雷威肖， 李 偉， 郭 梁， 程積民,*， 張 義， 鄭周敏， 趙 妮

(1. 西北農(nóng)林科技大學動物科技學院， 陜西 楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100；3. 中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

化感作用(Allelopathy)是指由植物或微生物通過向周圍環(huán)境中釋放次級代謝產(chǎn)物從而影響鄰近植物或微生物生長發(fā)育的化學生態(tài)防御機制[1]。植物枯落物在淋溶或分解過程中產(chǎn)生的化學物質(zhì)會直接或間接的影響種子萌發(fā)、幼苗生長、物種間相互作用，進而影響群落組成、結(jié)構(gòu)和功能[2-3]。植物間的化感效應(yīng)可能是有害的也可能是有益的，這取決于物種以及物種所處的環(huán)境差異[4-5]。深入認識物種以及物種與環(huán)境之間的互饋關(guān)系，充分利用化感物質(zhì)的正效應(yīng)，避免化感負效應(yīng)的發(fā)生，對于建立可持續(xù)草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有重要作用[6]。

鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)對其他植物的發(fā)芽、生長、酶和葉綠素等指標存在化感作用。王輝[7]等通過研究鐵桿蒿莖葉浸提液對鐵桿蒿草地4種優(yōu)勢植物，即百里香(Thymusmongolicus)、大針茅(Stipagrandis)、本氏針茅(Stipacapillata)和賴草Leymussecalinus)的種子萌發(fā)及幼苗生長的干擾，發(fā)現(xiàn)高濃度的鐵桿蒿甲醇浸提液和水浸提液使得百里香、大針茅、本氏針茅和賴草的種子發(fā)芽指數(shù)降低，發(fā)芽率、芽長和根長低于對照，種子平均發(fā)芽時間延長達1.13～2.16 d。劉金平[8]等以扁穗牛鞭草(Hemarthriacompressa)根1.5 g、莖1.5 g、葉1.5 g、根1 g及根0.5 g的浸出液為處理液，分別對紫云英(Astragalussinicus)、紫花苜蓿(Medicagosativa)種子進行處理，不同處理對紫云英和紫花苜蓿株高、根系長、根總長的作用差異極顯著(P<0.01)，但對側(cè)根數(shù)影響的差異不大。黃建貝等[9]通過土培實驗研究了核桃(Juglansregia)凋落葉分解對小麥(Triticumaestivum)生長及生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)核桃凋落葉分解過程中釋放的次生代謝物質(zhì)顯著抑制了小麥生長和生理特性。

總體而言，目前對于化感作用的研究從植物種類方面來看，主要為農(nóng)作物、森林植物、花卉、牧草、藥材及水生植物[10]。但關(guān)于牧草植物與蒿屬植物之間的化感作用研究報道很少，尤其對于優(yōu)良豆科牧草的化感作用研究甚少。豆科牧草是天然草原補播改良或建立人工草地所不可缺少的，其與禾本科牧草合理組合建成的混播草地可提供高產(chǎn)和營養(yǎng)全面的飼草，防止單一豆科牧草引起的家畜臌脹病[11]。豆科牧草粗蛋白的含量高于禾本科牧草粗蛋白的含量，不僅如此，豆科牧草的粗脂肪及可消化纖維含量也較高，營養(yǎng)平衡而全面，這對于正在發(fā)育、繁殖和生產(chǎn)的牲畜都是極為重要[12]。

鑒于此，本試驗選取黃土區(qū)天然草地演替時序中主要的建群植物鐵桿蒿，利用其枯落物對四種常見豆科牧草植物紫花苜蓿、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、百脈根(Lotusccorniculatus)和沙打旺(Astragalusadsurgens)進行室內(nèi)發(fā)芽試驗和盆栽實驗，測定種子萌發(fā)和幼苗生長的相關(guān)生理生態(tài)指標，研究鐵桿蒿對四種豆科植物的化感作用，以期為黃土區(qū)天然草地的保護和人工草地的建植提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

云霧山草原自然保護區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)固原市東北部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。

選取寧夏云霧山草原自然保護區(qū)的優(yōu)勢蒿屬植物鐵桿蒿為施體材料；選取不僅具有良好的水土保持作用，而且有綠肥作用和可供牲畜采食的優(yōu)良豆科牧草：紫花苜蓿、紅豆草、百脈根和沙打旺植物種子為受體。

1.2 樣品制備

2016年9月中旬于寧夏云霧山收集鐵桿蒿枯落物。將取回來的試驗樣品立刻去除非枯落物的外來物質(zhì)，因枯落物表面浮土較多，故將枯落物放入網(wǎng)眼為0.5 mm的尼龍篩里于清水中快速漂洗，置于室溫條件下陰干，然后將枯落物混合并粉碎后避光防潮貯藏備用。

1.3 發(fā)芽實驗

將枯落物提取液濃度設(shè)為100 g·L-1，10 g·L-1，1 g·L-1和0(對照)4個梯度[13]。以5 mL蒸餾水處理為對照，每個處理3個重復；將每個經(jīng)過高溫滅菌并鋪有濾紙的培養(yǎng)皿均勻擺放30粒受體種子，然后將培養(yǎng)皿置于25℃，相對濕度80%的無光照的人工氣候室內(nèi)催芽并定時補充稀釋液。于第4天開始每天光照12 h統(tǒng)計每天發(fā)芽數(shù)，然后分別計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率= (發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

發(fā)芽勢= (第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

1.4 土培實驗方法

在塑料盆中分別放置粉碎的鐵桿蒿0 g、30 g、60 g、90 g，然后每盆分別放8 kg土壤并混合均勻，每個處理設(shè)3個重復[9]；將經(jīng)過消毒的紫花苜蓿、紅豆草、沙打旺和百脈根種子分別種植30粒于25℃，相對濕度80%，光照為12 h的人工氣候室內(nèi)催芽；12 d后將幼苗移栽至相對應(yīng)塑料盆中后放于溫室中，每隔3 d澆一次水，并于20 d后定苗為4株；培養(yǎng)60 d后，分別對每個處理設(shè)3個重復測定葉綠素含量、過氧化氫酶(CAT)、丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)含量。CAT參照Cakmak和Marschner[14]的方法測定，MDA采用Zhou[15]等的方法測定，SOD的活性通過Giannopolitis and Ries[16]方法測定，POD活性測定參照愈創(chuàng)木酚法[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用種子萌發(fā)和幼苗生長中的發(fā)芽率、葉綠素含量、CAT、MDA、SOD和POD做評價指標，并使用最小顯著差數(shù)檢驗法(LSD)采用SPSS 21.0進行方差分析。

化感效應(yīng)指數(shù)(RI) 采用Williamson和Richardson等[18]的方法，RI= 1-C /T (當T≥C時) 或RI = T/C-1 (當T0為促進作用，RI<0為抑制作用，絕對值大小與作用強度一致)。化感綜合效應(yīng)CE用各處理下的葉綠素含量、CAT、MDA、SOD和POD化感效應(yīng)指數(shù)RI的算術(shù)平均值來表示，CE=(RI1+RI2+……+RIn)/n，式中：RI為化感指數(shù)；n為不同化感指標的個數(shù)。CE>0為促進，CE<0為抑制，且CE絕對值的大小與作用強度一致。

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵桿蒿浸提液對豆科牧草萌發(fā)的影響

如圖1A所示，鐵桿蒿枯落物水提液對紫花苜蓿、紅豆草，百脈根和沙打旺發(fā)芽率均呈現(xiàn)低促高抑效應(yīng)。和對照組相比，紫花苜蓿在鐵桿蒿枯落物水提液濃度為100 g·L-1時顯著降低了其發(fā)芽率(P<0.05)，而1 g·L-1和10 g·L-1濃度的鐵桿蒿枯落物水提液對其影響不顯著。分別用不同濃度鐵桿蒿枯落物水提液處理紅豆草，其發(fā)芽率均顯著提高(P<0.05)，且10 g·L-1的鐵桿蒿枯落物水提液濃度提高其發(fā)芽率效果最好。1 g·L-1濃度的鐵桿蒿枯落物水提液處理顯著提高了百脈根的發(fā)芽率(P<0.05)，而隨著鐵桿蒿枯落物水提液濃度的增加到10 g·L-1和100 g·L-1時，其發(fā)芽率顯著降低(P<0.05)。由圖1A中可以看出，鐵桿蒿枯落物水提液對沙打旺發(fā)芽率的影響變化趨勢和百脈根的一致，1 g·L-1的鐵桿蒿枯落物水提液顯著提高了其發(fā)芽率(P<0.05)，而在10 g·L-1和100 g·L-1處理中其發(fā)芽率顯著降低(P<0.05)。

如圖1B所示，鐵桿蒿浸提液對紫花苜蓿、紅豆草，百脈根和沙打旺的發(fā)芽勢影響與鐵桿蒿浸提液對這四種豆科牧草種子的發(fā)芽率影響類似。

圖1 鐵桿蒿浸提液對豆科牧草發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響Fig.1 Effects of extracts from A. gmelinii litter on germination rate and germination potential of four legume forages注：不同小寫字母間表示同一物種不同鐵桿蒿浸提液濃度間差異顯著(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 鐵桿蒿對豆科牧草MDA的影響

如圖2A所示，鐵桿蒿對豆科牧草MDA的化感作用不盡相同。和對照組相比較，紫花苜蓿的MDA的含量隨著鐵桿蒿枯落物含量的增加而降低。和對照組相比較，30 g的鐵桿蒿顯著提高了紅豆草的MDA含量(P<0.05)，而60 g的鐵桿蒿枯落物對紅豆草的MDA含量沒有影響，90 g的鐵桿蒿枯落物顯著降低了的MDA含量(P<0.05)。

和對照組相比較，只有60 g的鐵桿蒿枯落物顯著提高了百脈根的MDA含量(P<0.05)，而30和90 g的鐵桿蒿對百脈根的MDA含量影響不顯著。不同濃度的鐵桿蒿枯落物對沙打旺MDA的含量影響不同。30 g的處理能顯著提高其MDA含量(P<0.05)，而60 g和90 g處理均顯著降低了沙打旺的MDA含量(P<0.05)。

圖2 鐵桿蒿枯落物對豆科牧草MDA、POD、SOD、CAT的影響Fig.2 Effect of A. gmelinii litter extracts on MDA,POD,SOD and CAT of four legume forages

2.3 鐵桿蒿對豆科牧草POD的影響

由圖2B可知，鐵桿蒿枯落物對紫花苜蓿POD均有一定的抑制作用，但只有90 g的處理達到顯著水平；與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紅豆草POD表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)，30 g處理的促進作用不顯著，60 g和90 g處理抑制程度達到顯著水平(P<0.05)。與對照相比，鐵桿蒿枯落物對百脈根POD總體上表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)，30 g的處理有顯著的促進作用，其余處理均表現(xiàn)抑制作用，但不顯著。與對照組相比較，鐵桿蒿枯落物對沙打旺POD均表現(xiàn)出促進作用，但是在90 g的處理后促進作用明顯下降；30 g處理促進效應(yīng)不顯著，60 g和90 g處理均達到顯著水平(P<0.05)。

2.4 鐵桿蒿對豆科牧草SOD的影響

由圖2C可知，與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紫花苜蓿SOD的化感作用均不顯著。與對照相比，紅豆草各凋落葉處理SOD含量均顯著高于CK(P<0.05)，并隨著枯落物含量的增加呈現(xiàn)出增加的趨勢。與對照相比，各處理對百脈根SOD含量均表現(xiàn)出顯著的促進作用(P<0.05)，但90 g處理相對60 g處理促進作用下降。與對照相比，對沙打旺SOD含量隨著枯落物含量的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢，抑制作用均達到顯著水平(P<0.05)。

2.5 鐵桿蒿對豆科牧草CAT的影響

由圖2D可知，與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紫花苜蓿CAT的化感作用隨著枯落物量的增加呈現(xiàn)出顯著降低的趨勢(P<0.05)。與對照相比，30 g和60 g枯落物處理紅豆草CAT均有促進作用，且60 g處理CAT含量達到最高水平，90 g處理對紅豆草CAT影響不顯著。與對照相比，枯落物含量為60 g以下時，百脈根CAT含量隨著枯落物量增加而增加；枯落物含量為60 g以上時，隨著枯落物量增加呈現(xiàn)出下降的趨勢。與對照相比，鐵桿蒿枯落物對沙打旺CAT的化感作用表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)；30 g和60 g處理的促進作用均達到顯著水平(P<0.05)，而90 g處理呈現(xiàn)出顯著的抑制作用(P<0.05)，其中枯落物含量在60 g時CAT的含量最高。

2.6 鐵桿蒿對豆科牧草葉綠素的化感作用

2.6.1鐵桿蒿對豆科牧草葉綠素a的影響 由圖3A可知，與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紫花苜蓿、紅豆草、百脈根和沙打旺葉綠素a含量的影響總體上均呈現(xiàn)出隨著枯落物濃度的增加，葉綠素a含量逐漸下降。與對照相比，鐵桿蒿枯落物為30 g時對紫花苜蓿葉綠素a的含量影響的抑制作用不顯著，而60 g和90 g處理抑制作用均達到顯著水平(P<0.05)。與對照相比，鐵桿蒿枯落物含量為30 g、60 g和90 g時對紅豆草葉綠素a含量的抑制作用均達到顯著水平(P<0.05)。與對照相比，在各處理中百脈根和沙打旺葉綠素a含量影響均達到顯著水平(P<0.05)。

2.6.2鐵桿蒿對豆科牧草葉綠素b的影響 由圖3B可知，與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紫花苜蓿、紅豆草、百脈根和沙打旺葉綠素b含量的影響總體上均呈現(xiàn)出隨著枯落物濃度的增加，葉綠素b含量逐漸下降。與對照相比，30 g處理的紫花苜蓿的抑制作用不顯著，60 g和90 g處理抑制作用達到顯著水平(P<0.05)。與對照相比，鐵桿蒿枯落物對紅豆草葉綠素b含量在30 g時抑制作用不顯著，60 g和90 g處理表現(xiàn)出顯著的抑制作用(P<0.05)。與對照相比，在30 g、60 g和90 g處理中百脈根葉綠素b含量均呈現(xiàn)顯著的抑制作用(P<0.05)。與對照相比，鐵桿蒿枯落物在30 g和60 g時對沙打旺葉綠素b含量的抑制作用均不顯著，90 g處理呈現(xiàn)出顯著的抑制作用(P<0.05)。

圖3 鐵桿蒿枯落物對豆科牧草葉綠素的影響Fig.3 Effects of A. gmelinii litter extracts on chlorophyll contents of four legume forages

2.7 鐵桿蒿枯落物對幾種豆科牧草生理指標的化感作用

2.7.1幾種針茅對鐵桿蒿枯落物化感響應(yīng)的各項生理指標的比較 同一處理下，鐵桿蒿枯落物對豆科牧草不同生理指標的化感作用不盡相同(表1)。30 g處理和60 g處理的紫花苜蓿除了SOD受到促進作用外，其余各項指標受到不同程度的抑制作用；90 g處理各項指標均受到抑制；其中SOD含量表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)，其余各項指標均隨著枯落物含量的增加，抑制作用增強。30 g處理的紅豆草除了兩種葉綠素含量受到抑制外，其余的四種酶均受到顯著的促進作用(P<0.05)；60 g處理除了CAT、MDA和SOD受到顯著的促進(P<0.05)，其余各項指標受到不同程度的抑制；90 g處理除了SOD受到顯著的促進(P<0.05)，其余指標含量均受到不同程度的抑制；紅豆草CAT含量表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)，其余各項指標均隨著枯落物含量增加抑制效應(yīng)增強。在各處理中百脈根SOD含量均受到顯著促進(P<0.05)，其中60 g處理的SOD含量最高；葉綠素a和葉綠素b均受到不同程度的抑制；CAT、MDA和SOD均在60 g處理中促進作用最顯著(P<0.05)，其中MDA表現(xiàn)出低促高抑效應(yīng)。沙打旺30 g處理除了兩種葉綠素受到抑制外，其余各項指標均受到促進；60 g處理相對30 g處理受到抑制的指標增加了MDA，其余各項指標均受到不同程度的促進；90 g處理除了POD各項指標均受到不同程度的抑制；在不同處理中，沙打旺CAT和MDA含量均表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)，而SOD和兩種葉綠素受到不同程度的抑制，POD受到不同程度的促進。

表1 鐵桿蒿枯落物對四種豆科牧草六項生理指標的化感作用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標中不同字母表示顯著(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鐵桿蒿枯落物對幾種豆科牧草生理指標的綜合化感效應(yīng) 由于單一指標反映鐵桿蒿枯落物對針茅的化感作用具有一定的片面性，因此采用敏感指數(shù)對鐵桿蒿枯落物的化感作用進行綜合評價(圖4)。30 g處理幾種豆科牧草生理指標的綜合化感效應(yīng)CE強弱順序為：沙打旺>紫花苜蓿>紅豆草>百脈根；60 g處理為紅豆草>紫花苜蓿>百脈根>沙打旺；90 g處理為紅豆草>紫花苜蓿>沙打旺>百脈根。紫花苜蓿在不同處理中均受到抑制，隨著枯落物含量的增加抑制作用增強，90 g處理相比其他枯落物濃度下的處理達到顯著水平(P<0.05)；紅豆草、百脈根和沙打旺的化感作用表現(xiàn)為低促高抑的效應(yīng)；30 g處理下，紅豆草、百脈根和沙打旺均表現(xiàn)為促進作用(P<0.05)；60 g處理下，紅豆草受到顯著抑制(P<0.05)，百脈根和沙打旺和其他的牧草相比受到顯著的促進(P<0.05)。在30 g枯落物濃度時紅豆草和沙打旺促進效應(yīng)最強，在60 g時百脈根促進效應(yīng)最強。

圖4 鐵桿蒿枯落物對幾種豆科牧草的綜合化感效應(yīng)Fig.4 Comprehensive allelopathy effects of A.gmelinii litter extracs on four legume forages注：不同小寫字母表示同一鐵桿蒿枯落物濃度處理下不同牧草間差異顯著(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 討論

在自然界中，多數(shù)水溶性化感物質(zhì)主要通過雨水和霧滴等的淋溶而進入土壤對其它植株產(chǎn)生化感作用[19]。當化感物質(zhì)在土壤中積累到一定程度時，就會影響鄰近植物的種子萌發(fā)[20]。鐵桿蒿枯落物浸提液對紫花苜蓿、紅豆草，百脈根和沙打旺發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響符合這一規(guī)律，呈現(xiàn)低促高抑效應(yīng)(圖1)。紫花苜蓿、百脈根和沙打旺在1 g·L-1的鐵桿蒿枯落物浸提液處理中發(fā)芽率和發(fā)芽勢達到最大值，紅豆草在10 g·L-1的處理中發(fā)芽率和發(fā)芽勢達到最大值。低質(zhì)量濃度的鐵桿蒿浸提液種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢高于對照，高質(zhì)量濃度的處理發(fā)芽率和發(fā)芽勢低于對照。此研究結(jié)果與Zhang等[21]在蕨麻(Potentillaanserine)提取物對中國北方草原植物圓柏(Juniperuschinensis)和冷蒿(Artemisiafrigida)的芽生長，以及王輝[22]用鐵桿蒿浸提液處理本氏針茅、本氏針茅與百里香、百里香與大針茅研究結(jié)果基本一致，均顯示出“低促高抑”作用。

葉綠素作為光合色素參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，在植物光合作用中起著關(guān)鍵性的作用[23]。鐵桿蒿可以通過影響植物葉綠素含量而影響植物光合作用，進而影響植物的物質(zhì)積累。鐵桿蒿枯落物浸提液對紫花苜蓿、紅豆草、百脈根和沙打旺葉綠素a和葉綠素b的影響均呈現(xiàn)出隨著枯落物濃度的增加而逐漸減少的趨勢(圖3)。根據(jù)Benvenuti[24]的研究，葉綠素含量減少，這可能是因為隨著鐵桿蒿枯落物濃度增加，鐵桿蒿枯落物中的化學物質(zhì)破壞了葉綠素造成的。

同一處理下，鐵桿蒿枯落物對豆科牧草不同指標的化感作用不盡相同。各生理指標均受到顯著的影響，這是因為鐵桿蒿枯落物在分解釋放次生謝物質(zhì)的過程中，破壞了牧草的抗氧化酶系統(tǒng)，牧草細胞遭受了較嚴重的損害造成的[9,25]。但紫花苜蓿生理指標綜合化感效應(yīng)在不同處理中均受到抑制，隨著枯落物含量的增加抑制作用增強；紅豆草、百脈根和沙打旺的綜合化感效應(yīng)表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)(圖4)。這是因為化感脅迫條件下植物會啟動一種應(yīng)激機制[26-27]。高質(zhì)量濃度鐵桿蒿浸提液使幾種豆科牧草保護性酶活性顯著降低，氧化脅迫誘導了牧草體內(nèi)抗氧化能力的增加的適應(yīng)性反應(yīng)，但僅能夠在一定受害程度內(nèi)發(fā)揮作用，當牧草幼苗體內(nèi)氧化產(chǎn)物累積到一定水平時，導致酶活性下降。MDA是生物膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一，其含量高低指示脂質(zhì)過氧化強度和膜系統(tǒng)的傷害程度[28]。本實驗中幼苗體內(nèi)MDA含量的分析結(jié)果與各種保護性酶活性的分析結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

鐵桿蒿對這幾種豆科牧草的發(fā)芽率和發(fā)芽勢總體上均呈現(xiàn)“低質(zhì)量濃度促進，高質(zhì)量濃度抑制”的效應(yīng)；紫花苜蓿生理指標綜合化感效應(yīng)在不同處理中均受到抑制；紅豆草、百脈根和沙打旺的綜合化感效應(yīng)表現(xiàn)出低促高抑的效應(yīng)。

研究結(jié)果表明在有鐵桿蒿分布的草地不適合種植以及補播紫花苜蓿，而有適度鐵桿蒿分布有助于種植以及補播紅豆草、百脈根和沙打旺。但因自然條件和實驗條件有所不同，對于本研究結(jié)果的實際應(yīng)用，還需進一步驗證。