贾梅花，王 哲，刘金福＊，晋梦然，何中声＊，邢 聪，施友文，沈彩霞

(1. 福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2. 福建农林大学 海峡自然保护区研究中心，福建 福州 350002；3. 生态与资源统计福建省高校重点实验室，福建 福州 350002；4. 扶风七星河国家湿地公园，陕西 扶风 722200；5. 三明莘口格氏栲自然保护区管理站，福建 三明 365000)

格氏栲（Castanopsis kawakamiiHay.）是壳斗科（Fagaceae）常绿高大乔木，是国家林业局《中国主要栽培珍贵树种参考名录（2017 年版）》树种之一，也是福建省珍稀野生植物保护工程重要目标树种[1]。在福建三明有约700 hm2以格氏栲为优势种的天然林[1]。近年来，格氏栲天然林冠层断层现象明显，林窗数量增多，幼苗天然更新能力弱，种群老龄化现象严重，加之病虫鼠害和人为干扰，导致格氏栲种群受到严重威胁[2]。格氏栲林内，伴生树种幼苗较多，格氏栲实生幼苗相对较少，相关研究表明格氏栲凋落物浸提液对其自身种子萌发具有抑制效应[3]，抑制格氏栲幼苗更新，从而增加了伴生树种如：马尾松（Pinus massonianaLamb.）、米槠（C.carlesii(Hemsl.) Hay.）和木荷（Schima superbaGardn. et Champ.）等的多度[4]，使整个群落正向物种丰富、组成复杂的方向演变。

密度制约效应在热带森林、亚热带森林及部分温带森林普遍存在[5]，主要通过提高优势种和近缘种死亡率或降低物种生长速率，间接为其他伴生物种提供空间和资源，促进物种共存[6-7]。当同种个体之间面临有害生物对植物侵害或资源空间缺乏时[8]，物种通过次生代谢为媒介的化学手段（化感作用）分泌化学物质，抑制邻体物种生长，满足自身生长需求[8]。化感物质主要包括酚类、萜类、生物碱等，通过挥发、雨雾淋溶、植物残体或凋落物腐解、植物根系分泌等途径释放[9]，其中以凋落物为主产生的化感作用备受关注[9-10]。凋落物是养分循环中连接植物与环境的“纽带”，在生物和非生物作用下，通过释放大量矿物质养分归还到土壤，供绿色植物吸收利用，同时释放化感物质，影响自身及其他植物，进而改变群落结构和布局[10]。

种子是植物生长周期中重要阶段，对个体繁殖、种群扩散和群落结构组成具有重要意义，种子萌发和胚根生长是植物对环境生态因子反应最为敏感阶段，反映其天然更新能力和竞争能力[11]。考虑到化感作用是导致密度制约效应主要原因之一[6]，而格氏栲受到自毒作用[3]，有可能产生密度制约效应[7]，为伴生种生长发育提供了资源和空间。为此，通过探讨格氏栲天然林不同凋落物浸提液对主要伴生种马尾松种子萌发和胚根生长的影响，验证格氏栲天然林凋落物对马尾松的影响，为未来格氏栲群落演替方向提供科学依据。

1 研究区概况

格氏栲自然保护区位于福建三明武夷山东支脉地带，属于典型低山丘陵地貌区，中心地理坐标26°10′ N，117°27′ E，海拔高度在200～600 m，属典型亚热带季风性气候，年平均气温为19.5℃，年平均降水量约1 500 mm，年均空气相对湿度79%。凋落物层较厚，土壤以红壤土或暗红壤土为主。天然林林冠层呈波浪状，平均树高15 m 左右，平均胸径约30 cm，郁闭度高达0.8。乔木层主要有格氏栲、马尾松、木荷、桂北木姜子（Litsea subcoriaceaYang et P. H. Huang）、杉木（Cunninghamia lanceolate(Lamb.) Hook.）和甜槠（C.eyrie(Champ.) Tutch.）等。灌木层主要有黄绒润楠（Machilus grijsiiHance）、狗骨柴（Diplospora dubia(Lindl.) Masam.）和赤楠（Syzygium buxifoliumHook. et Ar.n.）；草本层植物有山姜（Alpinia japonica(Thunb.) Miq.）、黑莎草（Gahnia tristisNees）和狗脊（Woodwardia japonica(L. f.) Sm.）等。层间植物有飞龙掌血（Toddalia asiatica(L.)Lam.）、藤黄檀（Dalbergia hancai）和香花崖豆藤（Millettia dielsianaHarms）等[12-13]。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

2018 年3 月在格氏栲自然保护区选择10 块固定样地，于每块样地按东、南、西、北、中5 个方位收集凋落物。收集时按未分解层（新鲜凋落物叶，颜色变化不明显，质地坚硬，外表无分解痕迹）、半分解层（颜色变黑，无完整外观轮廓，多数凋落物已粉碎，混合凋落物）及全分解层（被分解成琐屑叶肉已不能辨识原形，混合凋落物）3 个层次分层取样[14]。11—12 月份，待马尾松结实盛期，江西吉安、鹰潭合作林场收集落地的第二代马尾松良种，脱粒并筛选种子约1.5 kg，存于4℃冰箱中备用。

2.2 试验方法及测定

2.2.1 浸提液制备 基于Inderjit 和刘艳会等研究[15-16]，将收集的格氏栲天然林凋落物烘干粉碎至1～2 cm，按1 g·5 mL−1（1 g 干物质中加入5 mL蒸馏水）比例配制，常温下浸泡48 h，用干净纱布过滤，滤液再经真空泵过滤后，得到1∶5 浓度液体。考虑到野外大部分凋落物处于未被浸提状态，结合国内外相关研究方法[17-19]，将1∶5 稀释成1∶10、1∶30、1∶50、1∶100 的不同浓度浸提液，分装、标记并密封保存，存于4℃冰箱中备用。

2.2.2 种子发芽实验 挑选大小均匀、饱满的马尾松种子，冲洗，消毒，再反复冲洗后浸种24 h，去除浮于水面种子，其余均匀地放置在已消毒的双层滤纸覆盖培养皿中，每个培养皿放100 颗种子，再将格氏栲天然林不同分解层-浓度凋落物浸提液加入培养皿中，每个培养皿加入10 mL 浸提液，每个处理重复3 次，并设3 个空白组做对照（加入蒸馏水）。参照格氏栲天然林空气温湿度，将其置于25℃光反应和20℃暗反应培养箱中循环培养12 h，光照强度为50 μmol·(cm2·s)−1[20]，相对湿度70%～80%。每天补充等量相应浓度的浸提液（对照组补充蒸馏水），使滤纸保持湿润状态。

2.2.3 测定方法 从安置种子当天开始，以胚根露出种皮1～2 mm 为标准[21]，逐日记录发芽种子数和腐烂种子数，待种子发芽盛期，从不同浓度培养皿中选20 粒胚根长度基本一致的种子，测量胚根长度并记录。连续3 天种子发芽数不变时；结束发芽实验，胚根生长量基本不变时，结束胚根实验。计算种子发芽率、发芽势、发芽指数和化感效应指数[22-23]。

各项指标计算公式如下：

发芽率（%）=（发芽种子数/供试种子总数）× 100%；

发芽势（%）=日平均发芽数达到最高那一天为止正常发芽种子数/供试种子总数 × 100%；

注：Dt为发芽日数，Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数。

化感指数RI= 1−C/T（当T≥C时），或RI=T/C−1（当T

注：C为对照值，T为处理值，RI< 0 表示抑制作用，RI> 0 表示促进作用，RI绝对值大小与化感作用强度一致。

2.3 数据处理

用Microsoft Excel 2019 对实验数据进行基本计算并绘图，采用SPSS v24 统计软件对实验数据进行统计分析。利用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验不同分解层及浓度对种子萌发的影响；用重复测量方差分析（Repeated-measures ANOVA）检验分解层-浓度-时间对胚根生长的影响；用Duncan 检验不同分解层对种子萌发及不同浓度对胚根生长各处理间显著差异性；用对应分析（Correspondence analysis）衡量马尾松种子发芽指标和胚根生长在不同分解层-浓度凋落物浸提液浓度各水平之间内在联系，浓度与分解层之间距离越近，化感作用越小；反之化感作用越大[24]。

3 结果分析

3.1 不同分解层-浓度凋落物浸提液对马尾松种子萌发的影响

格氏栲凋落物不同分解层对马尾松种子发芽率、发芽势和发芽指数呈极显著性差异；凋落物浓度及其分解层对马尾松种子萌发没有显著影响（表1），影响马尾松种子萌发的主要影响因子是凋落物分解层。为此，针对不同分解层处理下进一步分析马尾松种子发芽指标（表2），与空白对照相比，未分解层和全分解层对马尾松种子发芽率、发芽势、发芽指数没有显著差异性，半分解层对其发芽率和发芽指数具有显著抑制作用，对发芽势具有显著促进作用。

表1 分解层-浓度对马尾松种子发芽指标的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of decomposition layer -concentration on seeds germination index of P.massoniana

表2 不同分解层对马尾松种子发芽指标的平均值与多重比较Table 2 Average and multiple comparison of seeds germination indices of P.massoniana in different decomposition layer

不同分解层-浓度凋落物浸提液对马尾松种子发芽指标无显著相关性（图1）。未分解浸提液浓度为1∶100 时，对马尾松种子各发芽指标化感作用较小，1∶5 时对其化感作用最大。半分解层浓度为1∶50 和1∶30 时对发芽率化感作用较弱，1∶5 时化感作用较强，浓度为1∶5 和1∶10 对发芽势和发芽指数化感作用较弱，1∶50 时化感作用较强。全分解层对发芽率在1∶5 和1∶10 时化感作用较弱，1∶100 时化感作用较强，对发芽势与发芽指数除1∶50 有较强的化感作用外其他浓度化感作用均相对较小。

图1 不同分解层-浓度对马尾松种子发芽指标的对应分析Fig.1 Correspondence analysis of decomposition layer -concentration the seeds germination index of P.massoniana

3.2 不同分解层-浓度凋落物浸提液对马尾松胚根生长的影响

分解层、时间与分解层的交互作用、时间与浓度的交互作用及时间与分解层和浓度的交互作用对胚根生长无明显差异，浓度效应、时间效应和浓度与分解层的交互作用对其有明显差异（表3）。结果表明影响胚根生长的主效应是浓度、时间及分解层与浓度的交互作用。

表3 分解层-浓度-时间对马尾松种子胚根生长的重复测量方差分析Table 3 Repeated-measures ANOVA of decomposition layer-concentration-time on the seeds radicle growth seed of P.massoniana

未分解除1∶5 浓度呈显著抑制作用外（P<0.05），其他浓度处理组对胚根生长均呈促进作用，随着浓度降低促进作用增强，浓度为1∶100 时，具有显著促进作用（图2）；胚根生长随时间变化在不同时期表现不同，1：5 和1：30 在整个胚根生长期化感强度先增加后降低的趋势，1：10、1：50 和1：100 则相反，浓度为1：5 和1：100 在整个胚根生长期化感强度较大，且1：5 抑制，1：100 为促进作用（表4）。

图2 未分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根生长的影响Fig.2 Effects of different concentrations of litter extracts of undecomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表4 未分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根长度化感指数的影响Table 4 Effects of different concentrations of litter extracts of undecomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seed radicle length

随浓度变化，半分解层对马尾松胚根生长浓度在1∶5 和1∶100 时，具有显著促进作用（P<0.05），浓度为1∶10、1∶30 和1∶50 时，具有显著抑制作用（图3）；随时间变化，浓度为1∶5 和1∶100 时，胚根生长化感强度减小，浓度为1∶10、1∶50 和1∶30 时，其化感强度先增大后减小或保持不变（表5）。可见，半分解层对马尾松胚根生长总体呈高低浓度促进，中浓度抑制。

随浓度变化，全分解层浓度为1∶5 时，对胚根生长具有显著促进作用（P< 0.05），其他浓度处理总体上对其生长具有促进作用（图4）；随时间变化，化感作用强度无规律变化，浓度为1∶10 和1∶50 时前期和后期化感作用强度的变化小（表6）。表明全分解层对胚根生长影响总体呈现促进作用，且随浓度降低促进作用减弱或保持不变。

凋落物浸提液对马尾松种子胚根生长的综合影响（图5）。不同分解层-浓度凋落物浸提液对马尾松种子胚根生长影响具有显著相关性。未分解层对马尾松种子胚根生长在前、中、后、末4 个时期在1∶5 浓度的化感作用较强，1∶50 和1∶10 时化感作用较弱；半分解层对其种子胚根生长前期化感作用在1∶5 时较弱，其他浓度组较强，中、后、末期时，化感作用在1∶5 和1∶100 时化感作用较弱，其他浓度组较强；前期，全分解层对其种子胚根生长除1∶5 浓度具有较强化感作用外，其他浓度组化感作用均相对弱，中、后、末期时，除1∶100 浓度具有较强的化感作用外，其他浓度化感作用均相对弱。

图3 半分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根生长的影响Fig.3 Effects of different concentrations of litter extracts of semi-decomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表5 半分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根长度化感效应指数的影响Table 5 Effects of different concentrations of litter extracts of semi-decomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seeds radicle length

4 讨论

凋落物分解是森林生态系统化学循环的主要环节之一，对群落组成及分布具有重要作用[25]。研究表明不同分解层凋落物浸提液对马尾松种子发芽指标呈极显著性差异，而浓度、浓度与分解层的交互作用不显著，表明影响马尾松种子萌发萌发的主要因素是凋落物分解层，可能与凋落物在不同分解层所产生化感效应有所差异有关[26]。不同分解层凋落物浸提液对马尾松种子发芽指标总体呈抑制作用：未、全分解层浸提液对马尾松种子发芽指标无显著作用，半分解层对其种子发芽率和发芽指数呈显著抑制作用，对发芽势呈显著促进作用，有可能在于未分解层化感物质积累少，全分解层部分化感物质已被分解，对马尾松种子发芽无显著影响。随半分解层化感物质不断积累，种子受到胁迫，呼吸作用增强，三磷酸腺苷（ATP）中高能键活跃，线粒体内膜活力强，代谢速率加快，促进种子活力强度[27-28]，种子对化感强度有一定的承受范围，超过临界值发芽之前，已发生劣变[29]，促进了种子发芽势，抑制发芽率和发芽指数。

图4 全分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根生长的影响Fig.4 Effects of different concentrations of litter extracts of fully decomposed layer on the radicle growth of P.massoniana seeds

表6 全分解层凋落物浸提液不同浓度对马尾松种子胚根长度化感效应指数的影响Table 6 Effects of different concentrations of litter extracts of fully decomposed layer on the allelopathy index of P.massoniana seed radicle length

不同分解层凋落物浸提液对马尾 松种子萌发作用较弱，低浓度浸提液对胚根生长有促进作用。浓度、时间及分解层与浓度的交互作用是影响马尾松种子胚根生长主要因素。不同分解层对胚根生长在低浓度为促进作用：（1）除1∶5 浓度呈显著抑制作用外，未分解层对马尾松种子胚根生长影响，随浓度降低促进作用增强，高浓度下化感物质积累过多，细胞器被破坏，影响植物对水分吸收利用[30]，抑制胚根生长。低浓度浸提液作为一种防御机制刺激幼苗初步发展，增加种子细胞分裂和组织的敏感性，在一定程度上促进胚根生长[31]，与陈立新等研究得出高浓度浸提液抑制红松（P.koraiensisSieb.Et Zucc.）种子萌发与胚根生长结果一致[32]。（2）半分解层对马尾松胚根长度影响总体呈低高浓度促进，中间浓度抑制，马尾松发芽周期短，胚根在低或高浓度浸提液提取物刺激下，利用胚根储存营养物质，削弱化感作用的影响[31]。中间浓度有害物质积累多，影响受体细胞分裂和伸长，细胞排列紊乱，细胞器被破坏[33-34]，抑制马尾松胚根生长。（3）全分解层对胚根生长影响总体呈现促进趋势，随浓度升高促进作用增强，可能与生物活性浓度对化感物质毒性的影响有关[35]。全分解层凋落物受土壤微生物等影响较大，部分化感物质被分解，降低其化感物质活性[36]，促进胚根生长。胚根生长前中期，凋落物中营养物质和化感物质含量积累，呼吸作用增强，细胞内蛋白质活性增强，代谢速率加快，根尖分生区细胞分裂速度加快[28]，使表现出化感强度的增强和降低。后、末期时，化感物质和营养物质不断积累，升高到一定量时，化感物质之间或与营养物质之间，随时间氧化分解使其化感物质浓度减小[37]，化感强度随之减小。

图5 不同分解层-浓度在不同时期对马尾松种子胚根生长的对应分析Fig.5 Correspondence analysis of different decomposition layers-concentration on the radicle growth of P.massoniana in different periods

对应分析表明分解层与浓度对种子发芽无显著相关性，对胚根生长具有极显著相关性，说明凋落物化感作用更明显作用于种子胚根生长，马尾松种子由于种皮包裹，对化感物质起到一定程度上阻碍作用，胚根根尖直接接触化感物质，使化感作用在胚根生长过程中更明显[36]。

化感效应在植物种子萌发和幼苗生长阶段具有重要作用[38]。凋落物化感物质抑制种子萌发与幼苗生长[39]，进而产生密度制约效应，抑制自身种子萌发和幼苗生长发育，为马尾松等部分伴生种的生存提供空间和资源，而天然林凋落物浸提液对马尾松种子萌发和胚根生长在一定程度上具有促进作用，进一步表明整个群落正向物种丰富组成的复杂方向演变。

5 结论

不同分解层凋落物浸提液对马尾松种子萌发总体呈抑制作用；不同分解层在不同浓度下对胚根生长存在差异性，低浓度浸提液对胚根生长有促进作用，高浓度浸提液对胚根生长在未分解层浸提液有抑制作用，而在半分解和全分解浸提液具有促进作用，凋落物化感作用更明显作用于胚根生长。在气候变暖和区域干旱化的背景下，格氏栲天然林生境可能面对威胁，结合林下伴生树种幼苗和格氏栲幼苗生长监测、化感物质提取和测定，有望进一步评估格氏栲天然林下树种的生长策略和适应性。