醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发和幼苗生长的影响

肖 红，王 芳，徐长林，张建文，杨海磊，柴锦隆，鱼小军

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070)

醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发和幼苗生长的影响

肖 红1，王 芳2，徐长林1，张建文1，杨海磊1，柴锦隆1，鱼小军1

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070)

为明晰醉马草(Achnatheruminebrians)对高寒草地植物的化感效应，以醉马草根际土壤作为种子萌发的发芽床，研究醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物垂穗披碱草(Elymusnutans)、醉马草、冷地早熟禾(Poacrymophila)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)和酸模(Rumexacetosa)种子萌发的影响。结果表明：醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子的发芽率、发芽指数、活力指数、根长和芽长均具有一定的抑制作用，且对发芽指数和活力指数的抑制效应大于对发芽率的抑制效应。醉马草根际土壤对垂穗披碱草、冷地早熟禾、矮生嵩草和甘肃马先蒿胚根生长的抑制均大于对其胚芽生长的抑制，对醉马草和酸模胚根生长的抑制均小于对其胚芽生长的抑制。利用各植物种子的发芽率、发芽指数、活力指数、根长和芽长的相对值，采用隶属函数法对6份植物种子萌发期抑制效应进行综合评价，抑制效应强弱依次为：矮生嵩草>酸模>甘肃马先蒿>垂穗披碱草>醉马草>冷地早熟禾。

醉马草；根际土壤；化感作用；种子萌发；高寒草甸

化感作用(Allelopathy)是指植物的茎叶挥发，雨雾淋溶、凋落物降解、根系分泌等途径释放出化感物质到周围环境或土壤中，影响邻近植物或后茬植物的正常生长[1]。种子萌发是植物生长史开始的关键阶段，幼苗期是植物一生中敏感、脆弱而又非常关键的时期，化感物质通过影响种子的萌发直接影响植物种群群落物种的建植和更新，种子能否正常萌发、幼苗生长健康状况是影响植被种群动态的关键因子[2-3]。因此，理解植物的化感作用对其生态相关种的种子萌发和幼苗生长状况的影响，对研究植被种群更新和群落演替具有重要的意义。

醉马草(Achnatheruminebrians)是禾本科芨芨草属(Achnatherum)多年生草本植物，为我国北方天然草原主要的毒草之一，具有抗高寒、耐干旱，适应能力强等优势，多分布在甘肃、新疆、内蒙古、青海、西藏、宁夏、四川、陕西等省。其危害面积高达3 000多万hm2，特别是在干旱、退化的草地中蔓延较快，危害日益严重，直接影响到草地的质量和载畜量[4-6]。前人对醉马草的植物学特性及生态学特性、毒性成分、防除及利用，以及内生菌方面[7-10]进行了大量研究，有关醉马草化感作用的研究主要集中于醉马草的根围土壤(不同土层)及植株根、茎和叶的水浸提液对牧草种子萌发的影响方面[11-12]。根际是植物、土壤、微生物三者共同作用的特殊微生态系统。根际土壤由于植物根系的影响，使其在物理、化学和生物方面与土壤主体不同，它是植物赖以生存的直接基质[13]。因此，试验以醉马草根际土壤作为种子萌发的发芽床，从化感作用角度着手，研究醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发的影响强弱，为高寒草甸醉马草的防控及退化草地的补播提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省武威市天祝藏族自治县抓喜秀龙乡甘肃农业大学天祝高山草原试验站,地理位置于N 37°40′，E 102°32′，海拔2 960 m，气候潮湿、空气稀薄、太阳辐射强。天然植被为寒温潮湿类高寒草甸，该地区水热同期，无绝对无霜期，仅分冷、热两季，年均气温-0.1℃，最热月7月均温12.7℃，最冷月1月均温-18.3℃，≥0℃的年积温为1 380℃；年均降水量416 mm，多集中于7、8、9月；年蒸发量为1 592 mm，年蒸发量约是降水量的3.8倍。土壤以亚高山草甸土、亚高山黑钙土等为主，土层厚度40～80 cm，土壤pH为7.0～8.2[14]。研究区的草地优势植物种为醉马草，可食性牧草主要以垂穗披碱草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、阴山扁蓿豆(Medicagorutheniavar.inschanica)和甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)为主。

1.2 供试材料

于2013年9～10月，在研究区采集成熟的供试植物种子6种(表1)。种子采集后置于室内风干、筛选后置入牛皮纸信封常温贮藏。种子萌发试验于2014年5～6月在甘肃农业大学草业生态系统省部共建教育部重点实验室进行。

表1 供试6种高寒草甸植物种子

1.3 试验方法

1.3.1 土壤样品的采集 采集时间为2014年4月中旬，在研究区中等株型(冠幅为32～34 cm×32～34 cm)、生长健康的醉马草根际周围，用铁锹刮掉表层土，除去枯枝落叶，随机挖取5丛醉马草草丛，采用抖落法收集醉马草根际土壤。同时挖取本研究区域内没有醉马草生长的同类型土壤作为对照土壤。然后将土壤过筛除去植物根、石块等杂质，混合均匀，带回实验室进行种子萌发试验。

1.3.2 种子萌发试验 采用土壤床作为发芽床进行发芽试验，在直径10 cm的培养皿中均匀铺入醉马草根际土壤，厚约1 cm。将装好的土层滴加蒸馏水使其充分湿润，在湿润的土层上均匀的撒下50粒饱满的供试种子，每处理3次重复。萌发条件为20℃恒温，8 h光照(750～1250 lx)，16 h黑暗。以没有醉马草生长的同类型土壤作为对照土壤。每天定时记录种子发芽数(以胚根露白为标准)，并适量补充蒸馏水。参照国家标准结束种子萌发试验[15]，发芽试验以种子连续2 d不再萌发的时间为末次计数时间(垂穗披碱草、醉马草和酸模为第11 d，甘肃马先蒿为第16 d，冷地早熟禾为第21 d，矮生嵩草为第25 d)，并取生长均匀一致的10株(不足10株，测其全部)幼苗测其根芽长。

1.4 测定指标与方法

发芽率(%)=发芽种子数/供试种子数×100%

相对发芽率(%)=根际土壤发芽数/对照土壤发芽数×100%

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)

式中：Gt为第t天的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

相对发芽指数=根际土壤发芽指数/对照土壤发芽指数；

活力指数(VI)=GI×S

式中：GI为发芽指数，S为一定时期内的幼苗长度。

相对活力指数=根际土壤活力指数/对照土壤活力指数

相对胚根长=根际土壤根长/对照土壤根长

相对胚芽长=根际土壤芽长/对照土壤芽长

1.5 抑制性综合评价

应用隶属函数法研究醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发抑制性强弱[16]。利用公式X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算每份种质材料的相对发芽率、相对发芽指数、相对活力指数、相对胚根长、相对胚芽长在醉马草根际土壤下的具体隶属函数。

式中：X为参试植物某一指标的测定值，Xmax和Xmin分别为所有种质材料中该指标的最大值和最小值，然后将每份种质材料各项指标的隶属函数值累加求平均值，根据各种质材料平均隶属函数值大小确定其抑制性强弱，平均值越大，抑制性越弱；反之，抑制性越强。

1.6 数据统计

用SPSS 18.0统计软件包中的Compare Means法对试验数据进行单因素方差分析，差异显著性用T检验。

2 结果与分析

2.1 醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发的影响

醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子的萌发均存在抑制作用(表2)。醉马草根际土壤处理下垂穗披碱草、醉马草、矮生嵩草、甘肃马先蒿和酸模的发芽率均显著低于对照土壤处理(P<0.05)，冷地早熟禾种子的发芽率在醉马草根际土壤和对照土壤处理下均无显著差异(P>0.05)。与对照土壤相比，醉马草根际土壤处理下矮生嵩草种子的发芽率降幅最大，下降了80.0 %，冷地早熟禾种子的发芽率降幅最小，下降了1.2 %。

醉马草根际土壤推迟了种子萌发的时间(表2)。醉马草根际土壤处理下垂穗披碱草、醉马草、矮生嵩草、甘肃马先蒿和酸模的发芽指数均显著低于对照土壤处理(P<0.05)。与对照土壤相比，醉马草根际土壤处理下矮生嵩草种子的发芽指数降幅最大，为82.5%，冷地早熟禾种子的发芽指数降幅最小，下降了6.9 %。

醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子活力指数的影响较大，醉马草根际土壤处理下垂穗披碱草、醉马草、矮生嵩草、甘肃马先蒿和酸模的活力指数均显著低于对照土壤处理(P<0.05)，冷地早熟禾种子的活力指数在醉马草根际土壤和对照土壤处理下均无显著差异(P>0.05)。与对照相比，冷地早熟禾种子活力指数的降幅为18.4%，其他5份植物种子活力指数的降幅均在50%。

与对照土壤处理相比，醉马草根际土壤显著抑制了垂穗披碱草、冷地早熟禾、矮生嵩草、甘肃马先蒿和酸模胚根的生长(P<0.05)(表2)，但对醉马草根长抑制差异不显著(P>0.05)，且其降低幅度为9.4 %。

醉马草根际土壤处理下垂穗披碱草、醉马草、甘肃马先蒿和酸模的芽长显著低于对照土壤处理(P<0.05)(表2)，冷地早熟禾和矮生嵩草的芽长在醉马草根际土壤和对照土壤处理均无显著差异(P>0.05)。与对照土壤相比，醉马草根际土壤对酸模胚芽生长的抑制性较大，降幅为38.1%。

表2 醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发特性

注：同列不同小写字母表示同一植物种子在不同处理下差异显著(P<0.05)

2.2 醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发期抑制性综合评价

利用每份植物种子的发芽率、发芽指数、活力指数、根长和芽长的相对值，采用隶属函数法对6份植物种子萌发期抑制性进行综合评价，抑制性强弱依次为矮生嵩草>酸模>甘肃马先蒿>垂穗披碱草>醉马草>冷地早熟禾(表3)。

表3 醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子萌发期抑制性的综合评价值

3 讨论

植物的化感作用是自然界普遍存在的生态现象，植物向环境中释放的化感物质，少部分能够通过淋溶、挥发与枝叶和根部直接接触而传递，大部分化感物质是以土壤为媒介而传递和转化[17-18]。目前，在醉马草化感作用研究中，利用醉马草不同部位(根、茎、叶)或根围水浸提液进行研究[11-12]。然而，雨水等的冲刷带进土壤的不仅是入侵植物的化感物质，还有其他植物的代谢产物以及尘土等，这样的水溶液不仅渗透势降低，且溶质极为复杂，所以这种水溶液与实验室采用蒸馏水配制的植物浸提液具有本质的区别。试验通过采集醉马草的根际土壤，以醉马草根际土壤作为发芽床进行种子萌发试验，这样可以更真实的模拟植物生长的土壤环境，明确醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物的作用机制，为其扩繁机理及防控提供参考依据。

植物化感作用的大小受浸提源、浸提浓度和受体植物差异而不同，表现出促进、抑制、促进/抑制双重作用和无显著性影响等多种形式[19-21]。赛米拉克孜·台外库力等[22]的研究表明醉马草(根、茎、叶)水浸提液在不同浓度条件下的化感作用具有一定的差异性，对无芒雀麦化感效应均表现出抑制作用，对红豆草和紫花苜蓿表现出低浓度促进高浓度抑制的现象。研究结果表明，醉马草根际土壤对6种高寒草甸植物种子的发芽率、发芽指数、活力指数、根长和芽长均具有一定的抑制性，且醉马草根际土壤对6份种子发芽指数的抑制性均大于对其发芽率的抑制性，说明醉马草根际土壤不仅影响种子萌发数量，而且推迟了种子萌发时间，通过化感作用抑制其他植物种子的萌发，从而增强自身对资源和空间的竞争优势，这可能是醉马草的一种扩繁对策。

本试验通过采用隶属函数法研究表明，醉马草根际土壤对醉马草和冷地早熟禾萌发期综合抑制性较弱，而对矮生嵩草和酸模萌发期综合抑制性较强。说明醉马草根际土壤对醉马草本身的化感自毒作用及与其亲缘关系较近的冷地早熟禾的化感作用抑制性较弱，而对其他科属种子萌发期的抑制性较强。在甘肃省天祝高寒草甸醉马草的分布区调查发现，醉马草草丛周围生长的冷地早熟禾较多，这一现象可用本试验结果解释。

4 结论

醉马草根际土壤对高寒草甸植物矮生嵩草、酸模、甘肃马先蒿、垂穗披碱草、醉马草和冷地早熟禾种子的发芽率、发芽指数、活力指数及胚芽和胚根的生长均存在一定的抑制作用，且对发芽指数和活力指数的抑制性均大于对发芽率的抑制作用。通过各测定指标的相对值，应用隶属函数法，得出醉马草根际土壤对醉马草本身的化感自毒作用、冷地早熟禾的化感作用抑制性较弱，而对矮生嵩草、酸模、甘肃马先蒿和垂穗披碱草种子萌发和幼苗生长的抑制性较强，具体的抑制性强弱依次为：矮生嵩草>酸模>甘肃马先蒿>垂穗披碱草>醉马草>冷地早熟禾。

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Effects of rhizosphere soil ofAchnatheruminebrianson seed germination and seedling growth of 6 plant species in alpine meadow

XIAO Hong1,WANG Fang2,XU Chang-lin1,ZHANG Jian-wen1,YANG Hai-lei1,CHAI Jin-long1,YU Xiao-jun1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemofMinistryofEducation/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China; 2.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China)

In order to find out the allelopathy ofAchnatheruminebriansto plant species in alpine meadow,the rhizosphere soil ofA.inebrianswere used as germination bed to study the effects of rhizosphere soil ofA.inebrianson seed germination of 6 plant species (Elymusnutans,A.inebrians,Poacrymophila,Kobresiahumilis,PediculariskansuensisandRumexacetosa) in alpine meadow.The results showed that the rhizosphere soil ofA.inebrianshad certain inhibitory effects on the germination rate,germination index,vigor index,radical length and plumule length of 6 plant species.In addition,the inhibition on germination index and vigor index was greater than germination rate.The inhibition of rhizosphere soil on radical growth ofE.nutans,P.crymophila,K.humilisandP.kansuensiswas greater than plumule growth.In contrast,the inhibition on radical growth ofA.inebriansandR.acetosawas less than plumule growth.Based on the relative values of the germination rate,germination index,vigor index,radical length and plumule length,the inhibition of 6 plant species during seed germination was comprehensively evaluated with the subordinate function method and ranked asK.humilis>R.acetosa>P.kansuensis>E.nutans>A.inebrians>P.crymophila.

Achnatheruminebrians;rhizosphere soil;allelopathy;seed germination;alpine meadow

2016-03-01；

2016-04-20

国家自然科学基金地区项目(31360570)资助

肖红(1990-)，女，甘肃省兰州人，硕士研究生。 E-mail：1181827215@qq.com 鱼小军为通讯作者。

S 452；S 330.3

A

1009-5500(2017)01-0038-06