铁杆蒿枯落物对四种豆科牧草的化感作用

2018-09-19雷威肖程积民郑周敏

草地学报 2018年4期

雷威肖，李伟，郭梁，程积民,*，张义，郑周敏，赵妮

(1. 西北农林科技大学动物科技学院，陕西杨凌 712100； 2. 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100；3. 中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

化感作用(Allelopathy)是指由植物或微生物通过向周围环境中释放次级代谢产物从而影响邻近植物或微生物生长发育的化学生态防御机制[1]。植物枯落物在淋溶或分解过程中产生的化学物质会直接或间接的影响种子萌发、幼苗生长、物种间相互作用，进而影响群落组成、结构和功能[2-3]。植物间的化感效应可能是有害的也可能是有益的，这取决于物种以及物种所处的环境差异[4-5]。深入认识物种以及物种与环境之间的互馈关系，充分利用化感物质的正效应，避免化感负效应的发生，对于建立可持续草地农业系统具有重要作用[6]。

铁杆蒿(Artemisiagmelinii)对其他植物的发芽、生长、酶和叶绿素等指标存在化感作用。王辉[7]等通过研究铁杆蒿茎叶浸提液对铁杆蒿草地4种优势植物，即百里香(Thymusmongolicus)、大针茅(Stipagrandis)、本氏针茅(Stipacapillata)和赖草Leymussecalinus)的种子萌发及幼苗生长的干扰，发现高浓度的铁杆蒿甲醇浸提液和水浸提液使得百里香、大针茅、本氏针茅和赖草的种子发芽指数降低，发芽率、芽长和根长低于对照，种子平均发芽时间延长达1.13～2.16 d。刘金平[8]等以扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)根1.5 g、茎1.5 g、叶1.5 g、根1 g及根0.5 g的浸出液为处理液，分别对紫云英(Astragalussinicus)、紫花苜蓿(Medicagosativa)种子进行处理，不同处理对紫云英和紫花苜蓿株高、根系长、根总长的作用差异极显著(P<0.01)，但对侧根数影响的差异不大。黄建贝等[9]通过土培实验研究了核桃(Juglansregia)凋落叶分解对小麦(Triticumaestivum)生长及生理特性的影响，发现核桃凋落叶分解过程中释放的次生代谢物质显著抑制了小麦生长和生理特性。

总体而言，目前对于化感作用的研究从植物种类方面来看，主要为农作物、森林植物、花卉、牧草、药材及水生植物[10]。但关于牧草植物与蒿属植物之间的化感作用研究报道很少，尤其对于优良豆科牧草的化感作用研究甚少。豆科牧草是天然草原补播改良或建立人工草地所不可缺少的，其与禾本科牧草合理组合建成的混播草地可提供高产和营养全面的饲草，防止单一豆科牧草引起的家畜臌胀病[11]。豆科牧草粗蛋白的含量高于禾本科牧草粗蛋白的含量，不仅如此，豆科牧草的粗脂肪及可消化纤维含量也较高，营养平衡而全面，这对于正在发育、繁殖和生产的牲畜都是极为重要[12]。

鉴于此，本试验选取黄土区天然草地演替时序中主要的建群植物铁杆蒿，利用其枯落物对四种常见豆科牧草植物紫花苜蓿、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、百脉根(Lotusccorniculatus)和沙打旺(Astragalusadsurgens)进行室内发芽试验和盆栽实验，测定种子萌发和幼苗生长的相关生理生态指标，研究铁杆蒿对四种豆科植物的化感作用，以期为黄土区天然草地的保护和人工草地的建植提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

云雾山草原自然保护区地处宁夏回族自治区固原市东北部45 km，106°24′～106°28′ E，36°13′～36°19′ N，海拔1 800～2 100 m，最高峰2 148 m。

选取宁夏云雾山草原自然保护区的优势蒿属植物铁杆蒿为施体材料；选取不仅具有良好的水土保持作用，而且有绿肥作用和可供牲畜采食的优良豆科牧草：紫花苜蓿、红豆草、百脉根和沙打旺植物种子为受体。

1.2 样品制备

2016年9月中旬于宁夏云雾山收集铁杆蒿枯落物。将取回来的试验样品立刻去除非枯落物的外来物质，因枯落物表面浮土较多，故将枯落物放入网眼为0.5 mm的尼龙筛里于清水中快速漂洗，置于室温条件下阴干，然后将枯落物混合并粉碎后避光防潮贮藏备用。

1.3 发芽实验

将枯落物提取液浓度设为100 g·L-1，10 g·L-1，1 g·L-1和0(对照)4个梯度[13]。以5 mL蒸馏水处理为对照，每个处理3个重复；将每个经过高温灭菌并铺有滤纸的培养皿均匀摆放30粒受体种子，然后将培养皿置于25℃，相对湿度80%的无光照的人工气候室内催芽并定时补充稀释液。于第4天开始每天光照12 h统计每天发芽数，然后分别计算发芽率、发芽势和发芽指数。

发芽率= (发芽种子数/供试种子数)×100%

发芽势= (第3天发芽种子数/供试种子数)×100%

1.4 土培实验方法

在塑料盆中分别放置粉碎的铁杆蒿0 g、30 g、60 g、90 g，然后每盆分别放8 kg土壤并混合均匀，每个处理设3个重复[9]；将经过消毒的紫花苜蓿、红豆草、沙打旺和百脉根种子分别种植30粒于25℃，相对湿度80%，光照为12 h的人工气候室内催芽；12 d后将幼苗移栽至相对应塑料盆中后放于温室中，每隔3 d浇一次水，并于20 d后定苗为4株；培养60 d后，分别对每个处理设3个重复测定叶绿素含量、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)含量。CAT参照Cakmak和Marschner[14]的方法测定，MDA采用Zhou[15]等的方法测定，SOD的活性通过Giannopolitis and Ries[16]方法测定，POD活性测定参照愈创木酚法[17]。

1.5 数据处理

用种子萌发和幼苗生长中的发芽率、叶绿素含量、CAT、MDA、SOD和POD做评价指标，并使用最小显著差数检验法(LSD)采用SPSS 21.0进行方差分析。

化感效应指数(RI) 采用Williamson和Richardson等[18]的方法，RI= 1-C /T (当T≥C时) 或RI = T/C-1 (当T0为促进作用，RI<0为抑制作用，绝对值大小与作用强度一致)。化感综合效应CE用各处理下的叶绿素含量、CAT、MDA、SOD和POD化感效应指数RI的算术平均值来表示，CE=(RI1+RI2+……+RIn)/n，式中：RI为化感指数；n为不同化感指标的个数。CE>0为促进，CE<0为抑制，且CE绝对值的大小与作用强度一致。

2 结果与分析

2.1 铁杆蒿浸提液对豆科牧草萌发的影响

如图1A所示，铁杆蒿枯落物水提液对紫花苜蓿、红豆草，百脉根和沙打旺发芽率均呈现低促高抑效应。和对照组相比，紫花苜蓿在铁杆蒿枯落物水提液浓度为100 g·L-1时显著降低了其发芽率(P<0.05)，而1 g·L-1和10 g·L-1浓度的铁杆蒿枯落物水提液对其影响不显著。分别用不同浓度铁杆蒿枯落物水提液处理红豆草，其发芽率均显著提高(P<0.05)，且10 g·L-1的铁杆蒿枯落物水提液浓度提高其发芽率效果最好。1 g·L-1浓度的铁杆蒿枯落物水提液处理显著提高了百脉根的发芽率(P<0.05)，而随着铁杆蒿枯落物水提液浓度的增加到10 g·L-1和100 g·L-1时，其发芽率显著降低(P<0.05)。由图1A中可以看出，铁杆蒿枯落物水提液对沙打旺发芽率的影响变化趋势和百脉根的一致，1 g·L-1的铁杆蒿枯落物水提液显著提高了其发芽率(P<0.05)，而在10 g·L-1和100 g·L-1处理中其发芽率显著降低(P<0.05)。

如图1B所示，铁杆蒿浸提液对紫花苜蓿、红豆草，百脉根和沙打旺的发芽势影响与铁杆蒿浸提液对这四种豆科牧草种子的发芽率影响类似。

图1 铁杆蒿浸提液对豆科牧草发芽率和发芽势的影响Fig.1 Effects of extracts from A. gmelinii litter on germination rate and germination potential of four legume forages注：不同小写字母间表示同一物种不同铁杆蒿浸提液浓度间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference among different concentrations within the same species at the 0.05 level，the same as below

2.2 铁杆蒿对豆科牧草MDA的影响

如图2A所示，铁杆蒿对豆科牧草MDA的化感作用不尽相同。和对照组相比较，紫花苜蓿的MDA的含量随着铁杆蒿枯落物含量的增加而降低。和对照组相比较，30 g的铁杆蒿显著提高了红豆草的MDA含量(P<0.05)，而60 g的铁杆蒿枯落物对红豆草的MDA含量没有影响，90 g的铁杆蒿枯落物显著降低了的MDA含量(P<0.05)。

和对照组相比较，只有60 g的铁杆蒿枯落物显著提高了百脉根的MDA含量(P<0.05)，而30和90 g的铁杆蒿对百脉根的MDA含量影响不显著。不同浓度的铁杆蒿枯落物对沙打旺MDA的含量影响不同。30 g的处理能显著提高其MDA含量(P<0.05)，而60 g和90 g处理均显著降低了沙打旺的MDA含量(P<0.05)。

图2 铁杆蒿枯落物对豆科牧草MDA、POD、SOD、CAT的影响Fig.2 Effect of A. gmelinii litter extracts on MDA,POD,SOD and CAT of four legume forages

2.3 铁杆蒿对豆科牧草POD的影响

由图2B可知，铁杆蒿枯落物对紫花苜蓿POD均有一定的抑制作用，但只有90 g的处理达到显著水平；与对照相比，铁杆蒿枯落物对红豆草POD表现出低促高抑的效应，30 g处理的促进作用不显著，60 g和90 g处理抑制程度达到显著水平(P<0.05)。与对照相比，铁杆蒿枯落物对百脉根POD总体上表现出低促高抑的效应，30 g的处理有显著的促进作用，其余处理均表现抑制作用，但不显著。与对照组相比较，铁杆蒿枯落物对沙打旺POD均表现出促进作用，但是在90 g的处理后促进作用明显下降；30 g处理促进效应不显著，60 g和90 g处理均达到显著水平(P<0.05)。

2.4 铁杆蒿对豆科牧草SOD的影响

由图2C可知，与对照相比，铁杆蒿枯落物对紫花苜蓿SOD的化感作用均不显著。与对照相比，红豆草各凋落叶处理SOD含量均显著高于CK(P<0.05)，并随着枯落物含量的增加呈现出增加的趋势。与对照相比，各处理对百脉根SOD含量均表现出显著的促进作用(P<0.05)，但90 g处理相对60 g处理促进作用下降。与对照相比，对沙打旺SOD含量随着枯落物含量的增加呈现出降低的趋势，抑制作用均达到显著水平(P<0.05)。

2.5 铁杆蒿对豆科牧草CAT的影响

由图2D可知，与对照相比，铁杆蒿枯落物对紫花苜蓿CAT的化感作用随着枯落物量的增加呈现出显著降低的趋势(P<0.05)。与对照相比，30 g和60 g枯落物处理红豆草CAT均有促进作用，且60 g处理CAT含量达到最高水平，90 g处理对红豆草CAT影响不显著。与对照相比，枯落物含量为60 g以下时，百脉根CAT含量随着枯落物量增加而增加；枯落物含量为60 g以上时，随着枯落物量增加呈现出下降的趋势。与对照相比，铁杆蒿枯落物对沙打旺CAT的化感作用表现出低促高抑的效应；30 g和60 g处理的促进作用均达到显著水平(P<0.05)，而90 g处理呈现出显著的抑制作用(P<0.05)，其中枯落物含量在60 g时CAT的含量最高。

2.6 铁杆蒿对豆科牧草叶绿素的化感作用

2.6.1铁杆蒿对豆科牧草叶绿素a的影响由图3A可知，与对照相比，铁杆蒿枯落物对紫花苜蓿、红豆草、百脉根和沙打旺叶绿素a含量的影响总体上均呈现出随着枯落物浓度的增加，叶绿素a含量逐渐下降。与对照相比，铁杆蒿枯落物为30 g时对紫花苜蓿叶绿素a的含量影响的抑制作用不显著，而60 g和90 g处理抑制作用均达到显著水平(P<0.05)。与对照相比，铁杆蒿枯落物含量为30 g、60 g和90 g时对红豆草叶绿素a含量的抑制作用均达到显著水平(P<0.05)。与对照相比，在各处理中百脉根和沙打旺叶绿素a含量影响均达到显著水平(P<0.05)。

2.6.2铁杆蒿对豆科牧草叶绿素b的影响由图3B可知，与对照相比，铁杆蒿枯落物对紫花苜蓿、红豆草、百脉根和沙打旺叶绿素b含量的影响总体上均呈现出随着枯落物浓度的增加，叶绿素b含量逐渐下降。与对照相比，30 g处理的紫花苜蓿的抑制作用不显著，60 g和90 g处理抑制作用达到显著水平(P<0.05)。与对照相比，铁杆蒿枯落物对红豆草叶绿素b含量在30 g时抑制作用不显著，60 g和90 g处理表现出显著的抑制作用(P<0.05)。与对照相比，在30 g、60 g和90 g处理中百脉根叶绿素b含量均呈现显著的抑制作用(P<0.05)。与对照相比，铁杆蒿枯落物在30 g和60 g时对沙打旺叶绿素b含量的抑制作用均不显著，90 g处理呈现出显著的抑制作用(P<0.05)。

图3 铁杆蒿枯落物对豆科牧草叶绿素的影响Fig.3 Effects of A. gmelinii litter extracts on chlorophyll contents of four legume forages

2.7 铁杆蒿枯落物对几种豆科牧草生理指标的化感作用

2.7.1几种针茅对铁杆蒿枯落物化感响应的各项生理指标的比较同一处理下，铁杆蒿枯落物对豆科牧草不同生理指标的化感作用不尽相同(表1)。30 g处理和60 g处理的紫花苜蓿除了SOD受到促进作用外，其余各项指标受到不同程度的抑制作用；90 g处理各项指标均受到抑制；其中SOD含量表现出低促高抑的效应，其余各项指标均随着枯落物含量的增加，抑制作用增强。30 g处理的红豆草除了两种叶绿素含量受到抑制外，其余的四种酶均受到显著的促进作用(P<0.05)；60 g处理除了CAT、MDA和SOD受到显著的促进(P<0.05)，其余各项指标受到不同程度的抑制；90 g处理除了SOD受到显著的促进(P<0.05)，其余指标含量均受到不同程度的抑制；红豆草CAT含量表现出低促高抑的效应，其余各项指标均随着枯落物含量增加抑制效应增强。在各处理中百脉根SOD含量均受到显著促进(P<0.05)，其中60 g处理的SOD含量最高；叶绿素a和叶绿素b均受到不同程度的抑制；CAT、MDA和SOD均在60 g处理中促进作用最显著(P<0.05)，其中MDA表现出低促高抑效应。沙打旺30 g处理除了两种叶绿素受到抑制外，其余各项指标均受到促进；60 g处理相对30 g处理受到抑制的指标增加了MDA，其余各项指标均受到不同程度的促进；90 g处理除了POD各项指标均受到不同程度的抑制；在不同处理中，沙打旺CAT和MDA含量均表现出低促高抑的效应，而SOD和两种叶绿素受到不同程度的抑制，POD受到不同程度的促进。

表1 铁杆蒿枯落物对四种豆科牧草六项生理指标的化感作用Table 1 Allelopathy effects of A. gmelinii on six physiological indexes of four legume forages

注：同列同一牧草的各指标中不同字母表示显著(P<0.05)

Note:The means of each forge in the same column followed by different letters are significantly different at the 0.05 level

2.7.2铁杆蒿枯落物对几种豆科牧草生理指标的综合化感效应由于单一指标反映铁杆蒿枯落物对针茅的化感作用具有一定的片面性，因此采用敏感指数对铁杆蒿枯落物的化感作用进行综合评价(图4)。30 g处理几种豆科牧草生理指标的综合化感效应CE强弱顺序为：沙打旺>紫花苜蓿>红豆草>百脉根；60 g处理为红豆草>紫花苜蓿>百脉根>沙打旺；90 g处理为红豆草>紫花苜蓿>沙打旺>百脉根。紫花苜蓿在不同处理中均受到抑制，随着枯落物含量的增加抑制作用增强，90 g处理相比其他枯落物浓度下的处理达到显著水平(P<0.05)；红豆草、百脉根和沙打旺的化感作用表现为低促高抑的效应；30 g处理下，红豆草、百脉根和沙打旺均表现为促进作用(P<0.05)；60 g处理下，红豆草受到显著抑制(P<0.05)，百脉根和沙打旺和其他的牧草相比受到显著的促进(P<0.05)。在30 g枯落物浓度时红豆草和沙打旺促进效应最强，在60 g时百脉根促进效应最强。

图4 铁杆蒿枯落物对几种豆科牧草的综合化感效应Fig.4 Comprehensive allelopathy effects of A.gmelinii litter extracs on four legume forages注：不同小写字母表示同一铁杆蒿枯落物浓度处理下不同牧草间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters inside the histogram indicate significant differences for different forges at the same concentration at the 0.05 level

3 讨论

在自然界中，多数水溶性化感物质主要通过雨水和雾滴等的淋溶而进入土壤对其它植株产生化感作用[19]。当化感物质在土壤中积累到一定程度时，就会影响邻近植物的种子萌发[20]。铁杆蒿枯落物浸提液对紫花苜蓿、红豆草，百脉根和沙打旺发芽率和发芽势的影响符合这一规律，呈现低促高抑效应(图1)。紫花苜蓿、百脉根和沙打旺在1 g·L-1的铁杆蒿枯落物浸提液处理中发芽率和发芽势达到最大值，红豆草在10 g·L-1的处理中发芽率和发芽势达到最大值。低质量浓度的铁杆蒿浸提液种子发芽率和发芽势高于对照，高质量浓度的处理发芽率和发芽势低于对照。此研究结果与Zhang等[21]在蕨麻(Potentillaanserine)提取物对中国北方草原植物圆柏(Juniperuschinensis)和冷蒿(Artemisiafrigida)的芽生长，以及王辉[22]用铁杆蒿浸提液处理本氏针茅、本氏针茅与百里香、百里香与大针茅研究结果基本一致，均显示出“低促高抑”作用。

叶绿素作为光合色素参与光合作用中光能的吸收、传递和转化，在植物光合作用中起着关键性的作用[23]。铁杆蒿可以通过影响植物叶绿素含量而影响植物光合作用，进而影响植物的物质积累。铁杆蒿枯落物浸提液对紫花苜蓿、红豆草、百脉根和沙打旺叶绿素a和叶绿素b的影响均呈现出随着枯落物浓度的增加而逐渐减少的趋势(图3)。根据Benvenuti[24]的研究，叶绿素含量减少，这可能是因为随着铁杆蒿枯落物浓度增加，铁杆蒿枯落物中的化学物质破坏了叶绿素造成的。

同一处理下，铁杆蒿枯落物对豆科牧草不同指标的化感作用不尽相同。各生理指标均受到显著的影响，这是因为铁杆蒿枯落物在分解释放次生谢物质的过程中，破坏了牧草的抗氧化酶系统，牧草细胞遭受了较严重的损害造成的[9,25]。但紫花苜蓿生理指标综合化感效应在不同处理中均受到抑制，随着枯落物含量的增加抑制作用增强；红豆草、百脉根和沙打旺的综合化感效应表现出低促高抑的效应(图4)。这是因为化感胁迫条件下植物会启动一种应激机制[26-27]。高质量浓度铁杆蒿浸提液使几种豆科牧草保护性酶活性显著降低，氧化胁迫诱导了牧草体内抗氧化能力的增加的适应性反应，但仅能够在一定受害程度内发挥作用，当牧草幼苗体内氧化产物累积到一定水平时，导致酶活性下降。MDA是生物膜系统脂质过氧化产物之一，其含量高低指示脂质过氧化强度和膜系统的伤害程度[28]。本实验中幼苗体内MDA含量的分析结果与各种保护性酶活性的分析结果相吻合。