豬毛蒿根水浸提液對4種冰草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用

徐坤，陳林，卞瑩瑩，辛佳寧，楊新國

（1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復省部共建國家重點實驗室培育基地，銀川750021；2.寧夏大學西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，銀川750021；3.寧夏大學農(nóng)學院，銀川750021）

植物化感作用是一種活或死的植物通過適當?shù)耐緩较颦h(huán)境釋放特定的化學物質，從而直接或間接影響鄰近或下茬（后續(xù)）同種或異種植物萌發(fā)和生長的效應，這種效應在絕大多數(shù)情況下具有抑制作用。化感作用是一種自然的生態(tài)現(xiàn)象，對它進行理論和實踐研究對促進生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展具有重要意義[1]。目前，已發(fā)現(xiàn)10 多萬不同種類的植物次生代謝化感物質[2]。近年來，在對草地生態(tài)系統(tǒng)化感作用的研究中，一些通過釋放揮發(fā)性萜類化感物質來抑制周圍植物生長的現(xiàn)象引起了學者們的廣泛關注[1]。作為被子植物中最大的一個科——菊科，經(jīng)鑒定，其各屬的化感物質也多為萜類、聚乙炔類、酚類、有機酸類等，且在菊科植物中至少有39個屬存在化感作用[3]，其中有關蒿屬植物的相關研究較多[4-5]，且研究者利用這些蒿屬植物的水或化學浸提液對其他植物種子萌發(fā)、幼苗生長等的影響來探討它們在群落中的作用[6-9]，并通過揭示這些相互作用的機制來指導實踐[10-12]。

在寧夏中部荒漠草原地區(qū)，作為具有生態(tài)優(yōu)勢地位的廣布種豬毛蒿，極其適應惡劣環(huán)境條件[13-14]，且其含有氣味濃郁的揮發(fā)性物質，適口性差，常常在群落中快速繁殖，從而使其他植物的生長受到抑制，大大影響了草地的利用率[15]。以往對豬毛蒿的研究多是以其精油作為除草劑的相關研究[16]，而針對這種非優(yōu)質牧草，尤其是豬毛蒿對其他植物生長的化感作用的研究還較少。因此，對豬毛蒿這個種群乃至其伴生種群之間化感作用及相互影響的研究亟待開展，尤其是它們與優(yōu)良禾本科牧草冰草之間的關系研究。本文從化學生態(tài)學的角度，就豬毛蒿根水浸提液對4種冰草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用進行了研究，旨在為荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的植被恢復與群落合理構建提供強有力的支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

豬毛蒿根系采集于寧夏鹽池縣荒漠草原自然生態(tài)系統(tǒng)。受試植物分別為蒙古冰草、扁穗冰草、沙生冰草和蒙農(nóng)雜交冰草（表1），種子均購買于寧夏鹽池縣金陵草業(yè)有限公司。

表1 4種受試植物Table 1 Four tested plants

1.2 研究方法

1.2.1 豬毛蒿浸提液的制備

豬毛蒿根系用蒸餾水沖洗、洗刷干凈，風干粉碎后，過60目篩，將其粉末貯藏，備用。

稱取25 g豬毛蒿根系粉碎樣品，浸泡于500 mL蒸餾水中16 h，之后在THZ-C恒溫振蕩器（室溫）中振蕩2 h，用LH-85隔膜真空泵抽離過濾3次，得到質量濃度為50 mg/mL的浸提液母液，然后用無菌蒸餾水將母液稀釋為0.05、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0 mg/mL后保存于4 ℃冰箱中，備用。

1.2.2 種子萌發(fā)和幼苗生長試驗

本文分別進行種子萌發(fā)和露白種子生長試驗，分別模擬的是種子萌發(fā)階段和生長初期（幼苗）階段。

種子萌發(fā)與幼苗生長：精選出顆粒飽滿、大小基本一致的種子，用0.3%高錳酸鉀溶液消毒，再用無菌蒸餾水反復沖洗干凈，均勻擺放在鋪有2 層滅菌濾紙的、經(jīng)75%乙醇消毒處理的培養(yǎng)皿中，每皿放30 粒，分別加入5 mL 各質量濃度豬毛蒿根水浸提液，以無菌蒸餾水為對照，蓋上蓋后放置于人工智能培養(yǎng)箱中，在恒溫25 ℃、濕度70%、光照14 h條件下進行培養(yǎng)。每天補充適量浸提液或者無菌蒸餾水，并記錄發(fā)芽數(shù)（以胚根突破種皮2 mm為準），每個處理5次重復，第22天結束發(fā)芽試驗后，用電子游標卡尺測量幼苗的胚芽長和直徑、胚根長，用十萬分之一天平稱量胚芽與胚根鮮質量，經(jīng)過65 ℃恒溫鼓風干燥箱烘至恒量后，稱量胚芽與胚根干質量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理和分析

為了便于比較不同冰草間的種子萌發(fā)參數(shù)，使用相對值（對照的百分比）表示發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；相對發(fā)芽率=處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%；相對發(fā)芽指數(shù)=處理發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gi/ti)；

平均發(fā)芽時間=∑(Giti)/∑Gi。

式中：Gi為第i天的發(fā)芽數(shù)；ti為相應的發(fā)芽時間。

本研究采用相對值來表示抑制率，即用處理值與對照值的百分比來進行計算，此值大于100 表示促進作用，小于100表示抑制作用。

綜合效應是供體對同一受體各個測試項目的對照抑制百分率的算術平均值[17]，本文采用相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽天數(shù)、相對胚芽長、相對胚芽直徑、相對胚根長、相對胚芽干質量和相對胚根干質量的算術平均值來計算。

采用SPSS 21.0 統(tǒng)計分析軟件對受體冰草種子萌發(fā)和幼苗生長參數(shù)進行單因素方差分析與最小顯著差異法檢驗（α=0.05）。所有數(shù)據(jù)均表示為平均值±標準誤；采用Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 豬毛蒿根水浸提液對種子萌發(fā)的影響

2.1.1 對發(fā)芽率的影響

由圖1 可見：在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下的4 種冰草種子，除蒙農(nóng)雜交冰草種子的相對發(fā)芽率大都顯著低于對照（P＜0.05）外，其他3種冰草種子的相對發(fā)芽率與對照基本無差異（P＞0.05）。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，蒙古冰草、沙生冰草種子的相對發(fā)芽率總體呈上升趨勢，而扁穗冰草、蒙農(nóng)雜交冰草種子的相對發(fā)芽率總體變幅不大。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL 時，蒙古冰草種子相對發(fā)芽率顯著低于高質量濃度處理（P＜0.05）。基于上面的分析可以認為，豬毛蒿根水浸提液對蒙古冰草、扁穗冰草、沙生冰草種子的發(fā)芽率基本無影響，對蒙農(nóng)雜交冰草種子的發(fā)芽率產(chǎn)生了明顯的抑制作用。

2.1.2 對發(fā)芽指數(shù)的影響

在10.0 mg/mL豬毛蒿根水浸提液處理下，蒙古冰草種子相對發(fā)芽指數(shù)比對照高26.34%（P＜0.05），蒙農(nóng)雜交冰草種子的相對發(fā)芽指數(shù)在各質量濃度處理下都顯著低于對照（P＜0.05），其他2種冰草種子的相對發(fā)芽指數(shù)在各質量濃度處理下與對照無差異（P＞0.05）。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，蒙古冰草種子的相對發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)出升高的趨勢，其他3 種冰草種子的相對發(fā)芽指數(shù)大致呈現(xiàn)出降低的趨勢。沙生冰草、蒙農(nóng)雜交冰草種子的相對發(fā)芽指數(shù)在各質量濃度處理間無差異（P＞0.05）。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL 時，扁穗冰草種子相對發(fā)芽指數(shù)顯著高于2 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）；當質量濃度達到10.0 mg/mL時，蒙古冰草種子相對發(fā)芽指數(shù)顯著高于0.5 mg/mL低質量濃度處理（P＜0.05）（圖2）。

2.1.3 對發(fā)芽天數(shù)的影響

在不同質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，除蒙古冰草種子的相對發(fā)芽天數(shù)低于對照外，其他3種冰草種子的相對發(fā)芽天數(shù)大部分高于對照。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，4種冰草種子的相對發(fā)芽天數(shù)呈上升趨勢。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL時，蒙古冰草種子相對發(fā)芽天數(shù)顯著低于5.0 mg/mL 高質量濃度處理（P＜0.05），扁穗冰草種子相對發(fā)芽天數(shù)顯著低于2.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為1.0 mg/mL時，沙生冰草種子相對發(fā)芽天數(shù)顯著低于10.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）（圖3）。

圖1 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on seed germination rate of four Agropyron plants

圖2 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.2 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on seed germination index of four Agropyron plants

圖3 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草種子發(fā)芽天數(shù)的影響Fig.3 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on seed germination day of four Agropyron plants

2.2 豬毛蒿根水浸提液對幼苗生長的影響

2.2.1 對胚芽的影響

在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，蒙古冰草相對胚芽長度大多顯著高于對照（P＜0.05），最高增幅達到17.29%。除了扁穗冰草的相對胚芽長度隨著質量濃度升高略有下降外，豬毛蒿根水浸提液對其他3種冰草的相對胚芽長度的影響總體呈現(xiàn)出隨著浸提液質量濃度升高而增強的趨勢。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL 時，扁穗冰草相對胚芽長度顯著高于2.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為2.0 mg/mL 時，蒙農(nóng)雜交冰草相對胚芽長度顯著高于5.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為10.0 mg/mL 時，沙生冰草相對胚芽長度顯著高于1.0 mg/mL低質量濃度處理（P＜0.05），蒙農(nóng)雜交冰草相對胚芽長度顯著高于0.5 mg/mL低質量濃度處理（P＜0.05）（圖4）。

扁穗冰草相對胚芽直徑在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下都顯著低于對照（P＜0.05），其他3種冰草的相對胚芽直徑在各質量濃度處理下大部分與對照差異不顯著（P＞0.05）。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，4 種冰草的相對胚芽直徑大部分呈現(xiàn)降低的趨勢。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.05 mg/mL時，沙生冰草相對胚芽直徑顯著高于0.5 mg/mL 高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為2.0 mg/mL 時，蒙農(nóng)雜交冰草相對胚芽直徑顯著低于0.5 mg/mL 低質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為10.0 mg/mL時，蒙古冰草相對胚芽直徑顯著低于1.0、2.0 mg/mL 低質量濃度處理（P＜0.05）（圖5）。

2.2.2 對胚根的影響

在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，4 種冰草中蒙古冰草的相對胚根長度整體較對照高，蒙農(nóng)雜交冰草相對胚根長度整體較對照低。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.05 mg/mL時，蒙古冰草相對胚根長度比對照高40.48%（P＜0.05）；當質量濃度為1.0 mg/mL 時，蒙古冰草相對胚根長度比對照高32.38%（P＜0.05），蒙農(nóng)雜交冰草相對胚根長度比對照低43.54%（P＜0.05）；當質量濃度達到2.0 mg/mL時，蒙古冰草相對胚根長度比對照高27.76%（P＜0.05）。4 種冰草的相對胚根長度隨著豬毛蒿根水浸提液濃度的升高基本呈降低的趨勢。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.05 mg/mL時，蒙古冰草相對胚根長度顯著高于0.5和10.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為2.0 mg/mL 時，扁穗冰草相對胚根長度顯著低于0.5 和1.0 mg/mL低質量濃度處理（P＜0.05）（圖6）。

圖4 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草胚芽長度的影響Fig.4 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on germ length of four Agropyron plants

圖5 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草胚芽直徑的影響Fig.5 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on germ diameter of four Agropyron plants

圖6 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草胚根長度的影響Fig.6 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on radicle length of four Agropyron plants

2.2.3 對胚芽干質量的影響

在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，4 種冰草中蒙古冰草、沙生冰草的相對胚芽干質量整體較對照高，另外2 種冰草的相對胚芽干質量大部分較對照低。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度分別為0.5、2.0、5.0 mg/mL時，蒙古冰草相對胚芽干質量分別比對照高31.74%、31.52%、30.44%（P＜0.05）。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，4 種冰草的相對胚芽干質量基本呈升高的趨勢。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.05 mg/mL時，蒙古冰草相對胚芽干質量顯著低于0.5、2.0、5.0 mg/mL 高質量濃度處理（P＜0.05），扁穗冰草相對胚芽干質量顯著低于0.5、5.0 mg/mL 高質量濃度處理；在質量濃度為0.5 mg/mL時，蒙農(nóng)雜交冰草相對胚芽干質量顯著低于2.0 mg/mL 高質量濃度處理（P＜0.05）；在質量濃度為2.0 mg/mL 時，沙生冰草相對胚芽干質量顯著高于5.0 mg/mL高質量濃度處理（P＜0.05）（圖7）。

2.2.4 對胚根干質量的影響

在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，4 種冰草中蒙古冰草、扁穗冰草的相對胚根干質量大部分較對照高，另外2 種冰草的相對胚根干質量大部分較對照低。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL 時，蒙古冰草相對胚根干質量比對照高48.97%（P＜0.05）。其他3 種冰草的相對胚根干質量與各自對照均未達到顯著差異（P＞0.05）。隨著豬毛蒿根水浸提液質量濃度的升高，蒙古冰草、蒙農(nóng)雜交冰草相對胚根干質量大多呈降低的趨勢，沙生冰草相對胚根干質量呈升高的趨勢。沙生冰草、扁穗冰草和蒙農(nóng)雜交冰草的相對胚根干質量在各處理間無差異（P＞0.05）。在豬毛蒿根水浸提液質量濃度為0.5 mg/mL 時，蒙古冰草相對胚根干質量顯著高于5.0、10.0 mg/mL 高質量濃度處理（P＜0.05）（圖8）。

2.3 豬毛蒿根水浸提液對4 種冰草化感作用的綜合效應

不同質量濃度豬毛蒿根水浸提液對4種受試冰草化感作用的綜合效應也不同。蒙古冰草在各質量濃度處理下都表現(xiàn)出不同程度的促進作用，并且綜合效應在各質量濃度處理下與對照相比都有顯著的促進作用（P＜0.05），但各質量濃度間無顯著差異（P＞0.05）；扁穗冰草在各質量濃度處理下有抑制也有促進作用，其中，抑制作用更明顯些，在2.0 mg/mL質量濃度處理下有顯著抑制作用（P＜0.05），并且顯著低于0.5 mg/mL 低質量濃度處理（P＜0.05）；沙生冰草在各質量濃度處理下表現(xiàn)出抑制或促進作用，但其綜合效應與對照相比無顯著影響（P＞0.05）；蒙農(nóng)雜交冰草在各質量濃度處理下都表現(xiàn)出抑制作用，綜合效應在0.5、1.0、5.0 mg/mL 質量濃度處理下，與對照相比抑制作用顯著（P＜0.05），隨著質量濃度的升高，抑制作用減弱，在質量濃度為2.0 mg/mL 時，化感綜合效應顯著低于0.5和1.0 mg/mL低質量濃度處理（P＜0.05）（表2）。

圖7 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草胚芽干質量的影響Fig.7 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on germ dry mass of four Agropyron plants

圖8 豬毛蒿根水浸提液對4種冰草胚根干質量的影響Fig.8 Effects of aqueous extract from A.scoparia root on radicle dry mass of four Agropyron plants

總體上，蒙古冰草和蒙農(nóng)雜交冰草比其他2 種冰草對豬毛蒿根水浸提液具有更強的敏感性。

表2 不同質量濃度豬毛蒿根水浸提液對受試植物化感作用的綜合效應Table 2 Allelopathic comprehensive effect of different concentrations of aqueous extracts from A.scoparia root on tested plants %

3 討論

豬毛蒿根水浸提液對4種冰草的種子萌發(fā)及幼苗生長存在一定程度的化感作用。豬毛蒿根水浸提液對蒙古冰草、扁穗冰草、沙生冰草種子相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)的影響不顯著，對蒙農(nóng)雜交冰草則抑制作用明顯，而對扁穗冰草、沙生冰草和蒙農(nóng)雜交冰草相對發(fā)芽天數(shù)的影響大多表現(xiàn)為促進作用，隨著質量濃度升高，促進作用增強。對蒙農(nóng)雜交冰草種子萌發(fā)的抑制作用與魯京慧的研究[18]有相似之處，均表明蒙農(nóng)雜交冰草種子較其他冰草種子對豬毛蒿根水浸提液更為敏感。

在各質量濃度豬毛蒿根水浸提液處理下，4 種冰草在幼苗生長的各個指標中表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象。在對相對胚芽長度的影響中，對扁穗冰草、蒙農(nóng)雜交冰草產(chǎn)生“低促高抑”作用，對蒙古冰草產(chǎn)生明顯促進作用。在對相對胚芽直徑的影響中，對蒙古冰草、沙生冰草、蒙農(nóng)雜交冰草產(chǎn)生“低促高抑”作用，對扁穗冰草產(chǎn)生顯著抑制作用。而對相對胚根長度的影響中，促進作用多于抑制作用，對蒙古冰草的促進作用隨質量濃度升高而減弱[19]，但對扁穗冰草產(chǎn)生“低促高抑”作用。干質量也可以表示化感作用的強度[20]。豬毛蒿根水浸提液對胚芽干質量與胚根干質量的影響整體是相反的，與相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)相比，整體上還是促進作用多些，但只在對蒙古冰草的相對胚芽干質量影響中明顯些。另外，只在沙生冰草的相對胚芽干質量與蒙古冰草的相對胚根干質量中出現(xiàn)“低促高抑”效應。豬毛蒿根水浸提液對這些指標的影響與前面對種子萌發(fā)指標的影響相比，“低促高抑”現(xiàn)象出現(xiàn)較多[21]。

根據(jù)以上分析可以看出，豬毛蒿根水浸提液對4 種冰草在幼苗生長期的化感作用要弱于在種子萌發(fā)期的化感作用，這與劉桂霞等[22]的研究結果相反。隨著4 種冰草的生長，豬毛蒿的化感作用逐步弱化，這印證了植物在不同發(fā)育時期對化感作用的敏感性不同，下一步有必要對此進行更深入的研究。

在豬毛蒿根水浸提液對4種冰草化感作用的綜合效應中，只有扁穗冰草的化感作用綜合效應出現(xiàn)“低促高抑”，蒙古冰草的化感作用綜合效應呈增加趨勢，而蒙農(nóng)雜交冰草則呈相反趨勢，即對蒙古冰草的促進作用顯著，對蒙農(nóng)雜交冰草的抑制作用顯著。豬毛蒿根水浸提液對蒙古冰草的促進作用可為豬毛蒿群落構建提供參考，有待作進一步的研究。

4 結論

綜上表明，豬毛蒿根水浸提液對4 種冰草的種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生了一定的化感作用，且對不同受體植物具有不同的化感效應，作用強度也不同。豬毛蒿根水浸提液明顯抑制蒙農(nóng)雜交冰草種子萌發(fā)，對其他3 種冰草影響不顯著；豬毛蒿根水浸提液對4 種冰草幼苗生長具有“低促高抑”效應，但大部分與對照差異不顯著；豬毛蒿根水浸提液對4 種冰草種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用綜合效應的強度依次為：蒙農(nóng)雜交冰草＞蒙古冰草＞扁穗冰草＞沙生冰草，其中對蒙古冰草產(chǎn)生明顯的促進作用，對蒙農(nóng)雜交冰草產(chǎn)生明顯的抑制作用，說明這2 種冰草對豬毛蒿根水浸提液具有更強的敏感性。而下一步有待開展豬毛蒿其他器官水浸提液對其他物種化感作用及其所含化感物質的研究。