李雅馨 張?zhí)鞂?杜慧玲 車晴晴

(1山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,山西 太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學文理學院,山西 太谷 030801；3博科控股集團有限公司,山東 濟南 250000)

松樹(Pinus)是松科松屬常綠針葉喬木,對陸生環(huán)境適應性極強,可以忍受-60℃的低溫或50℃的高溫[1],耐干旱、貧瘠,喜陽光,樹姿雄偉、蒼勁,樹體高大、長壽,具有重要的觀賞價值,常被用作北方園林綠化。但調查發(fā)現(xiàn),許多松樹林下植被稀疏、更新困難或幼苗生長不良,這其中有林木對植物光、熱、水、肥方面的競爭原因,也可能有化感作用的原因[2-4]。

林草復合生態(tài)系統(tǒng)較人工純林而言,具有穩(wěn)定性好、能夠抗御病蟲害、豐富林下植被以及兼顧生態(tài)經(jīng)濟等多種效益[5-6]。白三葉草(Trifolium repensL.)為豆科牧草,具有根瘤菌,能夠固氮、改良土壤、增加土壤肥力,且其根系發(fā)達、枝葉繁密、適應性廣、覆蓋力強、競爭性低,是一種優(yōu)良的綠肥和水土保持植物,適宜在幼林地或疏林地種植[7]。

化感作用是指植物或微生物通過莖葉揮發(fā)、雨霧淋溶、根系分泌、植物殘體或凋落物分解等途徑向外界環(huán)境釋放有效的化學物質,對其他植物或微生物的生長發(fā)育產(chǎn)生有益或有害的作用[8-11]。近年來,植物間化感作用已受到國內學者的廣泛關注。研究表明,樟子松(Pinus sylvestnisvar)枯落葉浸提液在低濃度時對豆科牧草胡枝子表現(xiàn)為促進作用,高濃度為抑制作用,而對小冠花抑制作用微弱[7]；3 種油松(Pinus tabulaeformis)葉水提液對高羊茅均有一定的化感抑制效應,表現(xiàn)為：生活葉＞凋落葉＞凋落葉腐解物[12]；油松樹冠的淋溶物多年累積后將會抑制其林下草坪草的生理代謝[2]；趙莉莉等[13]研究表明,花椒葉浸提液對白三葉種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢具有化感抑制作用；李欣欣等[14]研究表明,處理前期,毛竹各器官浸提液在各濃度時均抑制杉木種子萌發(fā),高濃度浸提液的抑制作用較低濃度更持久；處理后期,毛竹各器官浸提液在低濃度時對杉木種子萌發(fā)具有促進作用,而在高濃度時仍表現(xiàn)抑制作用。李俊等[15]研究表明,油松、落葉松、樟子松枯落葉浸提液抑制毛苕子種子萌發(fā)。盧政等[16]研究表明,白三葉草在低濃度時對樟樹果實水浸提液較為敏感。本試驗以豆科牧草白三葉草為受體,研究5 種松針水浸提液和甲醇浸提液對白三葉草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響,旨在探明松針對豆科牧草的化感作用,為篩選和制定適宜人工林下牧草的林草復合模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的油松(Pinus tabulaeformis)、華山松(Pinus armandi)、雪 松(Cedrus deodara)、白 皮 松(Pinus bungeana)、樟子松的松針均采自山西農(nóng)業(yè)大學校園,白三葉草種子由山西農(nóng)業(yè)大學試驗站提供。

1.2 試驗設計

1.2.1 5種松針浸提液制備 采集校園內生長良好的油松、華山松、雪松、白皮松、樟子松5 種松樹的松針,用清水沖洗干凈,風干,粉碎,過60 目篩備用。分別稱取10 g 松針樣品于廣口瓶中,再分別以蒸餾水和甲醇為浸提劑,按松針干重/浸提劑(w/v)＝1/40(g/mL)比例混合均勻,超聲30 min,然后2 000 r·min-1離心10 min,得到濃度為25 g·L-1的母液,冷藏于4℃冰箱中備用。試驗前將母液稀釋為10、17 g·L-1。

1.2.2 白三葉草種子萌發(fā)試驗及測定項目 試驗設3 個濃度處理,分別為10、17、25 g·L-1,以蒸餾水為對照(CK),共4 個處理,每個處理重復3 次。種子萌發(fā)試驗采用培養(yǎng)皿濾紙法[17-18]。在直徑9 cm 的培養(yǎng)皿中鋪雙層濾紙,每皿分別加入3 mL 3 種濃度的松針浸提液,甲醇浸提液待甲醇揮發(fā)后加入3 mL 蒸餾水。在每個培養(yǎng)皿中均勻擺放20 粒經(jīng)0.3%高錳酸鉀溶液消毒、蒸餾水清洗干凈的白三葉草種子,用保鮮膜封口,將培養(yǎng)皿置于25℃培養(yǎng)箱中,暗培養(yǎng)3 d,第4 天開始在25℃、光照12 h/黑暗12 h 條件下培養(yǎng)。每隔24 h記錄萌發(fā)的種子數(shù),連續(xù)記錄7 d 后,吸水紙吸干幼苗上的水分,每處理隨機選取5 株,重復3 次,測量幼苗的根長、苗高、整株鮮重及干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)公式計算發(fā)芽率(germination rate,GR)、發(fā)芽勢(germination energy,GE)、發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)和活力指數(shù)(vigor index,Ⅵ)[19-20]：

式中,Gt：在第t 天種子的發(fā)芽數(shù),Dt：相應的發(fā)芽天數(shù)；

式中,S 為第7 天測得的整株鮮重,g。

化感響應指數(shù)(response index,RI)采用Williamson 等[21]的方法：

式中,C 為CK 值,T 為處理組值。當RI＜0 時,表示抑制作用；RI＞0 時,表示促進作用。RI 的絕對值大小代表化感作用的強弱,相當于抑制率。綜合效應(synthesis effect,SE)為供體在同一處理時對受體各測試項目對照抑制百分率的算術平均值[22-23]。

所得數(shù)據(jù)采用Excel 2013 進行作圖,采用SPSS 19.0 進行顯著性分析,采用LSD 法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 5種松針浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響

2.1.1 5 種松針水浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響 由表1可知,5 種松針水浸提液對白三葉草種子萌發(fā)均有抑制作用,且存在濃度效應,即隨著濃度升高抑制作用增強。與CK 相比,濃度為10 g·L-1的5 種松針水浸提液對發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的抑制作用均達差異顯著水平(P＜0.05),除油松外,其他松針水浸提液對發(fā)芽率的抑制作用均呈差異顯著水平；松針水浸提液濃度為17、25 g·L-1時,5 種松針水浸提液對白三葉草種子萌發(fā)各項指標均呈抑制作用且達差異顯著水平,其中華山松松針水浸提液對白三葉草種子各萌發(fā)指標(發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù))的抑制作用最強,當松針水浸提液濃度為25 g·L-1時,抑制率分別是94.74%、100%、99.15%、99.60%。

2.1.2 5 種松針甲醇浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響 由表2可知,不同濃度的5 種松針甲醇浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響不同,與CK 相比,均呈抑制作用,且隨著濃度升高,抑制作用增強,濃度為10 g·L-1的5 種松針甲醇浸提液對白三葉草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的抑制作用均達差異顯著水平,對發(fā)芽率的影響僅油松和雪松松針甲醇浸提液與CK 相比差異顯著,油松松針甲醇浸提液對白三葉草種子4 個指標的抑制作用均最強,對發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的抑制率分別是55.17%、75.00%、77.69%、80.05%；松針甲醇浸提液濃度為17 g·L-1時,對白三葉草種子萌發(fā)各項指標均呈抑制作用,且與CK相比達差異顯著,華山松松針甲醇浸提液對白三葉草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)抑制作用最強,抑制率分別為65.52%、86.08%、90.85%,油松松針甲醇浸提液對發(fā)芽勢抑制作用最強,抑制率為83.93%；松針甲酵浸提液濃度為25 g·L-1時,5 種松針甲醇浸提液對白三葉草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的抑制作用均達差異顯著水平,其中油松松針甲醇浸提液對白三葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的抑制作用均最強,抑制率分別為72.41%、94.64%、92.12%,華山松松針甲醇浸提液對活力指數(shù)的抑制作用最強,抑制率達94.63%。

表1 5 種松針不同濃度水浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of different concentration of five pine needle water extracts on seed germination of Trifolium repens L.

表2 5 種松針不同濃度甲醇浸提液對白三葉草種子萌發(fā)的影響Table 2 Effects of different concentration of five pine needle methanol extracts on seed germination of Trifolium repens L.

2.2 5種松針浸提液對白三葉草幼苗生長的影響

2.2.1 5 種松針水浸提液對白三葉草幼苗生長的影響 不同濃度的5 種松針水浸提液對白三葉草幼苗生長指標的影響見表3。與CK 相比,不同濃度松針水浸提液對白三葉草根長均呈抑制作用,且達差異顯著水平,隨著濃度的升高抑制作用增強；對苗高的影響表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象(雪松除外),10 g·L-1白皮松松針水浸提液對苗高的促進作用最強,促進率為24.21%,且3 個濃度的華山松水浸提液對苗高的抑制作用均達差異顯著水平。不同濃度松針水浸提液對白三葉草鮮重主要呈抑制作用,且隨著濃度的升高抑制作用增強,僅白皮松表現(xiàn)出低促高抑現(xiàn)象,松針水浸提液濃度為10 g·L-1時,促進率為11.23%；5 種松針水浸提液對幼苗干重影響不大；25 g·L-1華山松松針水浸提液對白三葉草根長、苗高、鮮重、干重的抑制作用均最大,抑制率分別是87.18%、85.71%、54.61%、88.37%。

2.2.2 5 種松針甲醇浸提液對白三葉草幼苗生長的影響 由表4可知,與CK 相比,不同濃度松針甲醇浸提液對白三葉草根長、苗高、鮮重均呈抑制作用,且隨著濃度的升高抑制作用增強。對根長、鮮重的抑制作用最強的是25 g·L-1樟子松松針甲醇浸提液,抑制率分別為67.29%、59.56%,不同濃度的樟子松松針甲醇浸提液對鮮重均呈顯著抑制作用；對苗高、干重的抑制作用最強的是25 g·L-1華山松松針甲醇浸提液,抑制率分別為58.43%、50.00%,且不同濃度的華山松松針甲醇浸提液對苗高抑制作用均達差異顯著水平,5 種松針甲醇浸提液對幼苗干重無顯著影響。

2.3 5種松針浸提液對白三葉草影響的綜合效應

由圖1可知,白三葉草對5 種松針水浸提液的化感作用敏感趨勢大體為：華山松＞雪松＞樟子松＞白皮松＞油松,且抑制作用隨著浸提液濃度的升高而逐漸增強。由圖2可知,白三葉草對5 種松針甲醇浸提液的化感作用敏感趨勢大體為：油松＞華山松＞雪松＞樟子松＞白皮松,且隨著浸提液濃度的升高抑制作用逐漸增強。除油松松針水浸提液的抑制作用小于其甲醇浸提液的抑制作用,其他4 種松針水浸提液的抑制作用均大于其相應甲醇浸提液的抑制作用。

表4 5 種松針不同濃度甲醇浸提液對白三葉草幼苗生長的影響Table 4 Effects of different concentration five pine needle methanol extracts on seedlings growth of Trifolium repens L.

圖1 5 種松針不同濃度水提液對白三葉草的化感綜合效應Fig.1 Inhibition synthesis effect(SE)of different concentration of five pine needles water extracts on Trifolium repens L.

3 討論

化感作用對受體的抑制作用可以通過對種子萌發(fā)、苗根長、鮮干重的抑制來表達[24]。郭曉霞等[25]指出,化感物質的濃度是影響化感效應強度的關鍵因素,當濃度達到某一臨界值時,將產(chǎn)生化感抑制作用；低于該臨界值時,對受體種子萌發(fā)或幼苗生長的抑制作用不明顯,甚至有促進作用。本研究發(fā)現(xiàn),5 種松針的水浸提液和甲醇浸提液對白三葉草種子的萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生了不同程度的抑制作用,表明松針浸提液對白三葉草具有化感效應,對種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)主要表現(xiàn)為抑制作用,并且隨浸提液濃度的升高,抑制作用明顯增強,這可能是化感物質影響了種子萌發(fā)所需要的關鍵酶,導致種子缺乏萌發(fā)所必需的能量及一些代謝中間產(chǎn)物,從而降低種子活力,抑制其萌發(fā),這與趙銳明等[26]的研究結論一致。松針浸提液對白三葉草的幼苗生長基本上表現(xiàn)出抑制作用,對根長的抑制作用明顯高于苗高,說明白三葉草幼苗根的生長對松針浸提液更敏感,這與根直接接觸浸提液有關,松針浸提液對幼苗干重影響不明顯。不同溶劑松針的浸提液對白三葉草種子的化感作用存在一定的差異,白三葉草對5 種松針水浸提液的化感作用敏感趨勢大體為：華山松＞雪松＞樟子松＞白皮松＞油松,白三葉草對5 種松針甲醇浸提液的化感作用敏感趨勢大體為：油松＞華山松＞雪松＞樟子松＞白皮松,說明不同松針的化感作用有差異,歸因于不同松針釋放的化感物質種類和含量不同,該結果與盧彪儒等[27]和Turk 等[28]的結論一致。本研究還發(fā)現(xiàn),同一種松針水浸提液和甲醇浸提液的抑制作用不同,油松甲醇浸提液對白三葉草的化感作用大于水浸提液,其他4 種松針對白三葉草的化感作用則表現(xiàn)為水浸提液大于甲醇浸提液,這可能是由于溶劑水和甲醇的極性不同,導致松針化感物質在不同極性溶劑中的溶解能力和種類不同。

圖2 5 種松針不同濃度甲醇提液對白三葉草的綜合效應Fig.2 Inhibition synthesis effect(SE)of different concentration of five pine needles methanol extracts on Trifolium repens L.

4 結論

綜上所述,5種松針浸提液對白三葉草具有化感抑制作用,說明白三葉草不適宜在松樹林下種植。為了進一步確定松針的化感作用,今后需對相關的化感物質進行分離與鑒定,為人工林下牧草的選擇以及制定適宜的林草復合模式提供理論指導。