毛白杨凋落叶对节节麦种子萌发和表型可塑性的影响

陈 浩，张跃伟，王 宁，王 梓，常青山

(河南科技大学 园艺与植物保护学院，河南 洛阳 471000)

化感作用作为植物之间作用的生物化学相互关系，指植物可以通过向周围环境释放化学物质，从而影响自身或周围其他植物生长发育[1]。其作用途径广泛，可以通过降雨淋溶、挥发、根系分泌和残体分解等途径，产生不同程度的影响[2]。化感作用普遍存在于植物界，且广泛存在于农林田间系统[3]。

杨树(Populusspp.)作为优良速生树种，适应性广、抗性强，广泛应用于小麦种植地区的农林系统[4]，其对于农田生态的化感作用不可忽视。目前，有关杨树化感作用研究主要集中在其对田间农作物的影响上。例如：季琳琳等[5]关于杨树对板蓝根、小麦、白菜等化感作用的研究表明，杨树叶浸提液对作物的发芽率、发芽指数、苗高、根长和鲜重等均有显著影响，整体上表现出低促高抑的双重浓度效应。赵勇等[6]研究表明，杨树对小麦、玉米、大豆具有不同的化感作用，对不同目标作物具有不同的毒性阈值，而且杨树叶片的化感作用强于同为田间常见乔木的泡桐(Paulownia)。此外，还有学者探讨了美洲黑杨对小白菜的化感作用[7]、杨树对紫花苜蓿的化感作用[8]、杨树对莴苣的化感作用[9]。上述大部分研究均以作物为试验对象，少见有针对田间入侵杂草对杨树化感响应的相关报道。在以往化感研究中，通常采用浸提法提取化感物质[5-9]，用水培法研究其对植物的影响，然而化感物质释放是一个连续的过程，除淋溶外，凋落叶分解也是主要途径之一[10]。凋落叶在分解过程中释放的化感物质，除直接作用于植物本身，也可通过改变土壤理化性质和微生物群落进一步作用于植物[11]，过程复杂。因此，浸提水培法不能说明凋落叶化感物质在自然状态下于土壤中缓慢分解释放的影响，具有局限性。

节节麦(AegilopstauschiiCoss.)属禾本科山羊草属，是我国进境植物检疫危险性杂草之一，适应能力强，耐瘠薄、分蘖系数高，已经成为麦田中难根除的一种禾本科恶性入侵杂草，尚无有效防除的除草剂[12]。而化感作用抑制杂草在多项研究中被证实[13-14]可行，利用群落植物化感作用防治杂草，已逐渐成为国内研究热点和新途径。本试验以节节麦为材料，以洛阳地区广泛种植的白杨派优良树种毛白杨(PopulustomentosaCarr.)凋落叶作为供体材料，通过浸提液法和模拟枯叶自然腐烂过程的盆栽法，研究凋落叶对节节麦种子萌发和幼苗生长的化感影响，探讨毛白杨凋落叶化感防除节节麦的可行性，并了解节节麦在此特殊化感环境中的入侵机制，研究结果对改进生产策略、提高农田经济效益、深化节节麦化感防治研究具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 材料

2020年10月在洛阳市洛龙区采集毛白杨凋落叶。选择自然凋落、叶面完整干净的叶片，阴凉通风处晾干。2020年6月在新乡市农业科学院试验田采集节节麦种子，晾干储存于-20 ℃冰箱；2021年1月在新乡市农业科学院试验田采集节节麦幼苗，置于大棚正常管理。栽培土壤为褐土，采自洛阳市洛龙区农田，有机质和全氮含量分别为11.3 g·kg-1和0.85 g·kg-1，有效磷和速效钾含量分别为11.4 mg·kg-1和167.5 mg·kg-1，pH值7.4。

1.2 试验设计

1.2.1 凋落叶浸提液种子萌发试验

凋落叶浸提液的制备：称取风干叶片100 g，剪碎，在900 mL蒸馏水中浸泡24 h，过滤，定容至1 000 mL，得浸提液母液(100 mg·mL-1)。

设置6处理，将母液分别稀释为5.00、10.00、20.00、40.00、60.00 mg·mL-1，以蒸馏水为对照。采用培养皿法，选颗粒饱满、大小一致的节节麦种子去除颖壳(排除萌发抑制物的影响)，1%次氯酸钠消毒10 min，蒸馏水冲洗3次，晾干置于铺双层滤纸的9 cm培养皿培养，每皿50粒，4次重复，分别加入5 mL不同浓度浸提液，于光照培养箱中培养。培养条件：光照12 h(25 ℃)、黑暗12 h(25 ℃)。每天用过量浸液冲淋，保证浓度稳定(对照补充蒸馏水)。每24 h统计种子发芽数，直至种子连续2 d不再萌发即停止发芽试验。计算发芽率、发芽势、发芽指数、化感效应指数。

1.2.2 凋落叶混土盆栽试验

9年生杨树年凋落叶总量[15]为12.86 t·hm-2，相当于花盆面积(直径25 cm)凋落叶量约为60 g。因此，试验共设4个水平：0、30、60、120 g每盆，记为CK、Y30、Y60、Y120，每处理3个重复。杨树凋落叶分解速率在3—4月份迅速增加[16]，在2021年3月初将凋落叶剪碎(约0.5 cm2)分别与5 kg土混匀(干土质量)装盆。3月10日，选择长势良好、大小一致的节节麦幼苗定植花盆，每盆10株。缓苗一周后测定第一次指标，随机选取5株苗，测定植株叶面积，全株生物量。之后正常管理。4月27日进行第二次指标测定，每处理随机选取5棵植株，分别测定根、茎、叶、穗生物量，植株叶面积，叶片数量。

叶面积用扫描仪法[17]测定；生物量采用烘干法，收获全株，测定根、茎、叶生物量，于80 ℃烘箱中烘至质量不变，万分之一电子天平称量，期间为防止吸湿增重，全部放置于干燥瓶内。

试验同时设置空白对照，以判断凋落叶添加是否会改变土壤结构，进而影响植物生长。参考照吴秀华等[18]的方法，对凋落叶碎片进行常温浸洗过滤、蒸煮，以消除化感物质，蒸煮后的凋落叶施用同样设置4个水平：0 g (ECK)，30 g(EY30)，60 g(EY60)；120 g(EY120)。

1.3 指标计算

R=n/N×100%；

(1)

RE=G4/N×100%；

扩大增值税增收范围改革符合经济发展规律，对于我国经济发展具有重要的意义，但是在进行改革的过程中仍然有些问题有待解决。

(2)

GI=∑(Gt/Dt)；

(3)

(4)

式(1)～(4)中：R为发芽率，n为发芽种子数，N为供试种子数；RE为发芽势，G4为第4天的发芽种子数；GI为发芽指数，Gt为不同时间发芽的种子数，Dt为相应的发芽时间；tm为平均发芽时间，h为从种子放入培养皿之日算起的天数，n3为相应各日发芽粒数。

参照文献[20]方法，计算植株总生物量、各构件生物量比(构件生物量/植株总生物量)、根冠比(root to shoot ratio，根生物量/地上生物量)、叶重分数(leaf mass fraction，LMF，叶生物量/地上生物量)、叶面积比(leaf area ratio，LAR，总叶面积/总生物量)、叶根比(leaf area root mass ratio，LARMR，叶总面积/根生物量)、比叶面积(specific leaf area，SLA，总叶面积/叶生物量)、平均叶面积(mean leaf area，MLA，总叶面积/叶片数)。

RGR=(lnm2-lnm1)/t；

(5)

RNA=[(m2-m1)/(s2-s1)]×[(lns2-lns1)/t]；

(6)

RLAm=[(lnm2-lnm1)/(m2-m1)]×[(s2-s1)/(lns2-lns1)]；

(7)

(8)

式(5)～(8)中，RGR代表平均相对生长速率(relative growth rate，RGR)，RNA代表净同化速率(NAR)，RLAm代表平均叶面积比(LARm)，m1、s1分别为第一次指标测定总生物量和叶面积，m2、s2分别表示第二次测定时该植物单个重复的总生物量和叶面积，t表示两次测定的时间间隔(d)，VPPI代表表型可塑性指数(phenotypic plasticity index，PPI)的值，Vmax和Vmin分别代表某一指标在几种生境下的最大值和最小值。

参照Williamson等[21]的方法计算化感效应指数(response index，RI)。

(9)

式(9)中：VRI为RI的值，C为对照值，T为处理值。当RI>0时表示有化感促进作用，RI<0时表示有化感抑制作用，RI绝对值的大小反映化感作用的强弱。根据RI结果，计算综合化感效应(synthetical allelopathic effect，SE)，即各测试指标RI值的算术平均值。

1.4 数据处理

采用SPSS19.0软件对试验结果进行单因素方差分析，用Duncan新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 毛白杨浸提液对节节麦种子萌发的影响

方差分析表明，用不同浓度毛白杨浸提液处理节节麦种子，处理间种子萌发有显著差异(表1)。发芽率、发芽势、发芽指数均呈现先上升后下降的趋势，且在5 mg·mL-1时出现明显的增加，发芽率、发芽势分别较对照上升4、10百分点，发芽指数提高12.72%，表现出一定的促进作用，但均未达到显著水平。发芽率、发芽势、发芽指数均在浸提液为40 mg·mL-1时与对照出现显著差异，说明此浓度浸提液对节节麦种子萌发开始出现显著影响，而且发芽指数较20 mg·mL-1时显著(P<0.05)下降。三者均在浸提液60 mg·mL-1时达到最低值，发芽率、发芽势分别较对照下降27.34、20.00百分点，发芽指数较对照下降56.31%。平均发芽时间与对照相比并未达到显著差异。表型可塑性指数分析表明，发芽势的表型可塑性指数最大(0.75)，平均发芽时间的表型可塑性指数最小(0.52)，说明平均发芽时间最为稳定。

表1 浸提液浓度对节节麦种子萌发的影响

2.2 凋落叶施用量对节节麦生物量积累的影响

将凋落叶蒸煮后，各处理与对照的节节麦总生物量无显著差异，说明添加不同施用量凋落叶不会改变土壤性状，不会显著影响植物生长。

施用未蒸煮凋落叶对节节麦生物量积累有显著影响(表2)。随着施用量增加，各部分生物量积累明显呈现先增加后降低的趋势。Y30处理中，叶重、根重、地上重、总重显著(P<0.05)大于对照，均达到最高。Y60处理中，各部分生物量与对照均无显著差异(P>0.05)，表现出一定的耐受性。Y120中，各部分生物量均显著(P<0.05)小于对照、Y30和Y60处理，生物量大幅下降，叶重降幅最大，达到66.67%。另外，叶重的表型可塑性指数最大，根重的最小。

表2 凋落叶施用量对节节麦生物量的影响

2.3 凋落叶施用量对节节麦物质分配的影响

由表3可知，节节麦可以根据凋落叶施用量，调整干物质分配。叶生物量比、叶重分数在Y30处理中最大，较CK分别增加3.14百分点、15.57%，但未达到显著水平，之后快速下降，在Y120处理中达到最低值，显著(P<0.05)小于CK，比CK分别降低5.54百分点、22.95%。根生物量比、根冠比则在Y60时达到峰值，并显著(P<0.05)高于CK，分别比CK增加2.57百分点、34.07%，Y120处理中虽稍有降低，但仍显著(P<0.05)高于对照。此外，茎生物量比在各处理水平未见显著差异。表型可塑性指数中，根冠比、茎生物量比较低，分别为0.12、0.10，在各处理中变化较小，相对稳定。叶片相关指标表型可塑性最大，其中，叶生物量比的表型可塑性指数最高，叶重分数的次之。

表3 凋落叶施用量对节节麦物质分配的影响

2.4 凋落叶施用量对节节麦叶、根形态相关指标的影响

方差分析表明，凋落叶施用量增加对节节麦总叶面积、MLA、LAR、SLA、LARMR均有显著影响(表4)。随着施用量增加，总叶面积、MLA、LAR先增加后下降，均在Y30时最大，其中总叶面积较CK显著升高，增加33.57%。随着施用量继续增加，三者逐渐下降，MLA在Y60处理中较CK开始出现显著降低，Y120处理中三者均降至最低，且显著低于CK，其中总叶面积降低71.89%，MLA降低50.30%，LAR降低38.01%；此外，MLA在Y120处理中较Y60显著(P<0.05)降低。SLA、LARMR随施用量增加逐渐下降，SLA在Y120处理中较CK显著(P<0.05)降低，LARMR在Y60、Y120处理中较CK均显著(P<0.05)降低。由此可以看出，Y30处理仅对节节麦总叶面积有显著促进作用，随着浓度增加开始出现抑制效应，显著表现在MLA、LARMR，而Y120处理产生全面抑制，并进一步抑制MLA。另外，表型可塑性指数中，总叶面积最高，比叶面积最低。

表4 不同凋落叶施用量对节节麦叶、根形态相关指标的影响

2.5 凋落叶施用量对节节麦生长特性的影响

方差分析表明，凋落叶施用量对平均相对生长速率有显著影响(表5)。平均相对生长速率、净同化速率、平均叶面积比均在Y30处理中达到最大，但与CK相比，均未达到显著水平；平均相对生长速率、净同化速率、平均叶面积比均在Y120处理中降至最小，较CK分别下降33.33%、18.87%、14.55%，其中平均相对生长速率显著(P<0.05)低于CK、Y30、Y60处理，净同化速率、平均叶面积比各处理未见显著差异。说明施用量在较低水平对节节麦生长特性有一定的促进作用，较高水平产生抑制，主要表现于对平均相对生长速率的抑制。平均相对生长速率的表型可塑性指数最高，平均叶面积比的表型可塑性指数最低。

表5 不同凋落叶施用量对平均相对生长速率、净同化速率、平均叶面积比的影响

2.6 凋落叶对节节麦化感效应的影响

化感作用对个体的影响是多方面的，通过单一指标，不足以了解其综合化感影响。根据以上多种指标测定结果，分别计算凋落叶浸提液对节节麦种子萌发的影响，以及凋落叶施用量对节节麦个体植株的影响。

从表6可以看出，凋落叶浸提液对节节麦种子的综合化感效应表现低促高抑，萌发各指标与综合化感效应趋势一致。凋落叶浸提液质量浓度为5 mg·mL-1时对各项指标均有促进效果，其中发芽势的化感效应指数为0.21，提高最为明显。凋落叶浸提液质量浓度达到10 mg·mL-1时出现抑制效应，之后抑制效应迅速上升。凋落叶浸提液质量浓度为20～60 mg·mL-1时，对发芽势、发芽指数抑制最强。

表6 凋落叶浸提液对节节麦种子萌发的综合化感效应

凋落叶施用量对于节节麦植株综合化感效应同样表现出类似的剂量效应(表7)，既低促高抑。Y30处理中植株各部分干重和总生物量均有明显增加，总叶面积和相对生长速率也有提升，综合化感效应为0.27，其中对叶重的化感效应指数(0.34)最大，促进作用最强。Y60处理中叶重、茎重、总重、总叶面积、平均相对生长速率开始受到抑制，其中总叶面积和叶重受抑制最强；此外，根重的化感效应指数并没有立即下降，仍表现较高的促进效应(SE=0.22)。Y120处理出现强烈抑制效应(SE=-0.52)，各指标均受到不同程度抑制，其中叶重、茎重、总重、总叶面积抑制率均大于50%，而对根重、平均相对生长速率的抑制相对较弱。

表7 凋落叶施用量对节节麦植株的综合化感效应

3 结论与讨论

凋落叶作为化感物质的重要来源之一，在分解初期，易溶、易分解的物质释放并分解，在此过程中小分子的次生代谢物质可能迅速释放[22]，并能有效抑制受体植物的生长和发育。化感作用往往具有选择性和专一性[23]，这就为针对性生态防治，改善农林生态系统提供可能。本研究结果证明，毛白杨凋落叶化感防除节节麦具有一定可行性。

种子萌发是入侵植物繁衍扩张的重要手段，产生大量生活力强、高萌发率的籽粒可有力提升其扩张入侵能力[24]，因此降低发芽率、萌发活力和延长发芽时间，对于抑制种子繁殖、入侵物种扩张有积极意义。本研究中，毛白杨凋落叶浸提液对节节麦种子存在明显的化感效应，对其发芽率、发芽势、发芽指数、发芽时间均存在低促高抑效应，40 mg·mL-1浸提液对多个指标表现显著抑制作用。根据综合化感效应分析，高浓度(60 mg·mL-1)化感物质对节节麦种子发芽势和发芽指数抑制最强。毛白杨凋落叶浸提液可以通过降低节节麦种子发芽势、发芽指数，影响其发芽率，从而降低田间系统中节节麦自我更新扩张的能力。

毛白杨凋落叶对节节麦生长整体表现为低促高抑，与前人研究结果类似[25-26]。高施用量时均能产生抑制效应，但值得指出的是，根系耐受性较其他器官更好，与侯玉平等[27]对火炬树幼苗的研究结果一致，但这与一些研究结果不同，其认为根系直接接触化感物质，应该最为敏感，这可能与化感专一性和植物入侵特性有关。总体可以看出，毛白杨凋落叶高施用量能够有效抑制节节麦生物量积累、叶片生长，从而使其转变生存策略，抑制其扩张。

植物表型是植物对环境适应能力和生长发育规律的反映[28]。植物可以通过重新分配生物量，调整植株形态，适应恶劣环境条件。所以拥有强大的表型可塑性能力，能够帮助入侵植物成功入侵[29]，如胜红蓟[30]、三叶鬼针草[31]通常具有很强的表型可塑性。本研究中，入侵植物节节麦在化感环境下同样表现出较强的表型可塑性，叶、根、茎都有一定的可塑能力，其中叶片可塑性表现突出，说明叶片在节节麦适应凋落叶化感环境过程起重要作用，这与已往其他逆境中节节麦的研究结果类似[32]。叶片作为营养器官，其动态建成伴随植物整个生命过程，优良环境下大量建成，逆境中为减少消耗，叶片结构做出让步，因此有较高的可塑性。节节麦根生物量比、根冠比同样具备一定的可塑性，根生物量比和根冠比在中高施用量时，一直保持较高水平，且均显著高于对照。说明在一定量的化感抑制环境下，节节麦将降低地上部分投入，将更多的生物量投入地下，增加根生物量比，提高节节麦根冠比。根冠比整体上升，但相对稳定。根冠比增加有利于植物在逆境中生存，稳定的根冠比可以帮助植物保持地上和地下部分生长协调，促进资源利用[33]，通过稳中有增的根冠比促进节节麦适应环境。综上所述，在化感抑制下节节麦表现出强大的表型可塑性，这可能是其入侵成功的重要原因。