本土蒿屬植物浸提液對農田入侵雜草生長的化感效應

王宇超，呂金林，毛祝新，李 倩

(1.陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)，西安 710061;2.陜西省植物資源保護與利用工程技術研究中心，西安 710061)

生物入侵目前已成為最棘手的環境問題之一，迅速的環境變化和持續增強的國際交流與貿易活動，增加了世界各地物種轉移的范圍和頻率，為外來物種的入侵提供了良好的契機。特別是近幾十年來，生物物種在全球范圍內的大規模轉移與分配以驚人的速度在增加。外來入侵植物作為入侵生物中的重要類群之一，在新的棲息地幾乎沒有天敵，呈現出較強的生存能力，種群迅速蔓延，極易呈現難以控制的爆發性增長，導致本地物種瀕臨滅絕，甚至取代本地物種，改變當地生態結構[1]，對當地生物多樣性、生態環境質量和農林牧漁及相關產業造成極其嚴重的影響[2]。因此，外來入侵植物的控制與防治是當前生態系統管理高度重視和亟需解決的關鍵問題，備受國際社會廣泛關注。

農業生態系統是一個融合了自然、生物與人類社會生產活動的復雜系統，是在人類干預下發展起來的。相較于其他生態系統，它群落結構和營養結構簡單、生物種類少、自我調節能力較弱、干擾性強，受人類影響最頻繁直接，因此易遭受自然氣候、病蟲害、雜草生長等的影響，外來生物入侵問題較為嚴重[3]。全球農業因生物入侵直接或間接造成的損失每年高達2500億美元[4-5]。外來入侵植物中最常見的植物之一是菊科植物，中國現有的菊科植物大多是外來種，占入侵種的22%左右[6-7]。隸屬菊科植物的粗毛牛膝菊和小蓬草是中國農業生態系統中常見的惡性雜草，其種子結實量大，傳播能力強，擴散速度快，排擠本地種，迅速形成大面積的優勢種群落，能夠入侵農田、草坪、果園等，影響農作物、瓜果蔬菜、花卉等的生長和產量，給入侵地的生物多樣性和土壤結構與肥力帶來較大威脅[8-11]。因此，為創造良好的農業生態環境，取得較佳的經濟效益，針對農田雜草如何防治與管理的問題應得到足夠重視。

近年來，關于粗毛牛膝菊和小蓬草的研究大多是關注分布范圍、化學成分和生物學特性、種子萌發、化感作用、入侵機理等方面[12-15]，多數研究通過探究外來入侵植物對入侵地植物生長、物種多樣性、土壤特性等的影響來解釋其入侵機制[16-19]。但是，仍缺乏關于如何科學有效的防治這兩種常見的農田雜草的方法研究，尤其是生物防治這一環保、不污染環境的方法。生物防治是以一種或一類生物去抑制另一種或一類生物，利用生物物種間的相互關系。然而，目前僅對不足50%的農田入侵植物開展了生物防治方面的研究工作[20]。本研究擬通過對粗毛牛膝菊和小蓬草種子分別施加不同質量濃度的5種本地蒿屬植物地上部分和地下部分浸提液，觀察2種入侵植物種子發芽和成苗情況，并測定根系長度，分析質量濃度梯度、不同部位浸提液和蒿屬植物對入侵植物發芽率、成苗率和根長的化感效應，探究能有效減弱入侵植物生長的本地蒿屬種浸提液，旨在降低粗毛牛膝菊和小蓬草的擴散蔓延并為制定防控措施提供科學依據與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取蒿屬植物5種，分別為黃花蒿(Artemisiaannua)、野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、艾蒿(Artemisiaargyi)、毛蓮蒿(Artemisiavestita)和豬毛蒿(Artemisiascoparia)，于秦嶺化羊峪、小峪和渭河灘地采集規格相近的蒿屬植物。選取粗毛牛膝菊(Galinsogaquadriradiata)和小蓬草(Conyzacanadensis)2種入侵植物，于秦嶺北麓戶菜路采集植物種子。將試驗所需植物和種子樣品完好地放置在牛皮袋中，并盡快帶回實驗室。

1.2 試驗方法

將分別獲取蒿屬植物地上和地下部分浸提液，隨后將其施加于2種入侵植物的種子，觀察種子的萌發、成苗和根系長度。

具體步驟為：(1)干燥，將蒿屬植物的植物樣品晾干；(2)粉碎，將蒿屬植物地上部分和地下部分分開進行粉碎；(3)浸提，取粉碎后的樣品溶于水中，其中每60 g粉碎樣品加入400 mL無菌水，室溫20 ℃，并超聲2 h，靜置1 h；(4)離心，取浸提液離心，轉速為3 500 r/h，時間為5 min；(5)濃縮，利用旋轉蒸發儀對離心后的上清液進行濃縮；(6)過濾，對濃縮后的上清液進行過濾，采用0.22 μm的水系過濾膜；(7)定容，取過濾液定容，質量濃度依次為0、0.1、0.15、0.25和0.4 g/mL；(8)加樣，分別在入侵植物的種子中加入樣品，第一次加浸提液2.5 mL，以后每隔48 h再加1 mL；設置空白對照，每個處理3個重復，其中每個重復的供試種子數為50粒；(9)將植物轉移至光照培養箱，采用直徑90 mm的培養皿，設置光照時間為當日7：00至 19：00，濕度60%，溫度22 ℃，無光照時間為當日19：00至次日7：00，濕度50%，溫度18 ℃。

1.3 試驗指標測定

試驗過程中，每天觀察并記錄入侵植物的種子萌發情況，當種子胚根突破種皮，露出白色細根時，即表明種子開始萌發，開始記錄發芽種子數。連續觀察直至10 d內未出現發芽種子視為發芽結束，統計種子發芽率。

每日15：00定時觀察成苗情況，以株高大于2 cm成苗。在種子萌發后14 d記錄成苗數，并計算成苗率。

成苗后第10天時，使用量尺測定每株幼苗的根系長度。

1.4 數據分析

數據處理采用SPSS 22.0統計分析軟件，使用單因素方差分析(ANOVA)對不同蒿屬植物和不同浸提液質量濃度下入侵植物萌發率、成苗率和根系長度進行差異顯著性檢驗。使用Sigmaplot 14.0對數據組進行制圖，數據以“平均值±標準差”表示。

2 結果與分析

2.1 蒿屬植物浸提液對入侵植物萌發率的影響

2.1.1 地上部分浸提液對萌發率的影響 添加蒿屬植物地上部分浸提液后，入侵植物的種子萌發時間明顯延遲(圖1)，浸提液質量濃度越高，種子萌發起始時間越晚。對照組在第9天達到最大萌發率，而處理組萌發率則在第12天后陸續到達最大值，甚至在質量濃度較高浸提液中種子沒有萌發。

a～e分別為艾蒿、毛蓮蒿、豬毛蒿、野艾蒿和黃花蒿地上部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的萌發率-時間曲線；f～j分別為艾蒿、毛蓮蒿、豬毛蒿、野艾蒿和黃花蒿地上部分浸提液處理后小蓬草的萌發率-時間曲線

蒿屬植物地上部分浸提液對入侵植物萌發率的影響大致呈現出隨浸提液質量濃度的增加而加劇的趨勢(表1，表2)。艾蒿地上部分浸提液質量濃度為0.4 g/mL，其他蒿屬植物質量濃度為0.15g/mL時，粗毛牛膝菊萌發率開始顯著下降；而艾蒿地上部分浸提液質量濃度為 0.15 g/mL，其他蒿屬植物質量濃度為0.1 g/mL時，對小蓬草萌發率開始有顯著影響。

表1 蒿屬植物不同質量濃度地上部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的萌發率Table 1 Germination rate of G.quadriradiata under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表2 蒿屬植物不同質量濃度地上部分浸提液處理后小蓬草的萌發率Table 2 Germination rate of C.canadensis under treatment of different massconcentrations of aboveground extracts from Artemisia species

相同質量濃度不同蒿屬植物地上部分浸提液對入侵植物萌發率的影響同樣存在差異。當浸提液質量濃度為0.1 g/mL時，蒿屬植物地上部分浸提液對粗毛牛膝菊萌發率沒有顯著影響，而其他質量濃度不同蒿屬植物間的差異性達到顯著水平；5種蒿屬植物中艾蒿對粗毛牛膝菊萌發率的影響相對較弱，豬毛蒿地上部分浸提液質量濃度為0.4 g/mL時其萌發率為0；對于小蓬草而言，僅在浸提液質量濃度為0.25 g/mL時，5種蒿屬植物間差異性不顯著，黃花蒿和豬毛蒿對其萌發率的影響相對較強，質量濃度為0.4 g/mL時種子不萌發。

2.1.2 地下部分浸提液對萌發率的影響 蒿屬植物地下部分浸提液的添加明顯推遲了入侵植物的種子萌發時間，并且質量濃度越高開始萌發時間越晚(圖2)。所有處理組中并未出現種子未萌發的現象，浸提液質量濃度越高，種子萌發情況相對較弱。

a～e分別為艾蒿、毛蓮蒿、豬毛蒿、野艾蒿和黃花蒿地上部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的萌發率-時間曲線；f～j分別為艾蒿、毛蓮蒿、豬毛蒿、野艾蒿和黃花蒿地上部分浸提液處理后小蓬草的萌發率-時間曲線

蒿屬植物地下部分浸提液對入侵植物萌發率的影響在不同植物和質量濃度之間均存在顯著差異，大體呈現隨質量濃度的增加而加劇的趨勢(表3，表4)。對于粗毛牛膝菊而言，黃花蒿和艾蒿地下部分浸提液質量濃度分別在0.25 g/mL和0.4 g/mL時，對其萌發率開始具有顯著影響，其他蒿屬植物在各質量濃度之間無顯著性差異；除0.1 g/mL和 0.15 g/mL外，其他地下部分浸提液質量濃度在不同蒿屬植物間均差異顯著，其中黃花蒿對其萌發率的影響相對劇烈。而對于小蓬草來說，野艾蒿地下部分浸提液對其萌發率的影響在各質量濃度間無顯著差異，黃花蒿、艾蒿、毛蓮蒿和豬毛蒿對其萌發率表現出顯著影響時的質量濃度分別為0.4 g/mL、 0.25 g/mL、0.4 g/mL和0.25 g/mL；僅在質量濃度為0.15 g/mL和0.4 g/mL時蒿屬植物地下部分浸提液對其萌發率的影響差異不顯著。

表3 蒿屬植物不同質量濃度地下部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的萌發率Table 3 Germination rate of G.quadriradiata under treatment of different massconcentrations of underground extracts from Artemisia species

表4 蒿屬植物不同質量濃度地下部分浸提液處理后小蓬草的萌發率Table 4 Germination rate of C.canadensis under different mass concentrations of underground extracts from Artemisia species

2.2 蒿屬植物浸提液對入侵植物成苗率的影響

2.2.1 地上部分浸提液對成苗率的影響 蒿屬植物地上部分浸提液質量濃度的增加會加劇對入侵植物成苗率的影響程度(表5，表6)。艾蒿地上部分浸提液對粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率影響顯著的起始質量濃度分別為0.4 g/mL和0.15 g/mL，其余4種蒿屬植物的起始質量濃度則分別是0.15 g/mL和0.1 g/mL時，均小于艾蒿。當地上浸提液質量濃度分別為0.1 g/mL和0.25 g/mL時，對粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率的影響在5種蒿屬植物間無顯著差異，其余質量濃度則差異明顯。

表5 蒿屬植物不同質量濃度地上部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的成苗率Table 5 Seedling rate of G.quadriradiata under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表6 蒿屬植物不同質量濃度地上部分浸提液處理后小蓬草的成苗率Table 6 Seedling rate of C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

5種蒿屬植物中，艾蒿地上部分浸提液對粗毛牛膝菊成苗率的影響相對較弱，但是所有植物對小蓬草成苗率的影響均比較明顯；黃花蒿和豬毛蒿相對較強，質量濃度為0.4 g/mL時2種入侵植物的成苗率均為0。

2.2.2 地下部分浸提液對成苗率的影響 蒿屬植物地下部分浸提液對入侵成苗率的影響程度雖然在統計學上顯著性不是很明顯，但是數值上隨著質量濃度的增加成苗率下降(表7，表8)。黃花蒿、艾蒿和毛蓮蒿地下部分浸提液對粗毛牛膝菊成苗率影響的起始質量濃度分別為0.25 g/mL、0.4 g/mL和0.4 g/mL，而野艾蒿和豬毛蒿對其影響與質量濃度無明顯關系；毛蓮蒿和豬毛蒿地下部分浸提液質量濃度分別為0.4 g/mL和0.25 g/mL時，小蓬草成苗率開始明顯下降，而其他3種蒿屬植物在各質量濃度間無顯著差異。

表7 蒿屬植物不同質量濃度地下部分浸提液處理后粗毛牛膝菊的成苗率Table 7 Seedling rate of G.quadriradiata under treatment of different massconcentrations of aboveground extracts from Artemisia species

表8 蒿屬植物不同質量濃度地下部分浸提液處理后小蓬草的成苗率Table 8 Seedling rate of C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

地下部分浸提液質量濃度分別為0.15 g/mL和0.1 g/mL、0.15 g/mL、0.25 g/mL時，對粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率的影響在蒿屬植物間沒有明顯差異。5種蒿屬植物中，地下部分浸提液對粗毛牛膝菊和小蓬草成苗率影響相對較強的分別是黃花蒿和毛蓮蒿。

2.3 蒿屬植物浸提液對入侵植物根系長度的影響

2.3.1 地上部分浸提液對根系長度的影響 隨著蒿屬植物地上部分浸提液質量濃度的增加，入侵植物根系長度大致表現為降低的趨勢(圖3)。質量濃度達到0.1 g/mL，粗毛牛膝菊根系長度開始下降，而黃花蒿和艾蒿地上部分浸提液質量濃度為0.15 g/mL，野艾蒿、毛蓮蒿和豬毛蒿質量濃度為0.1 g/mL時，小蓬草根系長度開始減短。質量濃度分別為0.1 g/mL和0.15 g/mL時，蒿屬植物地上浸提液對粗毛牛膝菊和小蓬草根系長度的影響沒有顯著差異；其他質量濃度在蒿屬植物間有明顯不同。

圖3 蒿屬植物不同質量濃度地上部分浸提液處理后粗毛牛膝菊和小蓬草的根系長度Fig.3 Root length of G.quadriradiata and C.canadensis under treatment of different mass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

蒿屬植物地上部分浸提液都明顯降低了入侵植物的根系長度。其中，艾蒿的影響能力相對較弱；黃花蒿和豬毛蒿地上部分浸提液質量濃度為0.4 g/mL時，2種入侵植物的根系長度均為0，兩者質量濃度為0.25 g/mL時，粗毛牛膝菊根系長度分別接近于0和等于0；野艾蒿和毛蓮蒿地上部分浸提液質量濃度為0.4 g/mL時，粗毛牛膝菊根系長度不足1 mm，幾乎為0。

2.3.2 地下部分浸提液對根系長度的影響 蒿屬植物地下部分浸提液質量濃度與入侵植物根系長度的關系大致為負相關關系，即根長隨質量濃度的增加而下降(圖4)。對粗毛牛膝菊根系長度開始有顯著影響時的地下部分浸提液質量濃度為黃花蒿和野艾蒿0.1 g/mL、艾蒿0.15 g/mL、毛蓮蒿和豬毛蒿0.25 g/mL；豬毛蒿地下部分浸提液質量濃度為0.15 g/mL，其他蒿屬植物質量濃度為0.1 g/mL時，小蓬草的根系長度開始顯著降低。相同質量濃度地下部分浸提液對入侵植物的影響在蒿屬植物間均存在顯著差異。

圖4 蒿屬植物不同質量濃度地下部分浸提液處理后粗毛牛膝菊和小蓬草的根系長度Fig.4 Root length of G.quadriradiata and C.canadensis under treatment of differentmass concentrations of aboveground extracts from Artemisia species

相較于其他蒿屬植物，豬毛蒿地下部分浸提液對入侵植物根系長度的影響程度較弱；黃花蒿和野艾蒿對粗毛牛膝菊根長的影響較為劇烈，而對小蓬草根長影響較強的植物為黃花蒿和毛 蓮蒿。

與地下部分浸提液相比，蒿屬植物地上部分浸提液對入侵植物的萌發率、成苗率和根系長度的影響更加明顯。粗毛牛膝菊：黃花蒿、野艾蒿、毛蓮蒿和豬毛蒿對萌發率、成苗率和根系長度的影響明顯，而艾蒿的影響相對較弱。豬毛蒿質量濃度在0.25 g/mL和0.4 g/mL時，萌發率、成苗率和根長為0；黃花蒿質量濃度在0.4 g/mL時，成苗率和根長為0；野艾蒿和毛蓮蒿質量濃度在0.4 g/mL時，根長已經很短，不足1 mm。小蓬草：黃花蒿和豬毛蒿對萌發率、成苗率和根系長度的影響相對其他蒿屬植物明顯。黃花蒿和豬毛蒿質量濃度在0.4 g/mL時，萌發率、成苗率和根長為0。

與萌發率和成苗率相比，蒿屬植物地下部分浸提液對入侵植物根系長度的影響更加明顯。綜合5種蒿屬植物地下部分浸提液對2種入侵植物萌發率、成苗率和根系長度的影響，可以看出黃花蒿對粗毛牛膝菊的影響較大；毛蓮蒿對小蓬草的影響較大。

3 討 論

作為外來入侵生物的重要組成部分，入侵雜草是嚴重限制農業生態系統作物高產穩產的障礙因素。當農田雜草密度達到100～200 株/m2時，會造成作物減產750～1 500 kg/hm2，明顯大于其他農業有害生物[21]。有效抑制農田入侵雜草的發生和擴散，對于降低作物危害、保證作物產量和實現農業可持續發展意義重大，其中，生物防治是控制入侵雜草和保障食品安全重要的綠色防控技術之一。本試驗研究了5種本土蒿屬植物地上部分和地下部分浸提液對常見農田入侵雜草粗毛牛膝菊和小蓬草發芽率、成苗率和根系長度的影響程度，結果發現它們在對雜草的生長上均表現出一定的減弱效果，體現了蒿屬植物浸提液抑制作用的普適性，但同時對入侵雜草影響的強弱程度又存在明顯區別，表明抑制特性不僅取決于蒿屬植物種類、浸提液來源和質量濃度，還與受體物質等因素有關[22]。

本研究中，隨著蒿屬植物浸提液質量濃度的升高，粗毛牛膝菊和小蓬草的種子發芽率、成苗率和根系長度出現不同程度的降低，這與沙蒿、豬毛蒿、馬尾松、狼毒、黃花蒿等植物浸提液對不同植物種子萌發和幼苗生長的影響基本一致[23-27]。植物浸提液中所含化感物質通過改變受體植物細胞膜通透性、線粒體呼吸、酶活性和蛋白質的合成等來抑制和延緩種子萌發和幼苗生長，此外化感物質還對植物根系分生區細胞的有絲分裂過程產生抑制作用，進而影響幼苗根的生長[28-31]。

然而，浸提液對2種入侵雜草的影響程度在蒿屬種間、地上和地下部分間、粗毛牛膝菊和小蓬草間又有明顯不同。入侵雜草的種子發芽率、成苗率和根系長度對蒿屬植物地上部分浸提液的響應更為敏感，這3個生長指標隨地上部分浸提液質量濃度增加的下降程度要明顯強于地下部分浸提液。王方琳等[27]對沙蒿浸提液對自身種子萌發的化感作用研究中發現，枝葉浸提液的抑制作用要明顯強于根。有研究同樣發現黃花蒿不同部位浸提液的化感效應存在差異，其中地上部分浸提液對黑麥草、細弱翦股穎和高羊茅種子萌發的影響大于地下部分浸提液[25,32],可能是黃花蒿地上部揮發油主要由單萜類物質組成，而地下部揮發油主要由倍半萜類物質組成[33-35]，特別是黃花蒿體內的單萜類物質青蒿素，主要大量存在于其莖葉中[36]。不同部位浸提液表現出的效應強度有所差異，可能與各器官所含有的化感物質的種類和含量有關[37-39]。

浸提液對入侵雜草生長的作用呈現種間差異性，體現在蒿屬植物間和入侵雜草間。本試驗中，艾蒿對粗毛牛膝菊生長的影響相對較弱，而豬毛蒿地上部分浸提液質量濃度為0.25 g/mL和0.4 g/mL時，萌發率、成苗率和根長為0；黃花蒿質量濃度為0.4 g/mL時，成苗率和根長為0；野艾蒿和毛蓮蒿質量濃度為0.4 g/mL時，根長已經很短，不足 1 mm。對于小蓬草而言，黃花蒿和豬毛蒿地上部分浸提液質量濃度在0.4 g/mL時，萌發率、成苗率和根長為0，影響程度相對強于其他蒿屬植物。可以看出，不同蒿屬植物的化感作用大小有所差異，可能與化感物質組成成分和含量有關，黃花蒿和豬毛蒿浸提液對2種入侵雜草生長的影響最大。豬毛蒿浸提液中含有多種化感物質，能夠破壞生物膜結構的透性，受體植物種子向周圍滲透的電解質增多，導致種子活力下降，另外化感物質肉桂酸影響α淀粉酶的活性，引起種子內可溶性糖含量變化，進而影響種子萌發和幼苗生長[23]。黃花蒿中同樣具有極強的化感物質，其體內含有四環甾族和五環三萜等萜類物質，是帶有羰基或羥基基團且有強烈生物活性的化合物，表現出較高的抑制植物生長的作用[40]。而粗毛牛膝菊和小蓬草對浸提液敏感度的差異則可能與植物自身膜系統穩定性、抗氧化磷酸化能力等應答機制密切相關[41-42]。

無論是地上部分還是地下部分，蒿屬植物浸提液對入侵雜草根系長度的影響作用要明顯優于種子萌發率和成苗率，表明根系長度對浸提液中所含有的化感物質較為敏感。在研究小白菜和蘿卜種子發芽率及幼苗生長對黃花蒿浸提液響應中發現了相似結果，推測原因可能為胚根直接與化感物質接觸，抑制其細胞分裂和伸長，進而抑制種子萌發和幼苗生長[25]。鄭明清等[43]認為在發生化感脅迫時，多數植物幼苗根部通常會比其他部位更為敏感。植物地上部分依賴根系吸收營養物質以滿足生長發育需求，當根部受脅迫程度達到一定范圍時，水分和養分無法正常供給，植物其他部位才會表現出削弱癥狀[44]。

4 結 論

5種蒿屬植物地上和地下部分浸提液對入侵植物的萌發率、成苗率和根系長度均存在不同強度的化感作用，且隨著質量濃度的增加而加劇，其中根系長度對浸提液的敏感度相對更強，地上部分浸提液對入侵植物生長的影響更加明顯。黃花蒿和豬毛蒿地上部分浸提液質量濃度為0.4 g/mL時，對粗毛牛膝菊和小蓬草的生長影響最大，在這兩種入侵植物防治方面可以參考此數值。