厚朴凋落叶分解对湖北贝母生长与生理特性的影响

段媛媛，刘晓洪，吴佳奇，郭晓亮，王帆帆，唐 涛，游景茂，郭 杰，*

(1.湖北省农业科学院 中药材研究所， 农业农村部中药材生物学与栽培重点实验室， 湖北省中药材规范化生产(GAP)工程研究中心，湖北 恩施 445000； 2.湖北省农业科学院 林下经济湖北省工程研究中心，湖北 武汉 430064)

林药复合种植模式不仅能改善土壤理化性质，提高药材的产量品质，还能有效缓解耕地“非粮化”的紧张局面[1，2]。退耕还林政策推行以来，厚朴(MagnoliaofficinalisRehd.et Wils.)成为全国种植面积最大的药用树种，其种植面积达13.33万hm2[1]。“厚朴+药用植物”的复合种植模式具有缓解林、农与中药材争地的矛盾，提高药农收益等多种优势，成为发展林下经济的热点。林下生态种植湖北贝母(FritillariahupehensisHsiao et K. C. Hsia)是发展较为成熟的一种复合种植模式，在湖北省应用广泛，种植面积超6.67万hm2。

间套作植物的互作是林药生态种植模式成败的重要影响因素。林地植物的凋落叶通过淋溶、微生物和人类活动等过程分解释放出化感物质，直接或间接对间套作植物的生长发育产生促进或者抑制作用。化感作用是判断林药复合种植模式中所选药用植物是否适宜的重要指标[3-4]。研究林药种植模式中林地植物与药用植物之间的化感作用，建立合理的间套作模式，能有效降低作物间的负效应，提高林药系统的产出[5]。目前，关于农林复合种植模式中化感作用的研究主要集中于茶树[3]、银杏[6]、核桃[7]等树种，且多集中于农作物[8-10]和蔬菜作物[11，12]，而应用较广的厚朴林下间作模式对药用植物化感作用的研究尚未见报道。

本课题组前期对林下及单作两种模式下湖北贝母的生长性状进行了调查[13]，发现林下模式的湖北贝母生长状况优于单作湖北贝母，但其作用机理尚不清楚，尤其厚朴凋落叶对湖北贝母的生长是否起到促进作用有待进一步研究。本研究以湖北贝母为受体植物，采用较为接近自然状态的方法，通过盆栽试验模拟厚朴凋落叶在土壤中分解释放化感物质对湖北贝母生长性状和生理特性的影响，以期为“厚朴+湖北贝母”林药复合种植模式的实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试厚朴凋落叶收集于湖北省恩施市新塘乡湖北省农业科学院中药材研究所试验基地商家湾厚朴林场(109°46′41″ E，30°11′57″ N)。试验用厚朴树龄为15年生。收集自然凋落的干净、未分解的当年新鲜成熟叶片，取回风干后，剪成1 cm2左右的碎屑，备用。供试湖北贝母种茎购自建始县康泰药业连锁有限公司，经湖北省农业科学院中药材研究所郭杰副研究员鉴定为百合科植物湖北贝母的新鲜鳞茎。

采用统一规格的方形聚乙烯塑料种植箱(长40 cm，宽40 cm，高26 cm，内深18 cm)作为栽植容器。试验用土为林地沙壤土，基本理化性质为：有机质38.37 g·kg-1，全氮2.29 g·kg-1，全磷0.45 g·kg-1，全钾14.49 g·kg-1，速效磷8.16 mg·kg-1，速效钾111.60 mg·kg-1。预先过筛，混匀，自然阴干，备用。

1.2 试验设计

试验于2020年9月在湖北省农业科学院中药材研究所大棚内进行。采用单因素随机试验设计，据实地调查，厚朴叶每年凋落量约为8 000 kg·hm-2，按本试验所用的种植箱面积(0.16 m2)折算，约126 g，本试验以126 g·箱-1(即15.75 g·kg-1)作为基本施入量。以不加凋落叶碎屑为空白对照(CK)，设置厚朴凋落叶施入量分别为5.25 g·kg-1(T1)、10.50 g·kg-1(T2)、15.75 g·kg-1(T3)、21.00 g·kg-1(T4)共4个处理组，以不添加厚朴凋落叶为对照组，每个组设置4个重复，共计20箱。

种植湖北贝母之前将厚朴凋落叶碎屑按处理组量要求与等量土壤(8 kg)均匀混合，定量装入种植箱。湖北贝母先按种茎大小进行分级，选取大小一致(4.0～4.8 g)的健康湖北贝母种茎种植，种植密度为5 cm×5 cm，每箱种湖北贝母16个。将湖北贝母播入各种植箱后，覆土2 cm，浇透水。管理过程中根据土壤的湿度适量补充水分，使其含水量控制在18%左右(即供试土壤田间持水量的70%～80%)。

1.3 样品采集与测定方法

湖北贝母对不同处理厚朴凋落叶的生理生长响应指数(physiological growth response index，PGRI)计算公式[16]如下：

(1)

式(1)中：IPGR代表PGRI的值，C为对照值，T为处理值。IPGR>0表示对某一生理生长指标具有促进作用；IPGR=0表示没有影响；IPGR<0表示具有抑制作用，绝对值的大小表示作用强度。

综合效应(comprehensive effect，CE)[17]使用对应处理下受体植物的地上性状、地下性状、叶绿素含量等正向指标的IPGR之和表示，即：

EC=IPGR1+IPGR2+IPGR3…+IPGRn。

(2)

式(2)中：EC代表CE的值，EC>0表示具有促进作用，值越大表明促进作用越强；EC=0表示没有影响；EC<0表示具有抑制作用，绝对值越大表明抑制作用越强。

1.4 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。采用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05)，采用箱线图剔除不同处理湖北贝母生理生长响应指数数据中的异常值。采用Origin 8.1、Canoco 5.0和Excel 2019软件作图。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 厚朴凋落叶分解对湖北贝母地上性状的影响

由图1可知，与CK相比，苗期湖北贝母的地上性状(株高、叶长、叶宽、叶面积)表现为低剂量处理无显著影响(P>0.05)，高剂量处理显著抑制的规律(P<0.05)；花期和始枯期则呈现明显的“低促高抑”规律。花期，湖北贝母的株高、叶宽、叶面积在T1处理下分别比CK提高18.45%、30.23%、58.54%，在T4处理下分别比CK降低2.54%、17.01%、20.32%；T2处理的叶长比CK提高18.49%，T4处理则降低12.04%。始枯期，湖北贝母的叶长、叶宽、叶面积在T2处理的分别比CK提高了13.02%、18.41%、21.99%，在T4处理下则分别降低了19.07%、19.05%、35.44%；T2处理的株高比CK提高17.30%。

S，苗期；F，花期；P，始枯期。相同时期不同处理无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。S， Seedling stage； F， Flowering stage； P， Start withering stage. Different letters in the same column of different treatments in the same sampling period indicated significant difference at 0.05 level. The same as below.图1 厚朴凋落叶分解对湖北贝母地上性状的影响Fig.1 Effects of M. officinalis leaf litter on aboveground characters of F. hupehensis

2.2 厚朴凋落叶分解对湖北贝母地下性状的影响

由图2可知，苗期，与CK相比，低剂量处理下湖北贝母的地下性状(鳞茎长、鳞茎宽与鳞茎鲜重)无显著差异，T4处理的鳞茎宽、鳞茎鲜重显著(P<0.05)降低了24.09%和30.91%。花期，与CK相比，T2处理的湖北贝母的鳞茎长、鳞茎鲜重分别显著(P<0.05)提高了18.59%、13.91%。始枯期，与CK相比，T2处理的湖北贝母的鳞茎鲜重显著(P<0.05)提高了39.43%。

图2 厚朴凋落叶分解对湖北贝母地下性状的影响Fig.2 Effects of M. officinalis leaf litter on underground characters of F. hupehensis

2.3 厚朴凋落叶分解对湖北贝母叶绿素含量的影响

由图3可知，苗期，与CK相比，低剂量处理下湖北贝母的叶绿素含量无显著差异(P>0.05)，高剂量处理下则显著(P<0.05)降低；花期和始枯期则表现为明显的“低促高抑”规律。与CK相比，花期T2处理下湖北贝母的叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量分别提高了3.41%、4.43%、3.62%、1.89%，而T4处理分别降低了2.41%、6.94%、3.35%、3.29%；始枯期T2处理下分别提高了14.03%、8.37%、13.25%、10.70%，T4处理分别降低了16.85%、41.01%、20.19、25.20%。

图3 厚朴凋落叶分解对湖北贝母叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of M. officinalis leaf litter on chlorophyll content of F. hupehensis

2.4 厚朴凋落叶分解对湖北贝母抗氧化酶活性的影响

数据以鲜重计。Data was detected based on fresh weight.图4 厚朴凋落叶分解对湖北贝母抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effects of M. officinalis leaf litter on antioxidant system of F. hupehensis

2.5 厚朴凋落叶分解对湖北贝母生理生长的综合效应

不同剂量厚朴凋落叶处理下湖北贝母生理生长响应指数差异显著(P<0.05)(图5)，不同剂量厚朴凋落叶分解对湖北贝母生长性状和生理特性的综合效应存在显著差异(表1)。厚朴凋落叶分解对湖北贝母生理生长的综合效应值由大到小依次为T2(10.50 g·kg-1)(1.16)>T1(5.25 g·kg-1) (0.44)>T3(15.75 g·kg-1) (0.02)>T4(21.00 g·kg-1) (-0.99)。随着厚朴凋落叶剂量的增加，综合效应CE值先增大后减小，且当厚朴凋落叶剂量为5.25 g·kg-1时，湖北贝母的生长状况最优；当厚朴凋落叶剂量为21 g·kg-1时，湖北贝母的生长受到抑制。

图5 不同处理湖北贝母生理生长响应指数差异Fig.5 Difference of physiological growth response indexes of F. hupehensis under different treatments

表1 厚朴凋落叶分解对湖北贝母生理生长的综合效应

2.6 湖北贝母生长性状和生理特性的主成分分析

Chl，总叶绿素含量；Chl a，叶绿素a含量；Chl b，叶绿素b含量；Car，类胡萝卜素含量；ROS，超氧阴离子自由基含量。Chl， Chlorophyll content； Chl a， Chlorophyll a content； Chl b， Chlorophyll b content； Car， Carotenoid content； ROS， 图6 湖北贝母生长性状和生理特性的PCA排序Fig.6 PCA ordination of physiological growth properties on physiological indexes of F. hupehensis

3 讨论

3.1 厚朴凋落叶分解对湖北贝母生长的影响

在长期的生物进化过程中，植物之间大多存在化感抑制效应[18]。张如义等[11]研究了香樟凋落叶对茄子、莴笋和小白菜3种受体植物生长的影响，发现香樟凋落叶的分解对3种作物的叶面积等指标具有显著的抑制作用。王力明等[6]研究发现，银杏凋落叶分解对生长呈抑制作用。杨珊珊等[8]研究发现，玉米、黄瓜和豇豆的生长指标在一定量银木凋落叶处理下均受到抑制。本研究中，苗期湖北贝母的生长得到了相似结果，对厚朴凋落叶的分解呈明显抑制效应。但生长到中后期，厚朴凋落叶的分解对湖北贝母的生长则呈明显的“低促高抑”规律，这可能是由于苗期厚朴凋落叶分解释放出大量化感物质，这些化感物质在土壤中积累，表现为化感抑制效应[11-12]。而花期和始枯期，湖北贝母对低剂量厚朴凋落叶释放的化感物质产生了适应能力[11]，同时，随着化感物质迁移、降解和营养物质的释放[12]，低剂量厚朴凋落叶的分解对湖北贝母的生长表现为促进作用。而高剂量的厚朴凋落叶释放的化感物质则始终抑制湖北贝母的生长，可能是由于化感物质的双重质量浓度效应所导致的[3]，这与李茜等[19]的研究结果一致，低浓度的核桃叶促进白术生长，而高浓度则产生抑制效应。

3.2 厚朴凋落叶分解对湖北贝母叶绿素含量和抗氧化酶活性的影响

植物凋落叶经土壤分解释放的化感物质能通过抑制合成或促进降解两种途径来降低受体植物的叶绿素含量，从而影响其光合作用和生长发育[8，20-21]。研究表明，野黍对玉米的叶绿素含量、抗氧化酶活性存在化感效应，显著降低了玉米的叶绿素含量[22]。也有研究表明，较高剂量的核桃凋落叶处理能抑制萝卜、芥菜、白菜等受体植物的叶绿素合成[9，23]。本研究取得的结果与之相似，苗期高剂量处理下湖北贝母的叶绿素含量显著降低。但花期和始枯期，其叶绿素含量则呈明显的“低促高抑”规律，这可能是由于湖北贝母在化感胁迫下启动了光保护系统调节自身的色素比例以维持较高的光合速率。当土壤中厚朴凋落叶含量达到21.00 g·kg-1时，其化感物质含量过高，始终抑制湖北贝母叶绿素的合成。这与赵晶晶等[5]研究的核桃凋落叶对滇重楼叶片叶绿素含量影响的结果相似。

3.3 厚朴凋落叶分解对湖北贝母生理生长综合效应分析

综合效应分析多用于评价植物对生物胁迫的响应状况，综合效应指数常被用来量化逆境胁迫对受体植物的影响。王华等[27]研究表明，低浓度的硒处理对白术具有促生作用，当硒含量超过5 mg·L-1时则产生抑制效应。张美德等[17]通过盆栽试验研究了外源硒对白术生理生长的影响，验证了白术对外源硒“低促高抑”效应。本研究通过对不同剂量厚朴凋落叶处理的湖北贝母的综合效应指数进行分析，发现低剂量的厚朴凋落叶分解显著促进湖北贝母生长，高剂量的厚朴凋落叶(21.00 g·kg-1)显著抑制湖北贝母的生长，且当厚朴凋落叶剂量为10.50 g·kg-1时，湖北贝母的综合效应指数最大，这表明其生长状况最优。因此，在实际生产中若要选择“厚朴+湖北贝母”进行林药复合种植，需要通过调整种植密度、清理落叶等方式来加强田间管理，以减少厚朴化感物质的产生，促进湖北贝母的生长。本研究采用盆栽试验模拟厚朴林的化感效应可能与田间实际状况存在差异，具有一定的局限性，下一步将开展田间试验加以验证。