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Effects of leaf litter aqueous extract on seed germination and seedling growth of Elymus nutans in Eastern Qilian Mountains

来源：花匠小妙招时间：2025-01-01 02:51

摘要: 为了解灌丛凋落叶在灌草群落结构维持中可能存在的潜在化感作用, 以东祁连山3种优势灌木和灌下优势草种垂穗披碱草(Elymus nutans)为供试材料, 分析了不同浓度(0.01 g/L、0.025 g/L、0.05 g/L、0.075 g/L、0.1 g/L)的金露梅(Potentilla fruticosa)、川滇柳(Salix rehderiana)、头花杜鹃(Rhododendron capitatum)及灌间草本的凋落叶水浸提液, 对垂穗披碱草种子萌发、幼苗形态和生理指标的影响。结果表明：(1)垂穗披碱草种子发芽率与发芽势在金露梅与川滇柳凋落叶浸提液处理下呈"低促高抑"的浓度效应, 在灌间草本凋落叶浸提液处理时表现为先升后降, 而头花杜鹃凋落叶浸提液处理时均下降, 并在浓度超过0.075 g/L时种子不发芽。(2)灌丛凋落叶浸提液对垂穗披碱草幼苗根长与干重均表现出抑制作用, 且随浓度增大而增强；金露梅、川滇柳与灌间草本凋落叶浸提液对垂穗披碱草幼苗苗高表现出"低促高抑"的浓度效应；而头花杜鹃凋落叶浸提液处理对垂穗披碱草幼苗鲜重与苗高均呈抑制作用。(3)垂穗披碱草幼苗CAT、SOD活性随着浸提液浓度升高均表现出先升后降的变化趋势；可溶性糖与可溶性蛋白在灌丛凋落叶浸提液浓度低于0.075 g/L时含量较高；MOD含量在金露梅凋落叶浸提液处理下随浓度升高而持续升高, 而在川滇柳与灌间草本凋落叶浸提液处理下呈先升高后降低的趋势。综合来看, 灌丛凋落叶浸提液对垂穗披碱草的化感作用由大到小依次为：头花杜鹃、川滇柳、灌间草本、金露梅, 其中头花杜鹃对灌下草本植物影响较大, 凋落叶化感作用是影响该地区灌草系统群落分布及灌草结构的重要因素。

CHEN Xindong , CAO Wenxia , WANG Shilin , WANG Xinyou , WANG Wenhu , DONG Jiali , CAO Yiman

Abstract: To understand the potential allelopathy of shrub litter in the maintenance of shrub-grass community structure, three dominant shrub species and the dominant herbaceous species Elymus nutans in Eastern Qilian Mountains were used as experimental materials. This paper analyzed the effects of Potentilla fruticosa, Salix rehderiana, and Rhododendron capitatum with different concentrations (0.01 g/L, 0.025 g/L, 0.05 g/L, 0.075 g/L, 0.1 g/L) of water extracts from the shrub leaf litter and herbs litter between shrubs on seed germination, seedling morphology and physiological indexes of E. nutans. The results are as follows: (1) The germination rate and germination potential of E. nutans seeds showed a concentration effect of "low promotion and high inhibition" under the treatment of leaf litter extract of P. fruticosa and S. rehderiana. Under the treatment of litter extract of herbaceous, the germination rate and germination potential were firstly increased and then decreased. Under the treatment of leaf litter extract of R. capitatum, the germination rate and germination potential were decreased, and the seeds did not germinate when the concentration exceeded 0.075 g/L. (2) The leaf litter extract of shrub species inhibited both the root length and dry weight of E. nutans seedlings, and it increased with the increase of concentration. The concentration effects of P. fruticose, S. rehderiana and herbaceous under leaf litter extracts on E. nutans seedling height showed "low promotion and high inhibition". R. capitatum litter extract inhibited the fresh weight and seedling height of E. nutans seedlings. (3) The activities of catalase and superoxide dismutase of E. nutans seedlings showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase of the concentration of the extract. The contents of soluble sugar and soluble protein were higher when the concentration of litter extract was lower than 0.075 g/L. The content of malondiadehyde continued to increase with the increase of the concentration under P. fruticose leaf litter extract treatment, while it showed a trend of first increasing and then decreasing under S. rehderiana and herbaceous under leaf litter extract treatments. On the whole, the allelopathic effect of leaf litter extract from shrub on E.nutans in descending order: R. capitatum, S. rehderiana, herbaceous plants and P. fruticose, among which R. capitatum had a greater impact on the herbaceous plants under shrub canopy, and allelopathy of leaf litter had a greater impact on the distribution of shrub-grass system and the structure of shrub-grass community.

高寒灌丛草地是东祁连山主要植被类型[1], 是当地优质的天然牧场。灌丛凋落物作为高寒灌丛草地牦牛与藏羊秋冬季的重要饲草来源, 在灌丛草地季节交替时发挥重要作用[2]。研究表明, 灌丛凋落物在高寒地区起到冬春季保温、夏季遮阴与减少土壤水分蒸发的生态作用[3], 但同时灌丛植物凋落物也是化感物质的重要来源。

化感作用是植物释放化感物质到自然环境中, 对周围植物产生直接或间接影响的一种过程[4], 化感现象广泛存在于植物界[5], 是影响群落结构的重要因素。研究发现, 银叶鼠尾草(Salvia japonica)等灌丛植物的周围会出现一条1—2 m宽的裸带, 灌间草本植物生长明显地受到抑制[6], 灌丛下枯落物形成的腐殖质对灌下植物种子萌发与幼苗生长有抑制作用[7]。灌丛植物水淋溶物对灌丛群落植物有明显抑制作用[8], 研究发现高山红柳(Salix cupularis)和中国沙棘(Hippophae rhamnides)水浸提液对垂穗披碱草(Elymus nutans)种子萌发表现出"低促高抑"的浓度效应[9]。有研究认为, 化感作用是增强优势种生存竞争力、扩大种群, 导致单优势种群落形成和草场退化的重要原因, 在植物群落形成与演替中有着不可替代的作用[10]。在高寒灌丛草地生态系统中, 灌木扩张不仅会改变草本植物的分布格局, 还对高寒灌丛草地生态系统的结构和功能产生重要影响。对高寒灌丛草地群落生态学研究多考虑光照、水分及放牧等生态因素[11—13], 而很少聚焦灌丛植物凋落物的化感作用, 探讨其对高寒灌丛生态系统群落结构和功能的影响。从灌丛凋落叶化感作用的视角, 探讨影响灌草互作关系及其对群落组成和结构的影响, 对进一步认识高寒灌丛草地生态系统稳定机制有重要意义。

金露梅(Potentilla fruticosa)、川滇柳(Salix rehderiana)和头花杜鹃(Rhododendron capitatum)是东祁连山高寒灌丛草地优势灌木, 在涵养水源、改善生态环境等方面发挥着重要作用[14]；多年生丛生禾草垂穗披碱草是该灌丛的灌下优势牧草, 具有适口性好、产量高、耐盐碱、耐放牧等特性, 对环境适应性强[15]。化感作用的研究通常使用植物器官浸提液处理其它植物种子以探究化感效应[16], 本研究以垂穗披碱草为实验材料, 研究灌丛植物凋落叶对其生长和生理特性的影响, 以探究化感效应对灌草系统群落组成和结构的影响, 加深对灌丛草地群落构建及其多样性维持机制的理解, 为祁连山植被的保护和可持续利用提供决策依据。

1 材料与方法1.1 试验地概况

研究区位于祁连山东段的甘肃省天祝藏族自治县抓喜秀龙乡, 地理坐标(N 37°10′16.97″, E 102°47′17.31″), 海拔3050 m。气候寒冷潮湿, 昼夜温差较大, 雨热同期, 无绝对无霜期。年均气温为0.16℃, 其中最冷月(1月)平均气温为-11.4℃, 最暖月(7月)平均气温为11.2℃。年降水量为416.9 mm, 75.6%降雨集中于7—9月[17]。四季不分明, 冬季漫长而干燥寒冷, 夏秋季短暂而凉爽, 天然牧草4月底萌发, 10月底枯黄, 枯草期长达7个月以上, 土壤pH为7.0—8.2, 土壤类型为高山黑钙土。

所选样地植被类型为高寒灌丛草甸, 植被总盖度95%以上, 主要植被盖度金露梅(17.8%)、头花杜鹃(21.4%)、川滇柳(18.0%)、垂穗披碱草(93.7%)等, 样地内物种多样性丰富度指数6.0；均匀度指数0.96；Shannon-Wiener指数1.72[18]。

1.2 试验材料

研究于2021年10月中旬进行野外采样, 在金露梅、川滇柳、头花杜鹃等灌木冠幅下分别设置10 cm×10 cm的样方, 将样方内未分解(叶片完整无破损)凋落叶收集起来装入网兜；灌间草本(表 1)凋落叶直接收集设置在灌间10 cm×10 cm样方内未分解的凋落叶于网兜中, 将收集后的凋落叶带回实验室备用, 垂穗披碱草种子由北京正道公司提供。

表 1 灌间草本物种组成Table 1 Herbaceous species composition in shrubland

功能群Functional group 物种组成Species composition 豆科Leguminosae 祁连山黄芪(Astragalus chilienshanensis)、歪头菜(Vicia unijuga)、单花米口袋(Tibetia himalaica)等禾本科 Gramineae 垂穗披碱草(Elymus nutans)、圆柱披碱草(E. dahuricus)、黑紫披碱草(E. atratus)、发草(Deschampsia cespitosa)、白草(Pennisetum flaccidum)、丝颖针茅(Stipa capillacea)等莎草科Cyperaceae 线叶嵩草(Kobresia capillifolia)、矮生嵩草(K. humilis)、甘肃嵩草(K. kansuensis)、华扁穗草(Blysmus sinocompressus)等杂类草Forbs 毛茛(Ranunculus japonicus)、鹅绒委陵菜(Potentilla anserina)、多裂委陵菜(P. multifida)、小大黄(Rheum pumilum)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)、圆穗蓼(P. macrophyllum)、问荆(Equisetum arvense)、唐松草(Thalictrum aquilegifolium)、蒲公英(Taraxacum mongolicum)、老鹳草(Geranium wilfordii)、甘肃马先蒿(Pedicularis kansuensis)、火绒草(Leontopodium leontopodioides)、刺儿菜(Cirsium arvense)等

1.3 试验方法1.3.1 浸提液的制备

准确称取60 g风干凋落叶用粉碎机粉碎成粉末, 放入1 L锥形瓶中, 加入600 mL无菌水, 在4℃摇床震荡48 h。所得溶液用4层纱布过滤, 将滤液在4000 r/min离心20 min, 吸取上层清液, 得到浓度为0.1 g/L(T5)的母液, 将该母液用无菌水稀释, 分别获得浓度为0.01 g/L(T1)、0.025 g/L(T2)、0.05 g/L(T3)及0.075 g/L(T4)的浸提液, 对照组为无菌水(CK)。浸提液制备完成后保存在冰箱4℃条件下备用。

1.3.2 种子萌发实验

选取籽粒饱满、大小均匀的垂穗披碱草种子, 用次氯酸钠溶液表面消毒2 min, 再用无菌水冲洗3—5次后, 将种子用无菌滤纸沥干水分备用。在铺有2层滤纸直径为9 cm的培养皿中, 加入不同浓度浸提液及无菌水5 ml并均匀摆放30粒垂穗披碱草种子, 用封口膜对培养皿进行封口处理, 防止水分蒸发, 每个处理设置3个重复。将培养皿置于光照培养箱(温度(25.0±1.0)℃, 光周期为光16 h/暗8 h, 光照强度5000 Lux中进行培养)。自培养之日起, 每天固定时间观察种子发芽情况, 并记录发芽粒数(以胚芽突破种皮1 mm为发芽标准[19]), 14 d后试验结束, 计算发芽率并测定幼苗全株生长及生理指标。

1.4 测定指标及方法1.4.1 发芽率及发芽势的计算[20]

于发芽第7 d计算发芽势(Germination potential, GP), 第14 d计算发芽率(Germination rate, GR)各指标计算公式如下：

1.4.2 生长指标的测定

苗高、根长及生物量的测定：自培养之日起第14天, 对幼苗取样进行生长指标测定。随机选取10株垂穗披碱草幼苗, 用游标卡尺测量苗高及根长, 苗高、根长取10株平均值；随机取新鲜幼苗30株, 以每10株为一组测量幼苗鲜重, 用万分之一天平称重, 共3个重复；干重, 将测量鲜重后的幼苗在105℃下杀青30 min后, 在65℃下烘干至恒重, 用万分之一天平称重。

1.4.3 生理指标的测定

发芽实验结束后, 随机将新鲜幼苗用锡箔纸袋收集, 每4株(0.1 g-0.2 g)为一组, 收集后将锡箔纸袋放在液氮中保存, 测定时, 每个处理取三袋(3个重复)。采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性, 采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性, 采用高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性, 采用蒽酮比色法测定可溶性总糖含量, 采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法测定丙二醛(MDA)含量, 采用茚三酮比色法测定游离脯氨酸含量[21]。采用考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白(TSP)含量[22]。

1.4.4 化感指数(RI)

采用化感指数RI衡量化感强度[23]：RI=1-C/T(当T≥C)；RI=T/C-1(当T < C), 其中C是对照值, T是处理值, RI则代表化感指数, 当RI>0时表现为促进作用, 当RI < 0时表现为抑制作用, RI的绝对值代表作用强度的大小。化感作用综合效应(Synthesis effect, SE)为RI的算术平均值。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据记录与统计, 运用SPSS 20软件对数据进行单因素方差分析, 显著性水平设定为P < 0.05, 用origin 2021作图。

2 结果分析2.1 凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发的影响

图 1表明, 不同凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发的影响存在一定差异。发芽率与发芽势随金露梅与灌间草本凋落叶浸提液浓度的升高表现为先升高后下降的态势, 与CK相比, 凋落叶浸提液在T5时抑制作用显著。而在川滇柳与头花杜鹃的凋落叶浸提液处理下, 垂穗披碱草发芽率与发芽势随浸提液浓度升高逐渐下降, 同样在川滇柳凋落叶浸提液T5时抑制作用显著, 较CK分别降低了23.0%、45.6%, 化感指数为-0.82、-0.92, 在头花杜鹃凋落叶浸提液T4、T5时垂穗披碱草发芽率与发芽势均为0, 化感指数均为-1。

图 1 不同凋落叶浸提液对垂穗披碱草发芽势与发芽率的影响Fig. 1 Effects of different leaf litter extracts on germination potential and germination rate of Elymus nutans大写字母(A、B、C、D)表示在相同浓度处理下不同灌丛(金露梅、头花杜鹃、川滇柳、灌间草本)凋落叶水浸提液对垂穗披碱草种子处理下之间的显著性；小写字母(a、b、c、d)表示相同灌丛凋落叶在不同浓度(0.01 g/L(T1)、0.025 g/L(T2)、0.05 g/L(T3)、0.075 g/L(T4)、0.10 g/L(T5))处理间的显著性；头花杜鹃在0.075 g/L(T4)、0.10 g/L(T5)处理发芽率为0, 所有生长指标都按0处理分析显著性

不同灌丛凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子发芽率与发芽势的影响表现为：头花杜鹃>川滇柳>灌间草本>金露梅。在T1时, 川滇柳凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子发芽率与发芽势促进作用显著高于其他处理；当超过T2后, 头花杜鹃凋落叶浸提液抑制作用显著高于与其他处理；超过T3后, 川滇柳凋落叶浸提液抑制作用显著高于金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理。

2.2 凋落叶浸提液对垂穗披碱草幼苗形态指标的影响2.2.1 苗高与根长

如图 2, 垂穗披碱草幼苗苗高随金露梅与灌间草本凋落叶浸提液浓度升高表现出先升高后降低的趋势, 分别在T3、T2时促进作用达到峰值, 但均与CK差异不显著, 但T5时金露梅凋落叶浸提液抑制作用显著。而幼苗苗高随川滇柳与头花杜鹃凋落叶浸提液浓度升高而降低, 当头花杜鹃凋落叶浸提液T3时对幼苗苗高存在抑制作用, 超过T4时化感指数为-1；川滇柳凋落叶浸提液T5时对幼苗苗高抑制作用较强较对照降低了60.0%, 化感指数为-0.60。不同灌丛凋落叶浸提液对幼苗苗高的影响相比较, 金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理之间差异不显著；T1时川滇柳凋落叶浸提液促进作用显著高于金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理；但浸提液超过T2后头花杜鹃与川滇柳凋落叶浸提液处理抑制作用显著高于其他两种处理。

图 2 不同凋落叶浸提液对垂穗披碱草苗高与根长的影响Fig. 2 Effects of different leaf litter extracts on seedling height and root length of Elymus nutans

垂穗披碱草幼苗根长在金露梅、头花杜鹃及灌间草本凋落叶浸提液处理下均显著低于对照, 在T5时抑制作用最强, 较CK分别降低了68.1%、100%、56.4%, 化感指数分别为-0.68、-1、-0.56；在川滇柳凋落叶浸提液处理下T1与对照差异不显著, 其余浓度均显著低于对照, 同样在T5时抑制作用最强, 较CK降低了95.8%, 化感指数为-0.96。相同浓度下, 不同凋落叶浸提液对幼苗根长的抑制作用表现为：头花杜鹃>川滇柳>金露梅>灌间草本。T1时金露梅与灌间草本凋落叶浸提液的抑制作用显著高于其他两种处理, 相反, 当浸提液超过T3时头花杜鹃与川滇柳凋落叶浸提液抑制作用显著高于其他两种处理。

2.2.2 鲜重与干重

如图 3, 垂穗披碱草幼苗鲜重随金露梅与灌间草本凋落叶浸提液浓度增加表现出先增加后降低的趋势, 金露梅凋落叶浸提液T3时促进作用显著, 较对照提高了50.7%, 化感指数为0.34, 灌间草本凋落叶浸提液T5时抑制作用显著, 化感指数为-0.11。而在川滇柳与头花杜鹃凋落叶浸提液浓度增加呈逐渐下降的趋势, 且头花杜鹃凋落叶浸提液超过T3后抑制作用显著。相同浓度下, 不同灌丛凋落叶浸提液对幼苗鲜重的影响表现为：头花杜鹃凋落叶浸提液抑制作用显著高于其他凋落叶浸提液处理；浸提液浓度超过T3后, 川滇柳凋落叶浸提液处理抑制作用显著高于金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理, 且T3与T5时灌间草本凋落叶处理抑制作用显著高于金露梅凋落叶处理。

图 3 不同凋落叶浸提液对垂穗披碱草鲜重与干重的影响Fig. 3 Effects of different leaf litter extracts on fresh weight and dry weight of Elymus nutans

垂穗披碱草幼苗干重在金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理下与CK均无显著差异, 而在头花杜鹃与川滇柳凋落叶浸提液处理下均显著低于CK, 且T5时抑制作用最强, 化感指数分别为-1、-0.25。不同灌丛凋落叶浸提液对幼苗干重的影响表现为：金露梅与灌间草本凋落叶浸提液处理之间差异不显著；当浸提液浓度超过T3后头花杜鹃与川滇柳凋落叶浸提液处理抑制作用显著高于其他两种处理。

2.3 凋落叶水浸提液对垂穗披碱草幼苗全株生理指标的影响

如表 2所示, 在不同灌丛及不同浓度凋落叶浸提液处理下, 垂穗披碱草幼苗全株抗氧化酶活性(SOD、CAT、POD活性)、细胞渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量)和膜质氧化产物(MOD含量)存在差异。

表 2 不同凋落叶浸提液对垂穗披碱草生理指标的影响Table 2 Effects of different litter extracts on physiological indexes of Elymus nutans

灌丛名称
Shrub name 处理
Treatment 超氧化物歧化酶
Superoxide
dismutase/(U/g) 过氧化氢酶
Catalase/(mg/g FW) 过氧化物酶
Peroxidase/(U/g) 总可溶性糖
Total soluble sugar/% 总可溶性蛋白
Totai soluble protein(mg/g) 脯氨酸含量
Proline/(μg/g FW) 丙二醛含量
Malondiadehyde/(mmol/g FW) 金露梅 CK 1023.26±54.30a 1.45±0.14c 3.82±0.41ab 21.64±2.99c 32.43±0.97c 10.16±0.82ab 11.21±0.71bc P. fruticosa L. T1 478.51±33.44c 1.51±0.09bc 5.81±1.37a 29.66±1.91bc 43.04±2.34a 8.23±0.77b 9.04±0.65c T2 829.89±22.10ab 2.01±0.08a 5.81±1.07a 33.60±2.45bc 42.59±0.32b 8.79±0.40b 11.12±1.30bc T3 774.81±38.23ab 1.94±0.01a 4.71±1.34ab 34.36±4.96bc 37.43±0.30bc 9.08±0.97b 11.22±1.41bc T4 768.51±78.59ab 1.80±0.06ab 3.67±0.12ab 37.20±4.19b 35.87±1.56bc 10.12±1.07ab 13.09±0.39b T5 722.71±121.56bc 1.56±0.00bc 2.04±0.49b 52.32±7.41a 35.04±0.98bc 13.58±2.36a 21.80±0.38a 头花杜鹃 CK 1023.26±54.30a 1.45±0.14a 3.82±0.41a 21.64±2.99b 32.43±0.97c 10.16±0.82a 11.22±0.71a R. capitatum T1 910.48±80.24a 1.07±0.05a 3.63±0.57a 24.51±1.28b 42.23±0.54b 8.68±0.20a 12.09±1.17a T2 487.40±102.59b 1.40±0a 2.08±0.49a 37.23±0.27a 37.15±0.57a 9.03±0.06a 11.52±1.26a 川滇柳 CK 1023.26±54.30a 1.45±0.14b 3.82±0.41ab 21.64±2.99c 32.43±0.97c 10.16±0.82b 11.21±0.71ab S. rehderiana T1 946.46±6.668a 2.03±0.01a 5.51±1.33a 20.77±0.42c 38.12±0.36ab 8.23±0.30b 10.34±0.68b T2 1093.68±70.12a 2.08±0.09a 3.41±0.85ab 35.37±4.25b 38.92±0.21a 9.19±0.53b 13.49±0.14a T3 946.30±60.40a 1.88±0.15ab 1.05±0.53c 51.22±2.08a 37.74±0.63ab 27.14±3.60a 12.07±0.54ab 灌间草本 CK 1023.26±54.30a 1.45±0.14c 3.82±0.41b 21.64±2.99c 32.43±0.97bc 10.16±0.82a 11.21±0.71b Draft inter-shrub T1 522.41±58.93b 1.76±0.06abc 1.26±0.27c 33.66±1.26a 32.87±0.76bc 8.75±0.23a 8.42±0.05c T2 912.61±9.06a 1.79±0.06abc 8.41±0.61a 30.24±3.51ab 41.77±0.18a 9.84±0.44a 15.58±1.00a T3 532.17±79.79b 2.17±0.20a 3.65±0.35b 30.23±0.34ab 40.87±1.21a 10.58±0.80a 11.45±0.91b T4 573.15±26.99b 2.03±0.07ab 3.38±0.49b 23.17±1.77bc 35.46±1.23b 10.28±0.50a 11.64±0.77b T5 512.50±13.51b 1.65±0.13bc 2.88±1.31bc 22.51±2.32bc 29.76±1.69c 9.45±0.39a 10.10±0.61bc发芽实验结束对幼苗全株进行生理指标测定, 川滇柳T4与T5处理及头花杜鹃T3、T4、T5由于化感抑制作用显著发芽种子数较少或无发芽种子, 无法完成生理指标测定, 导致数据缺失

2.3.1 垂穗披碱草幼苗全株抗氧化酶活性

垂穗披碱草幼苗全株SOD活性随金露梅、灌间草本及川滇柳凋落叶浸提液浓度增加呈先升后降的变化趋势, 在金露梅凋落叶浸提液T1时显著低于对照, 较对照降低了53.2%, 化感指数为-0.53；川滇柳凋落叶浸提液各处理及对照间差异不显著；灌间草本凋落叶浸提液除T2外其余处理均显著低于对照。

垂穗披碱草幼苗全株CAT活性随金露梅、川滇柳及灌间草本凋落叶浸提液浓度的增加, 总体表现出先升后降的趋势, 在金露梅与川滇柳凋落叶浸提液处理T2时达到峰值, 在灌间草本凋落叶浸提液T3时促进作用显著, 较对照提高了49.4%, 化感指数0.33；头花杜鹃凋落叶浸提液处理T1时具有较强的抑制作用, 较对照降低了26.3%, 化感指数-0.53。

垂穗披碱草幼苗全株POD活性, 在金露梅凋落叶浸提液超过T2后随浸提液浓度升高逐渐下降, T5时抑制作用显著高于T1与T2；在川滇柳凋落叶浸提液处理下, 随浓度升高逐渐下降, T3时抑制作用显著, 化感指数为-0.72；而随灌间草本凋落叶浸提液浓度升高呈现出先升后降趋势, T2时达到峰值促进作用显著, 较对照提高了120.1%, 化感指数为0.55。

2.3.2 垂穗披碱草幼苗全株细胞渗透调节物质

垂穗披碱草幼苗全株可溶性糖含量随金露梅、川滇柳、头花杜鹃凋落叶浸提液浓度梯度增加表现出持续升高趋势, 金露梅凋落叶浸提液处理T5时促进作用显著, 较对照提高了141.7%, 化感指数为0.59；垂穗披碱草幼苗全株总可溶性糖含量随灌间草本凋落叶浸提液浓度梯度增加逐渐降低。

垂穗披碱草幼苗全株可溶蛋白含量随金露梅凋落叶浸提液浓度增加逐渐降低, 在T1时促进作用显著, 较对照提高了32.7%, 化感指数为0.25；而随川滇柳与灌间草本凋落叶浸提液浓度增加表现出先增加后降低的趋势。

垂穗披碱草幼苗全株游离脯氨酸含量随金露梅与川滇柳凋落叶浸提液浓度增加逐渐升高；随灌间草本凋落叶浸提液浓度先增加后降低, 并在T3时达到峰值；金露梅、灌间草本及头花杜鹃凋落叶浸提液处理下均无显著差异；川滇柳凋落叶浸提液处理T3时促进作用显著, 较对照提高了166.9%, 化感指数为0.63。

2.3.3 垂穗披碱草幼苗全株膜质氧化产物

垂穗披碱草幼苗全株MDA含量随金露梅凋落叶浸提液浓度增加逐渐升高, 在T5促进作用显著, 较对照提高了94.3%, 化感指数为0.49；随川滇柳与灌间草本凋落叶浸提液浓度升高先升高后降低, 均在T2时达到峰值, 化感指数分别为0.28、0.17。

2.4 化感作用综合效应

由图 4可知, 不同灌丛不同浓度凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发与幼苗生长化感作用的综合效应存在差异。金露梅与川滇柳凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发表现出"低促高抑"的浓度效应；头花杜鹃凋落叶浸提液抑制垂穗披碱草种子萌发；灌间草本凋落叶浸提液在T2、T3时促进垂穗披碱草种子萌发。垂穗披碱草幼苗生长指标在金露梅凋落叶浸提液T3时有促进作用, 其他处理都表现为抑制。垂穗披碱草幼苗全株生理指标在金露梅、川滇柳与灌间草本(T2、T3)凋落叶浸提液处理下有促进作用, 在头花杜鹃凋落叶浸提液处理下表现为抑制作用。综合化感效应在金露梅(T2、T3)与川滇柳(T1、T2)凋落叶浸提液表现为促进作用, 其余处理均为抑制。

图 4 不同灌丛凋落叶浸提液对垂穗披碱草化感作用综合效应Fig. 4 Comprehensive effects of leaf litter extracts from different shrubs on allelopathy of Elymus nutans"种子萌发"指垂穗披碱草种子发芽势、发芽率的综合化感效应；"生长指标"指垂穗披碱草幼苗鲜重、干重、根长、苗长的综合化感效应；"生理指标"指POD活性、SOD活性、CAT活性、可溶向糖含量、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、MOD含量的综合化感效应；"综合效应"指种子萌发、幼苗生长指标和生理指标的综合化感效应

3 讨论3.1 灌丛凋落叶对垂穗披碱草种子萌发与幼苗生长的化感作用

化感作用是影响植物群落组成和结构的关键因素之一[24], 其主要通过影响群落内其他物种的种子萌发和幼苗生长来改变群落物种分布格局。种子萌发对物种更新至关重要, 植物种子萌芽率低, 将影响该植物在群落中的多度, 导致其种群在群落竞争中处于劣势[25]。本研究发现, 金露梅与川滇柳凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发与幼苗苗高表现出"低促高抑"的浓度效应, 这与包赛很那[26]研究结果类似, 这表明在高寒灌丛草地系统中金露梅与川滇柳凋落叶量少时, 不仅不影响灌下草本的发育, 还可能有助于灌间草本植物垂穗披碱草的萌发。当灌木优势增加时, 其凋落叶对灌间草本化感抑制效应随之增强, 垂穗披碱草种子发芽率降低, 严重影响垂穗披碱草在高寒灌丛草地的竞争能力, 并使灌丛草地灌间草本的分布及群落内物种组成和结构发生变化, 可能加速灌丛草地灌丛化。头花杜鹃凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发与幼苗苗高均有抑制作用, 且随着浓度升高抑制作用逐渐增强, 这表明头花杜鹃灌丛凋落叶对灌下草本植物的萌发与生长有显著影响。于应文[1]在东祁连山灌丛物种多样性及伴生种调查时发现, 干扰轻的头花杜鹃灌丛群落结构简单, 地上层主要为灌木层和苔藓层, 草本层分布稀疏, 无明显优势种。灌间草本凋落叶浸提液对垂穗披碱草种子萌发与幼苗苗高也表现出先升高后降低的作用, 可能与灌间草本物种组成多样性有关, 说明灌下草本植物之间也会通过凋落叶化感作用, 影响草本群落的物种组成和结构。垂穗披碱草幼苗根长在不同种植物凋落叶浸提液处理下虽然变化趋势不同, 但都存在不同程度的抑制作用, 这也印证了根系对化感物质的敏感性强于地上部分的结论[27]。这可能是在培养皿培养过程中植物根系直接接触到大量化感物质, 而叶片靠根系吸收、运输后才会产生化感胁迫, 因此根系对化感物质的响应更加强烈。以上研究表明, 在高寒灌丛群落中灌丛植物凋落叶会通过化感作用影响其他植物种子的萌发与幼苗生长, 且不同灌丛植物凋落叶化感作用存在差异, 金露梅、川滇柳及灌间草本凋落叶化感作用较小, 头花杜鹃化感作用较强, 对高寒灌丛群落结构与组成影响较大, 当然头花杜鹃这种避牧型灌丛的构建对东祁连高寒灌丛生态系统的保护也具有一定的意义。

3.2 灌丛凋落叶对垂穗披碱草幼苗生理指标的化感作用

研究植物对化感胁迫的生理反应, 有助于揭示植物适应化感逆境的生理机制[28]。抗氧化酶活性(CAT、POD、SOD活性)和细胞渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量)以及膜质氧化产物MOD是反映植物化感胁迫的重要依据[29]。本研究发现, 在灌丛植物凋落叶浸提液处理下垂穗披碱草幼苗抗氧化酶系统(CAT、SOD活性)随着浸提液浓度的升表现出先升高后降低的变化趋势, 这与张金羽[30]研究结果一致, 这可能是低浓度的化感物质对植物产生较弱的胁迫作用, 使植物启动的应激机制增加抗氧化物酶活性来消除多余的过氧化产物, 随着化感物质浓度上升植物体内氧化产物过量积累抑制抗氧化物酶活性[31]。在金露梅、头花杜鹃及川滇柳凋落叶浸提液处理下垂穗披碱草幼苗可溶性糖与游离脯氨酸含量随浸提液浓度呈逐渐升高的趋势；这表明垂穗披碱草通过改变自身渗透调节物质来缓解化感胁迫, 化感物质增加促使可溶性糖和游离脯氨酸等渗透调节物质积累, 有助于中和有害物质, 提高幼苗的抗性；灌丛凋落叶处理下可溶性蛋白含量表现出先升高后降低的变化趋势, 这与蒲旭斌[32]研究结果类似。这可能是少量化感物质胁迫后, 垂穗披碱草幼苗主动防御, 调控可溶性蛋白含量, 抵抗化感物质对幼苗生长发育的影响, 当浓度升高化感物质增多, 幼苗的自我调节能力不足以抵御化感物质的胁迫, 幼苗渗透压失衡, 可溶性蛋白含量降低, 使幼苗的正常发育受到影响。金露梅凋落叶浸提液处理下MDA含量随浓度升高呈逐渐升高的趋势, 这与张淑珍[33]研究结果类似, 这可能是垂穗披碱草幼苗在金露梅凋落叶浸提液的影响下, 发生了膜脂过氧化反应导致细胞膜受损, 引起MDA含量增高；在川滇柳与灌间草本凋凋落叶浸提液处理下MDA含量随浓度升高呈先升高后降低的变化趋势, 这可能是由于体内的各种保护酶系统与其他保护系统共同作用的结果。

综上, 本研究从灌丛凋落叶浸提液的化感作用角度, 阐明了灌丛植物凋落叶浸提液对灌间草本植物垂穗披碱草种子萌发与幼苗生长的影响, 讨论了不同灌丛凋落叶对高寒灌丛草地群落结构与组成的影响。然而, 灌丛群落组成与结构复杂, 且受自然和人为因素的影响较大, 对于高寒灌草系统群落组成与结构还需从多角度(郁闭度、放牧、海拔、光照等)进行系统研究。另外, 本研究仅对高寒灌丛植物凋落叶浸提液化感作用进行了初步研究, 对于凋落叶浸提液中的化感物质种类和成分差异的研究还需进一步探讨。

4 结论

东祁连山灌丛凋落物通过化感作用影响灌下草本植物垂穗披碱草种子萌发与幼苗生长, 受试草种虽然在灌丛凋落物浸提液低浓度中均能较好的生长, 但是随着凋落物浸提液浓度的升高仍表现出了显著的抑制作用, 同时影响抗氧化酶活性、细胞渗透调节物质和膜质氧化产物等各项生理活性指标, 使细胞膜脂结构受到损坏, 从而影响植物正常生长, 降低垂穗披碱草在高寒灌丛系统中生存与种间竞争。几种灌丛凋落叶的综合化感效应强度顺序为：头花杜鹃、川滇柳、灌间草本、金露梅；从灌丛凋落叶化感作用角度看, 头花杜鹃对东祁连山灌草系统中对灌下饲用草本植物垂穗披碱草的生长与群落分布有较大的影响。

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