甘肃马先蒿对五种禾草的化感潜力研究

梁 军， 全小龙， 史惠兰， 段中华， 张杰雪， 乔有明*

(1. 青海大学省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室， 青海 西宁 810016； 2. 青海大学生态环境工程学院， 青海 西宁 810016)

在退化草地建植人工植被，既可提高土地利用率，使退化草地尽快得到恢复，又能缓解天然草地的牧压，防止草地进一步退化和沙化。目前，建植人工植被已成为恢复与重建严重退化高寒草甸草地的重要手段之一，已取得了较好的经济效益和生态效益。但是，在高寒地区采用多年生禾本科牧草建植的人工草地，利用3～5年后因管理利用不当、毒杂草侵入以及土壤有效养分不足等因素而出现退化现象[1-2]，甚至再次沦为“黑土滩”，给高寒地区退化草地治理和持续利用带来严峻的挑战，已受到越来越多草地专家和学者的关注[3]。

甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)是玄参科(Scrophulariaceae)的一种一年生或二年生草本植物，具有强大的种子繁殖能力和集群分布形式，该种既是高寒草甸地区天然草地退化的指示物种，又是人工草地退化出现的先锋植物。据记载，绝大多数马先蒿属于半寄生植物，其根部能在寄主植物根部形成吸器[4]，与禾本科和豆科等植物形成寄生关系，影响禾本科和豆科等植物的生长平衡，进而导致植物群落结构的改变[5-6]。有研究认为甘肃马先蒿释放出的化感物质对周围牧草的生长产生了不利的影响，进而导致人工草地的生物量逐渐降低，生产性能下降，草地质量严重降低[7-9]。鲍根生和王宏生[10]研究认为甘肃马先蒿地上部分水浸液对中华羊茅(Festucasinensis)，青牧1号老芒麦(Elymussibiricus‘Qinghai No. 1’)，垂穗披碱草(Elymusnutans)和短芒老芒麦(Elymusbreviaristatus‘Qinghai’)种子萌发和幼苗生长具有显著抑制作用，随着水浸液浓度增加，化感抑制作用不断增强，其中以中华羊茅敏感性最强，短芒老芒麦最弱。魏卫东[11]研究认为，甘肃马先蒿浸提液对披碱草(Elymusdahuricus)，青海冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)，同德老芒麦(Elymussibiricus‘Tongde’)，青海中华羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)种子发芽和幼苗生长具有显著抑制作用，并认为披碱草的敏感性最强，青海中华羊茅最弱，且幼苗生长对甘肃马先蒿浸提液敏感性弱于种子萌发。但Shang和Xu[12]研究认为甘肃马先蒿的浸提液对于草地早熟禾的生长抑制较大，对于垂穗披碱草的苗高影响不显著，无论是种子萌发阶段，还是幼苗的生长阶段，垂穗披碱草均未受到甘肃马先蒿浸提液的抑制影响。

可以看出，上述研究的一个共同特点是研究甘肃马先蒿的化感作用均采用水提取物进行室内生物学实验，不同之处是有研究人员利用风干的甘肃马先蒿植物粉碎成沫状(整株或地上部分)制备水提取物，有人则利用新采集的新鲜植物切成1～2cm段进行提取，不同研究者制备的水提取物浓度有很大差异，研究结果不尽一致。作者认为室内的生物学实验结果尚不能代表田间发生的真正意义上的化感作用，只能叫化感潜力。如果水提取物的浓度大，则溶液渗透压增大，必然对种子的发芽产生影响[13]，进而夸大了水提取物的化感作用，为此，本研究采用未进行粉碎和剪切的甘肃马先蒿整株浸提液和根区土壤浸提液，通过模拟自然状态下化感物质进入环境的方式，研究其对5种恢复退化草地的牧草种子萌发以及幼苗生长的影响，同时采用植株干样粉碎的粉末浸提液进行比对研究验证，旨在进一步明确甘肃马先蒿对人工草地退化的潜在作用，为退化高寒草甸恢复和人工草地的建植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

采样地位于青海省玛沁县大武镇(34°31′ N，100°13′ E)，样地属于典型的退化人工草地，海拔3 745 m。年平均温度—0.5℃，最冷月1月平均气温—12.9℃，最热月7月平均气温9.1℃，牧草生长季为120 d左右，年降雨量513 mm，集中在5—9月，年蒸发量1 259 mm，土壤类型主要为高山草甸土。样地内有小嵩草(Kobresiapgymaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、中华羊茅(Festucasinensis)、草地早熟禾(Poapratensis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)、细叶亚菊(Ajaniatenuifolia)、美丽风毛菊(Saussureasuperba)，其中，甘肃马先蒿与其他植物呈“斑块”状零散分布。

1.2 试验材料

甘肃马先蒿样品采集于2018年8月生长旺盛期，用小铁锹挖出生长健壮的甘肃马先蒿整株植物，抖落植株根部附着的土壤作为根区土壤，每株甘肃马先蒿之间的间距不得少于5 m，总共采集50株植株以及附着根区土壤，所采集的植株和根区土壤分别保存在保鲜袋内，然后带回实验室做进一步的处理。

供试牧草种子均来源于同德县青海省牧草良种繁殖场，收获时间是2017年8月下旬(表1)。

1.3 试验方法

1.3.1样品的制备 植物和土壤浸提液的制备：将采集的新鲜甘肃马先蒿植株冲洗根部土壤，晾干称重后放入广口瓶中，然后加入蒸馏水。整株浸提液按照植物和水为1∶4(植物的重量和水的体积)的比例浸泡72 h制备；在此期间每隔24 h震荡5 min，然后进行过滤，先用定性滤纸过滤，再用孔径为0.45μm的滤膜进行抽滤得到浓度为0.25 g·mL-1的整株浸提液[14]。将采集的甘肃马先蒿植株自然风干后，粉碎成粉末，称重后将干物质放入锥形瓶中，然后加入蒸馏水。粉末浸提液按照1∶15的比例浸提72 h制备；在此期间每隔24 h震荡5 min，先用2层纱布过滤一次，再用定性滤纸过滤一次，然后用孔径为0.45μm的滤膜进行抽滤得到浓度为0.07 g·mL-1的粉末浸提液。将采集的新鲜植物根区土壤按照土壤和水为1∶2的比例浸泡72 h制备；期间每隔24 h震荡5 min，最后过滤，先用2层纱布过滤一次，再用定性滤纸过滤一次，然后用孔径为0.45μm的滤膜进行抽滤得到浓度为0.5 g·mL-1的根区土壤浸提液[14]。将所制备的浸提液在4℃下储存备用。

表1 供试牧草种子Table 1 Seeds of forage grasses for the experiment

1.3.2种子发芽的测定 用0.6%次氯酸钠对种子和培养皿进行消毒5 min，然后挑选100粒籽粒饱满的种子，放入直径为9 cm的培养皿中，以双层滤纸作为培养基，用蒸馏水湿润滤纸，在人工智能光照培养箱中进行发芽实验，白天温度为20℃，夜晚温度为16℃，光照强度为2 000 lux，光周期12 h。每个处理(含对照)设置5次重复，第二天给不同处理的培养皿加整株浸提液、粉末浸提液以及土壤浸提液3 mL，对照添加蒸馏水3 mL，以后每天根据干旱程度在不同处理添加整株浸提液、粉末浸提液以及土壤浸提液，保持基质表面湿润，第四天(种子刚开始发芽)开始统计发芽种子，每隔24 h记录发芽种子数，以胚芽突破种皮1～2 mm为发芽标准[13]，连续记录15天，最后计算发芽率、发芽势和发芽指数。

发芽率GR=发芽种子总数/供试种子总数×100%,

发芽势是规定期限的最初1/3期间内的种子发芽数占供试种子数的百分比为标准，本实验以前5天发芽为准,

发芽指数GI=∑(Gt/Dt),

式中Gt为每天的种子发芽数，Dt为相应的发芽天数。

1.3.3幼苗生长的测定 幼苗生长试验在人工智能培养箱中进行，白天温度为20℃，夜晚温度为16℃，光照强度为2 000 lux，光周期12 h。实验前用0.6%次氯酸钠对种子进行消毒，然后在培养皿上利用蒸馏水将种子进行发芽，将长出胚芽的种子移植到基质为蛭石和珍珠岩(1∶1)的穴盘上(每个穴盘为50孔，每孔移植3株，5种植物总共移植150株)，每个处理(含对照)设3次重复。用喷壶均匀喷洒整株浸提液和粉末浸提液，对照喷洒蒸馏水，以后每隔2天喷洒一次，保持基质表面湿润，培养15天后从每个重复内随机取每种植物10株进行测定。将植株幼苗从穴盘中取出，用自来水冲洗根部附着的基质，晾干后，用游标卡尺测量苗高(cm)和根长(cm)，最终计算10株的平均值，然后将其装入纸袋置入烘箱于65℃条件下将植株烘干至恒重后称重，得到10株植株总干重(g)。

1.4 数据处理与分析

化感作用衡量指标：用Williamson等提出的化感作用效应指数作为衡量指标[15]

RI=1-C/T

式中，T为处理的平均值；C为对照的平均值；RI表示化感效应。RI>0表示存在促进作用；RI<0表示存在抑制作用，RI的绝对值表示化感强度的大小。

综合效应(Comprehensive effect)是用同一受体植物各项测定指标化感效应指数的算术平均值来表示[16]。

所有试验数据均采用Microsoft Excel 2013进行整理，用Origin2018绘图，所得结果为每个处理的平均值和标准差。通过SPSS 22.0软件进行方差分析，不同处理间采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)进行处理间差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液对牧草种子萌发的影响

在甘肃马先蒿整株浸提液处理下同德老芒麦和垂穗披碱草的发芽率与对照相比差异不显著，而青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾和青海中华羊茅的发芽率与对照相比差异显著(P<0.05)，在整株浸提液处理下青海冷地早熟禾的发芽率显著地高于对照(P<0.05)，而青海草地早熟禾和青海中华羊茅的发芽率显著地低于对照(P<0.05)。在粉末浸提液处理下，除了同德老芒麦的发芽率较对照差异不显著外，其余4种禾草的发芽率均显著地低于对照的发芽率(P<0.05)。比较甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液处理，除了同德老芒麦的发芽率差异不显著外，其余4种禾草的发芽率均有显著性差异(P<0.05)，粉末浸提液处理显著地降低了这4种禾草种子的发芽率(图1a)。

甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液处理对5种禾草种子的发芽势都有不同影响(图1b)，在整株浸提液处理下青海冷地早熟禾的发芽势显著地高于对照的发芽势(P<0.05)，青海中华羊茅的发芽势显著地低于对照(P<0.05)；整株浸提液处理对同德老芒麦、垂穗披碱草和青海草地早熟禾发芽势没有显著性影响。粉末浸提液处理下除了同德老芒麦没有显著性差异外，其余4种禾草种子的发芽势都显著地低于对照的发芽势(P<0.05)；整株浸提液和粉末浸提液处理间除了青海中华羊茅没有显著性差异外，其他4种禾草均有显著性差异(P<0.05)。

图1 甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液对牧草种子发芽率和发芽势的影响Fig.1 Effect of whole plant extract and powder extract of Pedicularis kansuensis on the germination rate and germination potential of 5 kinds of forage seeds注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著性(P<0.05);LM代表同德老芒麦，CP代表垂穗披碱草，LD代表青海冷地早熟禾，CD代表青海草地早熟禾，ZH代表青海中华羊茅，下同Notes:Different lowercase letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level;LM represents Elymus sibiricus ‘Tongde’, CP represents Elymus nutans,LD represents Poa crymophila‘Qinghai’,CD represents Poa pratensis ‘Qinghai’,ZH represents Festuca sinensis‘Qinghai’,the same as below

在甘肃马先蒿整株浸提液处理下5种牧草种子的发芽指数较对照差异都不显著。在粉末浸提液处理下5种牧草种子的发芽指数均显著地低于对照(P<0.05)。整株浸提液和粉末浸提液处理间除了青海中华羊茅差异不显著外，其他4种牧草种子的发芽指数均显著地低于对照的发芽指数(P<0.05)(表2)。

表2 甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液对牧草种子发芽指数的影响Table 2 Effects of whole plant extract and powder extract of Pedicularis kansuensis on the germination index of forage seeds

注：数值为平均值±标准差，同列不同小写字母表示不同处理间差异显著性(P<0.05)，下同

Note:The values are mean ±standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.2 甘肃马先蒿根区土壤浸提液对牧草种子萌发的影响

在甘肃马先蒿根区土壤浸提液处理下，同德老芒麦、青海草地早熟禾和青海中华羊茅的发芽率显著地低于对照(P<0.05)，而垂穗披碱草和青海冷地早熟禾的发芽率较对照差异不显著(图2a)。在甘肃马先蒿根区土壤浸提液处理下，5种牧草种子中除了同德老芒麦的发芽势显著低于对照外(P<0.05)，其他4种牧草种子的发芽势都没有显著性差异(图2b)。

图2 甘肃马先蒿根区土壤浸提液对牧草种子发芽率和发芽势的影响Fig. 2 Effect of extracts of root zone soil of Pedicularis kansuensis on the germination rate and germination potential of forage seeds

甘肃马先蒿根区土壤浸提液处理下同德老芒麦、青海冷地早熟禾和青海草地早熟禾的发芽指数均显著低于对照(P<0.05)，而垂穗披碱草和青海中华羊茅的发芽指数与对照相比差异不显著。说明甘肃马先蒿根区土壤浸提液处理影响了有些牧草种子的活力(表3)。

表3 甘肃马先蒿根区土壤浸提液对牧草种子发芽指数的影响Table 3 Effect of extracts of root zone soil of Pedicularis kansuensis on the germination index of forage seeds

2.3 甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液对幼苗生长的影响

甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液处理对不同牧草的苗高、根长和干重均有不同程度的影响。甘肃马先蒿整株浸提液处理下垂穗披碱草、青海冷地早熟禾和青海中华羊茅的幼苗苗高显著低于对照(P<0.05)，而同德老芒麦和青海草地早熟禾幼苗的苗高与对照相比差异不显著；在甘肃马先蒿粉末浸提液处理中，垂穗披碱草和青海中华羊茅苗高都显著地低于对照(P<0.05)，而同德老芒麦、青海冷地早熟禾和青海草地早熟禾苗高与对照相比差异不显著；在整株浸提液和粉末浸提液处理间，同德老芒麦和青海中华羊茅的苗高差异显著(P<0.05)，而垂穗披碱草、青海冷地早熟禾和青海草地早熟禾的苗高差异不显著。甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液处理下，除了同德老芒麦的根长与对照没有显著性差异外，其余4种牧草的根长与对照相比都有显著性差异(P<0.05)，整株浸提液和粉末浸提液处理间5种牧草的根长都有显著性差异(P<0.05)。化感物质对干物质的积累也有影响，在甘肃马先蒿整株浸提液处理下同德老芒麦的干重显著地高于对照(P<0.05)，而其他4种牧草的干重与对照相比差异不显著。在粉末浸提液处理中只有垂穗披碱草的干重与对照有显著性差异(P<0.05)，其他4种牧草的干重均无显著性差异，整株浸提液和粉末浸提液间均无显著性差异(表4)。

表4 甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液对幼苗生长的影响Table 4 Effects of whole plant extract and powder extract of Pedicularis kansuensis on seedling growth

注：干重是10株幼苗的总重

Note:Dry weight are the total weight of 10 seedlings

2.4 甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种禾草化感综合效应

甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种牧草种子萌发和幼苗生长均有不同的化感效应，种子萌发指标中，在不同浸提液处理下，同德老芒麦发芽率和发芽势的化感效应没有显著性差异，而其他4种植物发芽率和发芽势的化感效应均有显著性差异(P<0.05)，青海冷地早熟禾和青海中华羊茅发芽指数的化感效应差异显著(P<0.05)，其他3种牧草发芽指数的化感效应差异不显著。幼苗生长的指标中，在不同浸提液处理下，青海草地早熟禾苗高的化感效应没有显著性差异，而其他4种牧草苗高的化感效应都有显著性差异(P<0.05)。青海草地早熟禾和青海中华羊茅根长的化感效应有显著性差异(P<0.05)，而其他3种牧草根长没有显著性差异，青海中华羊茅干重的化感效应有显著性差异(P<0.05)，其他4种牧草干重的化感效应差异不显著。可见，不同浸提液处理对5种禾草种子萌发和幼苗生长都有一定的影响(表5)。

在整株浸提液处理中，青海中华羊茅的化感综合效应显著地高于同德老芒麦、垂穗披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾的化感综合效应；在根区土壤浸提液中，只有同德老芒麦和垂穗披碱草之间有显著性差异，而在粉末浸提液处理中，青海中华羊茅的化感综合效应显著地高于同德老芒麦、垂穗披碱草的化感综合效应(表6)。

表5 甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种禾草的化感效应指数Table 5 Allelopathic effect index of different extracts of Pedicularis kansuensis on five gramineous forages

表6 甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种牧草种子发芽和幼苗生长的化感综合效应Table 6 Allelopathic comprehensive effects of different extracts of Pedicularis kansuensis on seed germination and seedling growth of five forage grasses

3 讨论

化感作用普遍存在于自然界中，目前很多研究发现大多数植物存在潜在的化感作用[17-19]，本研究结果表明，甘肃马先蒿整株浸提液处理对同德老芒麦和垂穗披碱草的发芽率、发芽势和发芽指数没有显著的影响，而对青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾和青海中华羊茅的萌发具有显著的影响；在粉末浸提液处理中只有同德老芒麦没有显著的影响，而对其他4种牧草均有显著性差异，表明影响程度因受体植物种子而异，且小粒种子的发芽可能更易受到影响；从发芽指数看，中华羊茅敏感性大，与其种子活力有关。采用粉末浸提液的发芽结果与他人研究结果稍有差异[10-11]，可能与浸提液的浓度有关，鲍根生等和魏卫东采用的水浸提液浓度分别是0.03～0.12 g·mL-1和0.05～0.25 g·mL-1，不同浓度处理后发芽率均下降，而本研究的浓度为0.07 g·mL-1，接近于前两者的中低水平，个别种影响不显著，同时也出现了不同牧草种子的敏感性顺序不同。如果浓度高，起作用的不仅是化感物质，溶液的渗透压也随之增高，必然会影响种子萌发[13]，另外，粉碎和剪切破坏了植物的内部组织，有些在自然条件下不释放的酶、氨基酸、无机盐和含氮物质释放出来[20]，与自然界中释放的化感物质会有差异，也会对结果产生影响。5种禾草种子发芽指数显著低于对照，表明采用浸提液发芽降低了种子的活力。本研究的结果显示，除同德老芒麦外，其他4种禾草种子采用粉末浸提液的发芽率均低于整株浸提液的发芽率，表明粉末浸提液的浓度仍然偏高，单采用这一结果证明甘肃马先蒿的化感作用，必然得出夸大的结论。

土壤是植物生存的基本环境，也是植物间相互传递化感物质的媒介，植物释放的化感物质通过雨水淋溶进入土壤，进而影响邻近植物的生长和发育[21-22]。本研究结果表明，甘肃马先蒿根区土壤浸提液对5种禾草种子的发芽率、发芽势和发芽指数影响不同，对垂穗披碱草和青海冷地早熟禾没有显著影响，但对同德老芒麦、青海草地早熟禾和青海中华羊茅的发芽产生抑制作用，降低了发芽的整齐度，这与黄文静研究当归根际土壤水浸提液对黄芪和工业大麻种子萌发的化感作用结果相似[23]，进一步说明根区土壤中的化感物质也能影响5种牧草种子的萌发。

甘肃马先蒿整株浸提液处理对5种禾草苗高和根长的影响类似于对种子萌发的影响，对同德老芒麦幼苗的作用不显著，而对其他4种禾草的生长具有抑制作用；甘肃马先蒿粉末浸提液处理对5种禾草幼苗生长的影响与整株浸提液的结果不尽一致，对垂穗披碱草和冷地早熟禾的苗高有影响，对其它3种的没有影响，但对幼苗的根长均有显著的抑制作用，这一结果与Shang和Xu[12]研究结果有差异，Shang和Xu的研究结果中水浸提液对垂穗披碱草没有显著影响，对草地早熟禾的生长有显著的抑制作用，再次表明浸提液的制备方法、浓度对结果有影响，不同的牧草品种由于其本身的特性不同，在受到甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液的影响时反应是不一样的。从最终结果中看，粉末浸提液对5种禾草的抑制作用比整株浸提液的抑制作用大。

从综合效应看，在甘肃马先蒿整株浸提液和粉末浸提液处理中，对青海中华羊茅的化感潜力最强，同德老芒麦最弱，而在甘肃马先蒿根区土壤浸提液处理中，同德老芒麦的化感潜力最强，垂穗披碱草则最弱，说明化感物质对不同的受体植物具有选择性和专一性[24-25]，也有可能与受体植物的进化历史有关。

4 结论

研究结果表明，甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种禾草种子萌发和幼苗生长均有化感效应，总的来说，粉末浸提液对5种禾草的抑制作用比整株浸提液的抑制作用大，甘肃马先蒿不同浸提液处理对5种禾草化感综合效应表现为：对青海中华羊茅的化感潜力最大，对同德老芒麦最弱，而根区土壤浸提液对同德老芒麦的化感潜力最大，对垂穗披碱草最弱，其它3种的作用介于两者之间。可见，甘肃马先蒿释放的化感物质使牧草的生长受到了抑制。这表明在退化高寒草甸恢复和人工草地的建植时应考虑垂穗披碱草、青海草地早熟禾和青海冷地早熟禾。