火炬树的化感作用对荆条种子萌发的影响研究
2021-06-15曹淑慧毛伟伟
张 宁，曹淑慧，毛伟伟*
(1.辽宁生态工程职业学院 园林学院，辽宁 沈阳110101；2.辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳110036)
0 引言
火炬树(RhusTyphina)，是漆树科、盐肤木属的一种落叶小乔木，于1959年被我国植物研究所引进.其叶呈奇数羽状，为复叶对生状，叶形通常为长椭圆形至披针形，边缘具锯齿，圆锥花序顶生，花色鲜红、花形独特.每年9月份，火炬树果实成熟，呈深红色，紧密聚集成火炬状，叶同期变红，十分壮观[1].火炬树适应性极强，对生长的土质要求不高，耐热耐寒，耐贫瘠，耐盐碱，生长速度快，是植被修复中良好的防风固沙、水土保持、涵养水源的优质树种[1-3].
荆条(VitexnegundoL.var.heterophylla)，马鞭草科牡荆属的一种落叶灌木.根系发达，树皮呈灰褐色，幼枝为方形具四棱，掌状复叶对生或轮生，叶缘呈大锯齿或者羽状深裂，花序顶生，圆锥花序，花冠呈蓝紫色，核果球形，灰黑色，具网纹[4].韩烈保和王晓蓓等[5-6]，证实荆条在山地阳坡生长状况更好以及是优秀的护坡植物.张金瑞等[7]，提出荆条在阳坡可与酸枣、细叶小檗等植物加以匹配的配置问题，在植物修复上可用于参考.由此可见，荆条作为优秀的山地阳坡、半阳坡的护坡植物，在植物修复中具有很大潜力.
纵观火炬树在国内推广种植60余年，广泛出现火炬树单一群落的局面.研究表明，火炬树通过根蘖繁殖的方式进行种群更新和扩张，5年左右基本可以形成以火炬树为主导地位的单优群落[8].余新春等[9]也证实了火炬树根部萌蘖扩散快，以密闭的单优群落逐步向外缘扩散，使附近的灌木层和草本层趋于死亡和消退.李茗蕊等[10]用种群生态学的方法发现，火炬树在荒地造林、护坡中对乡土种构成生态威胁.
植物化感作用被德国科学家Molisch 于 1937 年初次提出，并将其解释为：植物(微生物)间通过化学物质相互作用，并且这种相互作用具有两面性(促进或抑制作用)[11].经典著作《Allelopathy》一书对植物化感作用的定义是，植物在生长的过程中，向外界环境中释放出化感物质，这些物质对周围环境中的植物或微生物有直接或间接的影响，或促进或抑制[12].不同植物分泌的化感物质有区别，物种与物种之间都有化感作用的出现[13].化感物质可以破坏受体植物的细胞膜，抑制植物呼吸的传导过程，抑制光合作用，影响生长发育，打破植物激素平衡等等[14].它的产生也使土壤环境条件向着更有利于外来树种生长的方向发展[15].对于化感作用的研究，我国已经进入实验室阶段[16].
我国在矿山等废弃地的植被生态修复已取得了一定的成绩，植物种的选择与搭配对生态修复的目标达成具有十分重要的影响.火炬树是阳性树种，适应性强，耐干旱贫脊，可在石砾、山坡荒地上生长，繁殖力强且生长快，属于乔木[17].荆条也是阳性树种，分布广泛，根系发达，固土能力强，且根系分蘖性强，生长力强，适合在土层薄，石砾含量高的环境下种植，属于灌木[18].将火炬树和荆条两种抗性强，耐瘠薄干旱的优势植物进行搭配，可以形成乔灌木的立体结构，结合草本层能有效保持水土，增加恢复后的生态系统稳定性[19].目前关于火炬树与荆条之间的化感作用研究极少，本文试图从化感作用角度探究二者在生态修复中的植物配置问题，对于我国未来开展生态环境植被修复方面具有实践意义.
1 材料
火炬树叶、火炬树根、火炬树土壤：于2019年10月，取自辽宁省抚顺西露天矿北帮边坡火炬树林.
荆条土壤、荆条种子：于2019年9月，取自辽宁省沈阳三合成村北分布的荆条灌丛.
2 实验设计
2.1 实验设置
为探究火炬树的化感作用对荆条的影响，本实验设置四种水浸液(火炬树土壤、荆条土壤、火炬树叶、火炬树根)在四个浓度梯度(25，50，100，200 g·L-1)的处理下，对荆条种子萌发的影响.
2.2 实验步骤
2.2.1 实验材料制备与处理
火炬树叶：将火炬树新鲜树叶取回，用蒸馏水清洗干净，平铺在滤纸上，通风至自然风干[18].用FZ102型微型植物粉碎机将火炬树叶粉碎，粉碎叶片为30～120目，以备后用.
火炬树根：取火炬树林下的小根若干(直径小于1 cm)，用蒸馏水进行清洗，通风至自然风干.先剪成2 cm小段，后用FZ102型微型植物粉碎机将其进一步粉碎至0.5 cm小段，以备后用.
火炬树土壤(荆条土壤)：本实验采取的土壤为火炬树(荆条)根部土壤.采用 “S”型布点收集土壤样品，取多个采样点，尽量让每个取样点所采的土壤量大致相同，采集地表0～10 cm去除表层枯枝落叶的土壤[19].在实验室，用四分法去除多余土壤样品，再剔除腐叶、枯叶等杂质，将其平铺于干净的塑料薄膜上，通风，自然风干.风干后，过2 mm筛，以备后用.
2.2.2 水浸液的制备
称取100 g处理样品于500 mL大烧杯中，加入500 mL蒸馏水，于室温下密闭浸泡48 h.浸泡结束后，火炬树叶、火炬树根水浸液用双层纱布过滤，并将所得液体收集到离心管中，设定4 000 r/min离心20 min，得到浓度为200 g·L-1的母液.火炬树土壤、荆条土壤水浸液，用滤纸进行土壤溶液的过滤，得到浓度为200 g·L-1的母液.依据上述所得200 g·L-1母液分别配备100，50，25 g·L-1不同浓度的液体备用[18].
2.2.3 种子萌发与幼苗生长的测定
采用培养皿滤纸法进行培养[20].挑选籽粒饱满，大小均一的荆条种子，用3%的双氧水消毒0.5 h，然后用蒸馏水冲洗干净，取30粒均匀置于培养皿中，并加入上述各浓度浸提液2 mL.每个处理重复3次，对照组使用相同体积的蒸馏水进行操作.
将培养皿置于GZX-300BS-II光照培养箱中进行种子发芽实验，设定光照(6：00-18：00)12 h，25 ℃；夜晚(18：00-次日6：00)12 h，18 ℃.每天补充相应浓度的处理液1 mL(保证种子周围不出现水膜)，每24 h观察种子萌发情况(种子萌发以胚根突破种皮2 mm为标准)，记录种子发芽数，至发芽末期(大约15 d，连续两天无萌发时视为发芽结束).发芽实验结束后，计算并分析荆条种子在各种处理下的发芽率、发芽势、苗长、化感效应等[21].
2.2.4 计算公式
发芽率：发芽率=(发芽种子数/供试种子数)×100%；本实验周期为15 d，供试种子数为每组30.
发芽势：发芽势=(规定时间内发芽种子粒数/供试种子数)×100%；本实验周期为15 d，根据实验情况，荆条种子在第6 d多数组达到日发芽最大，选取6 d发芽种子数进行计算.
化感效应指数(RI)：RI=1-C/T(T≥C)，RI=T/C-1(T
RI累加值：为发芽率、发芽势、苗长3个指标的RI累加，从整体上反应四种类型水浸液对荆条的化感作用[22-23].
3 结果与分析
3.1 不同类型水浸液对荆条种子发芽率的影响
从图1可知，四种类型水浸液对荆条种子的发芽率均有一定的影响.在四种类型水浸液处理下，荆条种子发芽率的比较结果为：火炬树土壤>荆条土壤>蒸馏水>火炬树根>火炬树叶.
与对照相比，荆条土壤水浸液在浓度25，200 g·L-1条件下，发芽率有增加的趋势，在浓度50，100 g/L条件下，发芽率有减小的趋势，但与对照相比均不显著(P<0.05).火炬树土壤水浸液使荆条种子发芽率增加，浓度25 g·L-1条件下，荆条种子发芽率达到整个实验组最大值，为65.67%，比对照组增加了28.76%，影响也不显著(P<0.05).火炬树根水浸提液对荆条种子发芽表现出质量浓度效应，即随着水浸液浓度上升，发芽率逐渐减小，当上升至浓度100 g·L-1时发芽率为零，对荆条种子发芽的抑制作用显著(P<0.05).火炬树叶水浸液处理下，荆条种子发芽率均为零，表现出强烈抑制荆条种子发芽.
图1 不同类型、不同浓度水浸液处理下荆条种子发芽率
3.2 不同类型水浸液对荆条种子发芽势的影响
由图2可知，四种类型水浸液对荆条种子的发芽势作用明显.在四种类型水浸液处理下，荆条种子发芽势比较顺序为：火炬树土壤>荆条土壤>蒸馏水>火炬树根>火炬树叶.
在荆条土壤水浸液处理组，不同浓度水浸液处理的荆条种子发芽势均高于对照组，仅在水浸液浓度25 g·L-1时，发芽势与对照组产生显著差异(P<0.05)，为27.78%，也是整个实验组发芽势最大值.火炬树土壤水浸液随着浓度上升，发芽势依次为23.33%，24.45%，25.56%，24.44%，均与对照组有显著差异(P<0.05).火炬树根水浸液对荆条种子发芽势有显著的抑制作用，随浓度上升而逐渐降低，至100 g·L-1时，发芽势为0.火炬树叶水浸液处理下，荆条种子不发芽.
图2 不同类型、不同浓度水浸液处理下荆条种子发芽势
3.3 不同类型水浸液对荆条幼苗长度的影响
对培养15 d的荆条幼苗的苗长进行测量与分析，实物图见图3，苗长分析见图4.
由图4可知，四种类型水浸液处理下，荆条幼苗长比较顺序为：火炬树土壤>火炬树根>蒸馏水>荆条土壤.(种子未发芽的实验组不参与讨论)
与对照组相比，四种类型的水浸液处理下的幼苗苗长均未产生显著差异(P<0.05).荆条土壤水浸液处理下，随着浓度上升，苗长依次为2.7，3.0，3.1，2.8 cm，只有浓度100 g·L-1高于对照组.火炬树土壤水浸液处理下的幼苗苗长，随浓度上升而增大，浓度200 g·L-1时，幼苗苗长为4.0 cm，是整个实验组最大值.火炬树根水浸液处理下的幼苗，在浓度25，50 g/L时，苗长分别为3.2，3.6 cm高于对照组，在浓度100，200 g/L时未发芽，不参与讨论.
图3 荆条苗长测量实物图(拍摄于2019年11月26日)(注：图中字母含义—J 荆条土壤；H 火炬树土壤；G 火炬树根；K蒸馏水组.火炬树叶水浸液处理的种子无发芽，所以无实物图.尾部数字代表三个重复)
图4 不同类型水浸液不同浓度处理下荆条苗长
3.4 RI累加值
为了综合分析四种类型(火炬树土壤、荆条土壤、火炬树叶、火炬树根)水浸液对荆条的化感效应，以每组荆条的发芽率、发芽势、苗长3个指标的化感效应指数计算出RI累加值，如表1所示.RI累加值>0，表示该类型水浸液能促进荆条的萌发和生长，RI累加值<0，表示该类型水浸液会抑制荆条的萌发和生长.
对于荆条土壤、火炬树土壤水浸液，RI累加值均大于0，都能促进荆条的种子萌发和幼苗生长.在发芽率、发芽势、苗长三个指标的RI中，发芽势的化感效应指数均大于其他两者，可以看出，以上两种水浸液主要通过提高种子发芽势，从而增强种子的活力，促进荆条发芽整齐.除此之外，火炬树土壤水浸液组，RI累加值随浓度上升不断增大，对荆条的促进作用越大.对于火炬树根水浸液组，RI累加值小于0，抑制荆条的萌发和生长，且浓度越大，抑制作用越大.荆条在火炬树叶水浸液下未能存活，RI累加值为-3.
综上所述，四种水浸液对荆条RI累加值大小顺序为：火炬树土壤>荆条土壤>蒸馏水>火炬树根>火炬树叶.其中，浓度200 g·L-1的火炬树土壤水浸液在所有实验组中，RI累加值数值最大，促进作用最显著，为0.912.
表1 不同类型水浸液对荆条的化感作用
4 讨论
植物能够向环境中释放化感活性物质抑制其他植物的生长，化感作用可以通过降低种子的发芽率减弱植物的竞争力，进而改变植物在群落里的分布组成[24-26].本试验研究表明，火炬树叶、根水浸提液对受体植物种子萌发和幼苗生长均产生不同程度的影响，其发芽率、发芽势和幼苗长的化感效应均为负值，表现为抑制作用，根际土壤化感作用表现不明显.
大量研究表明化感作用均具有“浓度效应”，当浓度超过植物自身所能承受的临界点时，种子萌发和幼苗生长就会受到抑制作用.从本实验数据来看，火炬树根的水浸液对荆条种子发芽率和发芽势表现出浓度效应，当浓度超过50 g·L-1时，荆条种子的发芽率和发芽势为零，表现出强烈的抑制作用.火炬树叶水浸液对荆条种子具有强烈抑制作用，四种浓度水浸液的荆条发芽率、发芽势均为零.参考韦忠刚等[21]关于火炬树化感作用对于高羊茅种子的研究成果：(浓度设定为0.02，0.2，2、20 g·L-1)高羊茅种子在火炬树根水浸液浓度为20 g·L-1，发芽率化感指数为-0.574(与本实验相当)，在浓度为0.02 g·L-1时，发芽率化感指数为-0.750，发芽率最高.相对于本实验在浓度梯度设置时，可以参考在0～25 g·L-1浓度之间划分浓度梯度进行实验分析.
目前对于火炬树的化感作用研究较多，研究结论各异说明不同品种、不同类型水浸液的化感作用是难以预测的，这与研究对象的选择、化感活性物质的组成与特性有关.厉波等关于老油茶林根际土壤水浸提液对其种子萌发和幼苗生长的化感作用发现：3种不同浓度(0.25，0.5，1.0 g·mL-1)的根际土壤水浸提液对其种子发芽率、发芽势和发芽指数以及幼苗根长表现出低促高抑的化感效应.在孙天旭[27]，火炬树鲜叶水浸提液能够推迟种子的萌发，而与鲜叶相比，火炬树干叶水浸提液化感作用明显降低；火炬树林分土壤水浸提液没有对其他植物种子的萌发产生抑制作用，火炬树树林土壤可能没有化感作用.火炬树化感作用对其它生物造成影响的机理，还需要进一步的研究和探讨.
5 结论
火炬树的化感作用在近年来已经成功引起科研工作者的注意，在火炬树形成单优群落的问题上、对其它植物化感作用的证实上、对根际土壤的影响上等等都已经得出显著的成果.本实验选用的实验样地抚顺西露天矿北帮在经过十多年的自然演替也证实了火炬树根部强大的萌蘖能力，以及独木成林的演替趋势，为火炬树的生物入侵方向的研究再添实例.
本实验通过各个部位不同浓度水浸液(25，50，100，200 g·L-1)对荆条种子发芽率、发芽势、苗长、RI累加值的影响进行对比得出以下结论：
1)与对照组相比，荆条土壤、火炬树土壤水浸液对荆条的发芽率和苗长影响不显著，对发芽势的促进作用显著(P<0.05).
2)火炬树根水浸液对荆条发芽率和发芽势抑制作用显著，表现明显的浓度效应，即随着浓度升高，抑制作用越强；对苗长影响不显著(P<0.05).火炬树叶水浸液实验组，在实验期间，荆条未发芽，表现出强烈的抑制作用.
3)依据荆条发芽率、发芽势、苗长的化感效应指数可得出，不同类型水浸液对荆条种子RI累加值数值大小顺序为：火炬树土壤>荆条土壤>蒸馏水>火炬树根>火炬树叶.其中，浓度200 g·L-1的火炬树土壤溶液在所有实验组中，RI累加值数值最大，促进作用最显著.
本实验证实了火炬树与荆条种子之间存在明显的化感作用，但至于起到化感作用的物质是什么，本实验并未涉及.平晓燕等认为，通过实验测定供体植物对种子萌发的表现来判定化感物质的作用，这种方法不够严谨.但目前，科研工作者们大多数都采用水浸液法，还未形成统一评判化感作用的方法.
结合张明如等的实验—荆条种子在火炬树下吸收弱光能力差，有消亡的趋势，对照本实验荆条种子的发芽在火炬树叶、根的处理下受到的强烈抑制表现，可得出火炬树对荆条的萌发生长表现出强烈的抑制作用，化感作用明显，荆条在火炬树下存活率低.因此，在植物修复中，尽量避免在火炬树下或周边种植荆条，如果种植需认真考虑到二者的距离问题.
火炬树在国内经历60余年的演替，但我们对其演替过程的原理、化感作用的实现还存在些许疑问，相信未来对于火炬树的研究依旧是热点.
