狼毒浸提液对3种牧草种子萌发和幼苗生长的影响

刘雅婧，蒙仲举*，党晓宏,3，宋文娟，翟波

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；3.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400)

化感作用是一些植物(包括微生物)通过其自身产生并释放到其所处周围环境中的化学物质，会对其他植物(或微生物)生长发育产生直接或间接的相互促进或抑制的影响[1]。网纹瓶子草(Sarracenialeucophylla)释放出毒性单萜类化合物，使其附近的许多草本植物的生长受到抑制，导致形成了大量的裸露区域[2]。忍冬(Loniceramaackii)通过释放化感物质，保护自身免受当地两栖动物幼虫的攻击[3]。披针叶黄华(Thermopsislanceolata)浸提液对早熟禾(Poapratensis)、高羊茅(Festucaarundinacea)和黑麦草(Loliumperenne)种子萌发、幼苗生长和鲜重具有较强的抑制作用[4]。紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)浸提液对4 种冰草(Agropyroncristatum)种子萌发和幼苗生长具有低浓度促进、高浓度抑制的化感效应[5]。草原上生长着一些植物，如常见的菊科、豆科、瑞香科和蓼科等也可以向环境中释放大量的化感物质，从而抑制周围其他植物的生长,导致草原退化[6-7]。狼毒(Stellerachamaejasme)为瑞香科狼毒属多年生草本植物，俗称断肠草、馒头花等；是我国草原有毒植物，广泛分布于我国沙质草原和典型草原的退化草地上，为草原植物群落的伴生种，在重度退化的草原上已成为主要的建群种[8-9]。在以狼毒为优势种的草原上，植物种类稀少，盖度降低，可食饲草生长低矮，产草量降低[10]。在狼毒侵占的退化草原上，狼毒的化感作用对该类草原植物种的消长具有重要作用[11-12]。目前有关狼毒化感作用的研究主要集中于狼毒在土壤中腐解对其他植物的影响[11,13]以及狼毒生物活性物质的分离和鉴定[14]。但对于狼毒浸提液对草原牧草的化感作用研究较少，基于此，研究了草原退化指示植物狼毒的浸提液对紫花苜蓿(Medicagosativa)、披碱草(Elymusdahuricus)和冰草这3种牧草种子萌发和幼苗生长的化感作用，旨在探明狼毒对牧草的化感作用强度规律，对恢复、重建狼毒侵占的退化草地提供有价值的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

供试植物狼毒于2018年7月采自锡林郭勒盟草原东南边缘正蓝旗。受试紫花苜蓿、冰草和披碱草种子均由内蒙古呼和浩特草原站提供。受试种子植物学特性如表1所示。

表1 3种受试牧草种子Table 1 Three species of forage seeds for testing

1.2 研究方法

1.2.1浸提液的制备 将狼毒植株上的灰土刷净，并剔除枯黄叶和死枝，自然风干，将狼毒植株体剪成约1 cm小段并称取125 g，放入1000 mL蒸馏水中，放在振荡机振荡12 h，静置12 h；用定量滤纸和孔径为0.45 μm的滤膜二重过滤，得到125 g·L-1的浸提液母液，将该母液用蒸馏水稀释，分别获得浓度为25、50、75、100和125 g·L-1的浸提液。对照组为蒸馏水(CK)，共计6个浓度梯度。浸提液放入 4 ℃的冰箱中冷藏备用[15]。

1.2.2种子萌发及幼苗生长试验 使用人工培养箱采用培养皿滤纸法进行种子萌发试验[16]。受试种子用次氯酸钠溶液消毒5 min。用自来水冲洗3次，再用蒸馏水冲洗数次，然后用滤纸吸干种子表面水分[17]。选用籽粒饱满、大小均匀且无病虫害的受体植物种子, 置于铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)中，每皿放置60粒种子[18]。分别加入25、50、75、100和125 g·L-1的浸提液5 mL，以蒸馏水为对照。每个处理3次重复。将培养皿置于培养箱中培养12 d。用万分之一电子天平称量培养皿的质量，并用蒸馏水补足其损失水量以保证狼毒浸提液浓度。参照国家标准结束种子萌发试验[19]。每天记录种子发芽数，发芽试验以种子连续3 d不再萌发的时间为末次计数时间，计算发芽率、发芽势和发芽指数。用直尺测量幼苗苗高和根长。

1.3 数据处理

发芽率=(第12天受试种子发芽总数/受试种子数)×100%[20]

发芽势=(第7天受试种子发芽总数/受试种子数)×100%[20]

发芽指数(germination index,GI)=∑(Gt/Dt)

活力指数(vital index,VI)=GI×S

式中：Gt为第t日内的发芽数；Dt是相应的发芽天数；GI为发芽指数；S为一定时期内的幼苗长度。

参照 Williamson 等[21]的方法计算化感作用效应指数(allelopathic response index，RI)：

RI=1-C/T(T≥C)或RI=T/C-1(T

式中：C为对照值；T为处理值。RI>0 为促进，RI<0 为抑制，绝对值的大小与作用强度一致。

化感综合效应指数(synthetical effect of allelopathy，SE)[22]反映化感效应的强弱，是指同一处理下对同一受体各测试项目化感效应指数(RI)的算术平均值：

SE=(RI发芽率+RI发芽势+RI发芽指数+RI活力指数+RI苗高+RI根长)/6

采用 Origin 2018 软件作图，SPSS 22.0 统计软件对数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，用Duncan’s检验法进行多重比较。试验所得数据均用“平均值±标准差”表示。

2 结果与分析

2.1 狼毒浸提液对3种受试种子萌发的影响

2.1.1狼毒浸提液对3种受试种子发芽率的影响 狼毒浸提液处理下紫花苜蓿种子发芽率与对照组相比都有不同程度的减少(图1)，50～125 g·L-1处理下与对照组存在显著差异(P<0.05)。随着狼毒浸提液浓度增加，披碱草种子发芽率呈现出先升高后下降的趋势。25 g·L-1时披碱草种子发芽率较对照组增加19.76%，50～125 g·L-1处理下较对照组显著减少48.85%、53.50%、56.97%和69.78%(P<0.05)。冰草种子随着狼毒浸提液浓度的增加呈现出低浓度发芽率升高，高浓度发芽率下降的现象。25 g·L-1处理下冰草种子发芽率较对照组相比显著增加45.91%(P<0.05)。125 g·L-1处理下较对照组显著减少37.84%(P<0.05)。狼毒浸提液处理下紫花苜蓿、披碱草和冰草种子发芽率均受到一定的影响。浓度为125 g·L-1的处理组较对照组相比披碱草种子发芽率降幅最大，达到69.78%，其次是冰草(37.84%)，最小为紫花苜蓿(33.56%)。

2.1.2狼毒浸提液对3种受试种子发芽势的影响 紫花苜蓿种子发芽势随着狼毒浸提液浓度的增加呈逐渐减少的趋势(图2)。125 g·L-1处理下与对照组相比减少69.86%，且与对照组存在显著差异(P<0.05)。披碱草种子发芽势在狼毒浸提液处理下与对照相比也有所减少，50～100 g·L-1处理组与对照组之间均存在显著差异(P<0.05)，分别减小64.71%、66.66%和74.51%。冰草种子发芽势随着狼毒浸提液浓度的增加并没有呈现出一致规律，25和125 g·L-1处理组与对照组之间存在显著差异(P<0.05)。

2.1.3狼毒浸提液对3种受试种子发芽指数的影响 随着狼毒浸提液浓度增加，紫花苜蓿种子发芽指数逐渐减小(图3)。25～125 g·L-1处理下紫花苜蓿种子发芽指数与对照组相比显著减少37.62%、55.99%、67.19%、70.83%和77.70%(P<0.05)。50～125 g·L-1处理下披碱草发芽指数较对照显著减少62.83%、63.00%、63.08%和63.55%(P<0.05)。随着浸提液浓度的增加，冰草发芽指数呈先升高后下降的趋势。25 g·L-1处理下较对照组显著增加77.44%(P<0.05)，125 g·L-1处理下较对照减少36.28%(P<0.05)。

2.2 狼毒浸提液对3种受试植物幼苗生长的影响

2.2.1狼毒浸提液对3种受试植物苗高的影响 25和50 g·L-1处理下紫花苜蓿苗高均显著增长(P<0.05)，较对照组增加16.09%和16.67%(图4)；100和125 g·L-1处理下紫花苜蓿苗高较对照组分别显著减少27.13%和41.38%(P<0.05)。由此可以得出随着浸提液浓度增大，紫花苜蓿苗高呈低浓度(≤50 g·L-1)促进生长，高浓度(≥75 g·L-1)抑制生长的趋势。50～125 g·L-1处理下披碱草苗高较对照组分别显著减少11.97%、16.58%、27.69%和38.29%(P<0.05)。随着浸提液浓度的增加，冰草苗高逐渐减小，125 g·L-1处理下较对照组显著减少27.83%(P<0.05)。

图1 狼毒浸提液对3种牧草种子发芽率的影响Fig.1 Effect of the extract of S. chamaejasme on the germination rate of three species of forage seeds

图2 狼毒浸提液对3种牧草种子发芽势的影响Fig.2 Effect of extract of S. chamaejasme on germination energy of three species of forage seeds

不同小写字母表示同一植物不同处理间在0.05水平下差异显著。下同。The different lowercase letters on the column indicate the significant differences between different treatments of the same plant at 0.05 level. The same below.

图3 狼毒浸提液对3种牧草发芽指数的影响Fig.3 Effect of the extract of S. chamaejasme on the germination index of three species of forage grasses

图4 狼毒浸提液对3种牧草苗高的影响Fig.4 Effect of extract of S. chamaejasme on seedling height of three species of forage grasses

2.2.2狼毒浸提液对3种受试植物根长的影响 25和50 g·L-1狼毒浸提液处理下紫花苜蓿幼苗根长较对照组显著增加10.27%和14.87%(P<0.05)；75～125 g·L-1处理下较对照组显著减少21.02%、21.68%和30.08%(P<0.05)。随着浸提液浓度增加，紫花苜蓿幼苗根长呈低浓度(≤50 g·L-1)促进生长，高浓度(≥75 g·L-1)抑制生长的趋势(图5)。25～125 g·L-1处理下冰草幼苗根长较对照组显著减少36.25%、46.64%、51.73%、59.47%和78.21%(P<0.05)。

2.2.3狼毒浸提液对3种受试植物活力指数的影响 活力指数比常规发芽率的测定更能反映种子在实际条件下萌发速度和整齐度以及幼苗健壮生长的潜势[23]。随着狼毒浸提液浓度的增加，紫花苜蓿、披碱草和冰草种子的活力指数均逐渐减少(图6)。125 g·L-1处理下紫花苜蓿的活力指数减少最明显，抑制作用最强。狼毒浸提液处理对3种牧草的种子萌发和幼苗生长都有抑制作用。

图5 狼毒浸提液对3种牧草根长的影响Fig.5 Effect of the extract of S. chamaejasme on the root length of three species of forage grasses

图6 狼毒浸提液对3种牧草活力指数的影响Fig.6 Effect of extract of S. chamaejasme on seedling vigor index of three species of forage grasses

2.3 化感效应评价

2.3.1狼毒浸提液对3种牧草化感效应指数的影响 化感效应指数(RI)是衡量化感作用强度的重要指标，正值表示促进作用，负值表示抑制作用。紫花苜蓿种子发芽率化感效应指数随着浸提液浓度的增大逐渐减少，125 g·L-1处理下达到最小为-0.34， 此时抑制作用达到最强(表2)。披碱草和冰草种子发芽率RI值都是随着浸提液浓度的增加，呈先增大后减小的趋势；25 g·L-1处理下披碱草发芽率RI=0.16，冰草发芽率RI=0.31，此时狼毒浸提液对披碱草、冰草种子发芽率起到促进作用；125 g·L-1处理下披碱草发芽率|RI|=0.70，冰草发芽率|RI|=0.38，此时抑制作用达到最大。

表2 狼毒浸提液对3种牧草的化感效应指数Table 2 Allelopathic response index of extract of S. chamaejasme on three species of forage grasses

3种牧草种子经过狼毒浸提液处理后发芽势和发芽指数的化感效应指数都呈现出随着处理浓度的增加，|RI|逐渐增大，表明狼毒浸提液对3种牧草发芽势和发芽指数的抑制作用越强。25和50 g·L-1处理下紫花苜蓿幼苗苗高RI=0.14，75 g·L-1处理下|RI|=0.09，由此可以得出，随着处理浓度增大，紫花苜蓿苗高呈现出低浓度促进幼苗生长，高浓度抑制幼苗生长，125 g·L-1抑制作用最大为0.41。冰草幼苗苗高随着浸提液浓度的增大，抑制作用逐渐增强，100和125 g·L-1抑制作用最大,为0.28。25 g·L-1处理下冰草活力指数RI=0.28，此时为促进作用。紫花苜蓿和披碱草的活力指数随着浸提液浓度增大，|RI|越来越大，抑制作用越来越强。

2.3.2狼毒浸提液对3种牧草化感综合效应的影响 为了综合分析狼毒浸提液对3种牧草种子萌发和幼苗生长发育的化感效应，统计3种植物的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、幼苗根长、苗高6个指标的化感效应指数计算出化感综合效应指数(表3)。随着狼毒浸提液浓度的升高，紫花苜蓿、披碱草受抑制程度逐渐增强，在125 g·L-1时达到最大；冰草受狼毒浸提液的影响表现为“低促高抑”的双重效应，在狼毒浸提液浓度为25 g·L-1时，对冰草表现为促进作用，高于25 g·L-1时，表现为抑制作用，且随着浓度的升高抑制作用逐渐增强。在浓度范围为25～125 g·L-1狼毒浸提液对3种牧草的抑制作用强弱顺序为：披碱草>紫花苜蓿>冰草。

表3 狼毒浸提液对3种牧草的化感综合效应Table 3 Synthetical effect of allelopathy of extract of S. chamaejasme on three species of forage grasses

3 讨论

植物间的化感作用主要体现在对受试植物种子萌发和幼苗生长的影响[24-25]。大量研究表明，浸提液浓度、化感物质种类及受试植物的种类都会在一定程度下对植物化感作用产生影响[26-27]。化感物质是通过自然途径进入环境，从而影响植物生长，在自然状态下，降水是唯一能将植物中化感物质淋溶出来的方式[28]。因此本研究采用水浸提的方法来提取植物中的化感物质。

种子萌发在植物整个生命史中扮演着重要的角色，它是植物生存的必经过程，在植物生长史中属于比较脆弱的一个阶段[29]。不同植物的化感作用敏感程度不同，化感物质具有选择性和专一性，且化感作用与浸提液的浓度有关[28]，本试验中，狼毒浸提液对紫花苜蓿种子萌发具有抑制作用，随着狼毒浸提液浓度的增大，对紫花苜蓿种子萌发的抑制效果越明显，这一结论与周淑清等[30]对狼毒异株克生现象的研究中得出结论一致。狼毒浸提液处理下披碱草和冰草种子萌发呈现“低促高抑”双重效应，且浓度越高，抑制作用越大，此结论与马文生等[31]在研究狼毒浸提液对7种牧草的化感作用中得出的结论相符。说明不同受试植物的种子萌发和幼苗生长对狼毒浸提液有不同的敏感性，或者可以说狼毒对3种牧草植物的化感作用具有物种选择性及浓度依赖性[24]；披碱草和冰草种子对狼毒化感作用有一定的耐受性，当浓度小于25 g·L-1时，披碱草种子在萌发过程中能抵御一定的干扰和竞争[32]。

幼苗生长对于植物整个生活至关重要，植物在幼苗阶段向外界充分吸收营养物质供植物体生存和繁衍[28]。本研究结果显示，狼毒浸提液对紫花苜蓿、披碱草和冰草幼苗生长具有抑制作用。这与刘桂霞等[33]对披碱草幼苗实验结果一致，说明狼毒浸提液中的某些化感物质对受试植物向外界吸收营养物质的阶段产生了阻碍，从而影响受试植物的幼苗生长。

综上所述，狼毒对紫花苜蓿、披碱草和冰草存在化感作用，后期在制定解决草原退化方案中，不仅要考虑人为破坏草原和草原过度放牧，还应该考虑到草原退化指示植物狼毒对周围生境中其他植物的化感作用[34]。本研究主要针对狼毒浸提液对3种牧草种子萌发和幼苗生长展开试验，得到不同浓度的狼毒浸提液对3种牧草的化感作用强度，但对于狼毒化感物质的成分和化感物质机理研究还需要进一步开展科学试验进行研究。

4 结论

1)狼毒浸提液对紫花苜蓿、披碱草和冰草种子萌发具有化感作用。对紫花苜蓿种子发芽率具有抑制作用；对披碱草种子发芽率具有低浓度(≤25 g·L-1)促进，高浓度(≥50 g·L-1)抑制作用；对冰草种子发芽率具有低浓度(≤50 g·L-1)促进，高浓度(≥75 g·L-1)抑制作用。

2)狼毒浸提液对紫花苜蓿、披碱草和冰草幼苗生长具有化感作用。随着浸提液浓度增大，紫花苜蓿苗高、根长呈现低浓度(≤50 g·L-1)促进生长，高浓度(≥75 g·L-1)抑制生长的现象；125 g·L-1处理下紫花苜蓿苗高较对照组显著减少41.38%(P<0.05)。根长较对照组显著减少30.08%(P<0.05)。随着浸提液浓度增大，披碱草苗高呈低浓度(≤25 g·L-1)促进生长，高浓度(≥50 g·L-1)抑制生长的趋势。冰草苗高、根长的生长随浸提液浓度的增加表现为抑制作用，且浸提液浓度越大抑制作用越强。