毛白楊凋落葉對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)和表型可塑性的影響

陳 浩，張躍偉，王 寧，王 梓，常青山

(河南科技大學(xué) 園藝與植物保護(hù)學(xué)院，河南 洛陽 471000)

化感作用作為植物之間作用的生物化學(xué)相互關(guān)系，指植物可以通過向周圍環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)，從而影響自身或周圍其他植物生長發(fā)育[1]。其作用途徑廣泛，可以通過降雨淋溶、揮發(fā)、根系分泌和殘體分解等途徑，產(chǎn)生不同程度的影響[2]?；凶饔闷毡榇嬖谟谥参锝?，且廣泛存在于農(nóng)林田間系統(tǒng)[3]。

楊樹(Populusspp.)作為優(yōu)良速生樹種，適應(yīng)性廣、抗性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于小麥種植地區(qū)的農(nóng)林系統(tǒng)[4]，其對于農(nóng)田生態(tài)的化感作用不可忽視。目前，有關(guān)楊樹化感作用研究主要集中在其對田間農(nóng)作物的影響上。例如：季琳琳等[5]關(guān)于楊樹對板藍(lán)根、小麥、白菜等化感作用的研究表明，楊樹葉浸提液對作物的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、苗高、根長和鮮重等均有顯著影響，整體上表現(xiàn)出低促高抑的雙重濃度效應(yīng)。趙勇等[6]研究表明，楊樹對小麥、玉米、大豆具有不同的化感作用，對不同目標(biāo)作物具有不同的毒性閾值，而且楊樹葉片的化感作用強(qiáng)于同為田間常見喬木的泡桐(Paulownia)。此外，還有學(xué)者探討了美洲黑楊對小白菜的化感作用[7]、楊樹對紫花苜蓿的化感作用[8]、楊樹對萵苣的化感作用[9]。上述大部分研究均以作物為試驗對象，少見有針對田間入侵雜草對楊樹化感響應(yīng)的相關(guān)報道。在以往化感研究中，通常采用浸提法提取化感物質(zhì)[5-9]，用水培法研究其對植物的影響，然而化感物質(zhì)釋放是一個連續(xù)的過程，除淋溶外，凋落葉分解也是主要途徑之一[10]。凋落葉在分解過程中釋放的化感物質(zhì)，除直接作用于植物本身，也可通過改變土壤理化性質(zhì)和微生物群落進(jìn)一步作用于植物[11]，過程復(fù)雜。因此，浸提水培法不能說明凋落葉化感物質(zhì)在自然狀態(tài)下于土壤中緩慢分解釋放的影響，具有局限性。

節(jié)節(jié)麥(AegilopstauschiiCoss.)屬禾本科山羊草屬，是我國進(jìn)境植物檢疫危險性雜草之一，適應(yīng)能力強(qiáng)，耐瘠薄、分蘗系數(shù)高，已經(jīng)成為麥田中難根除的一種禾本科惡性入侵雜草，尚無有效防除的除草劑[12]。而化感作用抑制雜草在多項研究中被證實[13-14]可行，利用群落植物化感作用防治雜草，已逐漸成為國內(nèi)研究熱點和新途徑。本試驗以節(jié)節(jié)麥為材料，以洛陽地區(qū)廣泛種植的白楊派優(yōu)良樹種毛白楊(PopulustomentosaCarr.)凋落葉作為供體材料，通過浸提液法和模擬枯葉自然腐爛過程的盆栽法，研究凋落葉對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)和幼苗生長的化感影響，探討毛白楊凋落葉化感防除節(jié)節(jié)麥的可行性，并了解節(jié)節(jié)麥在此特殊化感環(huán)境中的入侵機(jī)制，研究結(jié)果對改進(jìn)生產(chǎn)策略、提高農(nóng)田經(jīng)濟(jì)效益、深化節(jié)節(jié)麥化感防治研究具有積極意義。

1 材料與方法

1.1 材料

2020年10月在洛陽市洛龍區(qū)采集毛白楊凋落葉。選擇自然凋落、葉面完整干凈的葉片，陰涼通風(fēng)處晾干。2020年6月在新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田采集節(jié)節(jié)麥種子，晾干儲存于-20 ℃冰箱；2021年1月在新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田采集節(jié)節(jié)麥幼苗，置于大棚正常管理。栽培土壤為褐土，采自洛陽市洛龍區(qū)農(nóng)田，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為11.3 g·kg-1和0.85 g·kg-1，有效磷和速效鉀含量分別為11.4 mg·kg-1和167.5 mg·kg-1，pH值7.4。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 凋落葉浸提液種子萌發(fā)試驗

凋落葉浸提液的制備：稱取風(fēng)干葉片100 g，剪碎，在900 mL蒸餾水中浸泡24 h，過濾，定容至1 000 mL，得浸提液母液(100 mg·mL-1)。

設(shè)置6處理，將母液分別稀釋為5.00、10.00、20.00、40.00、60.00 mg·mL-1，以蒸餾水為對照。采用培養(yǎng)皿法，選顆粒飽滿、大小一致的節(jié)節(jié)麥種子去除穎殼(排除萌發(fā)抑制物的影響)，1%次氯酸鈉消毒10 min，蒸餾水沖洗3次，晾干置于鋪雙層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿培養(yǎng)，每皿50粒，4次重復(fù)，分別加入5 mL不同濃度浸提液，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：光照12 h(25 ℃)、黑暗12 h(25 ℃)。每天用過量浸液沖淋，保證濃度穩(wěn)定(對照補(bǔ)充蒸餾水)。每24 h統(tǒng)計種子發(fā)芽數(shù)，直至種子連續(xù)2 d不再萌發(fā)即停止發(fā)芽試驗。計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、化感效應(yīng)指數(shù)。

1.2.2 凋落葉混土盆栽試驗

9年生楊樹年凋落葉總量[15]為12.86 t·hm-2，相當(dāng)于花盆面積(直徑25 cm)凋落葉量約為60 g。因此，試驗共設(shè)4個水平：0、30、60、120 g每盆，記為CK、Y30、Y60、Y120，每處理3個重復(fù)。楊樹凋落葉分解速率在3—4月份迅速增加[16]，在2021年3月初將凋落葉剪碎(約0.5 cm2)分別與5 kg土混勻(干土質(zhì)量)裝盆。3月10日，選擇長勢良好、大小一致的節(jié)節(jié)麥幼苗定植花盆，每盆10株。緩苗一周后測定第一次指標(biāo)，隨機(jī)選取5株苗，測定植株葉面積，全株生物量。之后正常管理。4月27日進(jìn)行第二次指標(biāo)測定，每處理隨機(jī)選取5棵植株，分別測定根、莖、葉、穗生物量，植株葉面積，葉片數(shù)量。

葉面積用掃描儀法[17]測定；生物量采用烘干法，收獲全株，測定根、莖、葉生物量，于80 ℃烘箱中烘至質(zhì)量不變，萬分之一電子天平稱量，期間為防止吸濕增重，全部放置于干燥瓶內(nèi)。

試驗同時設(shè)置空白對照，以判斷凋落葉添加是否會改變土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響植物生長。參考照吳秀華等[18]的方法，對凋落葉碎片進(jìn)行常溫浸洗過濾、蒸煮，以消除化感物質(zhì)，蒸煮后的凋落葉施用同樣設(shè)置4個水平：0 g (ECK)，30 g(EY30)，60 g(EY60)；120 g(EY120)。

1.3 指標(biāo)計算

R=n/N×100%；

(1)

RE=G4/N×100%；

擴(kuò)大增值稅增收范圍改革符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律，對于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義，但是在進(jìn)行改革的過程中仍然有些問題有待解決。

(2)

GI=∑(Gt/Dt)；

(3)

(4)

式(1)～(4)中：R為發(fā)芽率，n為發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子數(shù)；RE為發(fā)芽勢，G4為第4天的發(fā)芽種子數(shù)；GI為發(fā)芽指數(shù)，Gt為不同時間發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時間；tm為平均發(fā)芽時間，h為從種子放入培養(yǎng)皿之日算起的天數(shù)，n3為相應(yīng)各日發(fā)芽粒數(shù)。

參照文獻(xiàn)[20]方法，計算植株總生物量、各構(gòu)件生物量比(構(gòu)件生物量/植株總生物量)、根冠比(root to shoot ratio，根生物量/地上生物量)、葉重分?jǐn)?shù)(leaf mass fraction，LMF，葉生物量/地上生物量)、葉面積比(leaf area ratio，LAR，總?cè)~面積/總生物量)、葉根比(leaf area root mass ratio，LARMR，葉總面積/根生物量)、比葉面積(specific leaf area，SLA，總?cè)~面積/葉生物量)、平均葉面積(mean leaf area，MLA，總?cè)~面積/葉片數(shù))。

RGR=(lnm2-lnm1)/t；

(5)

RNA=[(m2-m1)/(s2-s1)]×[(lns2-lns1)/t]；

(6)

RLAm=[(lnm2-lnm1)/(m2-m1)]×[(s2-s1)/(lns2-lns1)]；

(7)

(8)

式(5)～(8)中，RGR代表平均相對生長速率(relative growth rate，RGR)，RNA代表凈同化速率(NAR)，RLAm代表平均葉面積比(LARm)，m1、s1分別為第一次指標(biāo)測定總生物量和葉面積，m2、s2分別表示第二次測定時該植物單個重復(fù)的總生物量和葉面積，t表示兩次測定的時間間隔(d)，VPPI代表表型可塑性指數(shù)(phenotypic plasticity index，PPI)的值，Vmax和Vmin分別代表某一指標(biāo)在幾種生境下的最大值和最小值。

參照Williamson等[21]的方法計算化感效應(yīng)指數(shù)(response index，RI)。

(9)

式(9)中：VRI為RI的值，C為對照值，T為處理值。當(dāng)RI>0時表示有化感促進(jìn)作用，RI<0時表示有化感抑制作用，RI絕對值的大小反映化感作用的強(qiáng)弱。根據(jù)RI結(jié)果，計算綜合化感效應(yīng)(synthetical allelopathic effect，SE)，即各測試指標(biāo)RI值的算術(shù)平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS19.0軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛白楊浸提液對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)的影響

方差分析表明，用不同濃度毛白楊浸提液處理節(jié)節(jié)麥種子，處理間種子萌發(fā)有顯著差異(表1)。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在5 mg·mL-1時出現(xiàn)明顯的增加，發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別較對照上升4、10百分點，發(fā)芽指數(shù)提高12.72%，表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用，但均未達(dá)到顯著水平。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均在浸提液為40 mg·mL-1時與對照出現(xiàn)顯著差異，說明此濃度浸提液對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)開始出現(xiàn)顯著影響，而且發(fā)芽指數(shù)較20 mg·mL-1時顯著(P<0.05)下降。三者均在浸提液60 mg·mL-1時達(dá)到最低值，發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別較對照下降27.34、20.00百分點，發(fā)芽指數(shù)較對照下降56.31%。平均發(fā)芽時間與對照相比并未達(dá)到顯著差異。表型可塑性指數(shù)分析表明，發(fā)芽勢的表型可塑性指數(shù)最大(0.75)，平均發(fā)芽時間的表型可塑性指數(shù)最小(0.52)，說明平均發(fā)芽時間最為穩(wěn)定。

表1 浸提液濃度對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)的影響

2.2 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥生物量積累的影響

將凋落葉蒸煮后，各處理與對照的節(jié)節(jié)麥總生物量無顯著差異，說明添加不同施用量凋落葉不會改變土壤性狀，不會顯著影響植物生長。

施用未蒸煮凋落葉對節(jié)節(jié)麥生物量積累有顯著影響(表2)。隨著施用量增加，各部分生物量積累明顯呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。Y30處理中，葉重、根重、地上重、總重顯著(P<0.05)大于對照，均達(dá)到最高。Y60處理中，各部分生物量與對照均無顯著差異(P>0.05)，表現(xiàn)出一定的耐受性。Y120中，各部分生物量均顯著(P<0.05)小于對照、Y30和Y60處理，生物量大幅下降，葉重降幅最大，達(dá)到66.67%。另外，葉重的表型可塑性指數(shù)最大，根重的最小。

表2 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥生物量的影響

2.3 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥物質(zhì)分配的影響

由表3可知，節(jié)節(jié)麥可以根據(jù)凋落葉施用量，調(diào)整干物質(zhì)分配。葉生物量比、葉重分?jǐn)?shù)在Y30處理中最大，較CK分別增加3.14百分點、15.57%，但未達(dá)到顯著水平，之后快速下降，在Y120處理中達(dá)到最低值，顯著(P<0.05)小于CK，比CK分別降低5.54百分點、22.95%。根生物量比、根冠比則在Y60時達(dá)到峰值，并顯著(P<0.05)高于CK，分別比CK增加2.57百分點、34.07%，Y120處理中雖稍有降低，但仍顯著(P<0.05)高于對照。此外，莖生物量比在各處理水平未見顯著差異。表型可塑性指數(shù)中，根冠比、莖生物量比較低，分別為0.12、0.10，在各處理中變化較小，相對穩(wěn)定。葉片相關(guān)指標(biāo)表型可塑性最大，其中，葉生物量比的表型可塑性指數(shù)最高，葉重分?jǐn)?shù)的次之。

表3 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥物質(zhì)分配的影響

2.4 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥葉、根形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的影響

方差分析表明，凋落葉施用量增加對節(jié)節(jié)麥總?cè)~面積、MLA、LAR、SLA、LARMR均有顯著影響(表4)。隨著施用量增加，總?cè)~面積、MLA、LAR先增加后下降，均在Y30時最大，其中總?cè)~面積較CK顯著升高，增加33.57%。隨著施用量繼續(xù)增加，三者逐漸下降，MLA在Y60處理中較CK開始出現(xiàn)顯著降低，Y120處理中三者均降至最低，且顯著低于CK，其中總?cè)~面積降低71.89%，MLA降低50.30%，LAR降低38.01%；此外，MLA在Y120處理中較Y60顯著(P<0.05)降低。SLA、LARMR隨施用量增加逐漸下降，SLA在Y120處理中較CK顯著(P<0.05)降低，LARMR在Y60、Y120處理中較CK均顯著(P<0.05)降低。由此可以看出，Y30處理僅對節(jié)節(jié)麥總?cè)~面積有顯著促進(jìn)作用，隨著濃度增加開始出現(xiàn)抑制效應(yīng)，顯著表現(xiàn)在MLA、LARMR，而Y120處理產(chǎn)生全面抑制，并進(jìn)一步抑制MLA。另外，表型可塑性指數(shù)中，總?cè)~面積最高，比葉面積最低。

表4 不同凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥葉、根形態(tài)相關(guān)指標(biāo)的影響

2.5 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥生長特性的影響

方差分析表明，凋落葉施用量對平均相對生長速率有顯著影響(表5)。平均相對生長速率、凈同化速率、平均葉面積比均在Y30處理中達(dá)到最大，但與CK相比，均未達(dá)到顯著水平；平均相對生長速率、凈同化速率、平均葉面積比均在Y120處理中降至最小，較CK分別下降33.33%、18.87%、14.55%，其中平均相對生長速率顯著(P<0.05)低于CK、Y30、Y60處理，凈同化速率、平均葉面積比各處理未見顯著差異。說明施用量在較低水平對節(jié)節(jié)麥生長特性有一定的促進(jìn)作用，較高水平產(chǎn)生抑制，主要表現(xiàn)于對平均相對生長速率的抑制。平均相對生長速率的表型可塑性指數(shù)最高，平均葉面積比的表型可塑性指數(shù)最低。

表5 不同凋落葉施用量對平均相對生長速率、凈同化速率、平均葉面積比的影響

2.6 凋落葉對節(jié)節(jié)麥化感效應(yīng)的影響

化感作用對個體的影響是多方面的，通過單一指標(biāo)，不足以了解其綜合化感影響。根據(jù)以上多種指標(biāo)測定結(jié)果，分別計算凋落葉浸提液對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)的影響，以及凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥個體植株的影響。

從表6可以看出，凋落葉浸提液對節(jié)節(jié)麥種子的綜合化感效應(yīng)表現(xiàn)低促高抑，萌發(fā)各指標(biāo)與綜合化感效應(yīng)趨勢一致。凋落葉浸提液質(zhì)量濃度為5 mg·mL-1時對各項指標(biāo)均有促進(jìn)效果，其中發(fā)芽勢的化感效應(yīng)指數(shù)為0.21，提高最為明顯。凋落葉浸提液質(zhì)量濃度達(dá)到10 mg·mL-1時出現(xiàn)抑制效應(yīng)，之后抑制效應(yīng)迅速上升。凋落葉浸提液質(zhì)量濃度為20～60 mg·mL-1時，對發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)抑制最強(qiáng)。

表6 凋落葉浸提液對節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)的綜合化感效應(yīng)

凋落葉施用量對于節(jié)節(jié)麥植株綜合化感效應(yīng)同樣表現(xiàn)出類似的劑量效應(yīng)(表7)，既低促高抑。Y30處理中植株各部分干重和總生物量均有明顯增加，總?cè)~面積和相對生長速率也有提升，綜合化感效應(yīng)為0.27，其中對葉重的化感效應(yīng)指數(shù)(0.34)最大，促進(jìn)作用最強(qiáng)。Y60處理中葉重、莖重、總重、總?cè)~面積、平均相對生長速率開始受到抑制，其中總?cè)~面積和葉重受抑制最強(qiáng)；此外，根重的化感效應(yīng)指數(shù)并沒有立即下降，仍表現(xiàn)較高的促進(jìn)效應(yīng)(SE=0.22)。Y120處理出現(xiàn)強(qiáng)烈抑制效應(yīng)(SE=-0.52)，各指標(biāo)均受到不同程度抑制，其中葉重、莖重、總重、總?cè)~面積抑制率均大于50%，而對根重、平均相對生長速率的抑制相對較弱。

表7 凋落葉施用量對節(jié)節(jié)麥植株的綜合化感效應(yīng)

3 結(jié)論與討論

凋落葉作為化感物質(zhì)的重要來源之一，在分解初期，易溶、易分解的物質(zhì)釋放并分解，在此過程中小分子的次生代謝物質(zhì)可能迅速釋放[22]，并能有效抑制受體植物的生長和發(fā)育?；凶饔猛哂羞x擇性和專一性[23]，這就為針對性生態(tài)防治，改善農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)提供可能。本研究結(jié)果證明，毛白楊凋落葉化感防除節(jié)節(jié)麥具有一定可行性。

種子萌發(fā)是入侵植物繁衍擴(kuò)張的重要手段，產(chǎn)生大量生活力強(qiáng)、高萌發(fā)率的籽粒可有力提升其擴(kuò)張入侵能力[24]，因此降低發(fā)芽率、萌發(fā)活力和延長發(fā)芽時間，對于抑制種子繁殖、入侵物種擴(kuò)張有積極意義。本研究中，毛白楊凋落葉浸提液對節(jié)節(jié)麥種子存在明顯的化感效應(yīng)，對其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽時間均存在低促高抑效應(yīng)，40 mg·mL-1浸提液對多個指標(biāo)表現(xiàn)顯著抑制作用。根據(jù)綜合化感效應(yīng)分析，高濃度(60 mg·mL-1)化感物質(zhì)對節(jié)節(jié)麥種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)抑制最強(qiáng)。毛白楊凋落葉浸提液可以通過降低節(jié)節(jié)麥種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)，影響其發(fā)芽率，從而降低田間系統(tǒng)中節(jié)節(jié)麥自我更新擴(kuò)張的能力。

毛白楊凋落葉對節(jié)節(jié)麥生長整體表現(xiàn)為低促高抑，與前人研究結(jié)果類似[25-26]。高施用量時均能產(chǎn)生抑制效應(yīng)，但值得指出的是，根系耐受性較其他器官更好，與侯玉平等[27]對火炬樹幼苗的研究結(jié)果一致，但這與一些研究結(jié)果不同，其認(rèn)為根系直接接觸化感物質(zhì)，應(yīng)該最為敏感，這可能與化感專一性和植物入侵特性有關(guān)?？傮w可以看出，毛白楊凋落葉高施用量能夠有效抑制節(jié)節(jié)麥生物量積累、葉片生長，從而使其轉(zhuǎn)變生存策略，抑制其擴(kuò)張。

植物表型是植物對環(huán)境適應(yīng)能力和生長發(fā)育規(guī)律的反映[28]。植物可以通過重新分配生物量，調(diào)整植株形態(tài)，適應(yīng)惡劣環(huán)境條件。所以擁有強(qiáng)大的表型可塑性能力，能夠幫助入侵植物成功入侵[29]，如勝紅薊[30]、三葉鬼針草[31]通常具有很強(qiáng)的表型可塑性。本研究中，入侵植物節(jié)節(jié)麥在化感環(huán)境下同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的表型可塑性，葉、根、莖都有一定的可塑能力，其中葉片可塑性表現(xiàn)突出，說明葉片在節(jié)節(jié)麥適應(yīng)凋落葉化感環(huán)境過程起重要作用，這與已往其他逆境中節(jié)節(jié)麥的研究結(jié)果類似[32]。葉片作為營養(yǎng)器官，其動態(tài)建成伴隨植物整個生命過程，優(yōu)良環(huán)境下大量建成，逆境中為減少消耗，葉片結(jié)構(gòu)做出讓步，因此有較高的可塑性。節(jié)節(jié)麥根生物量比、根冠比同樣具備一定的可塑性，根生物量比和根冠比在中高施用量時，一直保持較高水平，且均顯著高于對照。說明在一定量的化感抑制環(huán)境下，節(jié)節(jié)麥將降低地上部分投入，將更多的生物量投入地下，增加根生物量比，提高節(jié)節(jié)麥根冠比。根冠比整體上升，但相對穩(wěn)定。根冠比增加有利于植物在逆境中生存，穩(wěn)定的根冠比可以幫助植物保持地上和地下部分生長協(xié)調(diào)，促進(jìn)資源利用[33]，通過穩(wěn)中有增的根冠比促進(jìn)節(jié)節(jié)麥適應(yīng)環(huán)境。綜上所述，在化感抑制下節(jié)節(jié)麥表現(xiàn)出強(qiáng)大的表型可塑性，這可能是其入侵成功的重要原因。