10种典型城市绿化树木凋落叶对4种作物种子萌发及幼苗生长的化感效应

2022-02-25范晓慧钱嘉鑫刘增文

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2022年2期

范晓慧，马勇，钱嘉鑫，刘增文,2

(1西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100)

植物通过释放化学物质到环境中而产生对自身和其他植物有利或有害的直接或间接作用称为化感效应[1-2]。植物通过根系分泌、雨雾淋溶、自然挥发、残体分解等途径，将化感物质释放到周围环境中与其他生物作用，进而促进或者抑制植物的生长发育[3]。研究树木凋落叶对作物种子萌发和幼苗生长的化感效应，对实现绿化树木凋落物的多样化利用、生物有机肥和新型除草剂的研发具有现实意义。

植物间的化感效应在农业生产中应用较为广泛，例如连作障碍、作物倒茬栽培、作物病害防治、化感品种的选育和秸秆还田等方面均涉及化感效应[4]。近年来，国内外学者关于植物化感效应研究非常活跃。翻阅相关资料发现，水浸提液法是研究植物间化感效应最直接有效的方法[5]。例如龙柏枝叶水浸提液对5种植物的种子萌发及幼苗生长的化感效应[6]，杜仲叶水浸提液对小麦、油菜、大豆和玉米种子萌发和幼苗生长的影响[7]，栾树叶水浸提液对白三叶生物量累积的影响[8]。研究发现种子萌发和幼苗生长阶段是大部分植物生长受环境胁迫最敏感的时期[9]。因此，研究树木凋落叶水浸提液对作物种子萌发和幼苗生长的化感效应可为城市绿化树木凋落物的多样化利用提供理论基础。

树木凋落叶是富含养分的有机物质，在作物播种时可以作为拌种施肥的很好种肥,同时可用来改善农田土壤性质和土壤微生物。在试验开始之前,笔者对本研究所采用的供试树木凋落叶养分含量进行了测量，发现供试树木凋落叶N、P、K含量的平均值分别为32.09，22.09和8.94 mg/g，Zn和Mn含量的平均值分别为13.70和30.16 μg/g。可知，大部分受试树木凋落叶养分含量丰富，适宜作为开发生物有机肥的研究材料。由于要将凋落叶用于作物的种肥(播种时拌种)或者后期施肥原料，其是否会对作物种子和幼苗生长产生化感抑制作用，目前还无定论。鉴于此，本研究通过对种子萌芽期生物学指标和盆栽苗期生理指标的测定，分析10种城市绿化树木凋落叶水浸提液对4种大田作物生长的影响，探究10种城市绿化树木凋落叶的施肥潜力，以期为城市绿化树木凋落物的多样化利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 树木凋落叶的采集与受体植物种子的准备

于2018年10-11月在陕西省杨凌城区内收集青桐(Firmianasimplex)、银杏(Ginkgobiloba)、紫叶李(Prunuscerasifera)、栾树(Koelreteriapaniculata)、七叶树(Aesculuschinensis)、樱花(Cerasusserrulata)、火炬树(Rhustyphina)、海棠(Malusspectabilis)、构树(Broussonetiapapyrifera)和鹅掌楸(Liriodendronchinense)10种树木的新鲜凋落叶，剔除其中的病虫害叶以及腐烂叶，漂洗消毒后晾干并粉碎过孔径1 mm尼龙筛备用。

参考前人研究结果[10-12]，选择对化感效应敏感的黄瓜(Cucumissativus)、高粱(Sorghumvulgare)、小麦(Triticumaestivum)和油菜(Brassicacampestris)等作物，筛选颗粒饱满和大小均匀且无蛀虫的种子，用体积分数10%的H2O2溶液消毒10 min后，再用灭菌蒸馏水冲洗3～5次，在室温下晾干用于发芽试验。由于本研究所采用的供试树木和作物较多，且主要目的是为了筛选具有开发生物有机肥潜力的城市绿化树木凋落叶，按照控制变量法的思路，通过预试验确定凋落叶水浸提液的理想质量浓度。

1.2 凋落叶水浸提液的制备

称取100 g经1.1节处理的不同树木的凋落叶，加800～900 mL蒸馏水浸泡48 h后，滴加蒸馏水至1 000 mL，经离心过滤后，即得到质量浓度为0.1 g/mL的各树木凋落叶水浸提液。以此提取物作为母液，用蒸馏水稀释获得质量浓度为0.04 g/mL(该质量浓度值是经过预试验筛选后确定的)的水浸提液。将供试液体保存于4 ℃冰箱备用。

1.3 种子萌发和幼苗生长试验

在光照培养箱内采用培养皿滤纸法[13]进行种子萌发及幼苗生长试验。将准备好的作物种子，于室温下用制备好的凋落叶水浸提液浸泡4～5 h。量取制备好的凋落叶水浸提液5 mL，分别加入铺有2层滤纸的培养皿(直径(d)=12 cm)中，将处理后的25粒供试种子均匀摆放在发芽床上，每隔48 h添加1次3 mL蒸馏水以保证培养皿内滤纸的湿度，以无菌蒸馏水为对照，每处理设置3次重复。培养皿置于26 ℃、光照12 h的人工气候培养箱内。每24 h记录1次发芽种子数(以胚根突破种皮1～2 mm为发芽标准)。种子不再萌发后(萌发末期连续3 d萌发数不再变化)，记录发芽种子总数并计算相关指标：

发芽率(GR)=
(发芽种子总数/供试种子总数)×100%

，

(1)

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)。

(2)

式中：Gt为逐日发芽种子数，Dt为相应的发芽天数。

培养7 d后，每个培养皿随机取10株幼苗，用游标卡尺测量苗高后，放入烘箱经105 ℃杀青30 min后于75 ℃下烘至质量恒定后，用万分位电子天平测量苗干质量(含根)。幼苗叶片的叶绿素含量采用丙酮浸取法[14]测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 23.0软件对数据进行整理和分析。采用单因素方差分析(ANOVA)检验10种树木凋落叶水浸提液处理后的受体种子萌发和幼苗生长指标较对照的差异显著性。

化感效应指数(RI)参照Williamson等[15]的方法计算：当T≥C时，RI=1-C/T；当T0时表示存在促进作用，当RI<0时表示存在抑制作用，其绝对值大小反映化感效应强度，即RI的绝对值越大，其化感效应越强。

参照文献[16-18]的方法，选取发芽率、发芽指数、苗高、苗干质量和叶绿素含量5个指标的RI值进行主成分分析，提取特征值大于1且累计贡献率大于80%的主成分，共2个，记为F1和F2，同时用载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根，得到主成分表达式中的每个指标所对应的特征向量，将特征向量与标准化的初始数据相乘，得到主成分表达式，将每个主成分所对应的特征值占所提取主成分特征值之和的比例作为权重，计算得到主成分综合模型，根据模型计算不同树木凋落叶水浸提液对4种作物化感效应的综合主成分值(F)，当F>0时表示促进作用，当F<0时表示抑制作用，F绝对值的大小反映作用强度的高低。

2 结果与分析

2.1 不同树木凋落叶水浸提液对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响

不同树木凋落叶水浸提液对黄瓜种子萌发及幼苗生长的影响见表1。

表1 不同树木凋落叶水浸提液处理黄瓜种子萌发和幼苗生长状况Table 1 Seed germination and seedling growth of Cucumis sativus treated with leaf litter water extracts from different trees species

不同树木凋落叶水浸提液对黄瓜种子发芽率的化感效应有促进作用，也有抑制作用，因供试树木的种类不同而有所差异。与对照相比，紫叶李和构树凋落叶水浸提液对黄瓜发芽率均有促进作用，其RI均为0.002 4，其余树木凋落叶水浸提液对黄瓜种子发芽率均呈抑制作用。10种树木中，只有紫叶李和樱花凋落叶水浸提液对黄瓜发芽指数有促进作用，其RI均为0.009 3；其中火炬树、青桐和鹅掌楸落叶水浸提液对黄瓜种子发芽指数呈极显著抑制作用(P<0.01)，较对照分别降低了10.77%，11.21%和14.33%。可见大部分树木凋落叶水浸提液对黄瓜种子萌发过程有较强的抑制作用(表1，2)。

表2 不同树木凋落叶水浸提液处理黄瓜种子萌发和幼苗生长的化感效应指数Table 2 Allelopathy index of Cucumis sativus seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

由表1，2可知，七叶树、栾树和紫叶李凋落叶水浸提液对黄瓜幼苗苗高呈极显著促进作用(P<0.01)，较对照分别增加了62.07%，64.94%和104.02%；构树凋落叶水浸提液对黄瓜幼苗苗高呈显著促进作用(P<0.05)，较对照增加了45.4%；其余树木凋落叶水浸提液对黄瓜幼苗苗高均表现出不同程度的抑制作用。海棠、青桐和樱花凋落叶水浸提液对黄瓜幼苗苗干质量呈显著促进作用(P<0.05)，较对照分别增加了2.26%，4.52%和6.21%。叶绿素含量可以表征作物幼苗的生长状况。构树和栾树凋落叶水浸提液处理黄瓜幼苗叶绿素含量分别达到了1.75和1.93 mg/g，较对照极显著增加，其RI分别为0.411 3和0.556 5，可知以上2种树木凋落叶对黄瓜幼苗叶绿素含量有极显著促进作用(P<0.01)。

2.2 不同树木凋落叶水浸提液对高粱种子萌发及幼苗生长的影响

由表3，4可知，10种树木凋落叶水浸提液对高粱种子的发芽率均有不同程度的抑制作用，其中青桐、火炬树和鹅掌楸凋落叶水浸提液对高粱种子的发芽率呈极显著的抑制作用(P<0.01)，较对照分别降低了10.81%，11.55%和12.40%。紫叶李、海棠、樱花和七叶树凋落叶水浸提液对高粱种子发芽指数表现出不同程度的促进作用，较对照分别增加了2.35%，3.76%，5.18%和9.91%；其他树木凋落叶水浸提液对高粱种子发芽指数均表现出不同程度的抑制作用。高粱幼苗苗高生长受到了不同树木凋落叶水浸提液的抑制作用,其中紫叶李的抑制作用最强，达极显著水平(P<0.01)，其处理高粱幼苗苗高仅为1.97 cm，较对照降低了62.48%。只有海棠凋落叶水浸提液对高粱幼苗苗干质量表现出促进作用，较对照增加了7.25%；其他树木凋落叶水浸提液对高粱幼苗苗干质量表现出不同程度的抑制作用。10种树木凋落叶水浸提液对高粱幼苗的叶绿素含量均有不同程度的抑制作用，其中紫叶李、构树、青桐、海棠、七叶树和火炬树凋落叶水浸提液对高粱幼苗的叶绿素含量呈极显著抑制作用(P<0.01)。

表3 不同树木凋落叶水浸提液处理高粱种子萌发和幼苗生长状况Table 3 Seed germination and seedling growth of Sorghum vulgare treated with leaf litter water extracts from different tree species

表4 不同树木凋落叶水浸提液处理高粱种子萌发和幼苗生长的化感效应指数 Table 4 Allelopathy index of Sorghum vulgare seed germination and seedling growth treated bywater extracts of different tree leaves

2.3 不同树木凋落叶水浸提液对小麦种子萌发及幼苗生长的影响

由表5，6可知，10种树木凋落叶中，只有樱花、银杏和七叶树凋落叶水浸提液处理小麦种子发芽率均为100.00%，RI值均为0.006 7，可知以上3种树木凋落叶对小麦发芽率有促进作用。10种树木凋落叶水浸提液对小麦种子发芽指数均有不同程度的抑制作用，其中构树凋落叶水浸提液对小麦种子发芽指数的抑制作用最强，可见大部分树木凋落叶水浸提液对小麦种子的萌发均有抑制作用。

由表5，6可知，与对照相比，10种树木凋落叶水浸提液处理小麦幼苗苗高、苗干质量均显著或极显著降低，RI均为负值，说明10种树木凋落叶水浸提液对小麦幼苗苗高、苗干质量均有不同程度的抑制作用。10种树木中，樱花、紫叶李和青桐凋落叶水浸提液处理小麦幼苗叶绿素含量分别为1.82，1.85 和1.95 mg/g，极显著高于对照(P<0.01)，其RI分别为0.213 3，0.233 3和0.300 0，可知以上3种树木对小麦幼苗叶绿素含量有极显著促进作用；七叶树凋落叶水浸提液处理小麦幼苗叶绿素含量较对照显著增加了13.33%(P<0.05)，可知其有显著促进作用。

表5 不同树木凋落叶水浸提液处理小麦种子萌发和幼苗生长状况Table 5 Seed germination and seedling growth of Triticum aestivum treated with leaf litter water extracts from different tree species

表6 不同树木凋落叶水浸提液处理小麦种子萌发和幼苗生长的化感效应指数Table 6 Allelopathy index of Triticum aestivum seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

2.4 不同树木凋落叶水浸提液对油菜种子萌发及幼苗生长的影响

由表7，8可知，紫叶李和海棠凋落叶水浸提液处理油菜种子发芽率分别为89.32%和90.32%，RI分别为0.011 9和0.023 2，可知以上2种树木对油菜种子发芽率有促进作用。樱花凋落叶水浸提液对油菜种子发芽指数有极显著化感促进作用(P<0.01)，RI为0.214 0；海棠凋落叶的化感促进作用较弱，其RI值为0.018 7。

由表7和表8可知，10种树木中，七叶树、海棠和樱花凋落叶水浸提液对油菜幼苗苗高表现出极显著促进作用(P<0.01)，其较对照分别增加了29.47%，30.13%和57.28%；紫叶李和构树凋落叶水浸提液对油菜幼苗苗高表现出显著的促进作用(P<0.05)，较对照均增加了27.48%。大部分树木凋落叶水浸提液对油菜幼苗苗干质量的化感效应较弱，其中紫叶李和樱花凋落叶水浸提液对油菜幼苗苗干质量有促进作用，较对照分别增加了1.64%和3.55%。

由表7和表8还可知，10种树木中，只有海棠凋落叶水浸提液对叶绿素含量表现出促进作用，较对照增加了5.88%。

表7 不同树木凋落叶水浸提液处理油菜种子萌发和幼苗生长状况Table 7 Seed germination and seedling growth of Brassica campestris treated with leaf litter water extract sfrom different tree species

表8 不同树木凋落叶水浸提液处理油菜种子萌发和幼苗生长的化感效应指数Table 8 Allelopathy index of Brassica campestris seed germination and seedling growth treated by water extracts of different tree leaves

2.5 不同树木凋落叶水浸提液处理4种受体植物的综合评价

经计算得到的4种作物的综合主成分模型表达式分别为：F黄瓜=0.723F1+0.277F2，F高梁=0.646F1+0.354F2，F小麦=0.560F1+0.440F2，F油菜=0.754F1+0.246F2。根据模型计算不同树木凋落叶水浸提液对4种受体的化感效应综合主成分值(F)见表9。

表9 不同树木凋落叶水浸提液处理4种作物的化感效应综合主成分值(F)Table 9 Allelopathic effects of water extracts of fallen leaves from different trees on four crops (F)

由表9可知，不同树木凋落叶水浸提液对4种作物的综合化感效应表现出很大差异。对于黄瓜而言，紫叶李、樱花和构树凋落叶水浸提液的综合促进作用均较强，其次是海棠、栾树和七叶树；其余树木则起抑制作用。对于高粱而言，樱花和海棠凋落叶水浸提液的综合促进作用均较强，其次是栾树、七叶树、构树和银杏；其余树木则起抑制作用。对于小麦而言，青桐、七叶树和紫叶李凋落叶水浸提液的综合促进作用均较强，其次是樱花、栾树和海棠；其余树木则起抑制作用。对于油菜而言，樱花和海棠凋落叶水浸提液的综合促进作用均较强，其次为紫叶李、七叶树和构树；其余树木则起抑制作用。

3 讨论

供体植物对受体植物的化感促进或抑制作用，可以通过观测受体植物种子的发芽率以及幼苗根长和根干质量、叶长和叶干质量的表现来判定，且不同供体植物对受体植物的化感效应存在很大差异[19]。本试验结果表明，10种城市绿化树木凋落叶水浸提液对黄瓜、高粱、小麦、油菜4种作物种子的发芽率、发芽指数、苗高、苗干质量和叶绿素含量均有不同程度的化感促进或抑制作用，主要表现为同一树木凋落叶水浸提液对同一种作物不同指标的影响不一致，例如栾树和七叶树凋落叶水浸提液抑制了黄瓜幼苗的发芽率，却促进了其苗高和叶绿素含量；樱花凋落叶水浸提液抑制了黄瓜幼苗的发芽率和苗高，却促进了叶绿素含量；紫叶李、青桐和海棠凋落叶水浸提液抑制了小麦幼苗的发芽率和苗高，却促进了叶绿素含量；樱花和七叶树凋落叶水浸提液促进了小麦幼苗的发芽率和叶绿素含量，却抑制了苗高。申时才等[20]研究发现，化感物质会对不同生长发育阶段植物产生不同的影响，即植物种子的萌发、幼苗的生长和叶绿素含量等对化感物质的敏感性均存在差异。产生差异可能是由于供试树木器官产生的化感物质种类、释放途径的差异所致[21]。

本研究结果表明，不同树木凋落叶水浸提液对同一种作物的化感效应表现出不同程度的差异。如鹅掌楸和火炬树对黄瓜种子萌发和幼苗生长均表现出抑制作用，而紫叶李则表现出促进作用，可能是由于不同树木凋落叶水浸提液释放的化感物质的种类和数量不同，以及作物吸收化感物质后其转化方式也可能存在差异所致[22]。同时本研究还发现，不同树木凋落叶水浸提液对不同作物及同一作物种子和幼苗的化感效应差异较大。如黄瓜、高粱和小麦等作物种子发芽率受不同树木凋落叶水浸提液的影响不明显；而油菜种子个体小，发芽势较弱[23]，不同树木对其萌发均有不同程度的抑制作用。前人研究结果表明，不同受体植物对供体植物化感物质的代谢过程存在差异，从而对供体植物的敏感性表现出一定差异[19]。此外，影响植物种间化感效应强弱的因素很多，如供试树木凋落叶产生化感物质的特性、环境因子光和温度、测试方法等[24]。

本研究发现，用同一树木凋落叶水浸提液处理不同作物，其表现出的化感效应也有很大的差异，例如紫叶李凋落叶水浸提液对高粱种子萌发和幼苗生长表现出显著抑制作用，而对黄瓜、小麦和油菜3种作物均表现出不同程度的促进作用；银杏凋落叶水浸提液对小麦、油菜和黄瓜种子萌发和幼苗生长表现出显著抑制作用，而对高粱则表现出一定程度的促进作用。前人研究结果表明，不同供体植物产生的化感物质不同，且各有其特定的抑制对象，并且具有明显的选择性，例如化感物质对一些受体植物种子萌发和幼苗生长表现出抑制作用，但对另外一些植物则无明显作用，甚至表现出一定的促进作用[25-27]。Hong等[28]也认为，化感植物对杂草的抑制作用具有一定的专属性，存在种间差异。

植物的化感物质一般都是次生代谢物质，主要包括生物碱类、糖苷类、萜类和酚类[29]。本研究结果发现，火炬树和鹅掌楸凋落叶水浸提液对4种作物均能产生较强的化感抑制作用，说明这2种树木凋落叶中的化感物质都可能是水溶性强的酚类或生物碱类，深入研究此类化感物质，将为开发新的生物除草剂提供理论依据。

本研究只是在发芽率、发芽指数、苗高、苗干质量和叶绿素含量等5个指标宏观层面进行了分析，今后还需要深入研究10种树木凋落叶中化感物质的微观成分，例如可以探究凋落叶水浸提液中何种成分对4种作物的种子萌发和幼苗生长产生了影响，而且要全面地评价常见树种对农作物的化感效应，还需深入研究树木化感效应的机理机制，扩大浓度梯度和受体农作物的范围。