刺槐凋落葉腐解液對3種作物的化感效應

何 斐，崔 鳴，孫 婭，田 瀟

(安康學院 現代農業與生物科技學院，陜西 安康 725000)

刺槐(Robiniapseudoacacia)系豆科蝶形花亞科刺槐屬具有固氮功能的落葉喬木。起源于北美阿拉巴契亞山脈，自19世紀末從德國引進到我國膠東地區，經百余年的栽培，在我國黃淮海河及長江流域等幾乎所有地區均有栽培[1]。刺槐具有適應性強、耐干旱、耐貧瘠、耐水淹、易繁殖、生長快、固氮等優良特性，在荒山綠化、行道樹、速生薪炭林營造、鹽土改良、作為蜜源植物等方面均有廣泛應用[2-3]。刺槐側根發達，延伸速度快，容易形成大面積的刺槐純林，造成林木樹種單一。目前，在全球入侵物種數據庫(global invasive species database)中，刺槐被列為入侵種[4]。在入侵過程中，化感作用是導致外來物種進入新生境后入侵成功的重要因素[5]，也是森林生態系統中植物配置不可忽視的要素之一。森林植物化感作用的研究對于森林生態系統中植物配置的合理性和植被演替有直接影響，同時也影響人工林生態系統的穩定性和生態多樣性。

化感作用即一種植物通過向環境釋放化學物質而對周圍植物包括微生物所產生的直接或間接的抑制或促進作用[6]。化感物質主要來源于植株根系分泌、凋落物的淋溶和腐解等[7]。目前關于刺槐化感作用相關的研究，主要集中在刺槐種子浸提液、枯落葉及根際土壤浸提液對其它受體生長發育的影響方面[8-10]，而關于刺槐凋落葉腐解液的化感研究在國內外鮮有報道。刺槐凋落葉浸提液具有化感自毒作用，能夠阻礙刺槐自身的正常生長發育[9]。那么，刺槐自然凋落物(刺槐葉)在進入土壤物質循環之后，經過微生物的腐解，是否對刺槐種植區其他作物的生長發育造成不良影響。因此，本試驗模擬自然條件，對刺槐自然凋落物進行人工腐解，研究不同濃度的刺槐凋落葉腐解液對刺槐種植區常見作物(甜瓜、綠豆和油菜)化感效應的強弱和作用規律，為刺槐種植區科學、合理的農作物生產格局提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

刺槐凋落葉：在陜西省安康市漢濱區香溪洞隧道旁2 km范圍內刺槐純林中采集刺槐凋落葉，凋落葉自然風干后粉碎(1～2 mm)。從隧道旁采集未種植刺槐的土壤作為空白土壤，去雜，自然風干后過1 mm孔徑篩，備用。

種子：“津密1號”甜瓜、“渝綠1號”綠豆、“中油雜16”油菜種子購于漢中現代農業科技有限公司安康種子分公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 腐解液的制備[5]將粉碎后的刺槐凋落葉與空白土壤以1∶3比例混合，CK對照不加刺槐凋落葉粉末。裝入1 L玻璃廣口瓶中，澆透水，置于人工氣候箱內25℃恒溫避光腐解30 d。分別稱取100 g腐解物，裝入三角瓶中，加100 mL蒸餾水在25℃溫度下，120 r·min-1振蕩浸提24 h，雙層濾紙過濾，孔徑0.45 μm濾膜抽濾，即得到250 g·L-1的刺槐凋落葉腐解液母液，取部分母液分別稀釋至150、50 g·L-1，4℃冰箱保存備用。

1.2.2 化感活性生物測定 采用培養皿濾紙法[11-12]，以空白土壤浸提液為對照。分別選取顆粒飽滿的甜瓜、綠豆和油菜種子，用1% H2O2消毒1 min，無菌水沖洗5次。將種子分別放入裝有5 mL不同濃度(0、50、150、250 g·L-1)上述腐解液的試管中，每試管10粒種子，重復3次，25℃避光浸種24 h。浸種結束后置于無菌培養皿內濕潤的雙層濾紙上，25℃恒溫光照培養箱中培養，每個處理重復3皿，每皿10粒。種子萌發標準為胚根突破種皮1 mm，每天記錄發芽情況，第7天結束發芽試驗，用精度0.1 mm的尺子測量幼苗胚根和胚軸長度，用精度0.000 1 g的電子天平稱量每皿幼苗的總鮮重和總干重。

1.3 數據處理

測量指標計算公式[13-15]如下：

發芽率/%=(種子發芽數/供試種子總數)×100

發芽勢/%=(前5 d內發芽總數/供試種子總數)×100

簡明活力指數=發芽率×胚根長度[16]

參照Williamson和Richandson[17]的方法計算化感效應指數(RI)：

RI=1-C/T(T≥C或RI=T/C-1(T

式中，C為空白土壤浸提液對照值，T為處理值。其中，當RI>0時，表示促進作用；當RI<0時，表示抑制作用。RI絕對值越大，化感效應強度也越大。

化感綜合效應指數反映化感效應的強弱，指同一處理下對同一受體各測試項目化感效應指數(RI)的算術平均值[18]：

化感綜合效應指數=(RI發芽率+RI發芽勢+RI簡明活力指數+RI胚根長+RI胚軸長+RI苗鮮重+RI苗干重/7

采用SPSS 22.0統計軟件對數據進行雙因素方差分析(Two-way ANOVA)，用Duncan檢驗法進行多重比較。試驗數據均用“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 刺槐凋落葉腐解液對3種作物種子萌發的影響

2.1.1 發芽率 雙因素方差分析表明(表1)，不同供試物種間種子發芽率存在極顯著差異(P<0.01)，但腐解液濃度、作物物種與腐解液濃度的交互作用對種子發芽率影響均不顯著(P>0.05)。由圖1A和圖2可看出，相同濃度腐解液處理下，綠豆與油菜種子發芽率之間差異不顯著，但均顯著高于甜瓜種子發芽率。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜、油菜種子發芽率均與對照差異不顯著，但綠豆種子發芽率隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加呈現降低的趨勢。其中，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理時，綠豆種子發芽率較對照組分別顯著降低6.7%和10.0%。

2.1.2 發芽勢 雙因素方差分析表明，腐解液濃度、作物物種與腐解液濃度的交互對種子發芽勢影響均不顯著(P>0.05)，但不同供試作物物種間種子發芽勢差異極顯著(P<0.01)(表1)。由圖1B可知，相同濃度腐解液處理下，甜瓜種子發芽勢顯著低于綠豆和油菜。

2.1.3 簡明活力指數 由表1可知，供試作物物種、刺槐凋落葉腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響種子的簡明活力指數(P<0.01)。由圖1C也可看出，甜瓜種子簡明活力指數隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加呈逐漸增加的趨勢，在250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜種子簡明活力指數較對照顯著增加53.4%。在不同濃度刺槐凋落葉腐解液處理下，綠豆種子簡明活力指數與對照相比顯著降低，50～250 g·L-1處理組較對照組的簡明活力指數降低13.8%～40.7%。隨著腐解液濃度的增加，油菜種子簡明活力指數逐漸減小，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，油菜種子簡明活力指數較對照組分別顯著降低13.8%和19.8%。

表1 作物物種和腐解液濃度對種子發芽和幼苗生長指標的雙因素方差分析Table 1 Variance analysis of species and decomposed liquid concentrations on seed germination and seedlings growth

注：A.發芽率; B.發芽勢; C.簡明活力指數。不同小寫字母表示相同供試作物在不同濃度腐解液處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同濃度腐解液處理下不同供試作物間差異顯著(P<0.05)。下同。

注：A.甜瓜; B.綠豆; C.油菜。

50g·L-1腐解液處理下，綠豆種子的簡明活力指數最大，其次是油菜，最小的為甜瓜。150 g·L-1腐解液處理下，綠豆和油菜種子的簡明活力指數差異不顯著，但均顯著高于甜瓜。250 g·L-1腐解液處理下，3種供試作物種子簡明活力指數排序為油菜>綠豆>甜瓜，且三者之間差異均顯著。

2.2 刺槐凋落葉腐解液對3種作物幼苗生長的影響

2.2.1 胚根長 雙因素方差分析表明，供試作物物種、刺槐凋落葉腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響幼苗胚根長(P<0.01)(表1)。由圖3A可看出，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜幼苗胚根長較對照分別顯著增加29.4%和54.8%。隨著腐解液濃度的增加，綠豆和油菜胚根長逐漸減小。在50 g·L-1腐解液處理下，綠豆的胚根長最大，其次為油菜，最小為甜瓜。150 g·L-1腐解液處理下，甜瓜胚根長較綠豆和油菜分別顯著減少18.1%和19.5%。250 g·L-1腐解液處理，甜瓜與油菜胚根長差異不顯著，但均顯著高于綠豆。

圖3 不同濃度刺槐凋落葉腐解液對3種作物幼苗生長的影響Fig.3 Effect of different concentrations of decomposed liquid from R.pseudoacacia leaf litter on the growth of three crop seedlings

2.2.2 胚軸長 雙因素方差分析表明(表1)，供試作物物種、腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響3種作物幼苗的胚軸長(P<0.01)。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜胚軸長呈逐漸增加的趨勢(圖3B)。150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜胚軸長分別較對照顯著增加29.9%和42.4%。50～250 g·L-1腐解液處理下，綠豆、油菜的胚軸長分別較對照顯著減小7.7%～36.2%、8.0%～19.9%。對照和50 g·L-1腐解液處理下，3種作物胚軸長表現出相同的趨勢：綠豆>油菜>甜瓜。但150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理條件下，油菜的胚軸長顯著高于甜瓜和綠豆。

2.2.3 苗鮮重 由表1雙因素方差分析表明，供試作物物種、腐解液濃度及二者的交互作用極顯著影響3種作物的苗鮮重(P<0.01)。由圖3C可看出，隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，甜瓜苗鮮重呈逐漸增加的趨勢。150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜苗鮮重較對照顯著增加5.8%和34.4%。50～250 g·L-1腐解液處理下，綠豆和油菜苗鮮重分別較對照顯著降低11.4%～36.6%和11.2%～26.9%。相同濃度腐解液處理下，3種作物苗鮮重差異均顯著，且表現出相同趨勢：綠豆>甜瓜>油菜。

2.2.4 苗干重 雙因素方差分析表明，供試作物物種、物種與腐解液濃度的交互作用極顯著影響3種作物苗干重(P<0.01)(表1)。由圖3D可看出，150 g·L-1和250 g·L-1腐解液處理下，甜瓜幼苗干重較對照顯著增加26.0%和34.0%。250 g·L-1腐解液處理的綠豆苗干重較對照顯著降低9.8%。隨著腐解液濃度的增加，油菜苗干重逐漸降低，但與對照相比差異均不顯著。相同濃度腐解液處理下，3種作物苗干重差異均顯著，且與苗鮮重表現出相同趨勢：綠豆>甜瓜>油菜。

2.3 化感效應評價

2.3.1 對化感效應指數的影響 化感效應指數(RI)是評價化感作用強度的重要指標[19]。甜瓜種子發芽率和發芽勢化感效應指數隨著腐解液濃度的增加逐漸增高，50 g·L-1腐解液處理下最小，此時抑制作用最強(表2)。綠豆和油菜種子發芽率和發芽勢RI值均隨著腐解液濃度的增加，呈現減小的趨勢；250 g·L-1腐解液處理下，綠豆發芽率和發芽勢RI值分別為-0.1和-0.07，油菜發芽率和發芽勢RI值分別為-0.04和-0.07，此時抑制作用均達到最大。

隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的增加，3種作物種子簡明活力指數的化感效應指數(RI)呈現出逐漸增加的趨勢。250 g·L-1腐解液對甜瓜種子簡明活力指數的促進作用最大(RI=0.35)，而對綠豆和油菜種子簡明活力指數的抑制作用達到最大，其RI值分別為-0.41和-0.20。

表2 刺槐凋落葉腐解液處理條件下3種作物的化感效應指數Table 2 Allelopathic effect index of decomposed liquid from R.pseudoacacia leaf litter on three crops

由表2可知，甜瓜幼苗胚根、胚軸、苗鮮重及苗干重化感效應指數均隨著腐解液濃度的增大而逐漸增加，250 g·L-1腐解液處理下達到最大，分別為0.35、0.30、0.26及0.25，此時促進作用最強。隨著腐解液濃度的增加，綠豆和油菜幼苗胚根、胚軸、苗鮮重及苗干重化感效應指數|RI|越來越大，抑制作用則越來越強。

2.3.2 對化感綜合效應的影響 為了綜合分析刺槐凋落葉腐解液對3種作物種子萌發和幼苗生長發育的化感效應，統計甜瓜、綠豆和油菜3種作物的發芽率、發芽勢、簡明活力指數、胚根長、胚軸長、苗鮮重和苗干重7個指標的化感效應指數計算出化感綜合效應指數(表3)。隨著刺槐凋落葉腐解液濃度的升高，甜瓜受到的促進作用逐漸增強，而綠豆和油菜受抑制程度逐漸增強，在腐解液濃度為250 g·L-1時作用強度均達到最大。在濃度范圍為50～250 g·L-1條件下，刺槐凋落葉腐解液對3種作物的抑制作用強弱順序為綠豆>油菜>甜瓜。

表3 刺槐凋落葉腐解液對3種作物的化感綜合效應Table 3 Comprehensive allelopathic effect of leaf litter of R.pseudoacacia on three crops

3 結論與討論

植物互作的化感效應主要表現在對種子萌發和幼苗生長的影響方面[11]。研究發現，化感物質來源與種類、浸提液提取方式與濃度、受試物種敏感性等對植物化感效應產生一定的影響[13-14,20-22]。本試驗將刺槐凋落葉粉碎物混入土壤中，模擬自然條件下刺槐植株殘體在土壤中的腐解過程，使得研究結果更接近于自然界的原始情況。通過研究發現，刺槐凋落葉腐解液對綠豆和油菜種子萌發及幼苗生長有不同程度的抑制作用，說明刺槐還可能通過凋落葉腐解釋放的化感物質抑制作物的生長。

種子萌發在大部分植物整個生命史中扮演著非常重要的角色，它是多數植物生存繁衍的必經及首要階段，同時也是植物生長史中較為脆弱的一個階段[19]。化感物質具有一定的選擇性和專一性，且化感效應與腐解液濃度密切相關[19-20]。本研究中，刺槐凋落葉腐解液對甜瓜種子發芽率和發芽勢的影響不明顯，但對簡明活力指數具有促進作用，隨著腐解液濃度的增大，對甜瓜種子簡明活力指數的促進效果越明顯。與之相反，刺槐凋落葉腐解液對綠豆和油菜種子萌發呈現抑制效應，且濃度越高，抑制作用越大，此結論與劉冬杰等[9]在研究刺槐枯落葉浸提液對刺槐種子的化感自毒作用中得出的結論相符，亦與田雅麗等[23]在研究雪嶺云杉森林中化感物質對雙子葉植物種子萌發表現出“濃度效應”的結果一致。說明刺槐凋落葉腐解液對3種受試作物種子萌發的化感作用具有物種選擇性和濃度依賴性；甜瓜、綠豆和油菜種子對刺槐凋落葉的化感作用有一定的耐受性，當腐解液濃度<50 g·L-1時，3種供試作物種子在萌發過程中能夠抵御逆境干擾。

幼苗的健康生長是保障作物生存和繁衍的重要前提。本研究通過刺槐凋落葉水腐解液的生物測定，推斷刺槐凋落葉腐解液中含有某些化學成分能抑制綠豆和油菜幼苗的生長。隨著腐解液濃度的提高，腐解液中化感物質含量增加，對綠豆和油菜胚根、胚軸、苗鮮重和干重的影響也越明顯，這與方芳等[10]對白菜幼苗的試驗結果一致。這些化感物質通過抑制胚根生長，阻礙根系的生長發育，從而降低根系吸收土壤水分和養分的能力，抑制胚軸的生長，從而導致幼苗矮小、瘦弱。植物體內化感物質主要是一些植物次級代謝產物，其中水溶性酚酸是高等植物的主要化感物質成分[24]。盡管研究發現刺槐凋落葉腐解液具有化感抑制和促進作用，但還應該對其成分、主要活性物質種類、來源途徑進行深入研究，以便得出更科學的結論。

綜上所述，刺槐凋落葉腐解液對甜瓜具有促進作用，對綠豆和油菜具有抑制作用。為進一步確定刺槐的化感作用，在以后的工作中，需對刺槐植株及周圍土壤中的化感物質進行鑒定，并對其作用機理進行深入研究，以便為刺槐種植區科學、合理的農作物生產格局提供更加全面、深入的理論基礎。