日本落叶松林凋落物对狗牙根、胡枝子种子萌发和幼苗生长的影响

施　妍， 陈芳清

(三峡大学生物与制药学院，湖北宜昌 443002)

日本落叶松(Larixkaempferi)是我国重要的外来树种，自其引入到鄂西地区以来，表现出良好的适应性和速生性[1]。外来优良树种的引进是林业生产建设和森林植被恢复方面的重要措施，但外来树种的引进对森林的物种多样性和养分循环具有重要的影响[2]。野外调查与相关研究显示，大老岭自然保护区日本落叶松的引种栽培对群落的物种多样性有重大的影响，群落内少有本地物种的定居和生长，且群落内的土壤微生物与多样性以及凋落物养分归还和土壤养分含量也受到影响[3-4]。

凋落物可以通过物理阻断和化感作用，抑制林下植物种子萌发而影响其更新[5]。针叶树种凋落的针叶和树皮通常是其化感作用的主要成分，开展其凋落物化感作用的研究对林分的天然更新和人工营林具有重要的意义[6]。由于种子萌发与幼苗生长是植物生活史中对外界条件反应最为敏感的阶段，化感作用的研究主要是通过观测受体植物种子萌发和幼苗生长对化感物质的响应来进行[7-8]。目前关于日本落叶松林物种多样性的研究尚不多见，是否是凋落物的化感作用导致其物种多样性低下也无定论。本研究选取该地区常见的林下草本植物狗牙根(Cynodondactylon)和灌木胡枝子(Lespedezaformosa)为研究对象，通过研究日本落叶松林凋落物水浸提液对该2种植物种子萌发和幼苗生长的影响，探讨外来物种日本落叶松凋落物潜在的化感作用，为日本落叶松林的管理提供科学参考。

1　材料与方法

1.1　研究样地

研究样地位于鄂西地区大老岭自然保护区(110°43′42″～111°22′2″E)，该地属亚热带湿润季风气候，区域气候具有明显的垂直气候梯度，土壤以红壤为主。选取海拔900～1 000 m，坡度22°～23°，坡向阳的日本落叶松林作为研究对象。日本落叶松林年龄为18～24年，林分郁闭度为0.6～0.7。

1.2　凋落物收集与水浸液制备

2014年5月在日本落叶松林收集自然凋落的新鲜凋落物，带回实验室后清除其他杂物，充分混匀，置于70 ℃下烘干至恒质量。称取50 g凋落物进行剪碎，加入装有500 mL蒸馏水的棕色瓶中，充分摇匀振荡，置于室温下暗处间歇振荡浸提48 h。浸提后以4 000 r/min离心15 min，取上清液，分别以定量滤纸和0.22 μm微孔滤膜过滤，得到浓度为100 g/L的无菌凋落物水浸提液，并以此为母液，以121 ℃灭菌 20 min 的去离子水配制不同浓度的凋落物水浸液。

1.3　种子萌发和幼苗生长试验

受体植物为林下草本植物狗牙根和灌木胡枝子，受体植物种子采集于2014年11月并置于4 ℃下保存至2015年5月。分别选取籽粒饱满、大小均一的2种植物种子，浸泡 24 h，以0.3%高锰酸钾溶液消毒30 min，以去离子水漂洗后用于萌发试验。采用培养皿滤纸法进行种子萌发试验，分别取50粒植物种子均匀地放于铺有2层滤纸的直径为9 cm的玻璃培养皿中作为1个试验单位。参照前人试验设计，并根据预备试验结果，本试验共设置0、12.5、25、50、100 g/L等5个处理水平，每个处理水平5个重复。将上述各浓度的凋落物水浸液加入到培养皿中至饱和状态为止，然后置于25 ℃、湿度80%、光照30 μmol/(m·s)8 h的人工气候箱中培养，每天记录各培养皿萌发种子的数量，并补充适量相应的凋落物水浸液以保持湿润。7 d后结束试验，测定幼苗胚芽和胚根长度，并对幼苗称质量。

1.4　数据处理

分别用萌发率和萌发(速率)指数来评价种子的萌发情况。萌发率=萌发种子总数/供试种子总数×100%；萌发指数GI=∑Gt/Dt，式中Gt为在td的萌发数，Dt为萌发天数。以化感效应敏感指数(RI)[9]评价凋落物水浸液对种子萌发和幼苗生长的化感作用，RI=T/C-1(T0为促进效应，RI<0为抑制效应，其数值大小反映化感作用的强弱。

采用SPSS 19.0对凋落物水浸液对日本落叶松种子萌发和幼苗生长的影响进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较分析(LSD)，置信水平为95%。

2　结果与分析

2.1　凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子种子萌发的影响

日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子种子萌发有着显著影响(表1)。凋落物水浸液对狗牙根种子萌发率和萌发指数随着处理浓度的增加呈现先促进后抑制的作用。在低浓度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)处理下，狗牙根种子的萌发率和萌发指数均显著高于对照组，其中25.0 g/L时达到最高值，萌发率、萌发指数分别为对照的1.14、1.15倍。但随着处理浓度的增加，狗牙根种子的萌发率、萌发指数显著下降，在100.0 g/L时处于最低值，萌发率和萌发指数分别为对照的0.71、0.69倍。而凋落物水浸液对胡枝子种子萌发率和萌发指数呈明显的抑制作用。随着处理浓度的增加，胡枝子种子的萌发率和萌发指数不断下降，在100.0 g/L时萌发率处于最低值，萌发率、萌发指数分别为对照的0.32、0.29倍。

表1　日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子种子萌发的影响

注：数据为“平均值±标准差”(n=5)。同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下表同。

以种子萌发率、萌发指数2个参数的RI值分析日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子种子萌发的化感作用，结果见图1。凋落物水浸液在低处理浓度(12.5、25.0 g/L)下促进狗牙根种子的萌发，其中25.0 g/L时促进作用最强(RI=0.29)；在高处理浓度(50.0、100.0 g/L)下则为抑制作用，其中100.0 g/L时抑制作用最强(RI=-0.35)。而凋落物水浸液抑制胡枝子种子的萌发，其中100.0 g/L时抑制作用最强(RI=-0.69)。

2.2　凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生长的影响

日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生长有显著影响(表2)。凋落物水浸液对狗牙根幼苗根长和茎长随着处理浓度的增加呈现先促进后抑制的作用。在低浓度凋落物水浸液(12.5、25.0 g/L)处理下，狗牙根幼苗根长、茎长均高于对照组，其中25.0 g/L时达到最高值，幼苗根长和茎长分别为对照的1.26、1.39倍。但随着处理浓度的增加，狗牙根幼苗根长、茎长开始下降，在100.0 g/L时处于最低值，分别为对照的0.47、0.60倍。而凋落物水浸液对胡枝子幼苗根长和茎长呈明显的抑制作用。随着处理浓度的增加，胡枝子幼苗根长、茎长开始下降，在100.0 g/L时处于最低值，幼苗根长、茎长分别为对照的0.45、0.56倍。

表2　日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生长的影响

以幼苗根长和茎长2个参数的RI值分析日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生长的化感作用，结果见图2。凋落物水浸液在低处理浓度下(12.5、25.0 g/L)促进狗牙根幼苗的生长，其中25.0 g/L时促进作用最强(RI=0.32)；在高处理浓度下(50.0、100.0 g/L)则为抑制作用，其中100.0 g/L时抑制作用最强(RI=-0.47)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生长，其中100.0 g/L时抑制作用最强(RI=-0.50)。

2.3　凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生物量的影响

日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生物量也有显著影响(图3)。日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根幼苗生物量随着处理浓度的增加也呈现先促进后抑制的作用。但在12.5、25.0、50.0 g/L处理下，狗牙根幼苗生物量均高于对照，分别为对照的1.09、1.29、1.19倍，但差异不显著；仅在100.0 g/L处理下，狗牙根幼苗生物量低于对照，为对照的0.65倍，差异显著。而日本落叶松林凋落物水浸液对胡枝子幼苗生物量呈明显的抑制作用，随着处理浓度的增加，胡枝子幼苗生物量开始下降。与对照相比，在12.5 g/L时差异不显著，其他处理浓度下均差异显著，在100.0 g/L时处于最低值，幼苗生物量为对照的0.65倍。

以幼苗生物量的RI值分析日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子幼苗生物量的化感作用，结果见图4。凋落物水浸液在12.5、25.0、50.0 g/L处理浓度下促进狗牙根幼苗的生物量，其中25.0 g/L时促进作用最强(RI=0.29)；在100.0 g/L处理浓度下则为抑制作用(RI=-0.34)。而凋落物水浸液抑制胡枝子幼苗的生长，其中100.0 g/L时抑制作用最强(RI=-0.35)。

3　讨论

种子萌发和幼苗建成是植物生活史的重要阶段，其对森林的物种分布、多样性和群落更新具有重要的影响，研究植物种子萌发与幼苗建成对外来物种凋落物的响应能有效揭示外来物种潜在的化感作用[10]。针叶树种凋落物长期向环境中所释放的大量次生代谢物质是导致天然针叶林生产力下降和群落物种多样性低下的主要原因[11]。其中，凋落物对种子萌发的影响主要在于其含有的化感物质与种子萌发过程中产生的不同代谢物质之间的相互作用[12]。本研究表明，日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根种子萌发的影响随着处理浓度的增加呈现先促进后抑制的规律，而对胡枝子种子萌发的影响则随处理浓度的增加呈明显的抑制作用。陈立新等在对红松凋落物和土壤浸提液对红松种子萌发影响的研究中也发现了类似的规律，高浓度的凋落物和土壤浸提液对红松种子的萌发有显著的抑制作用，但随着浓度的降低，抑制作用减弱，甚至消失或者转变为促进作用[13]。灌木胡枝子种子萌发对日本落叶松凋落物的化感响应要强于狗牙根，说明不同林下植物种子萌发对化感物质的耐受阈值有着明显的差异[14-15]。

凋落物既可作为营养物质促进其他植物幼苗的生长，又可因化感物质的累积而抑制其他植物幼苗的生长，但不同植物种类间仍存在一定的差异[16]。在本研究中，日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根和胡枝子幼苗的影响与种子萌发的趋势相似，狗牙根幼苗的根长和茎长只有在高浓度处理下才会受到抑制，而胡枝子在处理一开始就受到了抑制。凋落物水浸液对2种植物根长的抑制作用均强于茎长，可能的原因在于受体植物幼苗的根部先与凋落物水浸液中的化感物质相接触，化感物质破坏了根系细胞膜，因此可能对幼苗根部的影响较大[17]。结合不同浓度下促进/抑制化感作用响应指数的变化来看，胡枝子幼苗生长对日本落叶松凋落物的化感响应也要强于狗牙根。低浓度凋落物水浸液处理下对狗牙根幼苗生长的促进作用强度要高于种子萌发，在高浓度下则相反；此外，胡枝子幼苗生长的抑制效应要低于种子萌发的抑制效应。这说明在植物生长发育的不同阶段，同样的化感物质对其影响有着很大的差别，一般来说萌发阶段最易受化感作用的影响，而幼苗生长阶段稍弱[18]。

植物的生物量主要取决于其与周围生境的营养物质交换循环和限制因子的限制程度[19]。本研究中，狗牙根和胡枝子幼苗生物量对日本落叶松凋落物的化感响应有着明显的差别，且狗牙根和胡枝子幼苗生物量对日本落叶松凋落物的化感响应要小于种子萌发和幼苗生长，其中在低浓度处理下狗牙根生物量显著增加，而胡枝子生物量的下降不显著。刘忠玲等对落叶松与白桦的种间化感作用进行了研究，结果发现，落叶松叶水浸液对白桦幼苗生物量有一定的促进作用，与其对种子萌发和幼苗生长上的抑制作用有着明显的区别[20]。以上结果说明植物有自身的保护机制，在幼苗初始生长期间，种子自身携带的营养物质能在很大程度上维持其生长，并减轻化感物质的危害，同时凋落物水浸液能为幼苗的生长提供营养[21]。

4　结论

日本落叶松林凋落物水浸液对狗牙根、胡枝子的种子萌发率、萌发指数和幼苗的根长、茎长和生物量有着显著影响，其中狗牙根随着处理浓度的增加各试验指标呈现先促进后抑制的作用，胡枝子的各试验指标随处理浓度增加呈明显的受抑制作用。相对而言，胡枝子种子萌发与幼苗生长对日本落叶松凋落物的化感响应强于狗牙根。种子萌发和幼苗建成是植物生活史的重要阶段，日本落叶松林凋落物中的化感物质和营养物质与种子萌发、幼苗生长过程中产生的不同代谢物质之间进行相互作用，从而产生促进/抑制化感作用。日本落叶松林凋落物中的化感物质对狗牙根和胡枝子的种子萌发和幼苗生长存在一定的化感效应，其中对胡枝子的影响要强于狗牙根。凋落物的化感作用是影响日本落叶松林物种多样性的关键因素之一，在今后的日本落叶松营林管理中可通过间伐等方式来减少日本落叶松的化感作用和荫蔽作用，促进其他物种的定居与林分更新。

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