四種凋落物對入侵植物火炬樹種子萌發和幼苗生長的影響

羅合一，李美玄，贠民強，馬印璽，趙蕭汀，趙蕾，曲同寶

(吉林農業大學林學與草學學院，吉林 長春 130118)

引進外來植物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，因此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]。 火炬樹(Rhus typhinaL.) 是漆樹科(Anacardiaceae)鹽膚木屬(Rhus) 落葉灌木或亞喬木[2-3]，原產地加拿大和美國[4]，因其觀賞價值高而被作為園林觀賞樹種。 1959 年我國引種并在之后的應用中發現，火炬樹根系發達、分布較淺且萌蘗能力極強，對環境適應能力也強，具有非常強大的生命力[5-6]，但也因此而被我國列為外來風險物種之一。

凋落物是種子落地后最先接觸到的物理環境，對種子萌發、幼苗存活繼而生長等天然更新關鍵環節有重要作用[7-8]。 其化感作用通過分解、雨水淋溶和揮發等方式產生并釋放到環境中的次生代謝產物即化感物質而對其他植物產生直接或者間接作用[9]。 凋落物化感作用具有濃度效應，一方面表現為低促高抑雙重效應[10]；另一方面表現為抑制效應，即植物種子發芽和幼苗生長隨著凋落物添加量的升高而受到越來越強的抑制作用[11]。 現已有刺槐(Robinia pseudoacacia)、國槐(Sophora japonica)、臭椿(Ailanthus altissima)、白蠟(Fraxinu schinensis)、新疆楊(Populus alba)、垂柳(Salix babylonica)凋落物對火炬樹種子萌發和幼苗生長影響的研究報道[12]，但不同種類凋落物對火炬樹的影響不同，且凋落物種類與添加量的差異對火炬樹生長影響的研究尚未見報道。 鑒于此，本試驗以火炬樹為對象，采用黃檗(Phellodendron amurense)[13]、核桃楸(Juglans mandshurica)[14]、落葉松(Larix gmelinii)[15]、樟子松(Pinus sylvestrisvar.mongolica)[16]這四種東北常見鄉土樹種的凋落物為材料，研究不同凋落物種類與添加量對火炬樹種子萌發、幼苗生長及其生理指標的影響，探究凋落物種類與數量對火炬樹生長是否具有互作效應，以期為摸清外來入侵樹種火炬樹對本地樹種凋落物的響應提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

火炬樹種子，于2021 年7 月在吉林農業大學校內火炬樹林采集。

黃檗、核桃楸、樟子松、落葉松凋落物于2021年9 月在吉林農業大學校園內收集。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發試驗 將采集來的凋落物粉碎成粉狀放入廣口瓶中，分別按每100 mL 蒸餾水10 g 植物材料的比例，先加入400 mL 蒸餾水浸泡24 h，抽濾出浸提液之后加入300 mL 蒸餾水反復2 次，并將所有浸提液混合，即得濃度為100 g·L-1的水浸提液母液，于低溫下保存。 用時稀釋成濃度為L(25 g·L-1)、L+(50 g·L-1)的水浸提液(現用現稀釋)。 首先各取不同濃度浸提液5 mL 于90 mm 培養皿中，濾紙平鋪并充分浸濕、無氣泡，放入催芽后大小均一、籽粒飽滿完整的火炬樹種子30 粒，置于人工氣候培養箱(溫度25 ℃，濕度60%)中進行發芽。 每個處理重復5 次。

1.2.2 盆栽試驗 2021 年12 月將采集的凋落物鋪放于花盆(口徑×底徑×高度:20.0 cm×15.0 cm×17.5 cm)中，加入栽培基質(園土∶河沙∶草炭為2∶2∶1)。 核桃楸、黃檗、落葉松、樟子松的年凋落量分別約為525.41、485.30、660.46、580.00 kg·hm-2[17-19]。經換算，以未添加凋落物為CK，設置每盆添加凋落物25 g 為處理L，添加凋落物50 g 為處理L+，共3 個處理，重復3 次。 自然放置180 d，期間模擬自然環境對其偶爾澆水確保凋落物正常分解。2022 年5 月每盆播火炬樹種子30 粒，50 d 后收獲植株進行指標測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 發芽指標測定 每天觀察記錄種子萌發情況，以種子破土冒芽為萌發標準，待發芽末期連續10 天無萌發時視為萌發結束，統計發芽數，計算發芽指標。

發芽勢(%)＝(發芽高峰期發芽種子數/供試種子總數)×100 ；

發芽率(%)＝發芽種子數/供試種子數×100 ；

發芽指數(GI)＝∑Gt/Dt 。

式中，Gt 為種子第t 天的發芽數；Dt 為相應的發芽天數。

萌發抑制率(%)＝ (對照萌發數-各處理萌發數) /對照萌發數×100 。

1.3.2 生長指標測定 火炬樹盆栽試驗結束后，從花盆中隨機取出15 株幼苗測定不同處理下的株高和生物量。

1.3.3 生理指標測定 選取火炬樹植株新鮮葉片用于生理指標測定。 其中，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光還原法測定，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚顯色法測定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[20]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 整理數據，SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析、雙因素方差分析、差異顯著性檢驗、Pearson 相關性分析。 采用Origin 2018、GraphPad Prism 9 制圖。

2 結果與分析

2.1 四種植物凋落物對火炬樹種子萌發的影響

由表1 可知，四種凋落物對火炬樹種子萌發均有抑制作用，浸出液濃度25 g·L-1處理(L)對火炬樹種子萌發的抑制效果為黃檗＞核桃楸＞落葉松＞樟子松；50 g·L-1處理(L+)抑制效果有明顯增加，效果排序也發生改變，表現為樟子松＞落葉松＞黃檗＞核桃楸。 樟子松L+處理下，火炬樹種子發芽率僅為37.9%，此時萌發抑制率為49.6%。四種植物凋落物對發芽勢同樣都起到抑制作用，且黃檗L+處理的抑制效果最為顯著，此時發芽勢僅為16.7%，較CK 降低64.7%。 不同處理對種子發芽指數的影響各不相同:核桃楸L+處理下種子發芽指數為8.8，較CK 增加18.9%，說明該處理能顯著加快種子萌發速度；落葉松L+處理下種子發芽指數最低，為3.2，較CK 降低56.8%，說明該處理對種子萌發速度的抑制最為顯著。

表1 四種植物凋落物對火炬樹種子萌發的影響

2.2 四種植物凋落物對火炬樹幼苗生長的影響

如圖1 所示，四種植物凋落物對火炬樹幼苗單株生物量都有顯著抑制作用，樟子松L 處理對生物量的抑制作用最為顯著，較CK 減少69.8%；落葉松凋落物對生物量的抑制效果隨著凋落物添加量的增加而增強；核桃楸、樟子松凋落物對生物量的抑制效果隨凋落物添加量的增加而減弱。 四種植物凋落物對火炬樹幼苗株高的影響也各不相同:黃檗和落葉松凋落物對幼苗株高影響較小；核桃楸、樟子松凋落物則起到顯著抑制作用，其中樟子松L 處理對株高抑制作用最強，較CK 減少50.3%。

圖1 四種植物凋落物對火炬樹幼苗單株生物量、株高的影響

2.3 四種植物凋落物對火炬樹幼苗生理指標的影響

2.3.1 對葉綠素、可溶性蛋白含量的影響 如圖2A 所示，四種植物凋落物均對火炬樹總葉綠素含量起到抑制作用。 其中，黃檗、核桃楸、落葉松凋落物對總葉綠素含量的影響都隨凋落物添加量的增加而增強抑制效果，只有樟子松凋落物處理隨添加量增加呈先降后升趨勢。 且樟子松L 處理總葉綠素含量最低，為1.54 mg·g-1FW，較CK 降低31.2%。

圖2 四種植物凋落物對火炬樹幼苗葉綠素、可溶性蛋白含量的影響

如圖2B 所示，核桃楸L+、樟子松L、落葉松L、落葉松L+處理顯著增加火炬樹可溶性蛋白含量，其中樟子松L 處理對其促進作用最為顯著，其含量為5.88 mg·g-1FW，較CK 增加204.6%，且隨凋落物添加量的變化呈低促高抑趨勢。 黃檗凋落物對火炬樹可溶性蛋白含量的抑制效果隨凋落物添加量的增加而增強，L+處理可溶性蛋白含量僅為1.37 mg·g-1FW，較CK 降低29.1%。

2.3.2 對抗氧化酶活性的影響 如圖3A 所示，與CK 相比，火炬樹幼苗POD 活性在四種凋落物作用下除黃檗L 處理外均顯著提高，其中樟子松L+處理幼苗POD 活性最強，為144.5 U·g-1FW·min-1，較CK 升高252.4%。 黃檗、核桃楸、樟子松凋落物對POD 活性的促進作用都是隨凋落物添加量的增加而增強，但落葉松L+較L 處理的促進作用有所降低，下降26.5%。

圖3 四種植物凋落物對火炬樹幼苗抗氧化酶活性的影響

如圖3B 所示，黃檗、核桃楸、樟子松凋落物處理下，火炬樹幼苗SOD 活性無顯著變化，只有落葉松凋落物處理的SOD 活性有顯著變化，且與凋落物添加量呈負相關，L+處理活性最低，為266.3 U·g-1FW，較CK 降低13.6%。

2.3.3 對丙二醛(MDA)含量的影響 如圖4 所示，火炬樹幼苗MDA 含量隨著黃檗、核桃楸、樟子松凋落物添加量的增加而增大，樟子松L+處理達到最高值，為28.2 nmol·g-1FW，較CK 增加45.3%。 落葉松凋落物對MDA 含量的影響呈低促高抑趨勢，L處理顯著促進MDA含量的增加，L+處理則小幅降低MDA 含量。

圖4 四種植物凋落物對火炬樹幼苗MDA 含量的影響

2.4 凋落物種類、添加量與火炬樹種子萌發、幼苗生長的顯著性分析

如表2 所示，凋落物種類、添加量及其交互作用對火炬樹種子的發芽率、幼苗生物量、株高均有顯著或極顯著影響。

表2 凋落物種類與數量對火炬樹種子萌發與幼苗生長的顯著性分析

2.5 不同植物凋落物處理下火炬樹幼苗生長與生理指標的相關性分析

如圖5 所示， 葉綠素含量與火炬樹幼苗生物量、株高都呈極顯著正相關，相反POD 與二者都呈極顯著負相關，可溶性蛋白(SP)含量與幼苗株高呈極顯著負相關。

圖5 不同植物凋落物處理下火炬樹幼苗生長與生理指標的相關性

3 討論

3.1 四種植物凋落物對火炬樹種子萌發與幼苗生長的影響

凋落物是種子最早接觸的自然環境，對種子萌發和幼苗早期生長有重要影響。 相關研究表明，黃檗、核桃楸、樟子松、落葉松本身能分泌不同的化感物質，其凋落物制成的浸提液也具有一定的化感效力。 晉夢然等[21]研究顯示，凋落物浸提液的施加能有效抑制植物種子萌發數量與速率。本試驗結果與之相一致。 這意味著，如果火炬樹林中添加這些凋落物，經過雨水灌溉使其化感物質流入土壤，就可以通過抑制種子萌發來降低火炬樹的入侵性。

種子萌發和幼苗形態是植物天然更新中最脆弱和最關鍵的階段，凋落物具有消光作用，可能使幼苗光合作用與呼吸作用的需求無法相匹配[22]，對幼苗生長造成一定損傷。 本試驗選取的四種東北常見樹種的凋落物均對火炬樹幼苗生物量產生顯著的抑制作用，這與李根柱等[23]的研究結果一致。 凋落物對植物幼苗形態建成也起到重要作用:馬勇林等[12]研究表明，添加凋落物后火炬樹株高的增長受到顯著抑制；本研究結果與其相似。可能原因是凋落物覆蓋過厚產生阻礙作用，種子為了突破林下地被層或地表凋落物的機械阻礙，需要消耗更多物質與能量以促進幼苗建成[24]。

3.2 四種植物凋落物對火炬樹幼苗生理指標的影響

光合作用是作物產量形成的原動力，葉綠素是進行光合作用的物質基礎，因此，常以葉綠素含量和光合作用的變化來衡量各處理對作物的影響效果[25]。 本研究結果顯示四種植物凋落物對火炬樹幼苗葉綠素含量均有顯著抑制作用，李勝等[26]研究表明植物在化感作用下葉綠素含量會發生明顯變化，兩者結果一致。 相關性分析結果顯示，葉綠素含量與火炬樹幼苗生物量呈極顯著正相關，說明葉綠素含量降低導致火炬樹幼苗光合作用減弱是阻礙其幼苗生長的關鍵因素。

可溶性蛋白是植物體重要的滲透調節物質，植物在一些逆境條件下可以通過調節可溶性蛋白含量來維持細胞滲透勢的變化，從而提高植物對逆境的抵抗能力[27]。 周武先等[28]的試驗結果表明，脅迫環境下植物的可溶性蛋白含量會隨脅迫強度的增長而先增加后減少。 這與本研究結果相似，即樟子松L 處理對火炬樹幼苗蛋白質的促進作用最為明顯，而L+處理對可溶性蛋白起抑制作用。 說明樟子松凋落物添加量為每盆25 g 時其分解產生的化感物質可以促進可溶性蛋白的積累，而當加倍添加凋落物時化感物質濃度過高，火炬樹幼苗需要通過減少可溶性蛋白含量來維持滲透調節系統的正常運行[29]。

當植物遭受外界不同脅迫時，植物細胞對這些脅迫條件的解毒過程和其他反應導致了抗氧化酶活性的變化。 SOD 是超氧陰離子(O2·-)的主要清除劑，在防御脅迫應激引起的細胞損傷中發揮著重要作用[30]。 POD 主要參與植物逆境脅迫中活性氧清除的過程，當植物受到損傷時，POD 可促進木質素和木栓質的生物合成和積累[31]。 梁薇薇[32]研究發現，紅松林凋落物主要產生酚酸類化感物質，其對SOD 活性的影響弱于POD。 本研究結果與其相同，即黃檗、核桃楸、樟子松凋落物對SOD 活性無明顯影響，但四種植物凋落物均顯著提高POD 活性，且相關性分析表明POD 與幼苗生物量呈極顯著負相關。 這說明火炬樹幼苗在面對凋落物分解產生的化感物質脅迫下，POD 對抗氧化系統起到主導作用。

MDA 作為膜脂過氧化的重要產物，含量多少可以代表植物細胞膜的受損程度[31]。 本研究結果顯示，火炬樹幼苗MDA 含量隨著黃檗、核桃楸、樟子松凋落物添加量的增加而上升，說明在試驗濃度范圍內這三種凋落物的濃度越高造成的細胞膜損傷越嚴重。 這與杜雪等[33]的研究結果一致。

3.3 凋落物種類與添加量對火炬樹的影響

不同森林類型和林分因子下形成的凋落物在物質組成、分解速率和對土壤的影響等方面明顯不同，這對導致在其作用下的植物種子萌發和幼苗生長具有差異性[34]。 Ruprecht 等[35]研究發現，凋落物數量、質量及種類的變化，都可能導致植物生長的差異。 本研究也獲得相似結果，即凋落物的種類、添加量以及二者的交互作用對火炬樹種子萌發和幼苗生長都有顯著影響。 由相關性分析可知，火炬樹幼苗生物量與葉綠素呈極顯著正相關，與POD 呈極顯著負相關，這可能是由于凋落物分解后產生的化感物質主要通過影響光合作用強度和POD 活性來抑制火炬樹的生物量增長；火炬樹幼苗株高不僅與葉綠素含量呈極顯著正相關、與POD 活性呈極顯著負相關，還與可溶性蛋白含量呈極顯著負相關，說明凋落物化感脅迫還通過抑制可溶性蛋白含量來阻礙火炬樹幼苗株高正常增長。

4 結論

在種子萌發階段，四種植物凋落物添加量比凋落物種類對火炬樹的影響更大。 添加量為每盆25 g 的處理中，四種植物凋落物對種子萌發抑制效果最強的是黃檗凋落物；添加量加倍后四種植物凋落物對火炬樹種子萌發的抑制效果皆明顯提高，以樟子松凋落物的抑制效果最強。 在幼苗生長階段，四種植物凋落物種類比添加量對火炬樹的影響更大，四種凋落物處理下火炬樹幼苗株高和單株生物量都明顯降低，添加量為每盆25 g 的抑制效果普遍強于添加量加倍處理，樟子松凋落物處理的抑制效果最顯著。 凋落物種類與添加量的耦合同時對火炬樹種子萌發和幼苗生長有顯著抑制作用。 可以看出，本地樹種凋落物種類和添加量對外來入侵植物種子萌發和幼苗生長的影響不同，因此探明其規律對植物入侵機制研究具有重要意義。