李春英,關(guān)佳晶,李玉正,蘇偉然,田 瑤,王婷婷,李 申,趙春建,*

1 東北林業(yè)大學(xué) 森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室, 哈爾濱 150040 2 東北林業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與資源利用學(xué)院, 哈爾濱 150040

為了更利于集約化經(jīng)營,我國人工造林常以純林為主要造林方式,而人工純林的長期生長常導(dǎo)致林木生長衰退和地力下降[1-2]。營建人工混交林或?qū)θ斯ぜ兞只旖换脑焓窍斯ち智笆霰锥说闹匾绞?。與純林相比,建立在樹種合理搭配基礎(chǔ)上的人工混交林系統(tǒng)可充分利用空間、改善立地條件,提高林產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量[3- 5]。

喜樹(Camptothecaacuminata)為國家Ⅱ級重點保護野生植物,廣泛分布于長江流域及西南諸省區(qū),但野生的喜樹資源分布卻呈明顯遞減趨勢[6-7]。為了緩解喜樹資源危機,目前已開展喜樹人工林營造。但據(jù)調(diào)查：喜樹純林生長較差、單株結(jié)實量較小[8- 10],因此選擇適宜樹種開展喜樹人工混交林培育勢在必行。已有研究表明：南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)是喜樹的適宜混交樹種,喜樹南方紅豆杉混交對喜樹生長有明顯促進作用,李雷鴻等[11]和楊逢建等[12]從混交改善混交林地微氣候角度解釋了這種促進作用,但未從種間化感作用角度探討這種促進作用。

化感作用是指植物通過適當(dāng)?shù)耐緩较颦h(huán)境釋放特定的化學(xué)物質(zhì),從而直接或間接影響鄰近或下茬(后續(xù))同種或不同種植物萌發(fā)和生長的效應(yīng)[13]?；凶饔闷毡榇嬖谟谏稚鷳B(tài)系統(tǒng)中[14-16],是影響人工混交林種間關(guān)系的重要因素之一[17]。因此,為更全面了解混交林各樹種種間關(guān)系,進而為營建種間關(guān)系和諧的人工混交林提供指導(dǎo),有必要對混交樹種間的化感作用進行深入研究。

為了探究南方紅豆杉是否對喜樹具有潛在的化感促進作用,本文考察了南方紅豆杉鮮葉、凋落葉、枝和根浸提液對喜樹種子發(fā)芽、幼苗生長的影響,以期為在生產(chǎn)實踐上營造種間關(guān)系合理的喜樹南方紅豆杉人工混交林提供化感方面的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料及采集地概況

南方紅豆杉樣品采集地點位于浙江省富陽市胥口鎮(zhèn)浙江海正藥業(yè)股份有限公司藥用植物種植基地(30°0′ N,119°38′ E),海拔32 m,此地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫16℃,無霜期231 d,全年降雨量為 1938.6 mm,土壤為砂質(zhì)紅壤。選取10年生南方紅豆杉(Taxuschinensisvar.mairei)的枝(直徑小于1.0 cm)、鮮葉、凋落葉和根(直徑小于1.0 cm)作為水浸提液的提取材料。受試的喜樹種子采自江西省九江市馬回嶺鎮(zhèn)。

1.2 水浸提液的制備

參考文獻[18]的方法。將南方紅豆杉的鮮葉、凋落葉分別按質(zhì)量比1：10加入蒸餾水,在常溫下浸泡48 h,然后依次用定性濾紙和0.45 μm微孔濾膜過濾,分別得到濃度為100 g/L的南方紅豆杉的鮮葉、凋落葉浸提液的原液。

南方紅豆杉的枝、根首先用剪枝剪剪成長度約1 cm的小段,然后分別按質(zhì)量比1：10加入蒸餾水,在常溫下浸泡48 h,然后依次用定性濾紙和0.45 μm微孔濾膜過濾,分別得到濃度為100 g/L的南方紅豆杉的枝、根浸提液的原液。

將前述的南方紅豆杉不同部分浸提液原液置于4℃冰箱中備用。使用前,以蒸餾水分別稀釋為25、50 g/L和100 g/L的浸提液。

1.3 喜樹種子發(fā)芽實驗

取同一批次籽粒飽滿的喜樹種子100粒,分別用25、50 g/L和100 g/L的南方紅豆杉不同器官或凋落葉浸提液浸泡24 h,然后再分別用相應(yīng)的南方紅豆杉浸提液潤濕濾紙,將浸泡處理后的喜樹種子放在濾紙上,蓋上培養(yǎng)皿蓋,培養(yǎng)皿置入28°C人工氣候箱中進行發(fā)芽。培養(yǎng)皿自放置培養(yǎng)箱起每天上午9點統(tǒng)計發(fā)芽種子的數(shù)量(以胚根突出種皮超過1 mm視為發(fā)芽),直到第15天終止發(fā)芽實驗,用公式(1)計算喜樹種子發(fā)芽率(Germination percentage, GP)。用蒸餾水代替南方紅豆杉浸提液為對照,每組處理3次重復(fù)。

發(fā)芽率GP=(M1/M0)×100%

(1)

式中,M1：試驗期內(nèi)全部正常發(fā)芽喜樹種子粒數(shù)；M0:供試喜樹種子粒數(shù)。

1.4 喜樹幼苗培養(yǎng)實驗

圖1 實驗期間日光溫室的氣溫 Fig.1 Atmospheric temperature in solar greenhouse during the experiment

栽培土為采自浙江省市富陽區(qū)胥口鎮(zhèn)喜樹林下0—20 cm的土壤,土壤類型為砂質(zhì)紅壤,pH 值5.8,有機質(zhì)13.6 g/kg、全氮1.2 g/kg、堿解氮53.3 mg/kg、速效磷19.0 mg/kg、速效鉀457.1 mg/kg。取同一批次的發(fā)芽喜樹種子,種植于填充上述栽培土的口徑20 cm、高15 cm育苗盆中,置于日光溫室內(nèi)進行實驗,常規(guī)管理。在整個實驗期,采用NB-IoT溫濕度傳感器(精訊暢通電子科技有限公司,威海)連續(xù)監(jiān)測日光溫室內(nèi)溫度,其中每日最低和最高氣溫如圖1所示。每盆保留3株苗,待幼苗長至株高10 cm左右時隨機分為若干組,每組6盆。各組分別澆灌25、50 g/L和100 g/L的南方紅豆杉不同部分浸提液,每盆每3天澆灌1次100 mL南方紅豆杉浸提液,并視土壤水分情況適當(dāng)補水。用蒸餾水代替南方紅豆杉浸提液為對照,每組處理3次重復(fù)。培養(yǎng)實驗共進行60天,在第60天分別用卷尺和游標卡尺測量喜樹幼苗株高和基徑；大量澆水后,將喜樹幼苗從育苗盆小心挖出,避免弄斷細根,去除根上附著的泥土,80°C烘干至恒重,稱量其干重。

在喜樹幼苗處理后的第60天,從每個處理中隨機挑選6株,采用LI 6400光合儀(美國LI-COR公司)測定喜樹植株葉片中上部成熟葉片凈光合速率。測定時最高氣溫 28.8℃,最低氣溫 23.5℃,最高輻射光強 1450 μmol m-2s-1,測定時間 8:30—11:30。測定使用開放氣路,CO2濃度為當(dāng)日大氣 CO2濃度,標準葉室(2 cm×3 cm)溫度 28℃,相對濕度 65%,LED 光源光強為1000 μmol m-2s-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用“Excel 2010”軟件(Microsoft)提供的“單因素方差分析”功能模塊檢驗不同處理之間的差異(LSD,α=0.05)。所有數(shù)據(jù)均用平均值±標準差(SD)顯示。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅豆杉不同部分浸提液對喜樹種子發(fā)芽的影響

圖2顯示了南方紅豆杉不同部分浸提液浸泡處理對喜樹種子發(fā)芽率的影響。

圖2 南方紅豆杉浸提液對喜樹種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on germination percentage of Camptotheca acuminata seed

從圖2可以看出,各組處理的喜樹種子初始發(fā)芽時間相同,即種子均在浸泡后第8天開始發(fā)芽；隨著發(fā)芽天數(shù)的增加,不同處理的喜樹種子發(fā)芽率均逐漸增加。在整個發(fā)芽實驗期間,不同濃度的南方紅豆杉凋落葉浸提液浸種對喜樹種子發(fā)芽率均無顯著影響(P>0.05)；50 g/L和100 g/L的南方紅豆杉鮮葉浸提液浸泡的喜樹種子僅在處理第12天后的個別時間,其發(fā)芽率高于對照組,而25g/L的鮮葉浸提液浸種在整個發(fā)芽實驗期間對喜樹種子發(fā)芽率均無顯著影響(P>0.05)；在浸種第9天后,至發(fā)芽實驗結(jié)束時,高濃度的南方紅豆杉枝浸提液(100 g/L)和根浸提液(50、100 g/L)處理的喜樹種子發(fā)芽率均高于對照組(P<0.05),其他濃度的南方紅豆杉枝浸提液和根浸提液對喜樹發(fā)芽率無顯著影響(P>0.05)。

2.2 南方紅豆杉不同部分浸提液對喜樹幼苗生長指標的影響

喜樹幼苗經(jīng)過南方紅豆杉不同部分浸提液澆灌處理后,在第60天測量其基徑、株高和全株干重,結(jié)果分別如圖3—圖5所示。

圖3 南方紅豆杉浸提液處理對喜樹幼苗基徑的影響Fig.3 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on basal diameter of Camptotheca acuminata seedlings

圖4 南方紅豆杉浸提液處理對喜樹幼苗株高的影響Fig.4 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on plant height of Camptotheca acuminata seedlings

由圖3—5可知,所有濃度的凋落葉浸提液對喜樹幼苗基徑、株高、全株干重3個指標均無顯著影響；所有濃度南方紅豆杉鮮葉浸提液對喜樹基徑、全株干重均無顯著影響,而僅在其濃度達到100 g/L時可以促進喜樹株高增加；南方紅豆杉根和枝浸提液對喜樹幼苗株高、基莖、干重均具有促進作用且作用強度與濃度呈正關(guān),與對照組相比,100 g/L的根和枝浸提液澆灌喜樹幼苗,可以使喜樹幼苗基徑分別提高19.0%和15.3%、株高分別提高14.2%和8.4%、干重分別提高23.1%和15.9%。

圖5 南方紅豆杉浸提液對喜樹幼苗干重的影響Fig.5 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on dry weight of Camptotheca acuminata seedlings

2.3 南方紅豆杉不同部分浸提液對喜樹幼苗光合作用的影響

在喜樹幼苗使用南方紅豆杉浸提液澆灌的第60天,對不同組的喜樹幼苗進行光合測定,得到凈光合速率,結(jié)果如圖6所示。

圖6 南方紅豆杉浸提液對喜樹幼苗凈光合速率的影響Fig.6 Effects of extracts from Taxus chinensis var. mairei on net photosynthetic rate of Camptotheca acuminata seedlings

3 結(jié)論與討論

植物種間的化感作用十分復(fù)雜,同一供體植物不同部位的浸提液對同一受體的作用方向(促進或抑制)及作用強度可能存在差異[18-19]；同一供體植物相同部位的浸提液對不同受體的作用效果也可能存在差異[20-21]。經(jīng)檢索文獻發(fā)現(xiàn),尚未見有關(guān)紅豆杉屬植物對其他植物化感促進作用方面的報道,而其化感抑制作用方面的報道僅有2篇：(1)Moral等[22]研究了短葉紅豆杉(Taxusbrevifolia)不同部分浸提液對大麥(Hordeumvulgare)、旱雀麥(Bromustectorum)、花旗松(Pseudotsugamenziesii)種子胚根生長的影響,表明短葉紅豆杉葉浸提液可以抑制前兩種植物種子的胚根生長而對花旗松種子的胚根生長無顯著影響；凋落物浸提液對3種植物種子胚根生長均有顯著抑制作用；樹皮浸提液對3種植物種子胚根生長均無顯著影響。(2)張艷杰等[23]考察了南方紅豆杉種子石油醚、甲醇、乙酸乙酯、乙醚以及水浸提液對白菜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響,表明上述浸提液均會抑制白菜種子萌發(fā)和幼苗生長。與前述2篇報道不同,本研究發(fā)現(xiàn)了紅豆杉屬植物的化感促進作用：南方紅豆杉枝和根浸提液對喜樹種子的發(fā)芽及幼苗的生長具有化感促進作用：50—100 g/L的南方紅豆杉枝和根浸提液浸種處理可顯著提高喜樹種子發(fā)芽率；澆灌處理可顯著提高喜樹幼苗的株高、地徑、全株干重及其凈光合速率。這種差異可能是制備浸提液的溶劑種類不同或者相同化感成分對不同植物化感作用的種間差異造成的[24-25]。

化感物質(zhì)可以通過植株揮發(fā)、雨霧淋溶、根系分泌和凋落物分解等途徑對受體植物發(fā)生作用[26]。本研究結(jié)果顯示南方紅豆杉枝和根浸提液可以促進喜樹種子萌發(fā)和幼苗生長,說明南方紅豆杉化感物質(zhì)可能通過上述某種方式釋放到土壤環(huán)境,從而直接或間接促進喜樹生長。而南方紅豆杉根浸提液對喜樹的化感促進作用強于枝浸提液,說明來自南方紅豆杉根系化學(xué)成分的化感作用可能是促進喜樹生長的重要因素之一。

混交樹種間的促進作用是地下化學(xué)生態(tài)作用的正反饋[27]。南方紅豆杉化感物質(zhì)可能通過以下幾個方面對喜樹生長產(chǎn)生影響：(1)某些植物化感物質(zhì)本身具有激素樣作用或通過改變受體植物的激素組成及濃度促進受體植物生長[28],南方紅豆杉中某種(類)化感物質(zhì)可能也具有上述作用；(2)植物因形態(tài)可塑性可通過調(diào)整根系的分布對鄰近植物做出響應(yīng)[29],喜樹識別到來自南方紅豆杉根際的化學(xué)信號,通過改變根系的垂直或水平分布從而增加對土壤養(yǎng)分的利用率；(3)化感物質(zhì)可改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),使其利于鄰近植物生長[27,30],如果南方紅豆杉化感物質(zhì)能促進喜樹形成菌根則可能促進其生長[31]。因此,進一步的研究有必要分離鑒定南方紅豆杉根浸提液及根系分泌物中促進喜樹生長的化感物質(zhì),并探討這些化感物質(zhì)與根系、土壤微生物等地下生態(tài)因子的相互作用,為喜樹南方紅豆杉人工混交林造林設(shè)計提供有價值的參考。