对蒙古蒿浸提液的萌芽和根茎伸长研究表明，根或叶对2种植物的种子萌发抑制强，而蒙古蒿茎可大大抑制后期胚根和胚轴的伸长，在种子萌发后的植物建植起到抑制作用。总之，蒙古蒿不同组织器官化感物质的释放及对其他植物不同生长期的抑制作用是其在黄河三角洲分布面积广的一个原因。