本土蒿属植物浸提液对农田入侵杂草生长的化感效应

王宇超，吕金林，毛祝新，李 倩

(1.陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)，西安 710061;2.陕西省植物资源保护与利用工程技术研究中心，西安 710061)

生物入侵目前已成为最棘手的环境问题之一，迅速的环境变化和持续增强的国际交流与贸易活动，增加了世界各地物种转移的范围和频率，为外来物种的入侵提供了良好的契机。特别是近几十年来，生物物种在全球范围内的大规模转移与分配以惊人的速度在增加。外来入侵植物作为入侵生物中的重要类群之一，在新的栖息地几乎没有天敌，呈现出较强的生存能力，种群迅速蔓延，极易呈现难以控制的爆发性增长，导致本地物种濒临灭绝，甚至取代本地物种，改变当地生态结构[1]，对当地生物多样性、生态环境质量和农林牧渔及相关产业造成极其严重的影响[2]。因此，外来入侵植物的控制与防治是当前生态系统管理高度重视和亟需解决的关键问题，备受国际社会广泛关注。

农业生态系统是一个融合了自然、生物与人类社会生产活动的复杂系统，是在人类干预下发展起来的。相较于其他生态系统，它群落结构和营养结构简单、生物种类少、自我调节能力较弱、干扰性强，受人类影响最频繁直接，因此易遭受自然气候、病虫害、杂草生长等的影响，外来生物入侵问题较为严重[3]。全球农业因生物入侵直接或间接造成的损失每年高达2500亿美元[4-5]。外来入侵植物中最常见的植物之一是菊科植物，中国现有的菊科植物大多是外来种，占入侵种的22%左右[6-7]。隶属菊科植物的粗毛牛膝菊和小蓬草是中国农业生态系统中常见的恶性杂草，其种子结实量大，传播能力强，扩散速度快，排挤本地种，迅速形成大面积的优势种群落，能够入侵农田、草坪、果园等，影响农作物、瓜果蔬菜、花卉等的生长和产量，给入侵地的生物多样性和土壤结构与肥力带来较大威胁[8-11]。因此，为创造良好的农业生态环境，取得较佳的经济效益，针对农田杂草如何防治与管理的问题应得到足够重视。

近年来，关于粗毛牛膝菊和小蓬草的研究大多是关注分布范围、化学成分和生物学特性、种子萌发、化感作用、入侵机理等方面[12-15]，多数研究通过探究外来入侵植物对入侵地植物生长、物种多样性、土壤特性等的影响来解释其入侵机制[16-19]。但是，仍缺乏关于如何科学有效的防治这两种常见的农田杂草的方法研究，尤其是生物防治这一环保、不污染环境的方法。生物防治是以一种或一类生物去抑制另一种或一类生物，利用生物物种间的相互关系。然而，目前仅对不足50%的农田入侵植物开展了生物防治方面的研究工作[20]。本研究拟通过对粗毛牛膝菊和小蓬草种子分别施加不同质量浓度的5种本地蒿属植物地上部分和地下部分浸提液，观察2种入侵植物种子发芽和成苗情况，并测定根系长度，分析质量浓度梯度、不同部位浸提液和蒿属植物对入侵植物发芽率、成苗率和根长的化感效应，探究能有效减弱入侵植物生长的本地蒿属种浸提液，旨在降低粗毛牛膝菊和小蓬草的扩散蔓延并为制定防控措施提供科学依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选取蒿属植物5种，分别为黄花蒿(Artemisiaannua)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、艾蒿(Artemisiaargyi)、毛莲蒿(Artemisiavestita)和猪毛蒿(Artemisiascoparia)，于秦岭化羊峪、小峪和渭河滩地采集规格相近的蒿属植物。选取粗毛牛膝菊(Galinsogaquadriradiata)和小蓬草(Conyzacanadensis)2种入侵植物，于秦岭北麓户菜路采集植物种子。将试验所需植物和种子样品完好地放置在牛皮袋中，并尽快带回实验室。

1.2 试验方法

将分别获取蒿属植物地上和地下部分浸提液，随后将其施加于2种入侵植物的种子，观察种子的萌发、成苗和根系长度。

具体步骤为：(1)干燥，将蒿属植物的植物样品晾干；(2)粉碎，将蒿属植物地上部分和地下部分分开进行粉碎；(3)浸提，取粉碎后的样品溶于水中，其中每60 g粉碎样品加入400 mL无菌水，室温20 ℃，并超声2 h，静置1 h；(4)离心，取浸提液离心，转速为3 500 r/h，时间为5 min；(5)浓缩，利用旋转蒸发仪对离心后的上清液进行浓缩；(6)过滤，对浓缩后的上清液进行过滤，采用0.22 μm的水系过滤膜；(7)定容，取过滤液定容，质量浓度依次为0、0.1、0.15、0.25和0.4 g/mL；(8)加样，分别在入侵植物的种子中加入样品，第一次加浸提液2.5 mL，以后每隔48 h再加1 mL；设置空白对照，每个处理3个重复，其中每个重复的供试种子数为50粒；(9)将植物转移至光照培养箱，采用直径90 mm的培养皿，设置光照时间为当日7：00至 19：00，湿度60%，温度22 ℃，无光照时间为当日19：00至次日7：00，湿度50%，温度18 ℃。

1.3 试验指标测定

试验过程中，每天观察并记录入侵植物的种子萌发情况，当种子胚根突破种皮，露出白色细根时，即表明种子开始萌发，开始记录发芽种子数。连续观察直至10 d内未出现发芽种子视为发芽结束，统计种子发芽率。

每日15：00定时观察成苗情况，以株高大于2 cm成苗。在种子萌发后14 d记录成苗数，并计算成苗率。

成苗后第10天时，使用量尺测定每株幼苗的根系长度。

1.4 数据分析

数据处理采用SPSS 22.0统计分析软件，使用单因素方差分析(ANOVA)对不同蒿属植物和不同浸提液质量浓度下入侵植物萌发率、成苗率和根系长度进行差异显著性检验。使用Sigmaplot 14.0对数据组进行制图，数据以“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 蒿属植物浸提液对入侵植物萌发率的影响

2.1.1 地上部分浸提液对萌发率的影响 添加蒿属植物地上部分浸提液后，入侵植物的种子萌发时间明显延迟(图1)，浸提液质量浓度越高，种子萌发起始时间越晚。对照组在第9天达到最大萌发率，而处理组萌发率则在第12天后陆续到达最大值，甚至在质量浓度较高浸提液中种子没有萌发。

a～e分别为艾蒿、毛莲蒿、猪毛蒿、野艾蒿和黄花蒿地上部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的萌发率-时间曲线；f～j分别为艾蒿、毛莲蒿、猪毛蒿、野艾蒿和黄花蒿地上部分浸提液处理后小蓬草的萌发率-时间曲线

蒿属植物地上部分浸提液对入侵植物萌发率的影响大致呈现出随浸提液质量浓度的增加而加剧的趋势(表1，表2)。艾蒿地上部分浸提液质量浓度为0.4 g/mL，其他蒿属植物质量浓度为0.15g/mL时，粗毛牛膝菊萌发率开始显著下降；而艾蒿地上部分浸提液质量浓度为 0.15 g/mL，其他蒿属植物质量浓度为0.1 g/mL时，对小蓬草萌发率开始有显著影响。

表1 蒿属植物不同质量浓度地上部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的萌发率Table 1 Germination rate of G.quadriradiata under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表2 蒿属植物不同质量浓度地上部分浸提液处理后小蓬草的萌发率Table 2 Germination rate of C.canadensis under treatment of different massconcentrations of aboveground extracts from Artemisia species

相同质量浓度不同蒿属植物地上部分浸提液对入侵植物萌发率的影响同样存在差异。当浸提液质量浓度为0.1 g/mL时，蒿属植物地上部分浸提液对粗毛牛膝菊萌发率没有显著影响，而其他质量浓度不同蒿属植物间的差异性达到显著水平；5种蒿属植物中艾蒿对粗毛牛膝菊萌发率的影响相对较弱，猪毛蒿地上部分浸提液质量浓度为0.4 g/mL时其萌发率为0；对于小蓬草而言，仅在浸提液质量浓度为0.25 g/mL时，5种蒿属植物间差异性不显著，黄花蒿和猪毛蒿对其萌发率的影响相对较强，质量浓度为0.4 g/mL时种子不萌发。

2.1.2 地下部分浸提液对萌发率的影响 蒿属植物地下部分浸提液的添加明显推迟了入侵植物的种子萌发时间，并且质量浓度越高开始萌发时间越晚(图2)。所有处理组中并未出现种子未萌发的现象，浸提液质量浓度越高，种子萌发情况相对较弱。

a～e分别为艾蒿、毛莲蒿、猪毛蒿、野艾蒿和黄花蒿地上部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的萌发率-时间曲线；f～j分别为艾蒿、毛莲蒿、猪毛蒿、野艾蒿和黄花蒿地上部分浸提液处理后小蓬草的萌发率-时间曲线

蒿属植物地下部分浸提液对入侵植物萌发率的影响在不同植物和质量浓度之间均存在显著差异，大体呈现随质量浓度的增加而加剧的趋势(表3，表4)。对于粗毛牛膝菊而言，黄花蒿和艾蒿地下部分浸提液质量浓度分别在0.25 g/mL和0.4 g/mL时，对其萌发率开始具有显著影响，其他蒿属植物在各质量浓度之间无显著性差异；除0.1 g/mL和 0.15 g/mL外，其他地下部分浸提液质量浓度在不同蒿属植物间均差异显著，其中黄花蒿对其萌发率的影响相对剧烈。而对于小蓬草来说，野艾蒿地下部分浸提液对其萌发率的影响在各质量浓度间无显著差异，黄花蒿、艾蒿、毛莲蒿和猪毛蒿对其萌发率表现出显著影响时的质量浓度分别为0.4 g/mL、 0.25 g/mL、0.4 g/mL和0.25 g/mL；仅在质量浓度为0.15 g/mL和0.4 g/mL时蒿属植物地下部分浸提液对其萌发率的影响差异不显著。

表3 蒿属植物不同质量浓度地下部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的萌发率Table 3 Germination rate of G.quadriradiata under treatment of different massconcentrations of underground extracts from Artemisia species

表4 蒿属植物不同质量浓度地下部分浸提液处理后小蓬草的萌发率Table 4 Germination rate of C.canadensis under different mass concentrations of underground extracts from Artemisia species

2.2 蒿属植物浸提液对入侵植物成苗率的影响

2.2.1 地上部分浸提液对成苗率的影响 蒿属植物地上部分浸提液质量浓度的增加会加剧对入侵植物成苗率的影响程度(表5，表6)。艾蒿地上部分浸提液对粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率影响显著的起始质量浓度分别为0.4 g/mL和0.15 g/mL，其余4种蒿属植物的起始质量浓度则分别是0.15 g/mL和0.1 g/mL时，均小于艾蒿。当地上浸提液质量浓度分别为0.1 g/mL和0.25 g/mL时，对粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率的影响在5种蒿属植物间无显著差异，其余质量浓度则差异明显。

表5 蒿属植物不同质量浓度地上部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的成苗率Table 5 Seedling rate of G.quadriradiata under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表6 蒿属植物不同质量浓度地上部分浸提液处理后小蓬草的成苗率Table 6 Seedling rate of C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

5种蒿属植物中，艾蒿地上部分浸提液对粗毛牛膝菊成苗率的影响相对较弱，但是所有植物对小蓬草成苗率的影响均比较明显；黄花蒿和猪毛蒿相对较强，质量浓度为0.4 g/mL时2种入侵植物的成苗率均为0。

2.2.2 地下部分浸提液对成苗率的影响 蒿属植物地下部分浸提液对入侵成苗率的影响程度虽然在统计学上显著性不是很明显，但是数值上随着质量浓度的增加成苗率下降(表7，表8)。黄花蒿、艾蒿和毛莲蒿地下部分浸提液对粗毛牛膝菊成苗率影响的起始质量浓度分别为0.25 g/mL、0.4 g/mL和0.4 g/mL，而野艾蒿和猪毛蒿对其影响与质量浓度无明显关系；毛莲蒿和猪毛蒿地下部分浸提液质量浓度分别为0.4 g/mL和0.25 g/mL时，小蓬草成苗率开始明显下降，而其他3种蒿属植物在各质量浓度间无显著差异。

表7 蒿属植物不同质量浓度地下部分浸提液处理后粗毛牛膝菊的成苗率Table 7 Seedling rate of G.quadriradiata under treatment of different massconcentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表8 蒿属植物不同质量浓度地下部分浸提液处理后小蓬草的成苗率Table 8 Seedling rate of C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

地下部分浸提液质量浓度分别为0.15 g/mL和0.1 g/mL、0.15 g/mL、0.25 g/mL时，对粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率的影响在蒿属植物间没有明显差异。5种蒿属植物中，地下部分浸提液对粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率影响相对较强的分别是黄花蒿和毛莲蒿。

2.3 蒿属植物浸提液对入侵植物根系长度的影响

2.3.1 地上部分浸提液对根系长度的影响 随着蒿属植物地上部分浸提液质量浓度的增加，入侵植物根系长度大致表现为降低的趋势(图3)。质量浓度达到0.1 g/mL，粗毛牛膝菊根系长度开始下降，而黄花蒿和艾蒿地上部分浸提液质量浓度为0.15 g/mL，野艾蒿、毛莲蒿和猪毛蒿质量浓度为0.1 g/mL时，小蓬草根系长度开始减短。质量浓度分别为0.1 g/mL和0.15 g/mL时，蒿属植物地上浸提液对粗毛牛膝菊和小蓬草根系长度的影响没有显著差异；其他质量浓度在蒿属植物间有明显不同。

图3 蒿属植物不同质量浓度地上部分浸提液处理后粗毛牛膝菊和小蓬草的根系长度Fig.3 Root length of G.quadriradiata and C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

蒿属植物地上部分浸提液都明显降低了入侵植物的根系长度。其中，艾蒿的影响能力相对较弱；黄花蒿和猪毛蒿地上部分浸提液质量浓度为0.4 g/mL时，2种入侵植物的根系长度均为0，两者质量浓度为0.25 g/mL时，粗毛牛膝菊根系长度分别接近于0和等于0；野艾蒿和毛莲蒿地上部分浸提液质量浓度为0.4 g/mL时，粗毛牛膝菊根系长度不足1 mm，几乎为0。

2.3.2 地下部分浸提液对根系长度的影响 蒿属植物地下部分浸提液质量浓度与入侵植物根系长度的关系大致为负相关关系，即根长随质量浓度的增加而下降(图4)。对粗毛牛膝菊根系长度开始有显著影响时的地下部分浸提液质量浓度为黄花蒿和野艾蒿0.1 g/mL、艾蒿0.15 g/mL、毛莲蒿和猪毛蒿0.25 g/mL；猪毛蒿地下部分浸提液质量浓度为0.15 g/mL，其他蒿属植物质量浓度为0.1 g/mL时，小蓬草的根系长度开始显著降低。相同质量浓度地下部分浸提液对入侵植物的影响在蒿属植物间均存在显著差异。

图4 蒿属植物不同质量浓度地下部分浸提液处理后粗毛牛膝菊和小蓬草的根系长度Fig.4 Root length of G.quadriradiata and C.canadensis under treatment of differentmass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

相较于其他蒿属植物，猪毛蒿地下部分浸提液对入侵植物根系长度的影响程度较弱；黄花蒿和野艾蒿对粗毛牛膝菊根长的影响较为剧烈，而对小蓬草根长影响较强的植物为黄花蒿和毛 莲蒿。

与地下部分浸提液相比，蒿属植物地上部分浸提液对入侵植物的萌发率、成苗率和根系长度的影响更加明显。粗毛牛膝菊：黄花蒿、野艾蒿、毛莲蒿和猪毛蒿对萌发率、成苗率和根系长度的影响明显，而艾蒿的影响相对较弱。猪毛蒿质量浓度在0.25 g/mL和0.4 g/mL时，萌发率、成苗率和根长为0；黄花蒿质量浓度在0.4 g/mL时，成苗率和根长为0；野艾蒿和毛莲蒿质量浓度在0.4 g/mL时，根长已经很短，不足1 mm。小蓬草：黄花蒿和猪毛蒿对萌发率、成苗率和根系长度的影响相对其他蒿属植物明显。黄花蒿和猪毛蒿质量浓度在0.4 g/mL时，萌发率、成苗率和根长为0。

与萌发率和成苗率相比，蒿属植物地下部分浸提液对入侵植物根系长度的影响更加明显。综合5种蒿属植物地下部分浸提液对2种入侵植物萌发率、成苗率和根系长度的影响，可以看出黄花蒿对粗毛牛膝菊的影响较大；毛莲蒿对小蓬草的影响较大。

3 讨 论

作为外来入侵生物的重要组成部分，入侵杂草是严重限制农业生态系统作物高产稳产的障碍因素。当农田杂草密度达到100～200 株/m2时，会造成作物减产750～1 500 kg/hm2，明显大于其他农业有害生物[21]。有效抑制农田入侵杂草的发生和扩散，对于降低作物危害、保证作物产量和实现农业可持续发展意义重大，其中，生物防治是控制入侵杂草和保障食品安全重要的绿色防控技术之一。本试验研究了5种本土蒿属植物地上部分和地下部分浸提液对常见农田入侵杂草粗毛牛膝菊和小蓬草发芽率、成苗率和根系长度的影响程度，结果发现它们在对杂草的生长上均表现出一定的减弱效果，体现了蒿属植物浸提液抑制作用的普适性，但同时对入侵杂草影响的强弱程度又存在明显区别，表明抑制特性不仅取决于蒿属植物种类、浸提液来源和质量浓度，还与受体物质等因素有关[22]。

本研究中，随着蒿属植物浸提液质量浓度的升高，粗毛牛膝菊和小蓬草的种子发芽率、成苗率和根系长度出现不同程度的降低，这与沙蒿、猪毛蒿、马尾松、狼毒、黄花蒿等植物浸提液对不同植物种子萌发和幼苗生长的影响基本一致[23-27]。植物浸提液中所含化感物质通过改变受体植物细胞膜通透性、线粒体呼吸、酶活性和蛋白质的合成等来抑制和延缓种子萌发和幼苗生长，此外化感物质还对植物根系分生区细胞的有丝分裂过程产生抑制作用，进而影响幼苗根的生长[28-31]。

然而，浸提液对2种入侵杂草的影响程度在蒿属种间、地上和地下部分间、粗毛牛膝菊和小蓬草间又有明显不同。入侵杂草的种子发芽率、成苗率和根系长度对蒿属植物地上部分浸提液的响应更为敏感，这3个生长指标随地上部分浸提液质量浓度增加的下降程度要明显强于地下部分浸提液。王方琳等[27]对沙蒿浸提液对自身种子萌发的化感作用研究中发现，枝叶浸提液的抑制作用要明显强于根。有研究同样发现黄花蒿不同部位浸提液的化感效应存在差异，其中地上部分浸提液对黑麦草、细弱翦股颖和高羊茅种子萌发的影响大于地下部分浸提液[25,32],可能是黄花蒿地上部挥发油主要由单萜类物质组成，而地下部挥发油主要由倍半萜类物质组成[33-35]，特别是黄花蒿体内的单萜类物质青蒿素，主要大量存在于其茎叶中[36]。不同部位浸提液表现出的效应强度有所差异，可能与各器官所含有的化感物质的种类和含量有关[37-39]。

浸提液对入侵杂草生长的作用呈现种间差异性，体现在蒿属植物间和入侵杂草间。本试验中，艾蒿对粗毛牛膝菊生长的影响相对较弱，而猪毛蒿地上部分浸提液质量浓度为0.25 g/mL和0.4 g/mL时，萌发率、成苗率和根长为0；黄花蒿质量浓度为0.4 g/mL时，成苗率和根长为0；野艾蒿和毛莲蒿质量浓度为0.4 g/mL时，根长已经很短，不足 1 mm。对于小蓬草而言，黄花蒿和猪毛蒿地上部分浸提液质量浓度在0.4 g/mL时，萌发率、成苗率和根长为0，影响程度相对强于其他蒿属植物。可以看出，不同蒿属植物的化感作用大小有所差异，可能与化感物质组成成分和含量有关，黄花蒿和猪毛蒿浸提液对2种入侵杂草生长的影响最大。猪毛蒿浸提液中含有多种化感物质，能够破坏生物膜结构的透性，受体植物种子向周围渗透的电解质增多，导致种子活力下降，另外化感物质肉桂酸影响α淀粉酶的活性，引起种子内可溶性糖含量变化，进而影响种子萌发和幼苗生长[23]。黄花蒿中同样具有极强的化感物质，其体内含有四环甾族和五环三萜等萜类物质，是带有羰基或羟基基团且有强烈生物活性的化合物，表现出较高的抑制植物生长的作用[40]。而粗毛牛膝菊和小蓬草对浸提液敏感度的差异则可能与植物自身膜系统稳定性、抗氧化磷酸化能力等应答机制密切相关[41-42]。

无论是地上部分还是地下部分，蒿属植物浸提液对入侵杂草根系长度的影响作用要明显优于种子萌发率和成苗率，表明根系长度对浸提液中所含有的化感物质较为敏感。在研究小白菜和萝卜种子发芽率及幼苗生长对黄花蒿浸提液响应中发现了相似结果，推测原因可能为胚根直接与化感物质接触，抑制其细胞分裂和伸长，进而抑制种子萌发和幼苗生长[25]。郑明清等[43]认为在发生化感胁迫时，多数植物幼苗根部通常会比其他部位更为敏感。植物地上部分依赖根系吸收营养物质以满足生长发育需求，当根部受胁迫程度达到一定范围时，水分和养分无法正常供给，植物其他部位才会表现出削弱症状[44]。

4 结 论

5种蒿属植物地上和地下部分浸提液对入侵植物的萌发率、成苗率和根系长度均存在不同强度的化感作用，且随着质量浓度的增加而加剧，其中根系长度对浸提液的敏感度相对更强，地上部分浸提液对入侵植物生长的影响更加明显。黄花蒿和猪毛蒿地上部分浸提液质量浓度为0.4 g/mL时，对粗毛牛膝菊和小蓬草的生长影响最大，在这两种入侵植物防治方面可以参考此数值。