陸 茜,張金池,孟苗婧

南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210037

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長(zhǎng)期連栽楊樹(shù)林根際土壤自毒作用的生物測(cè)定

陸 茜,張金池*,孟苗婧

南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210037

選取10—40a不同代際的長(zhǎng)期集約連栽楊樹(shù)土壤為對(duì)象,從自毒作用的角度探討人工林連栽障礙的原因與機(jī)理。實(shí)施了不同連栽代際的楊樹(shù)人工林土壤對(duì)萵苣種子發(fā)芽和扦插楊樹(shù)枝條生長(zhǎng)的抑制活性的系統(tǒng)生物測(cè)定試驗(yàn)。結(jié)果表明,連栽楊樹(shù)林的根際土壤比非根際土壤能夠顯著抑制萵苣種子萌發(fā)率。對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代林根際土壤的濃度梯度試驗(yàn)都表明浸提液的質(zhì)量濃度越大,對(duì)種子萌發(fā)的抑制性越強(qiáng),其中Ⅲ代林處理液的濃度效應(yīng)最明顯。將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代楊樹(shù)林根際土壤配置成加營(yíng)養(yǎng)液組與無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組兩組對(duì)照水培溶液測(cè)定扦插楊樹(shù)枝條的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度和根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度。結(jié)果表明,III代林根際土壤處理液的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度和根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度顯著小于Ⅱ代林根際土壤處理液,Ⅱ代林處理又顯著小于Ⅰ代林處理,Ⅰ代林處理液與對(duì)照組無(wú)顯著差別,這種隨林代增大、根際土壤對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制活性增大的趨勢(shì)在加營(yíng)養(yǎng)液組更為顯著。本文確定了連栽土壤抑制活性的根際效應(yīng)與濃度效應(yīng),為連栽楊樹(shù)人工林的自毒作用研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù),并推斷連栽楊樹(shù)人工林通過(guò)根系分泌物的方式在根際部分逐代積累自毒物質(zhì),由于自毒物質(zhì)的濃度效應(yīng),Ⅰ代林階段自毒效應(yīng)不顯著甚至促進(jìn)林木生長(zhǎng)；隨著集約時(shí)間增長(zhǎng),到Ⅲ代林階段自毒效應(yīng)顯著抑制楊樹(shù)生長(zhǎng)和更新。在集約撫育中,對(duì)土壤實(shí)施人工添加營(yíng)養(yǎng)液的方式無(wú)法緩解其抑制性自毒作用,有可能加劇連栽障礙的產(chǎn)生。

化感作用;連栽障礙;扦插;萵苣;單一種植;種子萌發(fā)

化感作用(Allelopathy)是近年來(lái)化學(xué)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,它主要指植物(或微生物)之間相互抑制或促進(jìn)的生物化學(xué)作用[1],供體產(chǎn)生化感物質(zhì)后通過(guò)淋溶、揮發(fā)、根系分泌或殘?bào)w分解等途徑釋放到環(huán)境中,從而影響到受體植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。供體植物(或微生物)與受體植物(或微生物)屬于同一物種時(shí),就稱為自毒作用[2]。其中抑制性的化感-自毒作用更為普遍,受到研究者重視,成為近年來(lái)植物化感研究的一種趨勢(shì)[3-4]。

楊樹(shù)(Populus)是中國(guó)重要的人工林栽培樹(shù)種之一,2015年楊樹(shù)栽培面積已超0.067億hm2,居世界首位。楊樹(shù)在集約栽培中會(huì)出現(xiàn)土壤病或樹(shù)病,其中連栽障礙的問(wèn)題較為常見(jiàn)[5]。所謂“連栽障礙”,是指植物在單一連栽/作的條件下,隨著栽培時(shí)間增長(zhǎng)而地力逐代衰退、植物質(zhì)量隨之下降的現(xiàn)象。對(duì)于植物連栽障礙的研究,早期大多從土壤養(yǎng)分匱乏和人工撫育的角度對(duì)其發(fā)生機(jī)制進(jìn)行闡釋[6- 7]；近期的研究指出：連栽障礙的發(fā)生與植物在連栽過(guò)程中積累一定質(zhì)量濃度的自毒物質(zhì)從而產(chǎn)生抑制性的自毒作用有關(guān)[8- 9],自毒作用很可能是連栽障礙的關(guān)鍵誘因。學(xué)界對(duì)楊樹(shù)化感/自毒作用的研究已有涉足,如探討楊樹(shù)不同器官的浸提液或分解物對(duì)作物生長(zhǎng)的影響[10- 12]、研究外源自毒物質(zhì)對(duì)楊樹(shù)的抑制效應(yīng)與修復(fù)[13- 15]、比較不同撫育方式或不同品種的楊樹(shù)自毒效應(yīng)[16- 17]等,但目前尚缺乏基于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的楊樹(shù)化感生物測(cè)定的報(bào)道,各研究樣本的時(shí)長(zhǎng)最多不超過(guò)10a。而在撫育實(shí)踐中,長(zhǎng)期集約連栽人工林是普遍存在的,長(zhǎng)期連栽年限與自毒作用的關(guān)系值得探討。本研究以單一連栽時(shí)間達(dá)40a的長(zhǎng)期集約種植楊樹(shù)人工林作為研究對(duì)象,并選?、翊?連栽10a)、Ⅱ代林(連栽30a)、Ⅲ代林(連栽40a)3個(gè)連續(xù)時(shí)間的人工林土壤為樣本形成對(duì)照,以揭示人工林連栽及土地利用的臨界年限。

確認(rèn)植物是否存在化感-自毒作用,用模式植物對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行生物測(cè)定(bioassay)是最常用的方法。目前對(duì)連栽作物的化感生物測(cè)定較為充分[18- 20],而連栽人工林受樹(shù)木生長(zhǎng)周期和野外條件的影響,取樣比較困難,通常采用模擬試驗(yàn)進(jìn)行生物測(cè)定[13,21],只有少數(shù)報(bào)道以直接取樣于連栽樣地的樣本配置成母液進(jìn)行生物測(cè)定[22]。本研究采取野外采樣的方式,選?、瘛ⅱ?、Ⅲ代連栽楊樹(shù)林土壤為樣本,對(duì)楊樹(shù)的根部進(jìn)行生物測(cè)定。根際是植物與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的活躍區(qū)域,研究顯示多年生植物的根際土與非根際土土壤微生物群落存在差異[23],這可能是根系區(qū)域發(fā)生化感作用的證據(jù)。本文通過(guò)對(duì)不同代際楊樹(shù)林土壤的生物測(cè)定和營(yíng)養(yǎng)液對(duì)照實(shí)驗(yàn),旨在探察長(zhǎng)期集約連栽是否有可能導(dǎo)致楊樹(shù)林在土壤中逐步積累具備顯著自毒效應(yīng)的毒性物質(zhì)、以及推斷楊樹(shù)發(fā)生自毒作用的途徑,以期為從化學(xué)生態(tài)學(xué)的角度解決楊樹(shù)人工林連栽障礙和土地利用時(shí)限問(wèn)題提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

黃淮海平原是中國(guó)楊樹(shù)人工林的主要栽培區(qū)之一。本研究選擇江蘇省徐州市西北部的豐縣大沙河林場(chǎng)(34°79′ N, 116°57′ E)作為實(shí)驗(yàn)區(qū),區(qū)內(nèi)林地的撫育管理措施具有一致性。樣區(qū)3個(gè)林代的基本信息如表1所示:生物量逐代下降,顯示出連栽障礙的特點(diǎn)。其中Ⅰ代林的土壤栽植年限約為10a,Ⅱ代林約為30a,Ⅲ代林約為40a。楊樹(shù)品種均為意大利引進(jìn)歐美楊無(wú)性系72楊P.euramericana‘San Martino’,其特點(diǎn)為生長(zhǎng)期較長(zhǎng)、林積生長(zhǎng)較快。

表1 林分基本特征

1.1.2 采樣方法

2013年5月, 在大沙河林場(chǎng)選?、瘛ⅱ?、Ⅲ代楊樹(shù)林樣地,土壤質(zhì)地均為砂土。每代試驗(yàn)樣地隨機(jī)選取10株楊樹(shù)。采樣木樹(shù)高12—14m、胸徑18—20cm、樹(shù)齡約10a。每株楊樹(shù)分別采集一袋(170mm×240mm自封袋)根際土壤和一袋非根際土壤。根際土壤采用抖落法采集直徑<0.5cm的楊樹(shù)細(xì)根上附著的土壤(1—2mm),連同細(xì)根一起放入袋內(nèi)。非根際土壤為根區(qū)域內(nèi)非附著于根際的土壤。在選取的10株楊樹(shù)中任選其中5株,在距離樹(shù)干約90cm無(wú)根系處隨機(jī)選取兩點(diǎn),用內(nèi)徑6cm的取土環(huán)刀采集土壤樣品,每個(gè)林代10個(gè)樣品用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)?；貙?shí)驗(yàn)室后取出根際土壤中的細(xì)根切碎,剩余根際土壤過(guò)0.25mm篩去除雜物,切碎后的細(xì)根仍舊放進(jìn)過(guò)篩后的土壤樣品中,混勻風(fēng)干備用。非根際土壤直接過(guò)0.25mm篩風(fēng)干備用。對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定每個(gè)指標(biāo)設(shè)立3次重復(fù)。

1.1.3 供試植物

種子萌發(fā)試驗(yàn)選取敏感植物萵苣(Lactucasativa)為供試受體,與相關(guān)報(bào)道一致[24- 25]。選取顆粒飽滿、大小一致、無(wú)發(fā)霉無(wú)破損的萵苣種子,乙醇消毒后超純水沖洗干凈備用。植株生長(zhǎng)試驗(yàn)所用的扦插楊樹(shù)條采自與土壤樣本同一地點(diǎn)的植株,截取長(zhǎng)度20cm、直徑約為2cm的楊樹(shù)條做為供試受體,超純水清洗干凈備用。

1.2 方法

1.2.1 土壤理化性質(zhì)

土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定的具體操作參考文獻(xiàn)進(jìn)行[26]：采用便攜式pH計(jì)測(cè)定土壤pH值；采用半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量；采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定速效氮含量；采用硫酸-高氯酸消煮法測(cè)定全磷含量；采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量。

土壤物理性質(zhì)的計(jì)算方式如下：

土壤容重(g/cm3)=環(huán)刀內(nèi)干土重/環(huán)刀體積

最大持水量(%)=(浸水12h環(huán)刀內(nèi)濕土重-環(huán)刀內(nèi)干土重)/環(huán)刀內(nèi)干土重×100

總孔隙度(容積%)=毛管孔隙度(容積%)+非毛管孔隙度(容積%)

其中,

毛管孔隙度(容積%)=毛管持水量(%)×土壤容重

非毛管孔隙度(容積%)=(最大持水量(%)-毛管持水量(%))×土壤容重

不同代際楊樹(shù)林土壤理化性質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2 。

表2 楊樹(shù)人工林土壤物理性質(zhì)

小寫(xiě)字母不同表示5%顯著差異

1.2.2 種子萌發(fā)生物測(cè)定試驗(yàn)方法

將50粒萵苣種子置于鋪有兩層濾紙、直徑為12cm的培養(yǎng)皿中。光周期20℃,16 h；暗周期15℃,8 h。種子萌發(fā)以破皮發(fā)芽為標(biāo)準(zhǔn)。3d后統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽數(shù)。

(1)根際土壤浸提液與非根際土壤浸提液抑制活性初步篩選：將Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液和非根際土壤浸提液分別加入培養(yǎng)皿,質(zhì)量濃度均為1g/mL,對(duì)照為3 mL純水,共7個(gè)處理,每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

種子萌發(fā)率(%)=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/50)×100%

(2)根際土壤的抑制種子萌發(fā)濃度梯度試驗(yàn)：為進(jìn)一步確定連栽楊樹(shù)人工林根際土壤浸提液抑制種子萌發(fā)的濃度依賴性以及最低抑制濃度,將Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林的根際土壤母液稀釋后分別配置成0.1、0.2、0.5、0.8、1 g/mL的培養(yǎng)溶液,加入培養(yǎng)皿,每個(gè)培養(yǎng)皿擺放萵苣種子50粒,共15個(gè)處理,每個(gè)處理3次重復(fù)。

種子萌發(fā)抑制率(%)=(第3天對(duì)照發(fā)芽種子數(shù)-第3天處理發(fā)芽種子數(shù)) / 第3天對(duì)照發(fā)芽種子數(shù)×100%

當(dāng)抑制率>0,表示浸提液對(duì)種子萌發(fā)具有抑制作用；當(dāng)抑制率<0,表示浸提液對(duì)種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

1.2.3 扦插楊樹(shù)水培試驗(yàn)方法

購(gòu)置塑料小桶若干,桶口放置白色塑料泡沫,將楊樹(shù)扦插條從泡沫插入深入到桶內(nèi),每個(gè)桶插入5根枝條,整齊排列,用泡沫固定好位置。

(1)不同代際楊樹(shù)林根際土壤浸提液對(duì)水培扦插楊樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響：將質(zhì)量濃度均為1g/mL的Ⅰ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液加入各小桶作為第1處理組,對(duì)照為純水；另將質(zhì)量濃度均為1g/mLⅠ代林、Ⅱ代林和Ⅲ代林根際土壤浸提液與霍格蘭德?tīng)I(yíng)養(yǎng)液一起加入各小桶作為第2處理組,對(duì)照為純水+營(yíng)養(yǎng)液。兩組共8個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)5次。

(2)不同質(zhì)量濃度的根際土壤浸提液對(duì)水培扦插楊樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響：將Ⅲ代林的根際土壤母液稀釋后分別配置成0.1、0.2、0.5、0.8、1 g/mL的培養(yǎng)溶液,加入小桶,對(duì)照為1L純水。共6個(gè)處理,每個(gè)處理5次重復(fù)。

生長(zhǎng)抑制率(%)=(第30天對(duì)照生長(zhǎng)長(zhǎng)度-第30天處理生長(zhǎng)長(zhǎng)度) /第30天對(duì)照生長(zhǎng)長(zhǎng)度×100%

當(dāng)抑制率>0,表示浸提液對(duì)扦插枝條生長(zhǎng)具有抑制作用；當(dāng)抑制率<0,表示浸提液對(duì)扦插枝條生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。

光周期20℃,16 h；暗周期15℃,8 h。每3d換新溶液1次,30d后剪下胚芽和根,進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著極差法(LSD)檢驗(yàn),主要用Excel 2007和SPSS 19.0完成。

2 結(jié)果

2.1 萵苣種子萌發(fā)的生物測(cè)定試驗(yàn)

2.1.1 根際土壤與非根際土壤的化感活性對(duì)照試驗(yàn)

圖1 Ⅰ代林、Ⅱ代林、Ⅲ代林土壤浸提液對(duì)萵苣種子的萌發(fā)率 Fig.1 Germination rate of lettuce seeds of soil extracts from Generation I、Generation Ⅱ and Generation Ⅲ plantationsrs：根際土壤組； ns：非根際土壤組； CK：對(duì)照組。柱形圖頂部不同小寫(xiě)字母表示5%顯著差異,不同大寫(xiě)字母表示1%極顯著差異

根際土壤浸提液對(duì)萵苣種子的萌發(fā)具有顯著的抑制作用,而非根際土壤浸提液對(duì)萵苣種子的萌發(fā)抑制不顯著(圖1)。其中,與純水對(duì)照組84.5%的萌發(fā)率相比,無(wú)論是Ⅰ代林、Ⅱ代林還是Ⅲ代林,根際土壤組的萵苣種子萌發(fā)率均顯著減少,萌發(fā)率最高不超過(guò)60%,尤其是Ⅲ代林的萌發(fā)率僅為48.7%,達(dá)到極顯著抑制的水平(P<0.01)；而非根際土壤組只有Ⅲ代林的土壤浸提液顯著抑制了萵苣種子的萌發(fā)(P<0.05),其萌發(fā)率為72.7%,而Ⅰ代林與Ⅱ代林土壤浸提液的種子萌發(fā)率分別為83.0%和79.7%,與對(duì)照組相比無(wú)顯著性差異(P>0.05)。此外,根際土壤與非根際土壤的處理組內(nèi)呈現(xiàn)一致的規(guī)律：Ⅰ代林與Ⅱ代林對(duì)萵苣種子的萌發(fā)抑制性無(wú)顯著差異(P>0.05),而Ⅲ代林的土壤浸提液與前兩代林相比,對(duì)萵苣種子萌發(fā)有顯著的抑制性,其中根際土壤組呈現(xiàn)極顯著的差異(P<0.01)。由此可見(jiàn),根際土壤能夠明顯抑制萵苣種子的萌發(fā),而Ⅲ代林的根際土壤對(duì)種子萌發(fā)的抑制效應(yīng)最顯著。

2.1.2 根際土壤的抑制種子萌發(fā)濃度梯度試驗(yàn)

圖2 根際土壤對(duì)種子萌發(fā)抑制率的濃度梯度試驗(yàn) Fig.2 Concentration gradient test of rhizosphere soils on seed germination inhibition rate

結(jié)果如圖2所示：隨著根際土壤的浸提液質(zhì)量濃度的增高,其對(duì)萵苣種子的萌發(fā)抑制率增大。其中Ⅱ代林和Ⅲ代林在0.1g/mL的低濃度時(shí)能夠促進(jìn)萌發(fā)率增長(zhǎng)(萌發(fā)率高于對(duì)照)。而3個(gè)林代的抑制趨勢(shì)略有不同：其中Ⅰ代林隨著濃度增大,抑制率增大的幅度最小,Ⅱ代林接近線性趨勢(shì),Ⅲ代林隨著濃度升高而增大抑制萌發(fā)率的幅度最大。0.2—0.5g/mL的濃度范圍內(nèi),3個(gè)林代的抑制萌發(fā)率最接近。

2.2 根際土壤浸提溶液抑制楊樹(shù)植株生長(zhǎng)試驗(yàn)

2.2.1 不同代際楊樹(shù)林根際土壤浸提液對(duì)水培扦插楊樹(shù)生長(zhǎng)的影響

如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示：根伸長(zhǎng)方面, Ⅰ代、Ⅱ代、Ⅲ代林的土壤浸提液在營(yíng)養(yǎng)液組與無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組的抑制趨勢(shì)完全一致：Ⅰ代林比對(duì)照組根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度略大,但差異不顯著；Ⅱ代林比Ⅰ代林根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度顯著降低、Ⅲ代林比Ⅱ代林根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度顯著降低(圖3)；胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度方面,兩組中Ⅲ代林的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度均比Ⅱ代林顯著降低、Ⅰ代林與對(duì)照組的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度均無(wú)顯著差異,Ⅱ代林與Ⅰ代林在無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度沒(méi)有顯著差異,但營(yíng)養(yǎng)液組中,Ⅱ代林比Ⅰ代林的土壤浸提液顯著抑制了胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度(圖3)。

因此總體而言,無(wú)論在營(yíng)養(yǎng)液組還是無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組,楊樹(shù)的胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度和根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度均隨著代際增大呈現(xiàn)一致的降低趨勢(shì),并且營(yíng)養(yǎng)液組比無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組的抑制程度更顯著。

圖3 不同代際楊樹(shù)林根際土壤浸提液對(duì)水培扦插楊樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響Fig.3 Effect of rhizosphere soil extracts of poplar from different generations on the growth of poplar cutting branches 柱狀圖頂部小寫(xiě)字母不同表示5%顯著有差異

2.2.2 不同質(zhì)量濃度的根際土壤浸提液對(duì)水培扦插楊樹(shù)生長(zhǎng)的影響

隨著Ⅲ代林根際土壤浸提液質(zhì)量濃度增大,扦插楊樹(shù)胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度和根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度都顯著降低,而浸提液對(duì)胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度和根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的抑制率隨濃度增大而增大(表3)。

胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度隨土壤浸提溶液濃度的升高而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),抑制率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),其中在最低濃度0.1g/mL時(shí)抑制率為負(fù),即與對(duì)照相比,土壤浸提液對(duì)胚芽生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。土壤溶液濃度為0.5g/mL時(shí)胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度為4.88cm、抑制率為14.7%,與溶液濃度在0.1、0.2g/mL和1g/mL時(shí)均存在顯著差異,但與0.8g/mL濃度無(wú)顯著性差異。

與胚芽生長(zhǎng)長(zhǎng)度類似,根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度隨土壤浸提溶液濃度的升高亦呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),抑制率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì),其中在最低濃度0.1g/mL時(shí)抑制率為負(fù),即與對(duì)照相比,土壤浸提液對(duì)根伸長(zhǎng)有促進(jìn)作用。土壤溶液為0.8g/mL時(shí)根伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為4.12cm、抑制率為39.2%,兩者與溶液在0.1、0.2g/mL和1g/mL濃度時(shí)均存在顯著差異,與溶液在0.5g/mL時(shí)無(wú)顯著性差異。

表3 不同濃度根際土壤浸提液對(duì)扦插楊樹(shù)胚芽和根的生長(zhǎng)影響

Table 3 Experimental results of different concentrations of rhizosphere soil extract affect the germ and root growths of cutting poplar branches

處理Treatment濃度/(g/mL)Concentration胚芽Germ根Root生長(zhǎng)長(zhǎng)度/cmGrowthlength抑制率/%Inhibitionrate伸長(zhǎng)長(zhǎng)度/cmElongationlength抑制率/%Inhibitionrate土壤溶液0.15.66±0.64d-0.70%±0.08%d9.04±1.28d-33.33%±4.72%bSoilextracts0.25.38±1.03cd5.94%±1.14%cd7.10±1.05cd-4.72%±0.25%b0.54.88±0.72bc14.69%±2.16%bd5.94±1.14bc12.39%±2.38%a0.84.42±1.01a22.73%±5.19%a4.12±0.76ab39.23%±7.24%a14.32±0.31a24.83%±1.78%a2.16±0.40e68.14%±12.6%e空白對(duì)照Control5.72±0.74e6.82±1.07c

小寫(xiě)字母不同表示5%顯著有差異

3 討論

化感作用的發(fā)生途徑主要有揮發(fā)、淋溶和根系分泌3種,本研究的結(jié)果表明楊樹(shù)人工林的根際土壤相較于非根際土壤,對(duì)測(cè)試種子的萌發(fā)具有更顯著的抑制作用,這種“根際效應(yīng)”與已有的報(bào)道結(jié)論一致[27- 28],該結(jié)果也提示連栽楊樹(shù)林更主要通過(guò)根際集聚化感物質(zhì)而非枯落物淋溶化感物質(zhì)的路徑產(chǎn)生自毒效應(yīng)；而連栽年限最長(zhǎng)的Ⅲ代林無(wú)論是根際土壤還是非根際土壤的浸提液都顯示出對(duì)測(cè)試種子的萌發(fā)抑制作用,加上在Ⅲ代林階段,土壤的酸性程度較前兩代林顯著增大(表2),很有可能與枯落物的長(zhǎng)期淋溶作用相關(guān),因此推測(cè)到了連栽后期,楊樹(shù)根系分泌物與枝葉淋溶均有可能成為化感作用的發(fā)生途徑。已有報(bào)道顯示,生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的森林的確可以通過(guò)枝葉淋溶的途徑逐漸積累自毒物質(zhì),如天山云杉在天然更新過(guò)程中,針葉通過(guò)淋溶作用對(duì)更新種子產(chǎn)生自毒作用從而阻礙森林更新[8]。而長(zhǎng)期連栽楊樹(shù)的枯落物淋溶作用與植株自毒效應(yīng)的相互關(guān)系與內(nèi)在機(jī)理需要進(jìn)一步澄清和研究。

本研究的結(jié)果證實(shí)楊樹(shù)人工林根際土壤浸提液在低質(zhì)量濃度時(shí),可能對(duì)種子萌發(fā)和植株生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用,而在高質(zhì)量濃度時(shí),對(duì)兩者只有抑制作用,并且濃度越大、抑制性越強(qiáng)。這與普遍報(bào)道的化感物質(zhì)對(duì)植株生長(zhǎng)具有“低濃度促進(jìn)、高濃度抑制”的濃度效應(yīng)的結(jié)果相一致[29- 31]?！皾舛刃?yīng)”的產(chǎn)生應(yīng)與化感作用的濃度依賴性有關(guān),也證實(shí)了化感物質(zhì)在田間條件下需要積累到致毒濃度才有可能對(duì)植株產(chǎn)生抑制性。需要指出的是,本研究的結(jié)果顯示出植物在連栽環(huán)境中,其根際物質(zhì)的濃度效應(yīng)與植物的連栽年限相關(guān)：連栽時(shí)間最長(zhǎng)的Ⅲ代林在根際土壤低質(zhì)量濃度時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用,而栽種時(shí)間最短的Ⅰ代林在低濃度時(shí)并不顯示對(duì)種子萌發(fā)的促進(jìn)作用(圖2)。亦即連栽時(shí)間越長(zhǎng)其濃度依賴性越顯著。這個(gè)結(jié)果在以往的報(bào)道中尚不多見(jiàn),該現(xiàn)象進(jìn)一步提示連栽之后的植物在根部積聚的物質(zhì)很可能正是具有濃度效應(yīng)的化感/自毒物質(zhì),尤其在連栽后期土壤中自毒物質(zhì)的積累已經(jīng)較為充分,其“低促高抑”的特征也比前兩代林顯著,成為引發(fā)連栽障礙的重要因素。

本文結(jié)果表明隨著連栽年限增加,植株的自毒效應(yīng)顯著增大而生長(zhǎng)質(zhì)量降低,這與一些學(xué)者采用土培實(shí)驗(yàn)對(duì)連作植物進(jìn)行自毒作用研究的結(jié)果相一致[32- 33]。有研究報(bào)道顯示植物連栽障礙與土壤有效養(yǎng)分的降低有關(guān)[34],在人工林撫育實(shí)踐中也采用增肥措施來(lái)解決連栽障礙,因?yàn)殚L(zhǎng)期連栽常常伴隨土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)的惡化。在本研究中,連栽林代出現(xiàn)不同程度的養(yǎng)分惡化：盡管撫育措施相同,但土壤中速效氮的含量出現(xiàn)逐代下降、Ⅲ代林土壤的速效磷含量也顯著低于前兩代林(表2)。然而,本研究所采用表明添加營(yíng)養(yǎng)液的方式?jīng)]有緩解連栽土壤浸提液對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制作用,甚至抑制作用相較于無(wú)營(yíng)養(yǎng)液組更顯著(圖3)。這至少表明對(duì)于長(zhǎng)期集約連栽的楊樹(shù),僅用施用營(yíng)養(yǎng)液來(lái)改善連栽障礙的依據(jù)是不充分的。添加營(yíng)養(yǎng)液不能改變抑制作用的原因可能是自毒物質(zhì)本身會(huì)限制植物吸收養(yǎng)分的有效性或惡化土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)[35],自毒物質(zhì)積累越多,對(duì)植株吸收養(yǎng)分的限制越強(qiáng)。但由于施肥存在多樣化的措施,增施氮肥、綠肥等是否能夠有效遏制連栽楊樹(shù)自毒作用則有賴于下一步在土培實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。基于本研究已有的結(jié)果,本文支持近期以來(lái)從化感作用的角度闡釋連栽障礙的發(fā)生機(jī)制,并推斷長(zhǎng)期連栽使得自毒物質(zhì)積聚在植物根部(或其它重要器官),抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育與種內(nèi)更新,引發(fā)連栽障礙。

4 結(jié)論

(1)連栽楊樹(shù)人工林土壤對(duì)植物的抑制性自毒作用主要發(fā)生在楊樹(shù)根際部分,根系分泌的方式是楊樹(shù)人工林主要的自毒作用途徑。

(2)楊樹(shù)人工林根際土壤的自毒作用具有濃度效應(yīng)：隨著自毒物質(zhì)的濃度增大,對(duì)植株的生長(zhǎng)抑制性增強(qiáng)。但在低濃度時(shí)有時(shí)會(huì)促進(jìn)植株的生長(zhǎng)。

(3)根際土壤對(duì)楊樹(shù)生長(zhǎng)的抑制作用隨著連栽林代的增加而顯著,而采用增施營(yíng)養(yǎng)的措施不一定緩解連栽時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制性。

(4)長(zhǎng)期連栽楊樹(shù)土壤產(chǎn)生顯著的自毒效應(yīng),建議人工楊樹(shù)林連栽30年后應(yīng)改變土地利用方式。

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Bioassay for inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil under long-term successive monoculture poplar plantations

LU Qian, ZHANG Jinchi*, MENG Miaojing

Co-InnovationCentreforSustainableForestryinSouthernChina,JiangsuProvincialKeyLaboratoryofSoil&WaterConservationandEcologicalRestoration，NanjingForestryUniversity，Nanjing210037,China

Populusis one of the most important tree species in the economic plantations in China. However, poplar plantations are vulnerable to the continuous monoculture problems. Previous studies have focused on low availability of soil nutrients and poor management as the possible causes for such decline. With the progress of chemical ecology, allelopathy and autotoxicity in forest plantations have been increasingly regarded as key triggers of the problems associated with continuous monoculture. To the best of our knowledge, few studies on poplar autotoxicity have been based on long-term samples, even though poplar monoculture is common in planting practice. Moreover, experiments to compare the effects of low availability of soil nutrients and autotoxicity have not been attempted. In this study, we selected soil samples from three generations of poplar plantations, which included monoculture plantation as old as 40 years, and carried out systemic germination bioassays oflactucasativaseeds and seedling growth tests on branch cuttings of poplar trees grown on soils in which successive generations of the plant had been grown. We identified the inhibitory activity of rhizosphere soil and the effects of concentration dependence and independence on nutrient inhibitory activity, which provided basic experimental evidence for further study on autotoxicity in continuously cropped poplar plantations. In a laboratory experiment, we contrasted the inhibitory activities of rhizosphere soil and non-rhizosphere soil on continuously cropped poplar plantations by determining lettuce seed germination in the soil extracts. The results showed that rhizosphere soil significantly inhibited lettuce seed germination compared to the non-rhizosphere soil. Concentration-controlled assays of rhizosphere soil extracts of generations I, II, and III (GenI, GenII, and GenIII) poplar plantations were used to investigate the inhibitory dose attribution effect. The results showed that greater the soil extract concentration, stronger was the inhibitory effect on seed germination, suggesting that soil extracts inhibited seed germination in a concentration-dependent manner. The results also showed that concentration dependence was strongest in GenIII poplar plantations. The rhizosphere soil extracts of GenI, GenII, and GenIII poplar plantations were divided into two groups (an added-nutrition group and a non-nutrition group) of culture solutions, which determined the length of shoot and root in the poplar branch cuttings. The results showed that the length of shoot and root in the GenIII treatments were significantly lower than in the GenII treatments, whereas those in the GenII treatments were significantly lower than in the GenI treatments. There were no significant differences between the GenI treatments and the control group. This tendency toward inhibitory activity on plant growth increased with time (with the successive poplar generations) and was more prominent in the added-nutrition group. Our results, therefore, suggest that autotoxins accumulated through root exudates in the rhizosphere soil of continuously monocultured poplar plantations. As a result of concentration dependence, autotoxins did not significantly inhibit the plant growth at GenI stage. With increasing years of monoculture, the autotoxic effects significantly inhibited the plant growth by GenIII stage and were especially significant in the soils that

artificial nutrition. Therefore, long-term monoculture practice and inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil are likely to cause the continuous planting problems seen in poplar plantations.

allelopathy; continuous planting obstacle; cutting branch;Lactucasativa; long-term monoculture; seed germination

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31470709);國(guó)家林業(yè)公益行業(yè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201504406);江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科資助項(xiàng)目(PAPD)

2016- 02- 23;

2017- 01- 04

10.5846/stxb201602230314

*通訊作者Corresponding author.E-mail: nfujczhang@sina.com

陸茜,張金池,孟苗婧.長(zhǎng)期連栽楊樹(shù)林根際土壤自毒作用的生物測(cè)定.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(12):4053- 4060.

Lu Q, Zhang J C, Meng M J.Bioassay for inhibitory autotoxicity of rhizosphere soil under long-term successive monoculture poplar plantations.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4053- 4060.