王浩宇，王慶善，趙艷云，王淑敏

（山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

化感作用是自然界普遍存在的一種現(xiàn)象，其是指在植物生長發(fā)育過程中，植物通過自然揮發(fā)、雨霧淋溶、凋落物、殘?bào)w分解和根系分泌等途徑向外釋放化學(xué)物質(zhì)，影響土壤中的生物、非生物生境及相鄰植物對資源的獲取與表現(xiàn)，進(jìn)而影響植物群落的種類組成與空間分布[1-2]、物種協(xié)同進(jìn)化[3]、生物入侵[4-5]和群落演替[6]等過程，是森林經(jīng)營、有害生物控制、作物調(diào)控和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等決策制定的重要參考之一[7-8]。

濕地是地球上最有生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。已有研究表明，在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，相鄰植物的化感作用是導(dǎo)致植被格局差異的一個(gè)重要原因[9-10]。渤海灣西南岸貝殼堤濕地（38°14′30″N，117°52′58″E）是當(dāng)前世界上保存相對完整的三大古貝殼堤海岸濕地之一，因其在環(huán)境變遷、物種多樣性孕育和生態(tài)防護(hù)等方面的重要作用，近30年來，該濕地受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[11-12]。然而，由于旅游開發(fā)、石油開采、鹽池與養(yǎng)殖塘修建、貝沙采挖和出海捕魚等人類活動(dòng)，從20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初，植物賴以生存的環(huán)境不斷變化，物種多樣性持續(xù)下降[13]，植物的保護(hù)與恢復(fù)工作迫在眉睫，因此，及時(shí)弄清原生植物的適應(yīng)和拓殖機(jī)理將豐富人們對貝殼堤濕地植物群落結(jié)構(gòu)維持機(jī)制的理解，并可為該濕地的植物保護(hù)和管理工作提供重要借鑒。

經(jīng)過多年跟蹤研究，作者及團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，在渤海灣貝殼堤濕地，單優(yōu)蒙古蒿（Artemisia mongolica)群落長期保持穩(wěn)定并鮮有其他雜草侵入，表明其在競爭上的優(yōu)勢地位[14]。然而，產(chǎn)生這種植被格局的原因，除了與蒙古蒿具有較強(qiáng)的抗逆性和克隆生長等生物學(xué)習(xí)性有關(guān)外[15-16]，是否也與蒙古蒿具有對其他植物的化感作用抑制有關(guān)？如果蒙古蒿具有化感潛力，其又是通過怎樣的化感機(jī)理來影響相鄰植物的？這些問題迄今未有相關(guān)報(bào)道。

基于此，本文以渤海灣貝殼堤濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究區(qū)域，以探討蒙古蒿與其他植物的種間關(guān)系和蒙古蒿群落結(jié)構(gòu)的維持機(jī)制為最終目標(biāo)，以化感作用作為技術(shù)手段，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證蒙古蒿對其他植物的化感作用，并試圖探討其中的化感機(jī)理，為貝殼堤濕地的植物保護(hù)和恢復(fù)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究植物

蒙古蒿為根莖型多年生草本菊科植物[14]。在貝殼堤濕地，其在高潮線附近、灘脊處及向陸側(cè)隆起地區(qū)均有生長，是發(fā)生頻率最高、覆蓋面積最廣的一種優(yōu)勢植物，常形成大小不等的優(yōu)勢種群落[13]。蘆葦（phragmites australis）屬于世界廣布種，耐瘠薄并對水分、鹽分具有廣適性，多年在貝殼堤濕地研究發(fā)現(xiàn)，從海到陸地區(qū)，蘆葦均有分布，但其往往以伴生種和次優(yōu)勢種的地位出現(xiàn)在群落中。而杠柳（periploca sepium）為夾竹桃科杠柳屬落葉蔓性灌木，具有喜光、耐旱和耐鹽堿的特性，在貝殼堤濕地的沙堤頂部和向陸側(cè)地區(qū)，杠柳是一種常見的灌木建群種，發(fā)揮了重要的防風(fēng)固沙和保持水土等作用。因此，基于代表性和典型性的原則，本文以蒙古蒿為化感潛力的研究對象，以優(yōu)勢草本植物——蘆葦和優(yōu)勢灌木植物——杠柳作為供試植物受體研究蒙古蒿的化感潛力及其強(qiáng)度。

1.2 浸提液的制備

2014年10月，于山東省無棣貝殼堤與濕地國家自然保護(hù)區(qū)（37°54′30″~38°19′10″N，117°45′08″~118°05′37″E）采集蒙古蒿完整植株，帶回實(shí)驗(yàn)室后用自來水沖洗干凈，然后用蒸餾水潤洗3次，自然晾干后，將植株分為葉（含葉柄）、莖和根3部分，剪成4 mm長的片段。分別取20 g放入1 L的三角瓶中，加入500 mL蒸餾水在搖床上振蕩提取24 h，濾紙過濾后利用離心機(jī)離心20 min，上清液在真空過濾器中用0.45 μm濾膜過濾，得到40 g/L的浸提液，于－10℃保存?zhèn)溆?。在?shí)驗(yàn)期間，將浸提液分別稀釋為1、5、10、20、40 g/L 5個(gè)濃度梯度。

1.3 目標(biāo)植物種子來源和監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

于2014年蘆葦和杠柳成熟期時(shí)，在保護(hù)區(qū)采集和挑選顆粒均勻飽滿、大小一致的種子晾干后置于4℃冰箱冷藏直至實(shí)驗(yàn)開始。實(shí)驗(yàn)開始前，為避免真菌和細(xì)菌對種子萌發(fā)產(chǎn)生不利影響，先用5% H2O2對種子表面消毒20 min，再用蒸餾水沖洗5次。均勻播入直徑為9 cm裝有石英砂的培養(yǎng)皿中，每皿20粒。處理組分別加蒙古蒿水浸液10 mL，并以等量蒸餾水處理為對照，每處理重復(fù)3次，置于25℃光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)（光照時(shí)間12 h/d，光照度為4 000 lx）進(jìn)行培養(yǎng)。

植床后，每天定時(shí)觀察、記錄種子萌發(fā)數(shù)，測量胚根、胚芽長度，并更換濾紙和水浸液。其中，種子萌發(fā)以種子露白作為發(fā)芽標(biāo)志，依據(jù)國際種子檢驗(yàn)規(guī)程，種子發(fā)芽天數(shù)需連續(xù)監(jiān)測10 d[17]，本實(shí)驗(yàn)在植床后第10天所有處理均達(dá)到了最大萌發(fā)數(shù)，為保證實(shí)驗(yàn)的合理性，又連續(xù)監(jiān)測4 d，發(fā)現(xiàn)未有新萌發(fā)的種子，說明種子萌發(fā)充分。因此，統(tǒng)計(jì)萌發(fā)數(shù)、更換濾紙和水浸液以及胚根和胚芽的監(jiān)測工作一直維持到植床后的第14天。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)和計(jì)算種子的最終萌發(fā)率（Gf）、日平均萌發(fā)率（MDG）、發(fā)芽指數(shù)（S）、發(fā)芽值（Vg）。其計(jì)算公式如下

式中：N為供試種子數(shù)，本文為20；n14為在植床第14天時(shí)種子總萌發(fā)數(shù)；Gf為最終萌發(fā)率；RGf為相對萌發(fā)率；G0為對照組最終萌發(fā)率；MDG為日平均萌發(fā)率；Df為不再有種子萌發(fā)也即發(fā)芽結(jié)束時(shí)的植床天數(shù)；S，Vg分別為發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽值；n1，n2，n3，…，n14分別為對應(yīng)植床天數(shù)下的種子總萌發(fā)數(shù)，記為ni；i分別從1，2，…，13，14，下同；Vp為發(fā)芽高峰值，其中，np達(dá)到發(fā)芽高峰時(shí)的發(fā)芽量，Dp達(dá)到高峰發(fā)芽日時(shí)的植床天數(shù)[18]。

胚根、胚軸的伸長速率參照Debez等[19]的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下

式中：ERr和ERh分別代表胚根和胚軸的伸長速率，Lr和Lh分別指每一皿中全部萌發(fā)種子胚根和胚軸長度的總和；Di指植床的第i天；ni為植床第i天時(shí)種子萌發(fā)數(shù)。

參照Lin等[20]的方法，利用化感作用抑制率（Inhib itory Rate，IR）作為化感作用強(qiáng)度的研究指標(biāo),計(jì)算公式如下

式中：Ti為處理值，T0為對照值。如果IR>0，表示具有抑制作用，IR<0，表示具有促進(jìn)作用。IR絕對值越大，其化感作用潛力（促進(jìn)或抑制作用）越大，本文通過對最終萌發(fā)率、胚根伸長率和胚軸伸長率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。。

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的前期整理，SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和Duncan多重比較，圖1—圖3中小寫字母表示數(shù)據(jù)在置信水平p<0.05時(shí)的差異性。

圖1 蒙古蒿浸提液對蘆葦和杠柳Gf、MDG、Vg和S的影響

圖3 蒙古蒿浸提液對蘆葦和杠柳最終發(fā)芽率、胚根和胚軸伸長率的抑制率

2 結(jié)果

2.1 浸提液對種子發(fā)芽的影響

蒙古蒿浸提液對蘆葦和杠柳種子的最終發(fā)芽率、日平均萌發(fā)率、發(fā)芽速率和發(fā)芽值的影響與受體植物、蒙古蒿浸提液及質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)（p<0.05，表1）。由圖1可知，同一蒙古蒿浸提液和質(zhì)量濃度水平下，蘆葦種子相對發(fā)芽率、日平均萌發(fā)率、發(fā)芽速率和發(fā)芽值比杠柳低。蘆葦?shù)南鄬Πl(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在同一質(zhì)量濃度下均呈現(xiàn)莖大于葉大于根。而杠柳種子相對發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在浸提液質(zhì)量濃度為10 g/L的情況下，莖小于根小于葉，20 g/L和40 g/L質(zhì)量濃度下，莖大于根大于葉。此外，隨蒙古蒿浸提液質(zhì)量濃度升高，2種植物的種子相對萌發(fā)率、日平均萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽值均顯著下降（p<0.05）。

表1 蒙古蒿浸提液對植物Gf、MDG、S和Vg影響的方差分析(ANOVA)

2.2 蒙古蒿浸提液對胚根、胚軸伸長率的影響

蒙古蒿浸提液對胚根和胚軸伸長率的影響與受體植物、蒙古蒿浸提液及其質(zhì)量濃度極顯著相關(guān)（p<0.01，表2）。同一浸提液及質(zhì)量濃度下，蘆葦?shù)呐吒团咻S伸長率高于杠柳；除1 g/L浸提液質(zhì)量濃度外，同一蒙古蒿浸提液及質(zhì)量濃度下，根浸提液處理相較莖和葉浸提液具有較高的胚根和胚軸伸長率。隨浸提液質(zhì)量濃度升高，胚根和胚軸的伸長率下降（圖2）。

圖2 蒙古蒿莖、根和葉浸提液對蘆葦和杠柳胚根、胚軸伸長率（ERr、ERh）的影響

表2 蒙古蒿浸提液對植物ERr、ERh影響的方差分析（ANOVA）

2.3 蒙古蒿化感強(qiáng)度

由圖3可知，蒙古蒿浸提液顯著抑制了蘆葦和杠柳的最終萌發(fā)率，隨浸提液質(zhì)量濃度升高，IR增加。低質(zhì)量濃度下（20 g/L以下），蘆葦種子最終萌發(fā)率的抑制強(qiáng)度IR大于杠柳。相同浸提液質(zhì)量濃度下不同器官對蘆葦和杠柳種子最終萌發(fā)率的抑制強(qiáng)度分別為根大于葉大于莖和葉大于根大于莖。浸提液對蘆葦胚根、胚軸伸長率的IR抑制率表現(xiàn)為莖、葉浸提液隨質(zhì)量濃度升高，抑制率增加，莖的化感強(qiáng)度大于葉。而根浸提液的IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0，說明根浸提液具有顯著促進(jìn)胚根和胚軸伸長的作用，且對胚根伸長率的促進(jìn)作用大于胚軸。對杠柳而言，莖浸提液下，胚根、胚軸伸長率的IR均大于0，且隨質(zhì)量濃度升高，IR越大。葉和根浸提液對胚根、胚軸伸長率的影響呈現(xiàn)相同趨勢，低質(zhì)量濃度下IR＜0，而高質(zhì)量濃度下IR>0，說明浸提液在低質(zhì)量濃度下促進(jìn)了胚根、胚軸的伸長，但隨后隨浸提液質(zhì)量濃度升高，IR增加，抑制增加，具有“低促高抑”的特征。

3 討論

菊科是世界上被子植物最大的一個(gè)科，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，菊科植物的化感作用是導(dǎo)致其具有“攻擊性”而易于形成單一群落的一種原因[21]。本研究通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，黃河三角洲貝殼堤濕地菊科蒿屬植物——蒙古蒿對蘆葦和杠柳均具有化感潛勢，其浸提液不僅會(huì)影響2種植物的種子發(fā)芽，導(dǎo)致蘆葦、杠柳的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)降低，還影響胚根、胚軸的伸長率而阻礙幼苗的建植。由此可見，在黃河三角洲貝殼堤濕地，蒙古蒿化感作用可能是其長期保持穩(wěn)定并阻止其他植物侵入群落的一種原因，今后深入研究蒙古蒿化感作用將促進(jìn)人們對該地區(qū)植物群落構(gòu)建機(jī)制的理解。

不同生育期，蘆葦和杠柳對蒙古蒿浸提液的敏感程度不同。種子萌發(fā)期，蘆葦發(fā)芽率受蒙古蒿浸提液的影響下降顯著，而發(fā)芽后，杠柳胚根和胚軸的伸長率比蘆葦顯著受蒙古蒿浸提液的影響。究其原因，可能與植物種進(jìn)化歷史的差異導(dǎo)致植物不同生育期對化感作用的敏感程度不同有關(guān)[18]。在今后的植物配置過程中，可以根據(jù)2種植物對蒙古蒿的適應(yīng)特征，采用蘆葦萌后定植、杠柳就地育苗除蒿（蒙古蒿枯落物和立枯物）等方式來保證兩者在蒙古蒿群落中的生存，提高蒙古蒿群落的物種多樣性。

不同蒙古蒿浸提液來源——根、莖和葉均有化感潛力，但來源不同化感強(qiáng)度存在差異。發(fā)芽階段，蒙古蒿浸提液的化感強(qiáng)度對蘆葦和杠柳的抑制分別為根大于葉大于莖和葉大于根大于莖，發(fā)芽后，莖對2種植物的胚根、胚軸伸長的抑制作用最為顯著。究其原因，可能與蒙古蒿不同器官內(nèi)的化感物質(zhì)組分以及含量不同有關(guān)，葉和根內(nèi)成分能顯著阻礙植物種子萌動(dòng)、抑制發(fā)芽，而莖內(nèi)含有的物質(zhì)則能抑制幼苗生長和表現(xiàn)，體現(xiàn)出各生育期不同器官來源的化感作用強(qiáng)度的差異。

此外，蒙古蒿化感強(qiáng)度也表現(xiàn)出明顯的質(zhì)量濃度效應(yīng)。隨浸提液質(zhì)量濃度升高，蒙古蒿對種子萌發(fā)的化感抑制強(qiáng)度增加，體現(xiàn)出較強(qiáng)的化感作用。而發(fā)芽后，盡管莖和葉浸提液對胚根深長均具有鮮明的質(zhì)量濃度效應(yīng)，但在根浸提液的作用下，胚根伸長卻具有“低促高抑”的特征。在自然條件下，化感物質(zhì)的釋放途徑與積累過程受很多環(huán)境條件如降水、溫度、光照、土壤和微生物等的制約。在今后的研究過程中，為恢復(fù)貝殼堤濕地的生態(tài)環(huán)境，實(shí)地情況下蒙古蒿群落化感物質(zhì)含量、成分、釋放途徑、影響方式以及綜合利用等還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究通過提取蒙古蒿莖、葉、根的浸提液，研究不同浸提液質(zhì)量濃度下對蘆葦和杠柳種子萌發(fā)及根莖生長的影響。結(jié)果表明，蒙古蒿浸提液對貝殼堤蘆葦和杠柳種子萌發(fā)進(jìn)程具有顯著的抑制作用，導(dǎo)致初始發(fā)芽時(shí)間延長和發(fā)芽率降低。不同浸提液質(zhì)量濃度對種子萌發(fā)進(jìn)程影響不同，隨著浸提液質(zhì)量濃度升高，種子的萌發(fā)率越低、發(fā)芽初始時(shí)間越長。通過對比其發(fā)芽種子根、莖生長的長度發(fā)現(xiàn)，隨著浸提液質(zhì)量濃度的升高，根、莖長度越短?；凶饔脧?qiáng)度與浸提液的質(zhì)量濃度呈正相關(guān)的關(guān)系，即隨著浸提液質(zhì)量濃度的增加，其對蘆葦和杠柳種子的化感作用強(qiáng)度也隨之增加，對種子的萌發(fā)具有更加顯著的抑制效果。由蘆葦和杠柳2種植物對蒙古蒿浸提液的萌芽和根莖伸長研究表明，根或葉對2種植物的種子萌發(fā)抑制強(qiáng)，而蒙古蒿莖可大大抑制后期胚根和胚軸的伸長，在種子萌發(fā)后的植物建植起到抑制作用?？傊晒泡锊煌M織器官化感物質(zhì)的釋放及對其他植物不同生長期的抑制作用是其在黃河三角洲分布面積廣的一個(gè)原因。