芦苇抑制植物扩散的化感潜力研究范文

《生态科学杂志》2015年第六期

【摘要】

为评估湿地芦苇植物通过化感抑制非芦苇湿地植物扩散的能力,运用实验室生物活性测试的方法,比较了杭州湾湿地围垦区芦苇(Phragmitesaustralis)与其他6种主要禾本科植物的化感潜力。以加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)、田菁(Sesbaniacannabina)、小飞蓬(Conyzacanadensis)和苣荬菜(Sonchusbrachyotus)等研究区域扩散植物种为受体,研究了芦苇水提取液对上述物种种子萌发影响。结果表明:(1)除白茅(Imperatacylindrical)外,7种本地禾本科植物水提液浓度(0—2.50g•100mL–1)均和萝卜幼苗胚根长呈极显著的负相关(p<0.001);芦苇具有较强的化感潜力;(2)芦苇根、茎和叶水提液(0、2.5、5.0、10.0g•100mL–1)作用下,不同物种和不同浓度处理下种子萌发指数差异显著(p<0.001),其中加拿大一枝黄花、苣荬菜和小飞蓬3种植物对芦苇水提液较为敏感,而田菁敏感程度较弱。种子萌发指数表现出低浓度(2.5g•100mL–1)促进和高浓度(5.0g•100mL–1和10.0g•100mL–1)抑制的“低促高抑”效应特征。除田菁外,种子胚根长一般随浓度增加而降低。芦苇不同组织部位水提液对4种植物抑制程度按大小依次为叶>茎>根,叶片可能是芦苇化感物质主要来源。芦苇具有较强的化感潜力,其化感作用可能是抑制其他植物扩散的重要机制之一。

关键词：

化感潜力;芦苇群落;生态修复

1前言

芦苇(Phragmitesaustralis)是中国滨海常见优势种之一,从渤海盘锦湿地[1]到南海的澳门路氹湿地[2]都有广泛分布。芦苇湿地具有固碳减排[3]、维持生物多样性[4]和水质净化[5]等重要的生态系统服务功能,然而近年来,随着湿地围垦开发利用、污染和费芦苇湿地物种入侵等干扰加剧,不少芦苇湿地呈现萎缩退化的趋势[6],因此如何快速恢复退化的芦苇湿地是湿地生态保育必须解决的技术和科学问题。为了快速恢复芦苇湿地,除了需要进行必要的水文等环境条件控制[7]以外,主要依赖于芦苇的自身繁殖和更新和竞争能力。芦苇是一种根茎型禾草,其无性繁殖力很强,天然种群以根茎繁殖补充更新,具有很强的抗逆性和生存竞争能力,常形成单优群落或双优群落[8],但是其抑制其他植物入侵的机理尚不完全清楚。研究者在以芦苇群落为土著植被的杭州湾南岸滩涂湿地围垦区进行生物多样性展开持续的监测,发现加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis,简称为黄花,下同)、小飞蓬(Conyzacanadensis)、田菁(Sesbaniacannabina)和苣荬菜(Sonchusbrachyotus)等植物有不断蔓延的趋势,但是单优的芦苇群落能够保持相对稳定,对非芦苇群落植物入侵具有一定的抵御能力。前期研究表明,在杭州湾湿地围垦区,芦苇群落能降低入侵阶段黄花的平均密度至黄花单优群落的25%,平均株高降至黄花单优群落的90%;光竞争可能是芦苇抑制黄花生长的重要机制[9]。除了资源竞争[10],化感作用是植物种间相互作用的重要方式[11],芦苇可以通过大量的凋落物(在杭州湾湿地围垦区芦苇群落累积的地上部分凋落物可达904—1283g•m–2)分解,地上部分淋溶以及根系分泌物等形式释放化感物质,抑制其他植物生长,因此,化感作用也可能是芦苇抑制其他植物入侵的机理之一。国内外研究也表明芦苇具有较强的化感潜力,它对互花米草(Spartinaalternifla)、虉草(Phalarisarundinacea)和黄花等植物有不同程度的化感作用[12–16],因此,杭州湾湿地区单优芦苇群落能够保持长期稳定是否与其较强的化感作用有关,芦苇是否具备通过化感抑制来抵御其他植物的入侵的能力[17]等问题需要展开深入研究。本文比较了杭州湾湿地围垦区主要禾本科植物的化感潜力,并分别以芦苇根、茎、叶为化感供体材料,以蒸馏水浸泡提取水提液,测定了芦苇对杭州湾湿地围垦区内4种处于扩张阶段的植物物种黄花、田菁、小飞蓬和苣荬菜的种子萌发的影响,旨在明确芦苇的化感作用是否也是其抑制其他物种扩散的机制之一,为筛选具有较强化感潜力的土著物种,快速恢复退化的芦苇湿地提供依据。黄花和小飞蓬是国内广泛分布的外来入侵种,田菁和苣荬菜虽然不是中国的外来物种,但是它们是人为引进杭州湾湿地围垦区,其扩散特性和外来种具有较大的相似性,因此本研究中和外来物种一起作为芦苇的化感作用受体一起研究。

2材料和方法

2.1研究区域概况研究区位于杭州湾国家湿地公园生态保育区内(121°09’58”E,30°19’29”N),属北亚热带海洋性季风气候区,年均气温为16℃,降水量为1273mm,日照时数为2038h,无霜期为244d,所研究区域内主要的优势植被是由滨海盐沼植被演替而来的中生禾草植被,主要的群落类型是处于演替早期的单优势种的草本群落,分别为白茅(Imperatacylindrica)、芦苇、束尾草(Phaceluruslatifolius)和加拿大一只黄花群落,植物群落较少受到人为干扰,物种多样性较低,多为单优群落,主要伴生物种有野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)、黄花草木犀(Melilotusofficinalis)、苣荬菜、田菁和小飞蓬等。

2.2不同禾本科植物化感潜力比较

2.2.1材料实验材料为杭州湾湿地围垦区主要禾本科植物种:狗牙根(Cynodondactylon)、芦苇、白茅、拂子茅(Calamagrostisepigeios)、束尾草、荻(Miscanthussacchariflus)、狗尾草(ariaviridis)和芦竹(Arundodonax),于9月初采集上述植物叶片,每种植物至少采集10株以上健康植株。采集地为宁波杭州湾国家湿地公园的生态保育区。

2.2.2叶水提液制备和种子萌发实验将所采集的每种植物的叶片混匀,清水洗净后风干,用剪刀将叶剪成3mm的小段,水提液按2.50g•100mL–1的比例用蒸馏水制备,在培养箱中25℃中震荡提取(80rm•min-1)24h,提取结束后4层纱布过滤,再分别稀释为0.00、0.25、0.50、0.75、1.0、1.25、1.50、1.75、2.00、2.25和2.50g•100mL–1的提取液,于4℃冷藏备用。以化感作用研究中常用物种萝卜(Raphanussativus)为受试对象,因此设定的浓度范围参考相关研究报道[18]。

2.2.3种子萌发试验采用培养皿滤纸法[19–20],采用直径90mm培养皿,铺2层滤纸。挑选30粒籽粒饱满、大小均一的萝卜种子,均匀分布在皿内,加入5mL上述各浓度水提液,以蒸馏水为对照,每个处理3次重复,置于人工智能培养箱中恒温保湿光照培养:温度25℃、相对湿度75%、光照12h/黑暗12h。以胚根或胚芽突破种皮为种子萌发标准,第4天统计发芽种子的数量,并随机选取7株测定其胚根长,计算其平均值。

2.2.4数据分析计算每个浓度水提液处理后的3个重复的胚根长的平均值。不同物种叶水提液处理萝卜种子后,发现萝卜幼苗胚根长度和水提液浓度之间都具有显著的线性回归关系(见结果部分),因此以叶水提液浓度为自变量,以不同种类植物叶浸液处理后萝卜幼苗胚根长为因变量,建立胚根长对叶水提液浓度的一元线性回归方程。其中y为胚根长度,x为水提液浓度,a和b是回归系数。用SPSS16.0检验各物种回归方程和回归系数的显著性。图1以芦苇叶水提液为例,说明萝卜胚根长和水提液浓度之间的回归分析方法。以回归方程的斜率b和2.50g•100mL–1叶水提液处理对胚根长的抑制率作为各物种化感潜力的评价指标。

2.3芦苇不同器官化感潜力研究

2.3.1材料化感供体材料为芦苇,化感受体材料为黄花、田菁、小飞蓬和苣荬菜的成熟种子,均于9—12月份采集于宁波杭州湾国家湿地公园的生态保育区。

2.3.2芦苇不同器官水提液的制备选取芦苇健康植株15株,清水洗净后自然阴干,用剪刀分别将叶、茎和根(含根状茎)分开,所有植株的根、茎和叶分别混匀,并剪成3mm的小段,然后按照前文所述方法制备水提液。

2.3.3种子萌发及幼苗生长试验种子萌发试验基本方法和培养条件同上文。预备试验表明,上述4种植物对芦苇水提液浓度的敏感程度要显著低于萝卜种子,因此将本研究内容中的水提液浓度显著提高,通过预备试验的结果,依次设定为2.5g•100mL–1(2.5%)、5.0g•100mL–1(5.0%)和10.0g•100mL–1(10.0%)的芦苇各器官水提液5mL,以蒸馏水为对照,每个处理3次重复。每天记录发芽种子的数量,总共记录7天,并随机挑选幼苗10株,用吸水纸吸干水分,测定每株幼苗的胚根长,并计算各个处理的发芽指数。

2.3.4数据分析以植物种(黄花、小飞蓬、苣荬菜和田菁)、不同器官(叶、茎和根)以及水提液浓度(CK、2.5%、5.0%和10.0%)为分组变量,以发芽指数为因变量,用SPSS16.0中的三因素方差分析(Three—wayANOVA)分析各分组变量对种子发芽指数的影响。同时利用多重比较(Duncan)分析发芽指数和胚根长在同一个物种相同组织但不同浓度处理之间间的差异显著性。

3结果与分析

3.1杭州湾湿地围垦区主要禾本科植物化感潜力比较除白茅外,所研究的禾本科植物叶水提液浓度和萝卜幼苗胚根长之间均具有极显著的负相关关系(表1,图1),胚根长抑制率和回归方程曲线斜率在不同物种之间的大小排列顺序具有一致性,因此都可以作为不同物种化感潜力的评价指标。综合2.50g•100mL–1水提液处理对该萝卜幼苗胚根长的抑制率以及回归曲线斜率大小,不同禾本科植物比较,芦竹和狗尾草化感潜力最高,其次是狗牙根、芦苇和拂子茅,而束尾草、荻和白茅的化感潜力较低。

3.2芦苇水提液对4种种子萌发的影响方差分析表明植物种和水提液浓度对种子萌发指数都有显著影响,而器官类型对种子萌发指数影响不显著。除植物种和植物器官类型不存在交互作用外,植物种、器官类型和浓度之间均存在显著的交互作用(表2,图2)。除田菁外,其他3种植物对叶水提液的作用较为敏感,其发芽指数变化均表现为“低促高抑”的双重浓度效应,且与对照相比差异显著(图2A,p<0.05)。茎水提液作用下,不同物种种子发芽指数表现不一,黄花发芽指数在两种低浓度下要显著高于两种高浓度处理(p<0.05),小飞蓬不受茎水提液处理影响,苣荬菜为中等浓度处理下发芽指数最小,而田菁表现为显著的“低促高抑”效应(p<0.05,图2B)。根水提液虽然对黄花和小飞蓬种子萌发指数有“低促高抑”效应,但2.5%浓度处理与对照处理没有显著差异(p>0.05),但与10.0%处理有显著差异(p<0.05),根水提液对苣荬菜和田菁发芽指数均无显著影响(图2C,p>0.05)。芦苇水提液对4种植物种子胚根长影响随植物种类而有所差异,总体而言,对胚根长表现出随浓度升高而加强的抑制作用(表3),田菁在叶、茎和根水提液处理下胚根长均表现为2.5%浓度处理高于对照,但无显著差异(p>0.05),而10.0%处理显著高于对照(p<0.05)其他3种植物胚根长均表现为水提液随浓度增加而降低(表3)。

4讨论和结论

本文研究表明芦苇存在对具备潜在入侵能力的其他植物种子萌发和幼苗生长产生影响的化感潜力,这说明芦苇可能会释放化感物质,影响其伴生植物种子萌发和幼苗生长,而种子萌发对植物更新起着关键作用,发芽率低影响植物幼苗存活少,影响该植物在群落中的优势度。与其他土著禾本科植物相比较,芦苇具有较强的化感潜力(表1),具有抑制其他植物扩散的能力。除白茅外,随提取液浓度增加,不同禾本科植物叶提取液对萝卜种子胚根的抑制程度也越大,说明不同植物种叶提取液对胚根长度的影响具有相似的规律;同时不同禾本科植物化感潜力的差异,可能和它们叶片中所含有的化感物质种类、数量以及向环境中释放这些物质的强度都有密切关系(表1)。本研究中芦苇不同组织水提液浓度对种子萌发存在显著影响(表2,p<0.001)。在所研究的浓度范围内(0—10.0%)大都表现出“低促高抑”的现象。当芦苇组织水提液浓度浓度较低时(2.5%),除田菁外,对黄花、苣荬菜和小飞蓬的发发芽指数大都具有促进作用,随水提液浓度升高,促进作用转为抑制作用,浓度为10.0%时,抑制作用最强(图2)。“低促高抑”是植物化感作用中经常观察到的现象[21–23],但是其机理却不完全清楚。有研究认为低浓度条件下的促进作用和光合效率提高有关[24]或者与对光合组织资源分配增加有关[25],也有研究表明,低浓度化感物质能适度激发活性氧分子的产生,使细胞壁松弛从而促进生长[26]。“低促高抑”现象的存在表明化感物质在环境中的浓度是决定其作用的关键因素,因此确定野外条件下化感物质的真实浓度是研究植物化感作用的生态学意义的重要前提。本文结果也发现,苣荬菜和田菁的发芽指数要低于黄花和小飞蓬(图2),而发芽指数是反映种子发芽率和发芽速度快慢的综合指标,这主要因为这两个物种的种子萌发率较低,在不添加提取液的条件下,苣荬菜和田菁种子萌发率分别为25.2%和17.3%,远低于黄花和小飞蓬的89.5%和50.1%(数据未给出),而其种子萌发率较低的原因可能是这两个物种当年成熟的种子都存在着休眠现象,导致当年的种子萌发率较低。已有研究报道田菁种子存在明显的休眠现象[27]。

芦苇不同组织部位的水提液种子萌发的影响不同,首先方差分析表明,器官类型对种子萌发指数影响不大,芦苇叶、茎、根水提液对4种植物种子萌发都表现出一定的化感活性(图2,表2),说明芦苇释放化感物质有可能有多种途径,包括叶、茎、根等。但是,叶片比茎和根对种子胚根长度的影响要更为明显(表3),综合来看,叶的化感作用最大,其次是茎,根的化感作用最小,这表明叶片可能是芦苇化感物质合成或者贮存的重要部位,鉴于芦苇产生的凋落物量较大,芦苇化感物质可能主要通过凋落物分解进入环境,而较少来自于根系分泌的途径。需要指出的是,本研究仅表明芦苇具有潜在的化感作用,是在实验室条件下以水提液处理其他植物种子萌发作为其化感活性指标,因此还不能完全反映其在自然条件下的化感作用规律。但要明确芦苇化感物质在自然条件下究竟以何种途径进入环境,对周围其他植物产生什么样的影响,还需要通过野外实验研究证实。不同植物对芦苇化感作用敏感程度存在一定的差异,这可能与植物种的进化历史有关[28],在长期的协同进化过程中,原生境中的物种习惯于相互之间的化感物质,而当非本群落的物种入侵一个新的生境时,该生境中物种并不能适应其释放的化感物质,所以会表现的相对敏感。首先,在本研究中萝卜与4种野生植物相比较,其种子萌发对芦苇叶提液的更为敏感,叶水提液浓度为2.50g•100mL–1的时候,其已经严重抑制了萝卜胚根伸展(图1),但对4种野生植物种种子萌发都具有一定的促进作用(表5),这说明野生植物对化感物质的抗性要强于农作物。

其次,田菁种子萌发对芦苇化感物质的敏感程度要低于黄花,苣荬菜和小飞蓬,这可能和不同物种所属的分类系统和是否为外来植物有关。黄花、苣荬菜和小飞蓬都是菊科植物,其中黄花和小飞蓬还是入侵植物,对禾本科植物芦苇化感作用较为敏感,而豆科植物田菁敏感程度较弱,这和其他研究报道的豆科植物对化感抑制较不敏感一致[29],可能是豆科植物相对于菊科植物对于禾本科植物化感物质的忍受力较强,另外,田菁种子较大也可能是其种子萌发对化感物质较不敏感的原因[30],这可能能作为自然条件下田菁往往形成单一种群,较少受到其他物种影响的原因之一。近年来随着杭州湾南岸滩涂湿地的围垦活动加剧,黄花和小飞蓬呈不断蔓延扩展之势,尤其对当地土著生态系统构成严重威胁。利用芦苇对黄花和小飞蓬2种外来物种的化感抑制作用,可以对其进行遏制,保护乡土物种,从而达到维持研究区物种多样性,促进区域生态系统平衡的目的。综合上述研究表明,芦苇具有较强的化感潜力,作为适应性强、分布广泛的土著物种,化感作用可能是芦苇抑制其他非本群落物种入侵的重要机制之一。芦苇水提液对黄花、田菁、苣荬菜和小飞蓬4种植物种子萌发和幼苗生长具有显著的影响;芦苇化感作用的特征之一是具有“低促高抑”的双重浓度效应;芦苇不同组织部位的化感作用按大小依次为叶>茎>根,叶片可能是芦苇化感物质贮存和释放的重要部位。黄花、苣荬菜和小飞蓬3种植物对芦苇化感作用较为敏感,而田菁敏感程度较弱。

参考文献

[1]于文颖,周广胜,迟道才,等.盘锦湿地芦苇(Phragmitescommunis)群落蒸发散主导影响因子[J].生态学报,2008,28(9):4594–4601.

[2]林小涛,梁海含,梁华,等.澳门路氹湿地芦苇氮磷含量的季节变化[J].生态学杂志,2007,26(1):5–8.

[3]闫明,潘根兴,李恋卿,等.中国芦苇湿地生态系统固碳潜力探讨[J].中国农学通报,2010,26(18):320–323.

[4]高慧,彭筱葳,李博,等.互花米草入侵九段沙河口湿地对当地昆虫多样性的影响[J].生物多样性,2006,14(5):400–409.

[5]欧维新,高建华,杨桂山.芦苇湿地对氮磷污染物质的净化效应及其价值初步估算——以苏北盐城海岸带芦苇湿地为例[J].海洋通报,2006,25(5):90–96.

[6]张玉峰,何彤慧,张娟红,等.中国湿生芦苇群落退化研究现状[J].湿地科学与管理,2012,8(1):47–50.

[7]唐娜,崔保山,赵欣胜.黄河三角洲芦苇湿地的恢复[J].生态学报,2006,26(8):2616–2624.

[8]张友民,刘兴土,肖洪兴,等.三江平原芦苇湿地植物多样性的初步研究[J].吉林农业大学学报,2003,25(1):58–61.

[9]叶小齐,吴明,邵学新,等.不同土著草本群落对加拿大一枝黄花早期阶段入侵的抑制能力研究[J].生态与农村环境学报,2014,30(5):608–613.

[10]赵聪蛟,邓自发,周长芳,等.氮水平和竞争对互花米草与芦苇叶特征的影响[J].植物生态学报,2008,32(2):392–401.

[11]孔垂华,胡飞.植物化感(相生相克)作用及其应用[M].北京:中国农业出版社,2001,1–10.

[12]RUDRAPPAT,BONSALLJ,GALLAGHERJL,etal.Root-secretedallelochemicalinthenoxiousweedPhragmitesaustralisdeploysareactiveoxygenspeciesresponseandmicrotubuleassemblydisruptiontoexecuterhizotoxicity[J].JournalofChemicalEcology,2007,33(10):1898–1918.

[13]BAINSG,KUMARAS,RUDRAPPAT,etal.Nativeplantandmicrobialcontributionstoanegativeplant-plantinteraction[J].PlantPhysiology,2009,151(4):2145–2151.

[14]郑琨,赵福庚,张茜,等.盐度变化条件下芦苇对互花米草的化感效应[J].应用生态学报,2009,20(8):1863–1867.

[15]李愈哲,樊江文,尹昕,等.入侵植物加拿大一枝黄花与土著植物芦苇的相互化感作用[J].应用生态学报,2011,22(5):1373–1380.

[16]付为国,田远飞,汤涓涓,等.芦苇浸提液对虉草种子萌发及幼苗生长生理特性的影响[J].广西植物,2013,33(2):154–158.

[17]常瑞英,王仁卿,张依然,等.入侵植物空心莲子草的入侵机制及综合管理[J].生态与农村环境学报,2013,29(1):17–23.

[18]MEINERSSJ.Functionalcrelatesofallelopathicpotentialinasuccessionalplantcommunity[J].PlantEcology,2014,215(6):661–672.

[19]曾任森.化感作用研究中的生物测定方法综述[J].应用生态学报,1999,10(1):123–126.

[20]WILLIAMSONGB,RICHARDSOND.Bioassaysfallelopathy:Measuringtreatmentresponseswithindependentcontrols[J].JournalofChemicalEcology,1988,14(1):181–187.

[21]甄润德,张树源,白雪芳,等.细叶亚菊挥发油中抑制垂穗披碱草的化合物的分离与鉴定[J].植物生理学报,1996,22(3):311–314.

[22]周志红,骆世明,牟子平.番茄(Lycopersicon)的化感作用研究[J].应用生态学报,1997,8(4):445–449.

[23]王蓓,蔡靖,姜在民,等.核桃叶水浸液对四种作物的化感作用[J].干旱地区农业研究,2011,29(4):47–52.

[24]CEDERGREENN,OLESENCF.Canglyphosatestimulatephotosynthesis?[J].PesticideBiochemistryandPhysiology,2010,96(3):140–148.

[25]叶小齐,吴明,邵学新,等.加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)水提液对玉米幼苗生长的化感作用及其光合机理[J].草业学报,2014,23(6):217–224.

[26]PRITHIVIRAJB,PERRYLG,BADRIDV,etal.Chemicalfacilitationandinducedpathogenresistancemediatedbyaroot-secretedphytotoxin[J].NewPhytologist,2007,173(4):852–860.

[27]李成明,张如莲,高玲,等.田菁种子萌发条件研究.热带农业科学,2012,32(12):16–18.

[28]郑丽,冯玉龙.紫茎泽兰叶片化感作用对10种草本植物种子萌发和幼苗生长的影响[J].生态学报,2005,25(10):2782–2787.

[29]张中信,张小平,刘慧君,等.加拿大一枝黄花和一枝黄花化感作用比较研究[J].武汉植物学研究,2010,28(2):191–198.

[30]PERRYLG,JOHNSONC,ALFDER,etal.Screeningofgrasslandplantsfrestationafterspottedknapweedinvasion[J].RestationEcology,2005,13(4):725–735.

作者：叶小齐 吴明 邵学新 李长明 单位：中国林业科学研究院亚热带林业研究所 浙江杭州湾湿地生态系统国家定位研究站