日本落葉松林凋落物對狗牙根、胡枝子種子萌發和幼苗生長的影響

施　妍， 陳芳清

(三峽大學生物與制藥學院，湖北宜昌 443002)

日本落葉松(Larixkaempferi)是我國重要的外來樹種，自其引入到鄂西地區以來，表現出良好的適應性和速生性[1]。外來優良樹種的引進是林業生產建設和森林植被恢復方面的重要措施，但外來樹種的引進對森林的物種多樣性和養分循環具有重要的影響[2]。野外調查與相關研究顯示，大老嶺自然保護區日本落葉松的引種栽培對群落的物種多樣性有重大的影響，群落內少有本地物種的定居和生長，且群落內的土壤微生物與多樣性以及凋落物養分歸還和土壤養分含量也受到影響[3-4]。

凋落物可以通過物理阻斷和化感作用，抑制林下植物種子萌發而影響其更新[5]。針葉樹種凋落的針葉和樹皮通常是其化感作用的主要成分，開展其凋落物化感作用的研究對林分的天然更新和人工營林具有重要的意義[6]。由于種子萌發與幼苗生長是植物生活史中對外界條件反應最為敏感的階段，化感作用的研究主要是通過觀測受體植物種子萌發和幼苗生長對化感物質的響應來進行[7-8]。目前關于日本落葉松林物種多樣性的研究尚不多見，是否是凋落物的化感作用導致其物種多樣性低下也無定論。本研究選取該地區常見的林下草本植物狗牙根(Cynodondactylon)和灌木胡枝子(Lespedezaformosa)為研究對象，通過研究日本落葉松林凋落物水浸提液對該2種植物種子萌發和幼苗生長的影響，探討外來物種日本落葉松凋落物潛在的化感作用，為日本落葉松林的管理提供科學參考。

1　材料與方法

1.1　研究樣地

研究樣地位于鄂西地區大老嶺自然保護區(110°43′42″～111°22′2″E)，該地屬亞熱帶濕潤季風氣候，區域氣候具有明顯的垂直氣候梯度，土壤以紅壤為主。選取海拔900～1 000 m，坡度22°～23°，坡向陽的日本落葉松林作為研究對象。日本落葉松林年齡為18～24年，林分郁閉度為0.6～0.7。

1.2　凋落物收集與水浸液制備

2014年5月在日本落葉松林收集自然凋落的新鮮凋落物，帶回實驗室后清除其他雜物，充分混勻，置于70 ℃下烘干至恒質量。稱取50 g凋落物進行剪碎，加入裝有500 mL蒸餾水的棕色瓶中，充分搖勻振蕩，置于室溫下暗處間歇振蕩浸提48 h。浸提后以4 000 r/min離心15 min，取上清液，分別以定量濾紙和0.22 μm微孔濾膜過濾，得到濃度為100 g/L的無菌凋落物水浸提液，并以此為母液，以121 ℃滅菌 20 min 的去離子水配制不同濃度的凋落物水浸液。

1.3　種子萌發和幼苗生長試驗

受體植物為林下草本植物狗牙根和灌木胡枝子，受體植物種子采集于2014年11月并置于4 ℃下保存至2015年5月。分別選取籽粒飽滿、大小均一的2種植物種子，浸泡 24 h，以0.3%高錳酸鉀溶液消毒30 min，以去離子水漂洗后用于萌發試驗。采用培養皿濾紙法進行種子萌發試驗，分別取50粒植物種子均勻地放于鋪有2層濾紙的直徑為9 cm的玻璃培養皿中作為1個試驗單位。參照前人試驗設計，并根據預備試驗結果，本試驗共設置0、12.5、25、50、100 g/L等5個處理水平，每個處理水平5個重復。將上述各濃度的凋落物水浸液加入到培養皿中至飽和狀態為止，然后置于25 ℃、濕度80%、光照30 μmol/(m·s)8 h的人工氣候箱中培養，每天記錄各培養皿萌發種子的數量，并補充適量相應的凋落物水浸液以保持濕潤。7 d后結束試驗，測定幼苗胚芽和胚根長度，并對幼苗稱質量。

1.4　數據處理

分別用萌發率和萌發(速率)指數來評價種子的萌發情況。萌發率=萌發種子總數/供試種子總數×100%；萌發指數GI=∑Gt/Dt，式中Gt為在td的萌發數，Dt為萌發天數。以化感效應敏感指數(RI)[9]評價凋落物水浸液對種子萌發和幼苗生長的化感作用，RI=T/C-1(T0為促進效應，RI<0為抑制效應，其數值大小反映化感作用的強弱。

采用SPSS 19.0對凋落物水浸液對日本落葉松種子萌發和幼苗生長的影響進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較分析(LSD)，置信水平為95%。

2　結果與分析

2.1　凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子種子萌發的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子種子萌發有著顯著影響(表1)。凋落物水浸液對狗牙根種子萌發率和萌發指數隨著處理濃度的增加呈現先促進后抑制的作用。在低濃度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)處理下，狗牙根種子的萌發率和萌發指數均顯著高于對照組，其中25.0 g/L時達到最高值，萌發率、萌發指數分別為對照的1.14、1.15倍。但隨著處理濃度的增加，狗牙根種子的萌發率、萌發指數顯著下降，在100.0 g/L時處于最低值，萌發率和萌發指數分別為對照的0.71、0.69倍。而凋落物水浸液對胡枝子種子萌發率和萌發指數呈明顯的抑制作用。隨著處理濃度的增加，胡枝子種子的萌發率和萌發指數不斷下降，在100.0 g/L時萌發率處于最低值，萌發率、萌發指數分別為對照的0.32、0.29倍。

表1　日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子種子萌發的影響

注：數據為“平均值±標準差”(n=5)。同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下表同。

以種子萌發率、萌發指數2個參數的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子種子萌發的化感作用，結果見圖1。凋落物水浸液在低處理濃度(12.5、25.0 g/L)下促進狗牙根種子的萌發，其中25.0 g/L時促進作用最強(RI=0.29)；在高處理濃度(50.0、100.0 g/L)下則為抑制作用，其中100.0 g/L時抑制作用最強(RI=-0.35)。而凋落物水浸液抑制胡枝子種子的萌發，其中100.0 g/L時抑制作用最強(RI=-0.69)。

2.2　凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生長的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生長有顯著影響(表2)。凋落物水浸液對狗牙根幼苗根長和莖長隨著處理濃度的增加呈現先促進后抑制的作用。在低濃度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)處理下，狗牙根幼苗根長、莖長均高于對照組，其中25.0 g/L時達到最高值，幼苗根長和莖長分別為對照的1.26、1.39倍。但隨著處理濃度的增加，狗牙根幼苗根長、莖長開始下降，在100.0 g/L時處于最低值，分別為對照的0.47、0.60倍。而凋落物水浸液對胡枝子幼苗根長和莖長呈明顯的抑制作用。隨著處理濃度的增加，胡枝子幼苗根長、莖長開始下降，在100.0 g/L時處于最低值，幼苗根長、莖長分別為對照的0.45、0.56倍。

表2　日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生長的影響

以幼苗根長和莖長2個參數的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生長的化感作用，結果見圖2。凋落物水浸液在低處理濃度下(12.5、25.0 g/L)促進狗牙根幼苗的生長，其中25.0 g/L時促進作用最強(RI=0.32)；在高處理濃度下(50.0、100.0 g/L)則為抑制作用，其中100.0 g/L時抑制作用最強(RI=-0.47)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生長，其中100.0 g/L時抑制作用最強(RI=-0.50)。

2.3　凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生物量的影響

日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生物量也有顯著影響(圖3)。日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根幼苗生物量隨著處理濃度的增加也呈現先促進后抑制的作用。但在12.5、25.0、50.0 g/L處理下，狗牙根幼苗生物量均高于對照，分別為對照的1.09、1.29、1.19倍，但差異不顯著；僅在100.0 g/L處理下，狗牙根幼苗生物量低于對照，為對照的0.65倍，差異顯著。而日本落葉松林凋落物水浸液對胡枝子幼苗生物量呈明顯的抑制作用，隨著處理濃度的增加，胡枝子幼苗生物量開始下降。與對照相比，在12.5 g/L時差異不顯著，其他處理濃度下均差異顯著，在100.0 g/L時處于最低值，幼苗生物量為對照的0.65倍。

以幼苗生物量的RI值分析日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子幼苗生物量的化感作用，結果見圖4。凋落物水浸液在12.5、25.0、50.0 g/L處理濃度下促進狗牙根幼苗的生物量，其中25.0 g/L時促進作用最強(RI=0.29)；在100.0 g/L處理濃度下則為抑制作用(RI=-0.34)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生長，其中100.0 g/L時抑制作用最強(RI=-0.35)。

3　討論

種子萌發和幼苗建成是植物生活史的重要階段，其對森林的物種分布、多樣性和群落更新具有重要的影響，研究植物種子萌發與幼苗建成對外來物種凋落物的響應能有效揭示外來物種潛在的化感作用[10]。針葉樹種凋落物長期向環境中所釋放的大量次生代謝物質是導致天然針葉林生產力下降和群落物種多樣性低下的主要原因[11]。其中，凋落物對種子萌發的影響主要在于其含有的化感物質與種子萌發過程中產生的不同代謝物質之間的相互作用[12]。本研究表明，日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根種子萌發的影響隨著處理濃度的增加呈現先促進后抑制的規律，而對胡枝子種子萌發的影響則隨處理濃度的增加呈明顯的抑制作用。陳立新等在對紅松凋落物和土壤浸提液對紅松種子萌發影響的研究中也發現了類似的規律，高濃度的凋落物和土壤浸提液對紅松種子的萌發有顯著的抑制作用，但隨著濃度的降低，抑制作用減弱，甚至消失或者轉變為促進作用[13]。灌木胡枝子種子萌發對日本落葉松凋落物的化感響應要強于狗牙根，說明不同林下植物種子萌發對化感物質的耐受閾值有著明顯的差異[14-15]。

凋落物既可作為營養物質促進其他植物幼苗的生長，又可因化感物質的累積而抑制其他植物幼苗的生長，但不同植物種類間仍存在一定的差異[16]。在本研究中，日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根和胡枝子幼苗的影響與種子萌發的趨勢相似，狗牙根幼苗的根長和莖長只有在高濃度處理下才會受到抑制，而胡枝子在處理一開始就受到了抑制。凋落物水浸液對2種植物根長的抑制作用均強于莖長，可能的原因在于受體植物幼苗的根部先與凋落物水浸液中的化感物質相接觸，化感物質破壞了根系細胞膜，因此可能對幼苗根部的影響較大[17]。結合不同濃度下促進/抑制化感作用響應指數的變化來看，胡枝子幼苗生長對日本落葉松凋落物的化感響應也要強于狗牙根。低濃度凋落物水浸液處理下對狗牙根幼苗生長的促進作用強度要高于種子萌發，在高濃度下則相反；此外，胡枝子幼苗生長的抑制效應要低于種子萌發的抑制效應。這說明在植物生長發育的不同階段，同樣的化感物質對其影響有著很大的差別，一般來說萌發階段最易受化感作用的影響，而幼苗生長階段稍弱[18]。

植物的生物量主要取決于其與周圍生境的營養物質交換循環和限制因子的限制程度[19]。本研究中，狗牙根和胡枝子幼苗生物量對日本落葉松凋落物的化感響應有著明顯的差別，且狗牙根和胡枝子幼苗生物量對日本落葉松凋落物的化感響應要小于種子萌發和幼苗生長，其中在低濃度處理下狗牙根生物量顯著增加，而胡枝子生物量的下降不顯著。劉忠玲等對落葉松與白樺的種間化感作用進行了研究，結果發現，落葉松葉水浸液對白樺幼苗生物量有一定的促進作用，與其對種子萌發和幼苗生長上的抑制作用有著明顯的區別[20]。以上結果說明植物有自身的保護機制，在幼苗初始生長期間，種子自身攜帶的營養物質能在很大程度上維持其生長，并減輕化感物質的危害，同時凋落物水浸液能為幼苗的生長提供營養[21]。

4　結論

日本落葉松林凋落物水浸液對狗牙根、胡枝子的種子萌發率、萌發指數和幼苗的根長、莖長和生物量有著顯著影響，其中狗牙根隨著處理濃度的增加各試驗指標呈現先促進后抑制的作用，胡枝子的各試驗指標隨處理濃度增加呈明顯的受抑制作用。相對而言，胡枝子種子萌發與幼苗生長對日本落葉松凋落物的化感響應強于狗牙根。種子萌發和幼苗建成是植物生活史的重要階段，日本落葉松林凋落物中的化感物質和營養物質與種子萌發、幼苗生長過程中產生的不同代謝物質之間進行相互作用，從而產生促進/抑制化感作用。日本落葉松林凋落物中的化感物質對狗牙根和胡枝子的種子萌發和幼苗生長存在一定的化感效應，其中對胡枝子的影響要強于狗牙根。凋落物的化感作用是影響日本落葉松林物種多樣性的關鍵因素之一，在今后的日本落葉松營林管理中可通過間伐等方式來減少日本落葉松的化感作用和蔭蔽作用，促進其他物種的定居與林分更新。

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