迷人杜鹃群落天然更新障碍的化感研究

李朝婵，钱沉鱼，全文选，唐凤华，许塔艳，欧 静

（1. 贵州师范大学 贵州省山地环境重点实验室，贵州 贵阳 550001；2. 中国科学院 地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州 贵阳 550018；3. 贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025）

植物化感作用是当前化学生态学研究的热点，森林植物通过向环境中释放化学物质，从而抑制林冠层下及周围植物的生长和发育[1-4]，其中优势树种产生的植物毒素不断积累从而影响土壤并抑制林下植物生长[5-7]。前人对野生杜鹃群落化感作用的研究非常有限，主要有极大杜鹃群落Rhododendron maximum、台湾杜鹃群落Rhododendron formosanum和露珠杜鹃Rhododendron irroratum[8-10]，主要采用群落调查和室内发芽实验对其化感抑制作用进行研究，目前采用较为先进的色谱手段对杜鹃化感物质的研究较少。

在贵州百里杜鹃国家级森林公园内，迷人杜鹃Rhododendron agastum是重要的建群种和优势种之一，其因花色绚丽在群落景观中起着重要作用。但是，目前迷人杜鹃群落有性繁殖及天然更新均出现了严重的障碍[11-12]，天然更新障碍严重制约了森林公园的可持续发展，所以天然更新的抑制因子和种子萌发的关键因子等一系列科学问题有待揭示。本研究从化感作用的视角出发，比较迷人杜鹃群落林下凋落物层、腐殖质层和表层土壤的化学物质组成，以期从化学生态学的角度解释迷人杜鹃林天然更新的障碍问题。

1 材料与方法

1.1 取样与调查

百里杜鹃国家级森林公园位于贵州西北 部 黔 西 县 和 大 方 县 交 界 处（105°50′16″～106°04′57″E，27°10′07″～27°17′55″N），海拔1 060～2 121 m，公园内年均相对湿度为84%。研究样地选取的迷人杜鹃群落位于森林公园的普底景区，样地面积为50 m×50 m，按照样地的上、中、下坡采集样品，每个坡位的样地采集3个样点的枯枝落叶层（L层，当年未分解的落叶）、腐殖质层（H层，厚度约15 cm）和土壤层（S层，表层土壤厚度约30 cm）样品。样品采用铝箔袋保存后，立即带回实验室，将样品自然阴干，仔细挑去石块、根茎等，用粉碎机研磨，经孔径1 mm土壤筛过筛后在4 ℃下冰箱保存，供测试分析。

1.2 发芽试验

分别将L层、H层和S层样品按1g/3mL的比例加入蒸馏水，常温浸泡48 h，用灭菌纱布过滤后得到浸提液，保存于4 ℃冰箱中备用。迷人杜鹃种子用0.2 %的高锰酸钾溶液消毒3～5 min，然后用无菌蒸馏水冲洗3～5次至洗净，进行发芽试验。发芽试验参照文献[13]的方法并加以改进，分别在7 d和30 d时统计发芽情况。发芽率RG=n/n0×100%。式中：n为发芽种子数，n0为供试种子总数。化感作用的效应指数IR=1-C/T(T≥C) 或IR=T/C-1(T＜C)。式中：C为对照值，T为处理值。当IR＞0 时，表示促进作用；当IR＜0 时，表示抑制作用；IR绝对值的大小代表化感作用的强弱[14]。

1.3 仪器与方法

气质联谱仪：美国Agilent，7890A-5975C，带CTC多功能自动进样器。样品前处理、衍生化处理、GC条件和质谱条件参照文献[15]的方法进行。

1.4 数据处理

总离子流的各峰经与Nist08和Wiley08标准谱库的检索及核对，确定各土壤层中的化学物质，并用内标法确定各物质的相对含量。采用SPSS17.0软件进行单因素方差分析和LSD多重比较，采用Origin8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 不同浸提液对迷人杜鹃种子萌发的化感效应

由图1可知，7 d L层和H层浸提液处理的种子发芽率较对照差异极显著（P＜0.01），30 d L层、H层和S层浸提液处理的种子发芽率较对照差异极显著；迷人杜鹃的发芽率依次是枯枝落叶层＜腐殖质层＜土壤层。3个层次浸提液处理30 d的化感效应指数均为负值，其中腐殖质层、土壤层浸提液与枯枝落叶层相比差异极显著，说明迷人杜鹃种子在不同浸提液处理后受到不同程度的抑制作用，其中枯枝落叶层的抑制作用最强（见图1）。

图1 不同浸提液对种子萌发和化感效应的影响Fig.1 Effect of different soil layer extracts on seed germination and allelopathy

2.2 不同层次化感物质的分离与鉴定

结合标准谱库及前人研究结果鉴定并确定了31种化感物质，其分析结果见表1。从杜鹃枯枝落叶层、腐殖质层和土壤层中鉴定出相同的化感物质共有31种，主要为长链脂肪酸、有机酸类、醇类、生物碱类、酚酸类、氨基酸类等6大类物质，均为化感物质。其中，枯枝落叶层主要化感物质（相对含量超过5%）有5种，从高到底依次为棕榈酸、丙三醇、2-羟基乙酸、硬脂酸和肌醇，含量分别为 163.83、102.52、59.94、53.07 和 45.24 ng·g-1。腐殖质层主要化感物质（相对含量超过5%）有6种，从高到低依次为棕榈酸、2-羟基丙酸、2-羟基乙酸、2,2′-联吡啶、丙三醇和2,3′-联吡啶，含量分别为81.38、77.96、34.53、33.53、32.05和27.56 ng·g-1。土壤层主要化感物质（相对含量超过5%）有9种，从高到低依次为棕榈酸、2-羟基丙酸、3-吡啶甲酸、硬脂酸、2-羟基乙酸、2,2′-联吡啶、丙三醇、对苯二酸、2,3′-联吡啶，含量分别为 88.75、70.84、31.78、31.62、31.35、30.61、27.04、26.96 和 26.23 ng·g-1。

表1 不同层次主要化感物质的含量†Table1 The main allelochemicals in different layers

2.3 不同层次化感物质的类别

根据Rice对化感物质的划分[16]，从迷人杜鹃枯枝落叶层、腐殖质层和土壤层中均鉴定到长链脂肪酸类（9种）、有机酸类（7种）、醇类（5种）、生物碱类（3种）、酚酸类（6种）和氨基酸类（1种）等6大类化感物质（见表2），其中，长链脂肪酸类和有机酸类是土壤层、腐殖质层主要的化感物质，长链脂肪酸类和醇类是枯枝落叶层主要的化感物质。枯枝落叶层、腐殖质层和土壤层化感物质总量分别为 759.47、513.20和 496.85 ng·g-1，表现为枯枝落叶层＞腐殖质层＞土壤层，枯枝落叶层与腐殖质层、土壤层的各化感组分之间差异极显著。

表2 不同土壤层化感物质组分的类别与相对含量Table2 Classification and relative content of allelochemicals in different soil layers

3 结论与讨论

3.1 化感作用与种子萌发

近年来，科学家对化感作用进行定义并不断拓展其内涵[17-19]。生态系统中的植物通过化感物质获得更多更大比例的资源，植物因为自身化感物质而成功入侵并定居，成为优势种[20-21]。当群落中化感物质累积到一定程度就会影响自身以及其它植物的生长，进而影响群落更新[22-24]。目前，研究区内野生杜鹃群落出现严重的天然更新障碍，最终导致幼龄种群缺失严重，可能造成巨大的可持续发展障碍。同时，较厚的枯枝落叶层和腐殖质层对种子进入土壤起着物理的阻碍作用。本研究中枯枝落叶层对迷人杜鹃种子的萌发抑制作用最大，在森林经营中要引起足够的重视，同时要进一步开展去除枯枝落叶层促进种子萌发的大田试验和监测。

3.2 化感物质的来源及作用

植物群落内的枯枝落叶层和土壤层对种子萌发和早期幼苗的建立产生重要影响，植物也通过挥发性化感物质的释放量来增强防御与传递信号[25-27]。国内外专家对植物群落内的草本层、枯枝落叶层、腐殖质层和根际土的化感作用进行了研究和关注，认为化感物质在植物群落的演替中起着重要驱动作用[28-29]。本研究测定了迷人杜鹃群落林下3个土壤层中的化学物质，其中枯枝落叶层是土壤中化感物质的主要来源。

化感物质可以影响森林冠层下的幼苗生长和物种组成，对群落更新有直接影响[30]。本实验表明迷人杜鹃群落土壤层中存在长链脂肪酸类、有机酸类、酚酸类和醇类等物质，这些物质均属于化感物质且具有抑制作用，其中酚酸类物质在较小浓度下即具有较强的化感作用潜力。土壤特征有助于认识植物群落的养分循环规律[31]，本实验中测定到的化感物质如何协同迷人杜鹃的土壤特征（养分、温度、水分等因子）对种子萌发起到抑制作用，有待于进一步开展研究。