火炬樹的化感作用對荊條種子萌發的影響研究

張 寧，曹淑慧，毛偉偉*

(1.遼寧生態工程職業學院 園林學院，遼寧 沈陽110101；2.遼寧大學 環境學院，遼寧 沈陽110036)

0 引言

火炬樹(RhusTyphina)，是漆樹科、鹽膚木屬的一種落葉小喬木，于1959年被我國植物研究所引進.其葉呈奇數羽狀，為復葉對生狀，葉形通常為長橢圓形至披針形，邊緣具鋸齒，圓錐花序頂生，花色鮮紅、花形獨特.每年9月份，火炬樹果實成熟，呈深紅色，緊密聚集成火炬狀，葉同期變紅，十分壯觀[1].火炬樹適應性極強，對生長的土質要求不高，耐熱耐寒，耐貧瘠，耐鹽堿，生長速度快，是植被修復中良好的防風固沙、水土保持、涵養水源的優質樹種[1-3].

荊條(VitexnegundoL.var.heterophylla)，馬鞭草科牡荊屬的一種落葉灌木.根系發達，樹皮呈灰褐色，幼枝為方形具四棱，掌狀復葉對生或輪生，葉緣呈大鋸齒或者羽狀深裂，花序頂生，圓錐花序，花冠呈藍紫色，核果球形，灰黑色，具網紋[4].韓烈保和王曉蓓等[5-6]，證實荊條在山地陽坡生長狀況更好以及是優秀的護坡植物.張金瑞等[7]，提出荊條在陽坡可與酸棗、細葉小檗等植物加以匹配的配置問題，在植物修復上可用于參考.由此可見，荊條作為優秀的山地陽坡、半陽坡的護坡植物，在植物修復中具有很大潛力.

縱觀火炬樹在國內推廣種植60余年，廣泛出現火炬樹單一群落的局面.研究表明，火炬樹通過根蘗繁殖的方式進行種群更新和擴張，5年左右基本可以形成以火炬樹為主導地位的單優群落[8].余新春等[9]也證實了火炬樹根部萌蘗擴散快，以密閉的單優群落逐步向外緣擴散，使附近的灌木層和草本層趨于死亡和消退.李茗蕊等[10]用種群生態學的方法發現，火炬樹在荒地造林、護坡中對鄉土種構成生態威脅.

植物化感作用被德國科學家Molisch 于 1937 年初次提出，并將其解釋為：植物(微生物)間通過化學物質相互作用，并且這種相互作用具有兩面性(促進或抑制作用)[11].經典著作《Allelopathy》一書對植物化感作用的定義是，植物在生長的過程中，向外界環境中釋放出化感物質，這些物質對周圍環境中的植物或微生物有直接或間接的影響，或促進或抑制[12].不同植物分泌的化感物質有區別，物種與物種之間都有化感作用的出現[13].化感物質可以破壞受體植物的細胞膜，抑制植物呼吸的傳導過程，抑制光合作用，影響生長發育，打破植物激素平衡等等[14].它的產生也使土壤環境條件向著更有利于外來樹種生長的方向發展[15].對于化感作用的研究，我國已經進入實驗室階段[16].

我國在礦山等廢棄地的植被生態修復已取得了一定的成績，植物種的選擇與搭配對生態修復的目標達成具有十分重要的影響.火炬樹是陽性樹種，適應性強，耐干旱貧脊，可在石礫、山坡荒地上生長，繁殖力強且生長快，屬于喬木[17].荊條也是陽性樹種，分布廣泛，根系發達，固土能力強，且根系分蘗性強，生長力強，適合在土層薄，石礫含量高的環境下種植，屬于灌木[18].將火炬樹和荊條兩種抗性強，耐瘠薄干旱的優勢植物進行搭配，可以形成喬灌木的立體結構，結合草本層能有效保持水土，增加恢復后的生態系統穩定性[19].目前關于火炬樹與荊條之間的化感作用研究極少，本文試圖從化感作用角度探究二者在生態修復中的植物配置問題，對于我國未來開展生態環境植被修復方面具有實踐意義.

1 材料

火炬樹葉、火炬樹根、火炬樹土壤：于2019年10月，取自遼寧省撫順西露天礦北幫邊坡火炬樹林.

荊條土壤、荊條種子：于2019年9月，取自遼寧省沈陽三合成村北分布的荊條灌叢.

2 實驗設計

2.1 實驗設置

為探究火炬樹的化感作用對荊條的影響，本實驗設置四種水浸液(火炬樹土壤、荊條土壤、火炬樹葉、火炬樹根)在四個濃度梯度(25，50，100，200 g·L-1)的處理下，對荊條種子萌發的影響.

2.2 實驗步驟

2.2.1 實驗材料制備與處理

火炬樹葉：將火炬樹新鮮樹葉取回，用蒸餾水清洗干凈，平鋪在濾紙上，通風至自然風干[18].用FZ102型微型植物粉碎機將火炬樹葉粉碎，粉碎葉片為30～120目，以備后用.

火炬樹根：取火炬樹林下的小根若干(直徑小于1 cm)，用蒸餾水進行清洗，通風至自然風干.先剪成2 cm小段，后用FZ102型微型植物粉碎機將其進一步粉碎至0.5 cm小段，以備后用.

火炬樹土壤(荊條土壤)：本實驗采取的土壤為火炬樹(荊條)根部土壤.采用 “S”型布點收集土壤樣品，取多個采樣點，盡量讓每個取樣點所采的土壤量大致相同，采集地表0～10 cm去除表層枯枝落葉的土壤[19].在實驗室，用四分法去除多余土壤樣品，再剔除腐葉、枯葉等雜質，將其平鋪于干凈的塑料薄膜上，通風，自然風干.風干后，過2 mm篩，以備后用.

2.2.2 水浸液的制備

稱取100 g處理樣品于500 mL大燒杯中，加入500 mL蒸餾水，于室溫下密閉浸泡48 h.浸泡結束后，火炬樹葉、火炬樹根水浸液用雙層紗布過濾，并將所得液體收集到離心管中，設定4 000 r/min離心20 min，得到濃度為200 g·L-1的母液.火炬樹土壤、荊條土壤水浸液，用濾紙進行土壤溶液的過濾，得到濃度為200 g·L-1的母液.依據上述所得200 g·L-1母液分別配備100，50，25 g·L-1不同濃度的液體備用[18].

2.2.3 種子萌發與幼苗生長的測定

采用培養皿濾紙法進行培養[20].挑選籽粒飽滿，大小均一的荊條種子，用3%的雙氧水消毒0.5 h，然后用蒸餾水沖洗干凈，取30粒均勻置于培養皿中，并加入上述各濃度浸提液2 mL.每個處理重復3次，對照組使用相同體積的蒸餾水進行操作.

將培養皿置于GZX-300BS-II光照培養箱中進行種子發芽實驗，設定光照(6：00-18：00)12 h，25 ℃；夜晚(18：00-次日6：00)12 h，18 ℃.每天補充相應濃度的處理液1 mL(保證種子周圍不出現水膜)，每24 h觀察種子萌發情況(種子萌發以胚根突破種皮2 mm為標準)，記錄種子發芽數，至發芽末期(大約15 d，連續兩天無萌發時視為發芽結束).發芽實驗結束后，計算并分析荊條種子在各種處理下的發芽率、發芽勢、苗長、化感效應等[21].

2.2.4 計算公式

發芽率：發芽率=(發芽種子數/供試種子數)×100%；本實驗周期為15 d，供試種子數為每組30.

發芽勢：發芽勢=(規定時間內發芽種子粒數/供試種子數)×100%；本實驗周期為15 d，根據實驗情況，荊條種子在第6 d多數組達到日發芽最大，選取6 d發芽種子數進行計算.

化感效應指數(RI)：RI=1-C/T(T≥C)，RI=T/C-1(T0，表示促進作用，當RI<0，表示抑制作用，RI絕對值的大小表示化感效應的強度.

RI累加值：為發芽率、發芽勢、苗長3個指標的RI累加，從整體上反應四種類型水浸液對荊條的化感作用[22-23].

3 結果與分析

3.1 不同類型水浸液對荊條種子發芽率的影響

從圖1可知，四種類型水浸液對荊條種子的發芽率均有一定的影響.在四種類型水浸液處理下，荊條種子發芽率的比較結果為：火炬樹土壤>荊條土壤>蒸餾水>火炬樹根>火炬樹葉.

與對照相比，荊條土壤水浸液在濃度25，200 g·L-1條件下，發芽率有增加的趨勢，在濃度50，100 g/L條件下，發芽率有減小的趨勢，但與對照相比均不顯著(P<0.05).火炬樹土壤水浸液使荊條種子發芽率增加，濃度25 g·L-1條件下，荊條種子發芽率達到整個實驗組最大值，為65.67%，比對照組增加了28.76%，影響也不顯著(P<0.05).火炬樹根水浸提液對荊條種子發芽表現出質量濃度效應，即隨著水浸液濃度上升，發芽率逐漸減小，當上升至濃度100 g·L-1時發芽率為零，對荊條種子發芽的抑制作用顯著(P<0.05).火炬樹葉水浸液處理下，荊條種子發芽率均為零，表現出強烈抑制荊條種子發芽.

圖1 不同類型、不同濃度水浸液處理下荊條種子發芽率

3.2 不同類型水浸液對荊條種子發芽勢的影響

由圖2可知，四種類型水浸液對荊條種子的發芽勢作用明顯.在四種類型水浸液處理下，荊條種子發芽勢比較順序為：火炬樹土壤>荊條土壤>蒸餾水>火炬樹根>火炬樹葉.

在荊條土壤水浸液處理組，不同濃度水浸液處理的荊條種子發芽勢均高于對照組，僅在水浸液濃度25 g·L-1時，發芽勢與對照組產生顯著差異(P<0.05)，為27.78%，也是整個實驗組發芽勢最大值.火炬樹土壤水浸液隨著濃度上升，發芽勢依次為23.33%，24.45%，25.56%，24.44%，均與對照組有顯著差異(P<0.05).火炬樹根水浸液對荊條種子發芽勢有顯著的抑制作用，隨濃度上升而逐漸降低，至100 g·L-1時，發芽勢為0.火炬樹葉水浸液處理下，荊條種子不發芽.

圖2 不同類型、不同濃度水浸液處理下荊條種子發芽勢

3.3 不同類型水浸液對荊條幼苗長度的影響

對培養15 d的荊條幼苗的苗長進行測量與分析，實物圖見圖3，苗長分析見圖4.

由圖4可知，四種類型水浸液處理下，荊條幼苗長比較順序為：火炬樹土壤>火炬樹根>蒸餾水>荊條土壤.(種子未發芽的實驗組不參與討論)

與對照組相比，四種類型的水浸液處理下的幼苗苗長均未產生顯著差異(P<0.05).荊條土壤水浸液處理下，隨著濃度上升，苗長依次為2.7，3.0，3.1，2.8 cm，只有濃度100 g·L-1高于對照組.火炬樹土壤水浸液處理下的幼苗苗長，隨濃度上升而增大，濃度200 g·L-1時，幼苗苗長為4.0 cm，是整個實驗組最大值.火炬樹根水浸液處理下的幼苗，在濃度25，50 g/L時，苗長分別為3.2，3.6 cm高于對照組，在濃度100，200 g/L時未發芽，不參與討論.

圖3 荊條苗長測量實物圖(拍攝于2019年11月26日)(注：圖中字母含義—J 荊條土壤；H 火炬樹土壤；G 火炬樹根；K蒸餾水組.火炬樹葉水浸液處理的種子無發芽，所以無實物圖.尾部數字代表三個重復)

圖4 不同類型水浸液不同濃度處理下荊條苗長

3.4 RI累加值

為了綜合分析四種類型(火炬樹土壤、荊條土壤、火炬樹葉、火炬樹根)水浸液對荊條的化感效應，以每組荊條的發芽率、發芽勢、苗長3個指標的化感效應指數計算出RI累加值，如表1所示.RI累加值>0，表示該類型水浸液能促進荊條的萌發和生長，RI累加值<0，表示該類型水浸液會抑制荊條的萌發和生長.

對于荊條土壤、火炬樹土壤水浸液，RI累加值均大于0，都能促進荊條的種子萌發和幼苗生長.在發芽率、發芽勢、苗長三個指標的RI中，發芽勢的化感效應指數均大于其他兩者，可以看出，以上兩種水浸液主要通過提高種子發芽勢，從而增強種子的活力，促進荊條發芽整齊.除此之外，火炬樹土壤水浸液組，RI累加值隨濃度上升不斷增大，對荊條的促進作用越大.對于火炬樹根水浸液組，RI累加值小于0，抑制荊條的萌發和生長，且濃度越大，抑制作用越大.荊條在火炬樹葉水浸液下未能存活，RI累加值為-3.

綜上所述，四種水浸液對荊條RI累加值大小順序為：火炬樹土壤>荊條土壤>蒸餾水>火炬樹根>火炬樹葉.其中，濃度200 g·L-1的火炬樹土壤水浸液在所有實驗組中，RI累加值數值最大，促進作用最顯著，為0.912.

表1 不同類型水浸液對荊條的化感作用

4 討論

植物能夠向環境中釋放化感活性物質抑制其他植物的生長，化感作用可以通過降低種子的發芽率減弱植物的競爭力，進而改變植物在群落里的分布組成[24-26].本試驗研究表明，火炬樹葉、根水浸提液對受體植物種子萌發和幼苗生長均產生不同程度的影響，其發芽率、發芽勢和幼苗長的化感效應均為負值，表現為抑制作用，根際土壤化感作用表現不明顯.

大量研究表明化感作用均具有“濃度效應”，當濃度超過植物自身所能承受的臨界點時，種子萌發和幼苗生長就會受到抑制作用.從本實驗數據來看，火炬樹根的水浸液對荊條種子發芽率和發芽勢表現出濃度效應，當濃度超過50 g·L-1時，荊條種子的發芽率和發芽勢為零，表現出強烈的抑制作用.火炬樹葉水浸液對荊條種子具有強烈抑制作用，四種濃度水浸液的荊條發芽率、發芽勢均為零.參考韋忠剛等[21]關于火炬樹化感作用對于高羊茅種子的研究成果：(濃度設定為0.02，0.2，2、20 g·L-1)高羊茅種子在火炬樹根水浸液濃度為20 g·L-1，發芽率化感指數為-0.574(與本實驗相當)，在濃度為0.02 g·L-1時，發芽率化感指數為-0.750，發芽率最高.相對于本實驗在濃度梯度設置時，可以參考在0～25 g·L-1濃度之間劃分濃度梯度進行實驗分析.

目前對于火炬樹的化感作用研究較多，研究結論各異說明不同品種、不同類型水浸液的化感作用是難以預測的，這與研究對象的選擇、化感活性物質的組成與特性有關.厲波等關于老油茶林根際土壤水浸提液對其種子萌發和幼苗生長的化感作用發現：3種不同濃度(0.25，0.5，1.0 g·mL-1)的根際土壤水浸提液對其種子發芽率、發芽勢和發芽指數以及幼苗根長表現出低促高抑的化感效應.在孫天旭[27]，火炬樹鮮葉水浸提液能夠推遲種子的萌發，而與鮮葉相比，火炬樹干葉水浸提液化感作用明顯降低；火炬樹林分土壤水浸提液沒有對其他植物種子的萌發產生抑制作用，火炬樹樹林土壤可能沒有化感作用.火炬樹化感作用對其它生物造成影響的機理，還需要進一步的研究和探討.

5 結論

火炬樹的化感作用在近年來已經成功引起科研工作者的注意，在火炬樹形成單優群落的問題上、對其它植物化感作用的證實上、對根際土壤的影響上等等都已經得出顯著的成果.本實驗選用的實驗樣地撫順西露天礦北幫在經過十多年的自然演替也證實了火炬樹根部強大的萌蘗能力，以及獨木成林的演替趨勢，為火炬樹的生物入侵方向的研究再添實例.

本實驗通過各個部位不同濃度水浸液(25，50，100，200 g·L-1)對荊條種子發芽率、發芽勢、苗長、RI累加值的影響進行對比得出以下結論：

1)與對照組相比，荊條土壤、火炬樹土壤水浸液對荊條的發芽率和苗長影響不顯著，對發芽勢的促進作用顯著(P<0.05).

2)火炬樹根水浸液對荊條發芽率和發芽勢抑制作用顯著，表現明顯的濃度效應，即隨著濃度升高，抑制作用越強；對苗長影響不顯著(P<0.05).火炬樹葉水浸液實驗組，在實驗期間，荊條未發芽，表現出強烈的抑制作用.

3)依據荊條發芽率、發芽勢、苗長的化感效應指數可得出，不同類型水浸液對荊條種子RI累加值數值大小順序為：火炬樹土壤>荊條土壤>蒸餾水>火炬樹根>火炬樹葉.其中，濃度200 g·L-1的火炬樹土壤溶液在所有實驗組中，RI累加值數值最大，促進作用最顯著.

本實驗證實了火炬樹與荊條種子之間存在明顯的化感作用，但至于起到化感作用的物質是什么，本實驗并未涉及.平曉燕等認為，通過實驗測定供體植物對種子萌發的表現來判定化感物質的作用，這種方法不夠嚴謹.但目前，科研工作者們大多數都采用水浸液法，還未形成統一評判化感作用的方法.

結合張明如等的實驗—荊條種子在火炬樹下吸收弱光能力差，有消亡的趨勢，對照本實驗荊條種子的發芽在火炬樹葉、根的處理下受到的強烈抑制表現，可得出火炬樹對荊條的萌發生長表現出強烈的抑制作用，化感作用明顯，荊條在火炬樹下存活率低.因此，在植物修復中，盡量避免在火炬樹下或周邊種植荊條，如果種植需認真考慮到二者的距離問題.

火炬樹在國內經歷60余年的演替，但我們對其演替過程的原理、化感作用的實現還存在些許疑問，相信未來對于火炬樹的研究依舊是熱點.