入侵植物野胡萝卜浸提液对4种草坪草的化感效应

廖博通, 陈 琳, 刘志华, 刘阳华, 文明英, 向国红

1衡阳市蔬菜研究所, 湖南 衡阳 421000; 2湖南人文科技学院, 湖南 娄底 417000

化感作用是指植物或微生物通过向环境释放化感物质,从而对自身或其他植物的生长发育产生有利或有害的作用(Kaliszetal.,2021; Kayanifaroetal.,2017)。化感物质几乎存在于植物体的各个器官中,不同器官所产生的化感物质对植物的影响具有一定的差异(Peng,2019)。自然条件下,植物化感物质主要通过根系分泌、地上部淋溶、茎叶挥发和植株枯落物在土壤中降解等方式释放到自然界,化感物质的释放是外来入侵植物成功入侵的重要因子(Saraetal.,2012; Zhangetal.,2021)。多数入侵植物具有适应性强、生长速度快、繁殖能力强等特点,通过植物化感途径影响本土植物生长,广泛存在于农田、荒地、草地、林地和湿地等生态环境中(李玉霞等,2019; 廖慧璇等,2021)。入侵到农作物区,通过释放化感物质,影响农作物的生长发育(李澳然等,2020; 卢东升等,2019),如假臭草EupatoriumcatariumVeldkamp水浸提液对4种作物种子萌发和幼苗生长均有较强的化感作用,且随着浸提液浓度的增大,化感效应显著增强(马永林等,2016);入侵到荒地,通过迅速定居和分泌化感物质,抑制本土植物种子萌发和生长,影响本土植物的株数和地上生物量(李凤兰等,2020; 桂富荣等,2011),如薇甘菊MikaniamicranthaH.B.K.水溶性化感物质能够促进有效氮的生成,进而促进自身生长并抑制本地植物的生长(郑亚萍等,2021);入侵到草地生态区,一方面向周围环境释放化学物质产生化感作用,影响草地植物的生长,另一方面与本地植物竞争资源,减少原有群落中的优势植物,降低群落物种多样性,影响草地功能,恶化草场质量(鲁京慧,2018; 赵威等,2017)。

野胡萝卜DaucuscarotaL.原产于欧洲,是伞形科胡萝卜属两年生草本植物,全国各地均有分布(张玥等,2021),在我国部分地区的草地生态系统中已成为恶性入侵植物(曹婧等,2020)。研究表明,野胡萝卜水浸提液对禾本科杂草具有一定的化感作用(陶俊杰等,2014),但关于野胡萝卜水浸提液对草坪草种子萌发和幼苗生长的研究鲜有报道。本试验采用室内生物测定的方法,研究野胡萝卜根、茎、叶不同浓度水浸提液对白三叶TrrifoliumrepensL.、黑麦草LoliumperenneL.、翦股颖AgrostisstoloniferaL.和高羊茅FestucaarundinaceaL.种子萌发和幼苗生长的影响,旨在探究野胡萝卜不同部位浸提液的化感差异,评价不同草坪草对野胡萝卜化感作用的耐受差异,为野胡萝卜入侵严重地区草地的建植及入侵机制研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2021年6月,在湖南省衡阳市泉溪镇(26°87′N,112°75′E ,平均海拔78 m)采集野胡萝卜根系和茎叶。白三叶、黑麦草、翦股颖和高羊茅种子购于北京正道生态科技有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 野胡萝卜水浸提液的制备 参考姚树宽等(2018)的方法,将采集到的野胡萝卜根、茎和叶分开,蒸馏水洗净,所有样品经自然风干后剪成1～2 cm的长度进行粉碎,粉碎后过0.425 mm孔径筛。分别称取野胡萝卜根、茎和叶粉末40 g,加1000 mL蒸馏水在25 ℃条件下,120 r·min-1振荡浸提48 h,用3层纱布和双重滤纸过滤浸提液,再用孔径为0.45 μm微孔滤膜过滤,得到浓度为40 g·L-1的野胡萝卜根、茎和叶浸提液母液,再用蒸馏水稀释成10、20、30 g·L-1浸提液,4 ℃冰箱保存备用。

1.2.2 化感作用测定 采用培养皿滤纸发芽法进行萌发试验(周娟娟等,2021),选50粒大小均匀颗粒饱满的供试草坪草种子,用0.3%的高锰酸钾溶液消毒10 min,无菌水冲洗5次,再用滤纸吸干种子表面水分,置于直径为9 cm铺有双层滤纸的培养皿中。分别加入不同浓度的野胡萝卜根、茎和叶浸提液5 mL,以蒸馏水为对照(CK),每个处理设3次重复,在25 ℃恒温光照培养箱中12 h光照培养,每天适当补充浸提液和蒸馏水以保持湿润。

1.2.3 测定项目和方法 每日以胚芽突破种皮1 mm为标准记录发芽种子数,第5 天计算发芽势(germination potential,PG),第7 天计算发芽率(germination rate,RG)、发芽指数(germination index,IG)、活力指数(vigor index,IV),第7天从培养皿中随机选取10株幼苗,用精度为1 mm的直尺测量幼苗根长(root length,LR)和芽长(shoot length,LS)。

PG/%=5 d内发芽种子数/供试种子×100;

RG/%=7 d内发芽种子数/供试种子×100;

IG=∑(tG/t);

IV=IGS;

式中:tG为逐日发芽数,t为相应的发芽天数,S为发芽周期结束时的芽长。

参照Williamsonetal. (1988)的方法,计算化感效应指数(response index,IR),IR=1-C/T(T≥C)或IR=T/C-1(T0表示促进作用,IR<0为抑制作用,绝对值的大小与化感作用强度一致。

化感综合效应指数(synthetic effects of allelopathic index,ISE)为同一浸提液处理对同一受体植物各个测试指标IR的算术平均值,ISE=(IR1+IR2+IR3+IR4+IR5+IR6)/6,式中,IR1～IR6分别为发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、根长和苗长的化感效应指数。ISE<0为抑制作用,ISE>0为促进作用,绝对值大小表示化感效应作用强度。

1.3 数据分析

利用Excel 2003进行数据处理,采用SPSS 22.0软件进行单因素(one-way ANOVA)和三因素方差分析(three-way ANOVA),Duncan氏法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 野胡萝卜不同部位浸提液对受体植物种子发芽率的影响

随着野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度的增加,白三叶和翦股颖的发芽率呈降低趋势,黑麦草发芽率在野胡萝卜根、叶浸提液处理下,高羊茅发芽率在野胡萝卜茎、叶浸提液处理下,随浓度的增加呈先增高后降低的趋势(表1)。野胡萝卜根、茎、叶浸提液对白三叶和翦股颖的发芽率抑制程度大于黑麦草和高羊茅的,且在浸提液浓度为40 g·L-1时,4种草坪草的发芽率均为最低值,与CK相比,均具显著差异(P<0.05)。在根浸提液处理下分别降低71.53%、12.95%、46.06%和16.08%,在茎浸提液处理下分别降低56.94%、10.08%、52.81%和11.18%,在叶浸提液处理下分别降低100.00%、15.83%、79.77%和34.26%。野胡萝卜根、茎、叶浸提液对4种草坪草发芽率的抑制情况总体表现为叶的抑制强度大于根和茎。

表1 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草种子的发芽率

2.2 野胡萝卜不同部位浸提液对受体植物种子发芽势的影响

随着野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度的增加,白三叶和翦股颖的发芽势呈降低趋势,黑麦草和高羊茅发芽势在野胡萝卜根、茎浸提液处理下,随浓度的增加呈先增高后降低趋势(表2)。当根浸提液浓度为10 g·L-1时,白三叶和翦股颖的发芽势与CK相比,分别降低了34.09%和39.09%,均显著低于CK (P<0.05),黑麦草和高羊茅的发芽势与CK相比分别增加了6.26%和7.64%,差异均不显著;在茎浸提液浓度为10 g·L-1时,白三叶和翦股颖的发芽势与CK相比,分别降低了5.31%和35.64%,其中翦股颖的发芽势显著低于CK (P<0.05),黑麦草和高羊茅的发芽势分别增加了3.13%和6.11%,与CK差异均不显著;在叶浸提液浓度为10 g·L-1时,白三叶、黑麦草、翦股颖和高羊茅的发芽势与CK相比,分别降低了81.06%、2.34%、20.69%和0.72%,其中白三叶和翦股颖的发芽势显著低于CK (P<0.05)。当浸提液浓度为40 g·L-1时,白三叶、黑麦草、翦股颖和高羊茅的发芽势均显著低于CK (P<0.05),在根浸提液处理下分别降低了71.97%、25.78%、62.07%和11.45%,在茎浸提液处理下分别降低了56.82%、15.62%、70.12%和5.34%,在叶浸提液处理下分别降低了100%、36.72%、80.47%和29.77%。野胡萝卜根、茎、叶浸提液对4种草坪草的发芽势抑制情况总体表现为叶的抑制强度大于根和茎。

表2 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草的发芽势

2.3 野胡萝卜不同部位浸提液对受体植物种子发芽指数的影响

随着野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度的增加,白三叶和翦股颖的发芽指数呈降低趋势,与CK相比,均具有显著差异(P<0.05),黑麦草的发芽指数在野胡萝卜茎浸提液处理下,随浓度的增加呈先增高后降低趋势,高羊茅的发芽指数在野胡萝卜根、茎、叶浸提液处理下,随浓度的增加呈先增高后降低趋势(表3)。野胡萝卜根、茎、叶浸提液对白三叶和翦股颖的发芽指数抑制程度大于黑麦草和高羊茅,且浸提液浓度为40 g·L-1时,白三叶、黑麦草、翦股颖和高羊茅4种草坪草的发芽指数达到最低值,与CK相比,均具有显著差异(P<0.05),在根浸提液处理下分别降低了79.29%、35.96%、71.66%和17.33%,在茎浸提液处理下分别降低了78.37%、25.58%、70.43%和13.74%,在叶浸提液处理下分别降低了100%、37.05%、81.93%和48.39%。

表3 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草的发芽指数

2.4 野胡萝卜不同部位浸提液对受体植物种子活力指数的影响

随着野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度的增加,白三叶、黑麦草和翦股颖的活力指数呈降低趋势,高羊茅的发芽指数随浓度的增加呈先增高后降低趋势(表4)。当根浸提液浓度为10 g·L-1时,白三叶和翦股颖的活力指数分别降低了54.52%和24.57%,显著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指数增加了37.75%,显著高于CK (P<0.05);在10 g·L-1茎浸提液处理下,白三叶、黑麦草和翦股颖的活力指数分别降低了10.33%、12.31%和33.87%,其中翦股颖的活力指数显著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指数增加了34.91%,显著高于CK(P<0.05);在10 g·L-1叶浸提液处理下,白三叶、黑麦草和翦股颖的活力指数分别降低了90.86%、23.67%和5.97%,其中白三叶和黑麦草的活力指数显著低于CK (P<0.05),高羊茅的活力指数增加了2.58%,与CK相比差异不显著。当浸提液浓度为40 g·L-1时,白三叶、黑麦草、翦股颖和高羊茅的发芽指数显著低于CK (P<0.05),在根浸提液处理下分别降低了82.31%、45.50%、64.91%和29.68%,在茎浸提液处理下分别降低了82.40%、52.30%、73.41%和21.52%,在叶浸提液处理下分别降低了100%、69.16%、83.62%和79.64%。

表4 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草的活力指数

2.5 野胡萝卜不同部位浸提液对4种草坪草根长的影响

由表5可知,在野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度≥10 g·L-1时,白三叶根长均显著低于CK (P<0.05),叶浸提液浓度为40 g·L-1时为最低值,降低了100%;在野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度≥10 g·L-1时,黑麦草根长均显著低于CK (P<0.05),根、茎浸提液浓度为40 g·L-1时为最低值,分别降低了47.28%、38.49%;在野胡萝卜根浸提液浓度为10 g·L-1时,翦股颖根长显著高于CK (P<0.05),随着浸提液浓度的增加根长逐渐降低,与CK差异不显著,在茎浸提液浓度≥20 g·L-1,叶浸提液浓度≥10 g·L-1处理时,与CK差异显著(P<0.05);高羊茅的根长与CK相比,在根浸提液浓度≥10 g·L-1,茎浸提液浓度≥30 g·L-1,叶浸提液浓度≥20 g·L-1时,差异显著(P<0.05),浸提液浓度为40 g·L-1时为最低值,分别降低了50.81%、31.27%、53.75%。

表5 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草的根长

2.6 野胡萝卜不同部位浸提液对4种草坪草芽长的影响

由表6可知,在叶浸提液浓度为40 g·L-1时,白三叶的芽长显著低于CK (P<0.05);黑麦草的芽长与CK相比,在根浸提液浓度≥30 g·L-1,茎、叶浸提液浓度≥10 g·L-1处理时差异显著(P<0.05),茎、叶浸提液浓度为40 g·L-1时为最低值,分别降低了36.63%、50.82%;高羊茅的芽长与CK相比,在叶浸提液浓度≥20 g·L-1时显著低于CK (P<0.05),在根、茎、叶浸提液浓度为40 g·L-1时最低,分别降低了14.95%、9.35%、60.44%。

表6 野胡萝卜不同部位浸提液处理下4种草坪草的芽长

2.7 影响草坪草种子萌发的三因素交互作用分析

单因素方差分析下,草坪草品种、浸提液种类及浓度对草坪草种子萌发存在极显著影响(P<0.01)(表7)。双因素方差分析下,浸提液种类和浸提液浓度交互作用对发芽率、发芽势、根长和芽长存在极显著影响(P<0.01);浸提液种类和草坪草品种交互作用对草坪草种子萌发有极显著影响(P<0.01);浸提液浓度和草坪草品种交互作用对发芽指数、活力指数和芽长具有极显著影响(P<0.01),对根长有显著影响(P<0.05)。在三因素方差分析中,浸提液种类、浸提液浓度和草坪草品种的互作对发芽率、发芽势、发芽指数有极显著影响(P<0.01),对根长有显著影响(P<0.05)。从浸提液种类、浸提液浓度和草坪草品种对草坪草种子萌发及幼苗生长的交互作用分析来看,浸提液浓度因素影响较弱。

表7 浸提液种类、浓度和草坪草品种对草坪草种子萌发及幼苗生长影响的三因素方差分析

2.8 野胡萝卜不同部位浸提液对4种草坪草的化感综合效应

野胡萝卜根、茎、叶浸提液对白三叶、黑麦草和翦股颖种子均存在一定的化感抑制作用,随着野胡萝卜浸提液浓度的增加,其化感抑制作用逐渐加强(表8)。野胡萝卜根、茎、叶浸提液对高羊茅种子则表现为“低促高抑”的双重效应。4种草坪草种子中,白三叶、翦股颖比黑麦草、高羊茅更易受野胡萝卜浸提液的影响,其中野胡萝卜根、叶浸提液对4种草坪草种子的抑制作用强弱顺序为白三叶>翦股颖>黑麦草>高羊茅,野胡萝卜茎浸提液对4种草坪草种子的抑制作用强弱顺序为翦股颖>白三叶>黑麦草>高羊茅。

表8 野胡萝卜不同部位浸提液对4种草坪草的化感综合效应指数

3 讨论

化感作用是植物在长期进化过程中形成的一种适应机制,有利于提高植物竞争资源和空间的优势,化感物质能抑制种子胚生长、影响种子细胞结构并干扰种子中活性氧的产生与积累、打破种子内源激素平衡等(Toshihiro,2019)。植物化感作用强弱与受试植物种类、浸提液部位及浓度有关(赵威等,2017)。化感物质主要是植物次生代谢产物,自然界中常见的化感物质有酚类、萜类和生物碱类物质等(师小平等,2020)。

本研究表明,随着野胡萝卜根、茎、叶浸提液浓度的逐渐增大,白三叶和翦股颖的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均呈现不同程度的降低,且随着浸提液浓度的升高抑制效果加强。这与星毛委陵菜PotentillaacaulisL.茎叶和根系水浸提液对5种牧草种子萌发的影响基本一致(任秀珍等,2010)。黑麦草的发芽率、发芽势和高羊茅的发芽势、发芽指数、活力指数在根浸提液处理下,黑麦草的发芽势、发芽指数和高羊茅的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数在茎浸提液处理下,黑麦草的发芽率和高羊茅的发芽率、发芽指数、活力指数在叶浸提液处理时均呈现出“低促高抑”的双重效应。陶俊杰等(2014)在研究野胡萝卜水浸提液对2种禾本科杂草的化感作用中发现,随着浸提液浓度的增加,对雀麦BromustectorumL.种子化感抑制作用增强,对野燕麦AvenafatuaL.种子的化感作用整体表现为“低促高抑”现象,这与本研究结果基本一致。

4种草坪草对野胡萝卜不同部位、不同浓度的化感耐受力表现出一定的差异,野胡萝卜相同部位、相同浓度浸提液对4种草坪草的化感作用也不同,可能野胡萝卜的化感物质在不同部位具有差异,野胡萝卜化感作用具有一定物种选择性及浓度效应(任秀珍等,2010)。通过对野胡萝卜浸提液种类、浸提液浓度和草坪草品种进行三因素方差分析发现,浸提液浓度对草坪草种子萌发和幼苗生长影响相对较弱,这与李钰莹等(2020)研究黄花蒿ArtemisiaannuaL.浸提液对4种草坪草种子萌发及幼苗生长的影响的三因素交互作用分析结果基本一致。化感综合效应指数表明,野胡萝卜不同部位浸提液对高羊茅的化感作用表现为“低促高抑”的双重效应,白三叶、黑麦草和翦股颖则表现为抑制作用,野胡萝卜浸提液对白三叶和翦股颖的化感抑制作用强于黑麦草和高羊茅,原因可能是不同草坪草品种间的耐受差异,具体原因需要做深入细致的研究。王辉等(2022)研究发现,3种供试牧草对舟叶橐吾Ligulariacymbulifera(W. W. Smith)Hand.-Mazz.植株浸提液的敏感程度也有差异。野胡萝卜不同部位浸提液对4种草坪草的化感作用有一定差异,其中叶浸提液的化感作用最强。这与袁着耕等(2017)对刺苍耳XanthiumspinosumL.不同部位水浸提液的研究中得出其叶浸提液的化感作用最强的结果一致。本研究结果可为野胡萝卜入侵严重地区草坪的建植提供一定理论依据。