格氏栲天然林凋落物對馬尾松種子萌發(fā)的影響

賈梅花，王 哲，劉金福＊，晉夢然，何中聲＊，邢 聰，施友文，沈彩霞

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2. 福建農(nóng)林大學(xué) 海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心，福建 福州 350002；3. 生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；4. 扶風(fēng)七星河國家濕地公園，陜西 扶風(fēng) 722200；5. 三明莘口格氏栲自然保護(hù)區(qū)管理站，福建 三明 365000)

格氏栲（Castanopsis kawakamiiHay.）是殼斗科（Fagaceae）常綠高大喬木，是國家林業(yè)局《中國主要栽培珍貴樹種參考名錄（2017 年版）》樹種之一，也是福建省珍稀野生植物保護(hù)工程重要目標(biāo)樹種[1]。在福建三明有約700 hm2以格氏栲為優(yōu)勢種的天然林[1]。近年來，格氏栲天然林冠層斷層現(xiàn)象明顯，林窗數(shù)量增多，幼苗天然更新能力弱，種群老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，加之病蟲鼠害和人為干擾，導(dǎo)致格氏栲種群受到嚴(yán)重威脅[2]。格氏栲林內(nèi)，伴生樹種幼苗較多，格氏栲實(shí)生幼苗相對較少，相關(guān)研究表明格氏栲凋落物浸提液對其自身種子萌發(fā)具有抑制效應(yīng)[3]，抑制格氏栲幼苗更新，從而增加了伴生樹種如：馬尾松（Pinus massonianaLamb.）、米櫧（C.carlesii(Hemsl.) Hay.）和木荷（Schima superbaGardn. et Champ.）等的多度[4]，使整個(gè)群落正向物種豐富、組成復(fù)雜的方向演變。

密度制約效應(yīng)在熱帶森林、亞熱帶森林及部分溫帶森林普遍存在[5]，主要通過提高優(yōu)勢種和近緣種死亡率或降低物種生長速率，間接為其他伴生物種提供空間和資源，促進(jìn)物種共存[6-7]。當(dāng)同種個(gè)體之間面臨有害生物對植物侵害或資源空間缺乏時(shí)[8]，物種通過次生代謝為媒介的化學(xué)手段（化感作用）分泌化學(xué)物質(zhì)，抑制鄰體物種生長，滿足自身生長需求[8]。化感物質(zhì)主要包括酚類、萜類、生物堿等，通過揮發(fā)、雨霧淋溶、植物殘?bào)w或凋落物腐解、植物根系分泌等途徑釋放[9]，其中以凋落物為主產(chǎn)生的化感作用備受關(guān)注[9-10]。凋落物是養(yǎng)分循環(huán)中連接植物與環(huán)境的“紐帶”，在生物和非生物作用下，通過釋放大量礦物質(zhì)養(yǎng)分歸還到土壤，供綠色植物吸收利用，同時(shí)釋放化感物質(zhì)，影響自身及其他植物，進(jìn)而改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)和布局[10]。

種子是植物生長周期中重要階段，對個(gè)體繁殖、種群擴(kuò)散和群落結(jié)構(gòu)組成具有重要意義，種子萌發(fā)和胚根生長是植物對環(huán)境生態(tài)因子反應(yīng)最為敏感階段，反映其天然更新能力和競爭能力[11]。考慮到化感作用是導(dǎo)致密度制約效應(yīng)主要原因之一[6]，而格氏栲受到自毒作用[3]，有可能產(chǎn)生密度制約效應(yīng)[7]，為伴生種生長發(fā)育提供了資源和空間。為此，通過探討格氏栲天然林不同凋落物浸提液對主要伴生種馬尾松種子萌發(fā)和胚根生長的影響，驗(yàn)證格氏栲天然林凋落物對馬尾松的影響，為未來格氏栲群落演替方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

格氏栲自然保護(hù)區(qū)位于福建三明武夷山東支脈地帶，屬于典型低山丘陵地貌區(qū)，中心地理坐標(biāo)26°10′ N，117°27′ E，海拔高度在200～600 m，屬典型亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫為19.5℃，年平均降水量約1 500 mm，年均空氣相對濕度79%。凋落物層較厚，土壤以紅壤土或暗紅壤土為主。天然林林冠層呈波浪狀，平均樹高15 m 左右，平均胸徑約30 cm，郁閉度高達(dá)0.8。喬木層主要有格氏栲、馬尾松、木荷、桂北木姜子（Litsea subcoriaceaYang et P. H. Huang）、杉木（Cunninghamia lanceolate(Lamb.) Hook.）和甜櫧（C.eyrie(Champ.) Tutch.）等。灌木層主要有黃絨潤楠（Machilus grijsiiHance）、狗骨柴（Diplospora dubia(Lindl.) Masam.）和赤楠（Syzygium buxifoliumHook. et Ar.n.）；草本層植物有山姜（Alpinia japonica(Thunb.) Miq.）、黑莎草（Gahnia tristisNees）和狗脊（Woodwardia japonica(L. f.) Sm.）等。層間植物有飛龍掌血（Toddalia asiatica(L.)Lam.）、藤黃檀（Dalbergia hancai）和香花崖豆藤（Millettia dielsianaHarms）等[12-13]。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2018 年3 月在格氏栲自然保護(hù)區(qū)選擇10 塊固定樣地，于每塊樣地按東、南、西、北、中5 個(gè)方位收集凋落物。收集時(shí)按未分解層（新鮮凋落物葉，顏色變化不明顯，質(zhì)地堅(jiān)硬，外表無分解痕跡）、半分解層（顏色變黑，無完整外觀輪廓，多數(shù)凋落物已粉碎，混合凋落物）及全分解層（被分解成瑣屑葉肉已不能辨識原形，混合凋落物）3 個(gè)層次分層取樣[14]。11—12 月份，待馬尾松結(jié)實(shí)盛期，江西吉安、鷹潭合作林場收集落地的第二代馬尾松良種，脫粒并篩選種子約1.5 kg，存于4℃冰箱中備用。

2.2 試驗(yàn)方法及測定

2.2.1 浸提液制備 基于Inderjit 和劉艷會等研究[15-16]，將收集的格氏栲天然林凋落物烘干粉碎至1～2 cm，按1 g·5 mL?1（1 g 干物質(zhì)中加入5 mL蒸餾水）比例配制，常溫下浸泡48 h，用干凈紗布過濾，濾液再經(jīng)真空泵過濾后，得到1∶5 濃度液體。考慮到野外大部分凋落物處于未被浸提狀態(tài)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究方法[17-19]，將1∶5 稀釋成1∶10、1∶30、1∶50、1∶100 的不同濃度浸提液，分裝、標(biāo)記并密封保存，存于4℃冰箱中備用。

2.2.2 種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn) 挑選大小均勻、飽滿的馬尾松種子，沖洗，消毒，再反復(fù)沖洗后浸種24 h，去除浮于水面種子，其余均勻地放置在已消毒的雙層濾紙覆蓋培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿放100 顆種子，再將格氏栲天然林不同分解層-濃度凋落物浸提液加入培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿加入10 mL 浸提液，每個(gè)處理重復(fù)3 次，并設(shè)3 個(gè)空白組做對照（加入蒸餾水）。參照格氏栲天然林空氣溫濕度，將其置于25℃光反應(yīng)和20℃暗反應(yīng)培養(yǎng)箱中循環(huán)培養(yǎng)12 h，光照強(qiáng)度為50 μmol·(cm2·s)?1[20]，相對濕度70%～80%。每天補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的浸提液（對照組補(bǔ)充蒸餾水），使濾紙保持濕潤狀態(tài)。

2.2.3 測定方法 從安置種子當(dāng)天開始，以胚根露出種皮1～2 mm 為標(biāo)準(zhǔn)[21]，逐日記錄發(fā)芽種子數(shù)和腐爛種子數(shù)，待種子發(fā)芽盛期，從不同濃度培養(yǎng)皿中選20 粒胚根長度基本一致的種子，測量胚根長度并記錄。連續(xù)3 天種子發(fā)芽數(shù)不變時(shí)；結(jié)束發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，胚根生長量基本不變時(shí)，結(jié)束胚根實(shí)驗(yàn)。計(jì)算種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和化感效應(yīng)指數(shù)[22-23]。

各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率（%）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)）× 100%；

發(fā)芽勢（%）=日平均發(fā)芽數(shù)達(dá)到最高那一天為止正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù) × 100%；

注：Dt為發(fā)芽日數(shù)，Gt為與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)。

化感指數(shù)RI= 1?C/T（當(dāng)T≥C時(shí)），或RI=T/C?1（當(dāng)T

注：C為對照值，T為處理值，RI< 0 表示抑制作用，RI> 0 表示促進(jìn)作用，RI絕對值大小與化感作用強(qiáng)度一致。

2.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2019 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本計(jì)算并繪圖，采用SPSS v24 統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）檢驗(yàn)不同分解層及濃度對種子萌發(fā)的影響；用重復(fù)測量方差分析（Repeated-measures ANOVA）檢驗(yàn)分解層-濃度-時(shí)間對胚根生長的影響；用Duncan 檢驗(yàn)不同分解層對種子萌發(fā)及不同濃度對胚根生長各處理間顯著差異性；用對應(yīng)分析（Correspondence analysis）衡量馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)和胚根生長在不同分解層-濃度凋落物浸提液濃度各水平之間內(nèi)在聯(lián)系，濃度與分解層之間距離越近，化感作用越小；反之化感作用越大[24]。

3 結(jié)果分析

3.1 不同分解層-濃度凋落物浸提液對馬尾松種子萌發(fā)的影響

格氏栲凋落物不同分解層對馬尾松種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)呈極顯著性差異；凋落物濃度及其分解層對馬尾松種子萌發(fā)沒有顯著影響（表1），影響馬尾松種子萌發(fā)的主要影響因子是凋落物分解層。為此，針對不同分解層處理下進(jìn)一步分析馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)（表2），與空白對照相比，未分解層和全分解層對馬尾松種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)沒有顯著差異性，半分解層對其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)具有顯著抑制作用，對發(fā)芽勢具有顯著促進(jìn)作用。

表1 分解層-濃度對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of decomposition layer -concentration on seeds germination index of P.massoniana

表2 不同分解層對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)的平均值與多重比較Table 2 Average and multiple comparison of seeds germination indices of P.massoniana in different decomposition layer

不同分解層-濃度凋落物浸提液對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)無顯著相關(guān)性（圖1）。未分解浸提液濃度為1∶100 時(shí)，對馬尾松種子各發(fā)芽指標(biāo)化感作用較小，1∶5 時(shí)對其化感作用最大。半分解層濃度為1∶50 和1∶30 時(shí)對發(fā)芽率化感作用較弱，1∶5 時(shí)化感作用較強(qiáng)，濃度為1∶5 和1∶10 對發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)化感作用較弱，1∶50 時(shí)化感作用較強(qiáng)。全分解層對發(fā)芽率在1∶5 和1∶10 時(shí)化感作用較弱，1∶100 時(shí)化感作用較強(qiáng)，對發(fā)芽勢與發(fā)芽指數(shù)除1∶50 有較強(qiáng)的化感作用外其他濃度化感作用均相對較小。

圖1 不同分解層-濃度對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)的對應(yīng)分析Fig.1 Correspondence analysis of decomposition layer -concentration the seeds germination index of P.massoniana

3.2 不同分解層-濃度凋落物浸提液對馬尾松胚根生長的影響

分解層、時(shí)間與分解層的交互作用、時(shí)間與濃度的交互作用及時(shí)間與分解層和濃度的交互作用對胚根生長無明顯差異，濃度效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)和濃度與分解層的交互作用對其有明顯差異（表3）。結(jié)果表明影響胚根生長的主效應(yīng)是濃度、時(shí)間及分解層與濃度的交互作用。

表3 分解層-濃度-時(shí)間對馬尾松種子胚根生長的重復(fù)測量方差分析Table 3 Repeated-measures ANOVA of decomposition layer-concentration-time on the seeds radicle growth seed of P.massoniana

未分解除1∶5 濃度呈顯著抑制作用外（P<0.05），其他濃度處理組對胚根生長均呈促進(jìn)作用，隨著濃度降低促進(jìn)作用增強(qiáng)，濃度為1∶100 時(shí)，具有顯著促進(jìn)作用（圖2）；胚根生長隨時(shí)間變化在不同時(shí)期表現(xiàn)不同，1：5 和1：30 在整個(gè)胚根生長期化感強(qiáng)度先增加后降低的趨勢，1：10、1：50 和1：100 則相反，濃度為1：5 和1：100 在整個(gè)胚根生長期化感強(qiáng)度較大，且1：5 抑制，1：100 為促進(jìn)作用（表4）。

圖2 未分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根生長的影響Fig.2 Effects of different concentrations of litter extracts of undecomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表4 未分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根長度化感指數(shù)的影響Table 4 Effects of different concentrations of litter extracts of undecomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seed radicle length

隨濃度變化，半分解層對馬尾松胚根生長濃度在1∶5 和1∶100 時(shí)，具有顯著促進(jìn)作用（P<0.05），濃度為1∶10、1∶30 和1∶50 時(shí)，具有顯著抑制作用（圖3）；隨時(shí)間變化，濃度為1∶5 和1∶100 時(shí)，胚根生長化感強(qiáng)度減小，濃度為1∶10、1∶50 和1∶30 時(shí)，其化感強(qiáng)度先增大后減小或保持不變（表5）。可見，半分解層對馬尾松胚根生長總體呈高低濃度促進(jìn)，中濃度抑制。

隨濃度變化，全分解層濃度為1∶5 時(shí)，對胚根生長具有顯著促進(jìn)作用（P< 0.05），其他濃度處理總體上對其生長具有促進(jìn)作用（圖4）；隨時(shí)間變化，化感作用強(qiáng)度無規(guī)律變化，濃度為1∶10 和1∶50 時(shí)前期和后期化感作用強(qiáng)度的變化小（表6）。表明全分解層對胚根生長影響總體呈現(xiàn)促進(jìn)作用，且隨濃度降低促進(jìn)作用減弱或保持不變。

凋落物浸提液對馬尾松種子胚根生長的綜合影響（圖5）。不同分解層-濃度凋落物浸提液對馬尾松種子胚根生長影響具有顯著相關(guān)性。未分解層對馬尾松種子胚根生長在前、中、后、末4 個(gè)時(shí)期在1∶5 濃度的化感作用較強(qiáng)，1∶50 和1∶10 時(shí)化感作用較弱；半分解層對其種子胚根生長前期化感作用在1∶5 時(shí)較弱，其他濃度組較強(qiáng)，中、后、末期時(shí)，化感作用在1∶5 和1∶100 時(shí)化感作用較弱，其他濃度組較強(qiáng)；前期，全分解層對其種子胚根生長除1∶5 濃度具有較強(qiáng)化感作用外，其他濃度組化感作用均相對弱，中、后、末期時(shí)，除1∶100 濃度具有較強(qiáng)的化感作用外，其他濃度化感作用均相對弱。

圖3 半分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根生長的影響Fig.3 Effects of different concentrations of litter extracts of semi-decomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表5 半分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根長度化感效應(yīng)指數(shù)的影響Table 5 Effects of different concentrations of litter extracts of semi-decomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seeds radicle length

4 討論

凋落物分解是森林生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)循環(huán)的主要環(huán)節(jié)之一，對群落組成及分布具有重要作用[25]。研究表明不同分解層凋落物浸提液對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)呈極顯著性差異，而濃度、濃度與分解層的交互作用不顯著，表明影響馬尾松種子萌發(fā)萌發(fā)的主要因素是凋落物分解層，可能與凋落物在不同分解層所產(chǎn)生化感效應(yīng)有所差異有關(guān)[26]。不同分解層凋落物浸提液對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)總體呈抑制作用：未、全分解層浸提液對馬尾松種子發(fā)芽指標(biāo)無顯著作用，半分解層對其種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)呈顯著抑制作用，對發(fā)芽勢呈顯著促進(jìn)作用，有可能在于未分解層化感物質(zhì)積累少，全分解層部分化感物質(zhì)已被分解，對馬尾松種子發(fā)芽無顯著影響。隨半分解層化感物質(zhì)不斷積累，種子受到脅迫，呼吸作用增強(qiáng)，三磷酸腺苷（ATP）中高能鍵活躍，線粒體內(nèi)膜活力強(qiáng)，代謝速率加快，促進(jìn)種子活力強(qiáng)度[27-28]，種子對化感強(qiáng)度有一定的承受范圍，超過臨界值發(fā)芽之前，已發(fā)生劣變[29]，促進(jìn)了種子發(fā)芽勢，抑制發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。

圖4 全分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根生長的影響Fig.4 Effects of different concentrations of litter extracts of fully decomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表6 全分解層凋落物浸提液不同濃度對馬尾松種子胚根長度化感效應(yīng)指數(shù)的影響Table 6 Effects of different concentrations of litter extracts of fully decomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seed radicle length

不同分解層凋落物浸提液對馬尾 松種子萌發(fā)作用較弱，低濃度浸提液對胚根生長有促進(jìn)作用。濃度、時(shí)間及分解層與濃度的交互作用是影響馬尾松種子胚根生長主要因素。不同分解層對胚根生長在低濃度為促進(jìn)作用：（1）除1∶5 濃度呈顯著抑制作用外，未分解層對馬尾松種子胚根生長影響，隨濃度降低促進(jìn)作用增強(qiáng)，高濃度下化感物質(zhì)積累過多，細(xì)胞器被破壞，影響植物對水分吸收利用[30]，抑制胚根生長。低濃度浸提液作為一種防御機(jī)制刺激幼苗初步發(fā)展，增加種子細(xì)胞分裂和組織的敏感性，在一定程度上促進(jìn)胚根生長[31]，與陳立新等研究得出高濃度浸提液抑制紅松（P.koraiensisSieb.Et Zucc.）種子萌發(fā)與胚根生長結(jié)果一致[32]。（2）半分解層對馬尾松胚根長度影響總體呈低高濃度促進(jìn)，中間濃度抑制，馬尾松發(fā)芽周期短，胚根在低或高濃度浸提液提取物刺激下，利用胚根儲存營養(yǎng)物質(zhì)，削弱化感作用的影響[31]。中間濃度有害物質(zhì)積累多，影響受體細(xì)胞分裂和伸長，細(xì)胞排列紊亂，細(xì)胞器被破壞[33-34]，抑制馬尾松胚根生長。（3）全分解層對胚根生長影響總體呈現(xiàn)促進(jìn)趨勢，隨濃度升高促進(jìn)作用增強(qiáng)，可能與生物活性濃度對化感物質(zhì)毒性的影響有關(guān)[35]。全分解層凋落物受土壤微生物等影響較大，部分化感物質(zhì)被分解，降低其化感物質(zhì)活性[36]，促進(jìn)胚根生長。胚根生長前中期，凋落物中營養(yǎng)物質(zhì)和化感物質(zhì)含量積累，呼吸作用增強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)活性增強(qiáng)，代謝速率加快，根尖分生區(qū)細(xì)胞分裂速度加快[28]，使表現(xiàn)出化感強(qiáng)度的增強(qiáng)和降低。后、末期時(shí)，化感物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)不斷積累，升高到一定量時(shí)，化感物質(zhì)之間或與營養(yǎng)物質(zhì)之間，隨時(shí)間氧化分解使其化感物質(zhì)濃度減小[37]，化感強(qiáng)度隨之減小。

圖5 不同分解層-濃度在不同時(shí)期對馬尾松種子胚根生長的對應(yīng)分析Fig.5 Correspondence analysis of different decomposition layers-concentration on the radicle growth of P.massoniana in different periods

對應(yīng)分析表明分解層與濃度對種子發(fā)芽無顯著相關(guān)性，對胚根生長具有極顯著相關(guān)性，說明凋落物化感作用更明顯作用于種子胚根生長，馬尾松種子由于種皮包裹，對化感物質(zhì)起到一定程度上阻礙作用，胚根根尖直接接觸化感物質(zhì)，使化感作用在胚根生長過程中更明顯[36]。

化感效應(yīng)在植物種子萌發(fā)和幼苗生長階段具有重要作用[38]。凋落物化感物質(zhì)抑制種子萌發(fā)與幼苗生長[39]，進(jìn)而產(chǎn)生密度制約效應(yīng)，抑制自身種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育，為馬尾松等部分伴生種的生存提供空間和資源，而天然林凋落物浸提液對馬尾松種子萌發(fā)和胚根生長在一定程度上具有促進(jìn)作用，進(jìn)一步表明整個(gè)群落正向物種豐富組成的復(fù)雜方向演變。

5 結(jié)論

不同分解層凋落物浸提液對馬尾松種子萌發(fā)總體呈抑制作用；不同分解層在不同濃度下對胚根生長存在差異性，低濃度浸提液對胚根生長有促進(jìn)作用，高濃度浸提液對胚根生長在未分解層浸提液有抑制作用，而在半分解和全分解浸提液具有促進(jìn)作用，凋落物化感作用更明顯作用于胚根生長。在氣候變暖和區(qū)域干旱化的背景下，格氏栲天然林生境可能面對威脅，結(jié)合林下伴生樹種幼苗和格氏栲幼苗生長監(jiān)測、化感物質(zhì)提取和測定，有望進(jìn)一步評估格氏栲天然林下樹種的生長策略和適應(yīng)性。