蘭州主要闊葉造林樹種凋落物對火炬樹種子萌發的影響

馬永林，武利玉，張砡嫣，楊玉鳳

（甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070）

外來植物的引進可以豐富本土植物的多樣性，但利用不當可能會給環境帶來危害，認識和了解外來植物入侵抵抗力形成機制是入侵生態學研究的熱點問題［1］。化感效應指某些植物向外界釋放的化學物質對其他植物產生正面或負面影響的過程，入侵地的優勢群落往往分泌化感物質，通過降低種子發芽率、減弱幼苗生長、影響幼苗生理活性等途徑來影響外來植物生長，這些因素是決定外來物種能否成功定植的關鍵［2］。化感物質幾乎存在于植物的所有器官中［3］，當植物受到化感物質傷害時，胞內活性氧含量被誘導增加，由于ROS 具有強烈的氧化作用而導致膜和細胞受損，產生膜脂過氧化產物丙二醛（MDA）破壞細胞結構，植物會啟用體內酶促和非酶促清除系統，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等便是酶促清除分子。研究表明，過量的ROS直接破壞葉綠體、線粒體、蛋白質等，受體細胞受到嚴重損害，形成大量的MDA 致使酶活性降低，進而導致幼苗的生理活性降低，造成植物生長不良［4］。化感物質在不同植物及不同器官中均有差異，比較蘭州主要闊葉造林樹種凋落物浸提液及其濃度對火炬樹幼苗生長促進或者抑制效果的強弱［5］，進一步了解外來物種在本地生長的態勢，有助于深入認識種間關系及種間相互作用［6］。

火炬樹（Rhus typhina）為漆樹科（Anacardiaceae）鹽膚木屬（Rhus）的落葉灌木或小喬木［7-8］。原產加拿大和美國［9］，喜光，對寒冷、干旱瘠薄、水濕、鹽堿的耐受性和土壤適應性都很強［10］。自1974年國內推廣以來，一直作為水土保持的先鋒樹種，在退化生境的植被恢復，園林及公路綠化方面具有優良的特性［11］。目前在全國20 多個省（區）都有種植，多種植在黃河流域以北，主要應用于荒山及其他鹽堿性荒地的森林綠化造景等［12-13］。但也因超強的萌蘗繁殖和適應能力而被列為外來風險物種之一。蘭州市目前火炬樹多應用于園林綠化和南北兩山造林中，但作為一種外來樹種，它可能對本地已有造林樹種的正常生長造成威脅［14］。本研究以火炬樹種子為研究對象，采用刺槐（Robinia pseudoacacia）、國槐（Sophora japonica）、臭椿（Ailanthus altissima）、白蠟（Fraxinuschinensis）、新疆楊（Populus alba）、垂柳（Salix babylonica）等6 種蘭州主要闊葉造林樹種的凋落物浸提液對其種子進行萌發試驗，探究其種子萌發、幼苗生長對不同樹種凋落物浸提液化感作用的響應，旨在選擇對火炬樹化感抑制作用強的樹種與火炬樹混交，構建對外來植物火炬樹具有高抵抗力的植物群落，既充分發揮火炬樹優良特性，又通過生物防控防止火炬樹在蘭州乃至半干旱區造成入侵，從而為保護引種地的生物多樣性提供理論依據［15］。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

受體材料為火炬樹種子，于2020年10月采自甘肅警察職業技術學院，其凈度95.8%，千粒重（7.89±0.12）g，含水量3.69%，生活力57%。供體材料為蘭州市刺槐、國槐、臭椿、白蠟、新疆楊、垂柳等6 個主要闊葉造林樹種的凋落物。

1.2 試驗方法

1.2.1 凋落物浸提液的制備 將6 個樹種葉片風干并剪成0.5 cm 左右大小的碎片。將凋落物浸提液的質量分數設定為0（CK）、0.100、0.050 和0.025 g/mL 4 個梯度。每次稱取50 g 凋落物樣品再加入500 mL蒸餾水，充分震蕩后浸提24 h，用雙層細網紗布過濾2次后將母液置入容量瓶中配制成0.1 g/mL 的浸提液，并取其中一定量的溶液分別與適量的蒸餾水進行混合稀釋，制成0.05 g/mL 和0.025 g/mL 的浸提液。

1.2.2 種子處理與萌發試驗 用1%的小蘇打溶液搓洗火炬樹種子，去除種皮的蠟質，再用70~80 ℃的水高溫浸燙0.5 h，期間不斷攪動使種子受熱均勻，將溫度降至40 ℃，自然冷卻浸種24 h，之后用0.5%的高錳酸鉀消毒2 h，用蒸餾水漂洗干凈［15］。種子發芽試驗采用雙層濾紙法［16］。萌發試驗在無菌培養室中進行，光照12 h（25 ℃）/黑暗12 h（25 ℃），濕度65%。每個發芽盒中整齊均勻地放置50 粒籽粒飽滿、大小均勻的火炬樹種子，然后分別加入5 mL 不同樹種不同濃度（0.1、0.05、0.025 g/mL）的凋落物浸提液，每個處理重復6 次，對照組加等量蒸餾水，萌發過程中，根據濾紙的濕度及時添加蒸餾水以保證滿足種子萌發的水分需求［15］。

1.3 指標測定

1.3.1 發芽指標與幼苗形態指標測定 以種子的胚根長出種皮2 mm 及以上為發芽標準，每天記錄發芽種子數，發芽末期連續2 d 無種子萌發時結束試驗。同時在每個處理的每次重復中隨機選擇6 株幼苗測定根長和苗高［17］。

發芽率（GR）=發芽種子總粒數/供試種子總粒數×100%

發芽勢（Gp）=發芽高峰期發芽的種子數/供試種子數×100%

發芽指數= ∑Gt/Dt

式中：Gt為在t天的種子發芽數；Dt為相對應的種子發芽天數［18］

1.3.2 幼苗抗逆生理指標測定 從每個處理的火炬樹幼苗中隨機選取6 株，將葉片取出分為2 份，每份樣品質量約為0.1 g，做好標記后用錫箱紙包好，放入液氮罐，待全部樣品取完后，放入-80 ℃的超低溫冰箱中保存。取0.1 g 待測樣品，在干凈的研缽中加入液氮快速研磨，然后于4 ℃下12 000 r/min 離心20 min。上清液即為酶提取液。采用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛（MDA）含量；采用紫外吸收法測定過氧化氫酶活性；采用愈創木酚法測定過氧化物酶活性；采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶活性。采用考馬斯亮藍MG?250 法測定可溶性蛋白（SP）含量，取提取液0.1 mL，加入5 mL 考馬斯亮藍MG?250 濟液，充分混合，放置2 min 后在595 nm 處測定吸光度值，通過標準曲線（C=0.005X+0.564，R2=0.99）計算相應蛋白質含量［21］。

1.4 化感效應評價

參照Williamson 等［19］的方法計算化感效應敏感指數（RI）。

式中：C 為對照值（0 g/mL 濃度處理下的指標），T為處理值（0.100、0.050、0.025 g/mL 濃度處理下的指標），RI>0 表示促進，RI<0 表示抑制［20］。

1.5 數據處理

用雙因素方差分析（two?way ANOVA）檢驗樹種和水浸提液濃度對火炬樹種子發芽率、幼苗根長、苗高和幼苗抗逆生理指標的影響，用單因素方差分析（one?way ANOVA）檢驗各處理對火炬樹種子發芽率、幼苗根長、苗高和幼苗抗逆生理指標的影響。所有數據統計分析均采用SPSS 16.0，繪圖采用Excel 2016 進行統計繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同樹種凋落物浸提液及其濃度對火炬樹種子萌發和幼苗生長的影響

不同樹種的凋落物浸提液對火炬樹種子的發芽率、發芽指數和幼苗苗高有顯著影響。不同濃度的凋落物浸提液對火炬樹種子的發芽率、發芽指數、幼苗的苗高和根長有顯著影響（表1）。

表1 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹種子萌發和幼苗生長的雙因素方差分析Table 1 Effects of tree species and ltter leachate concentra?tions on the germination rate and seedling growth ofRhus typhinabased on two-way ANOVA

2.1.1 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹種子萌發的影響 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹種子發芽率和發芽指數有不同程度的影響，但均對火炬樹種子發芽勢無顯著影響（表2）。隨著各樹種浸提液濃度的增加，火炬樹種子發芽率呈降低趨勢。除白蠟外其余樹種浸提液處理下的火炬樹種子在高濃度（0.100 g/mL）下種子發芽率均顯著低于對照，其中刺槐發芽率最低，僅為9.67%；中濃度（0.050 g/mL）下僅刺槐和新疆楊的發芽率顯著低于對照，發芽率分別為14.33% 和15.33%；低濃度（0.025 g/mL）下各樹種與對照之間均無顯著差異。除白蠟外，隨著各樹種浸提液濃度的增加火炬樹種子發芽指數均呈下降趨勢，刺槐的發芽指數僅為0.67，與對照相比降低了3.33。

表2 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹種子萌發的影響Table 2 Effects of litter extracts from different species on seed germination ofRhus typhina

2.1.2 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹幼苗生長的影響 與對照相比，高濃度（0.100 g/mL）下刺槐、臭椿、新疆楊浸提液對火炬樹苗高影響顯著，但均對火炬樹根長無顯著影響（表3）。其中新疆楊浸提液處理的苗高最為顯著，為1.86 cm，比對照降低了2.69 cm；中濃度（0.050 g/mL）下新疆楊浸提液對火炬樹種子苗高有顯著影響，其苗高為3.68 cm，比對照降低了0.87 cm；低濃度（0.025 g/mL）下新疆楊浸提液對火炬樹苗高有顯著差異，苗高為3.25 cm 比對照降低了1.3 cm。

表3 不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹幼苗生長的影響Table 3 Effects of litter extracts from different trees pecie?sonseedling growth ofRhus typhina

2.2 不同樹種凋落物浸提液及其濃度對火炬樹種子萌發及幼苗生長的化感效應

不同樹種浸提液及其濃度對火炬樹種子的發芽率均存在抑制作用（RI<0），除臭椿和白蠟外其余樹種的抑制作用均隨著濃度的增加而增強（圖1）。低濃度（0.025 g/mL）下國槐浸提液的抑制效果最顯著，RI為-0.22；中濃度（0.050 g/mL）和高濃度（0.100 g/mL）下均為刺槐浸提液的抑制效果最顯著，RI 分別為-0.45 和-0.63。

圖1 不同樹種凋落物浸提液及濃度對火炬樹種子發芽率的化感效應Fig.1 Allelopathic effects of litter extracts and concentra?tions of different tree species on seed germination rate ofRhust typhin

低濃度（0.025 g/mL）和中濃度（0.05 g/mL）下，各數種浸提液處理均對火炬樹根的生長有促進作用（RI>0）（圖2）。其中低濃度（0.025 g/mL）下刺槐浸提液促進效果最為顯著，RI=0.15；中濃度（0.050 g/mL）下新疆楊浸提液促進效果最為顯著，RI=0.16；高濃度（0.100 g/mL）下除國槐、垂柳浸提液對火炬樹根的生長有促進作用外，其他樹種浸提液均有抑制作用，其中刺槐浸提液抑制效果最為顯著，RI=-0.15。

圖2 不同樹種凋落物浸提液及濃度對火炬樹種子根長的化感效應Fig. 2 Allelopathic effects of litter extracts and concentra?tions of different species on seed root length of RhusTyphin

在低濃度（0.025 g/mL）下除白蠟、垂柳浸提液對火炬樹的苗生長有促進作用外，其他樹種浸提液均有抑制作用，但各樹種間差異不顯著；中濃度（0.050 g/mL）下除國槐、垂柳浸提液對火炬樹幼苗生長有促進作用外，其他樹種浸提液均有抑制作用，其中國槐浸提液的促進效果最顯著RI=0.13，臭椿浸提液的抑制效果最顯著RI=-0.22；在高濃度（0.100 g/mL）下，各樹種浸提液處理均對火炬樹幼苗生長有抑制作用（RI<0）新疆楊浸提液的抑制效果最為顯著，RI=-0.59。

2.3 不同樹種凋落物浸提液及濃度對火炬樹幼苗抗逆生理指標的影響

不同樹種的凋落物浸提液及其濃度對火炬樹幼苗抗逆生理指標均有顯著影響（表4）。刺槐浸提液低濃度（0.025 g/mL）下的火炬樹幼苗MDA 含量與中濃度（0.050 g/mL）的有顯著差異。垂柳浸提液高濃度（0.100 g/mL）下的火炬樹幼苗MDA 含量分別與低濃度（0.025 g/mL）和中濃度（0.050 g/mL）的相比均有顯著差異。低濃度（0.025 g/mL）時，除國槐外刺槐浸提液處理下的火炬樹幼苗MDA 含量與對照以及各樹種間均有顯著差異。中濃度（0.050 g/mL）時，國槐浸提液處理下的火炬樹幼苗MDA 含量與對照和白蠟顯著差異與刺槐差異不顯著，但與其余各樹種間差異均達極顯著水平。高濃度（0.100 g/mL）時，國槐與刺槐、白蠟和對照差異不顯著，與新疆楊和垂柳差異顯著（圖4）。

表4 樹種及其浸提液濃度對火炬樹幼苗抗逆生理指標含量雙因素方差分析Table 4 Effects of tree species and ltter leachate concentra?tions on the germination rate and seedling growth ofRhus typhinabased on two?way ANOVA

隨著浸提液質量濃度的增加，火炬樹幼苗抗氧化系統酶活性變化均呈現下降的趨勢，且高濃度（0.100 g/mL）下各樹種的CAT 活性與對照有顯著差異，但各樹種間差異不顯著；低濃度（0.025 g/mL）下刺槐、國槐與白蠟、新疆楊浸提液處理下的火炬樹幼苗POD 活性對比均有顯著差異。中濃度（0.050 g/mL）下，刺槐和新疆楊浸提液處理下的火炬樹幼苗POD 活性變化與對照相比均有顯著差異，其中新疆楊差異最顯著。高濃度（0.100 g/mL）下刺槐、國槐、新疆楊浸提液處理下的火炬樹幼苗POD 活性分別與對照相比均有顯著差異；國槐在不同濃度梯度下對火炬樹幼苗SOD 活性變化均有顯著差異（圖5）。

圖3 不同樹種凋落物浸提液及濃度對火炬樹種子苗高的化感效應Fig.3 Allelopathic effects of litter extracts and concentra?tions of different species on seeding of height of RhusTyphin

隨著各樹種浸提液濃度的增加，火炬樹幼苗可溶性蛋白含量變化呈下降的趨勢。各濃度梯度下各樹種以及對照間均無顯著差異；低濃度（0.025 g/mL）下新疆楊與中濃度（0.050 g/mL）和高濃度（0.100 g/mL）的有顯著差異，高濃度（0.100 g/mL）下國槐與低濃度（0.025 g/mL）和中濃度（0.050 g/mL）的有顯著差異（圖6）。

圖6 不同樹種凋落物浸提液處理下火炬樹幼苗可溶性蛋白含量Fig.6 Effects of litter extracts and concentrations of different tree species on soluble protein content in seedlings ofRhus typhin

3 討論

3.1 化感作用對火炬樹種子萌發的影響

種子萌發對物種更新至關重要，種子發芽率降低，發芽時間延長，出苗延后將嚴重影響植物對地上和地下資源的競爭能力，繼而影響未來群落組成［22］。有研究表明紫椴、楓樺、紅松凋落物浸提液對紅松種子發芽率、發芽勢表現一致，高濃度抑制作用明顯，隨著濃度的降低抑制作用減弱［23］，本研究表明，新疆楊、刺槐通過化感作用抑制了火炬樹種子萌發，且浸提液質量濃度越高，抑制效應越明顯，這與以往學者的研究結果相吻合［23-24］。

3.2 化感作用對火炬樹幼苗根長和苗高的影響

種子萌發與胚根生長是植物繁殖和生長的開始，并與物種的生存發展密切相關，森林中的凋落物所產生的化感物質對這兩個生長階段都具有重大的影響［22］。化感物質抑制幼苗根系會造成根系變小，進而減少對水和養分的吸收；而抑制幼苗苗高增長會影響植物對光資源的競爭和后續生長發育，對并最終影響到植物在群落中的地位及作用［25-26］。本研究發現，刺槐浸提液抑制種子萌發效果最顯著，其次為新疆楊；同一濃度下，刺槐、新疆楊凋落物浸提液均顯著抑制了火炬樹幼苗根長和苗高的增長。大量研究表明，植物間的化感作用有促進或抑制2 個方面。一般情況下，化感作用通過對受試植物的種子萌發與幼苗生長等產生促進或抑制來實現植物的化感物質具有低濃度促進，高濃度抑制的特性［27-28］，本試驗亦得出相似結果，即低濃度時不同樹種的浸提液對火炬樹幼苗和根的生長均有不同程度的促進作用；高濃度時不同樹種的浸提液對火炬樹幼苗根長的增長均有不同程度抑制作用。

3.3 凋落物浸提液對火炬樹幼苗抗逆生理指標的影響

細胞膜是植物化感物質作用的起始點［29］。逆境脅迫導致細胞內活性氧含量增加，從而造成氧化傷害，膜結構和功能的改變必然會影響細胞內葉綠素、蛋白質等物質的合成，從而影響幼苗的生長［30］。受試植物幼苗在浸提液傷害下使幼苗體內MDA 含量顯著增加，CAT、POD、SOD 活性和SP 含量等隨著濃度的增加而降低，影響了幼苗細胞正常的生理生化進程，因此對幼苗生長產生抑制作用［31］。李晶晶等［32］研究結果表明，白三葉水浸提液質量濃度越高無芒稗種子細胞內活性氧含量越多，無芒稗種子幼苗CAT、POD、SOD 活性和SP 含量等隨著白三葉水浸提液質量濃度的增加而降低。本研究表明，隨著凋落物浸提液濃度的增加，新疆楊、白蠟、垂柳對火炬樹種子抗氧化系統各指標含量均有顯著性影響，新疆楊影響效果最顯著，且濃度越高對幼苗的脅迫越嚴重，幼苗生理活性越低，受體細胞受到損害越嚴重，最終造成植物生長不良。這與李晶晶等［32］的研究結果相吻合。

4 結論

隨著浸提液濃度的升高，對炬樹種子萌發的抑制作用增強、火炬樹苗高增長的抑制作用逐漸增強，其中新疆楊的抑制效果最顯著，而對根的生長則呈現出低濃度促進高濃度抑制的趨勢；隨著浸提液濃度的升高，火炬樹幼苗MDA 含量增加，抗氧化系統酶活性和可溶性蛋白含量均下降。刺槐凋落物的浸提液顯著降低了火炬樹種子的發芽率；新疆楊凋落物的浸提液對火炬樹幼苗抗逆生理指標的影響最為顯著。在蘭州引種火炬樹時，可以選擇與刺槐或新疆楊混交，進行生態管理和控制，預防火炬樹入侵。