刘冠志， 刘利红， 郭 娇， 苏慧媛， 兰 庆， 刘果厚*
(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010019；
2. 赤峰市农学院， 内蒙古 赤峰 024000；
3. 内蒙古农业大学沙漠治理学院， 内蒙古 呼和浩特 010019；
4. 内蒙古自治区人民医院中医科， 内蒙古 呼和浩特 010017)
化感作用(Allelopathy)是植物向环境中释放化学物质进而影响自身或其他有机体(包括植物、微生物及动物)的生长发育现象，是植物保持生存竞争优势的一种适应机制[1]。植物以次生代谢的方式形成化感物质[2]，并通过自然挥发、淋溶、残体分解及根系分泌等主要途径将其释放到环境中[3]。目前，关于植物化感作用的研究主要集中在农田生态系统管理、生物入侵、天然植被群落演替与空间格局等方面[4-10]。研究发现植物化感作用会从不同时空尺度(如植物的地理分布格局、防御过程、根际过程、土壤养分循环过程及微生物群落结构等)影响生态学过程[11]。从时间尺度看，化感作用被认为是植物为抵抗外界环境胁迫(如食草动物采食或种间竞争)所形成的一种防御或生态策略[12]，这种现象普遍存在于草原生态系统中，并以毒害草侵入的退化型草原为突出[11-13]。目前，基于植物化感作用的生态学过程研究，将会为毒害草引起的退化型草原生态系统的恢复提供理论参考，同时为更好地发挥化感作用的潜在应用价值以及草原生物多样性的保护提供案例数据。
内蒙古草原葱属(Allium)植物十分丰富，是资源价值很高的植物类群，是构成草原植被的重要组成部分，在内蒙古草原形成替代性分布，并成为优势种或特征种[14]。其中，山韭(A.senescens)为葱属的多年生草本植物，是草甸草原及典型草原的常见伴生种。其不仅具有极高的饲用价值，对牲畜秋季育肥、抓膘及防病治病有着重要作用，而且还可为人类食用和药用[15]。狼毒(Stellerachamaejasme)为瑞香科狼毒属多年生有毒草本植物，俗称断肠草、馒头花、红火柴头花等，区系类型为蒙古-华北-青藏高原分布种[14]，分布于我国西北、西南、东北和华北各省，生境主要为石砾质、沙质的荒漠草原和典型草原及高山、亚高山草甸草原。其常为草原植物群落的伴生种，在退化严重的草原可成为优势种[16]。狼毒在退化草原的蔓延导致草原质量变差、生产力降低，是我国草原生态系统平衡和畜牧业可持续发展的安全隐患[17]。研究表明，狼毒具有化感作用，主要表现为对其伴生植物的化感毒性，可能是导致群落结构变化和草原植被退化的原因之一[18]。狼毒不同器官(根、茎、叶)的不同溶液(水、乙醇等)提取物对其他野生植物或栽培作物均具有一定的化感作用，主要表现在影响其种子的发芽和幼苗的生长[19-20]，其根际土的水提物对其他牧草也具有化感作用[21]。此外，狼毒的化感作用会随着年龄的增加而增强[22]。狼毒的化感毒性物质具有显著的杀虫活性及抑菌活性，在植物源农药开发方面具有一定的应用前景和经济价值[23]。目前，关于狼毒化感作用的研究多集中于对草原生态系统中优势科植物，如禾本科与豆科植物[18-19,24]，而对草原生态系统中葱属常见伴生种化感作用的研究尚未有报道。本研究以狼毒为供体植物，探讨其不同部位(根、茎叶)水浸液对山韭的种子发芽与幼苗生长的影响，为深入研究狼毒对牧草化感作用的机理提供新的资料。
1.1 试验设计
本试验以3年生以上狼毒为供体材料，于2020年7月采自内蒙古正蓝旗典型草原。将采集的新鲜狼毒植株体表面杂物进行清除，用清水洗净后，再用蒸馏水清洗。将根、茎叶分离，自然风干后，分别粉碎成末，装袋密封，贮藏备用。
水浸液的制备：将处理好的狼毒根、茎叶样品与蒸馏水按50 mg∶1 mL配制，于25℃条件下浸泡24 h。然后先用纱布过滤，再用微孔滤膜进行二重过滤，以除去水浸液中的杂质，得到质量浓度为50 mg·mL-1的母液，最后将母液用蒸馏水稀释为0.5，5，10，20 mg·mL-1的水浸液。4℃冰箱中保存备用。
1.2 种子发芽试验
选取均匀饱满的山韭的种子，于0.1%的高锰酸钾溶液消毒10 min后，用蒸馏水反复冲洗数次，至高锰酸钾完全洗净。将50粒种子装入放有双层滤纸的培养皿(Φ=9 cm)中，分别加入10 mL质量浓度为0.5，5，10，20，50 mg·mL-1的水浸液及对照(CK)组溶液(蒸馏水，0 mg·mL-1)，试验设3个重复。在培养箱中25℃培养15天，每天补充因蒸发而损失的水分，从第3天开始统计每日的种子发芽数量，以种子连续3天不再萌发的时间为末次计数时间，实验结束后每个处理选取10株测定胚芽与胚根的长度。计算发芽率和发芽指数。
1.3 幼苗生长试验
盆栽法进行幼苗生长试验。取内蒙古农业大学试验田耕作层(0～10 cm)土壤，去除草根与杂物，过筛(孔径0.5 cm)后充分混匀，装入培养盆(10 cm×15 cm)，每盆装土400 g。再将经消毒处理的山韭种子播入盆中，每盆20粒，覆土0.5 cm，每盆最终定苗5株，每个处理3个重复盆，共设15个重复。幼苗生长4周后每10天浇施不同质量浓度的狼毒根、茎叶水浸液(0，0.5，5，10，20，50 mg·mL-1)，对照浇施蒸馏水，每次60 mL，共浇施4次，共培养60天。在试验期间，根据盆土湿度情况同时进行等量少许补水。试验结束后，直尺测幼苗的高度和根长，游标卡尺测量根径(根的直径)。
1.4 数据处理与分析
种子发芽率、发芽指数、化感效应指数的计算方法如下：发芽率=(发芽种子数/供试种子数)×100%；
发芽指数=Σ(当日发芽数/相应的发芽日数)；
参照Williamson等[25]的化感效应指数(Allelopathic response index，RI)：RI=1-C/T(T>C)或RI=T/C-1(T
2.1 狼毒不同部位水浸液对山韭种子发芽的影响
如表1所示，狼毒根水浸液对山韭种子的发芽率、发芽指数、胚根长和胚芽长存在显著影响(P<0.05)。在水浸液浓度为0.5，5和10 mg·mL-1时，山韭种子的发芽率和发芽指数与对照无显著性差异，但在20和50 mg·mL-1时与对照具有显著性差异(P<0.05)。当水浸液浓度为50 mg·mL-1时，山韭种子的发芽率为49.33%，发芽指数为2.83，与对照相比分别降低了43.94%和48.73%。在0.5和5 mg·mL-1的水浸液处理下，山韭种子胚根、胚芽的长度显著高于对照，胚根、胚芽在0.5 mg·mL-1时具有最大生长量，分别为对照的1.88倍和1.35倍；
在10和20 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭种子胚根、胚芽生长与对照无显著性差异；
在50 mg·mL-1的水浸液作用下，山韭种子胚根、胚芽生长显著小于对照(P<0.05)，仅为对照生长量的40.00%和39.47%。
狼毒茎叶水浸液也对山韭种子的发芽特征具有显著的影响(P<0.05)，不同浓度水浸液处理的山韭种子的发芽率均显著小于对照(P<0.05)，在水浸液浓度为50 mg·mL-1时，山韭种子的发芽率仅为11.33%，发芽指数为0.52，较对照下降了87.13%和89.74%。除0.5 mg·mL-1水浸液处理的种子的发芽指数与对照无显著性差异外，其他处理均具有显著性差异(P<0.05)。山韭的胚根、胚芽长在不同浓度狼毒茎叶水浸液作用下，受到了不同程度的影响。山韭胚根在0.5和5 mg·mL-1水浸液处理下的生长明显长于对照，在0.5 mg·mL-1时胚根的生长量最大，为对照的1.71倍；
随水浸液浓度的增加胚根的生长量呈先增大后下降的变化，在50 mg·mL-1时，胚根的生长量显著小于对照(P<0.05)，胚根的长度仅为对照的57.78%；
山韭胚芽在0.5和5 mg·mL-1水浸液处理下的生长与对照无显著性差异，在10，20和50 mg·mL-1时，胚芽的生长与对照存在显著性差异(P<0.05)，且在50 mg·mL-1时，胚芽的长度仅为对照的28.57%。
2.2 狼毒不同部位水浸液对山韭幼苗生长的影响
不同浓度狼毒根水浸液对山韭幼苗生长的影响不同(表2)，随着水浸液浓度的升高，山韭幼苗的株高、根长和根径逐渐下降。其中，在0.5和5 mg·mL-1水浸液处理时，山韭幼苗株高和根长显著大于对照(P<0.05)，0.5 mg·mL-1时株高和根长的生长量最大，分别为对照的1.30倍与1.31倍；
而水浸液浓度为10，20和50 mg·mL-1时，幼苗的株高与对照无显著性差异，10和20 mg·mL-1时幼苗的根长与对照也无显著性差异，而50 mg·mL-1时根长显著小于对照(P<0.05)。山韭幼苗根径对不同浓度根水浸液的响应与对照均无显著性差异。
表2 狼毒不同部位水浸液对山韭幼苗生长的影响Table 2 Effect of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens
狼毒茎叶水浸液对山韭幼苗生长的影响分析表明(表2)，不同浓度水浸液处理下的山韭幼苗株高、根径与对照无显著性差异，但不同浓度水浸液之间具有显著性差异(P<0.05)。水浸液浓度为0.5，5和10 mg·mL-1时的株高和根径显著大于50 mg·mL-1(P<0.05)，而三者之间无显著性差异；
20 mg·mL-1水浸液处理下的株高和根径显著小于0.5 mg·mL-1(P<0.05)。不同浓度水浸液处理对山韭幼苗根长的影响不同，0.5，5和10 mg·mL-1水浸液处理下的根长与对照无显著性差异，而在20和50 mg·mL-1时的根长显著大于对照及0.5，5和10 mg·mL-1水浸液处理(P<0.05)。
2.3 化感效应分析
化感效应指数(RI)可以反应植物间的化感作用，通常具有两种表现，即RI为正值表示促进作用，负值则表示抑制作用[3]。通过分析狼毒植株根、茎叶水浸液对山韭种子发芽的化感效应指数可知(图1)，狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子的发芽率具有抑制作用，根、茎叶水浸液的抑制作用随着水浸液浓度的增加逐渐增强(图1A)。相同浓度下，茎叶水浸液对山韭种子发芽率的化感抑制作用显著大于根(P<0.05)。狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子发芽指数的化感效应与其发芽率相似(图1B)，即随着水浸液浓度的增加，根、茎叶水浸液对山韭种子发芽指数的抑制作用逐渐增强。而相同浓度下，仅有5和10 mg·mL-1时茎叶水浸液的抑制作用显著大于根水浸液(P<0.05)。
狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子胚根的化感效应显示(图1C)，0.5和5 mg·mL-1根、茎叶水浸液对山韭种子的胚根长均具有促进作用，20和50 mg·mL-1时同时具有抑制作用，10 mg·mL-1根、茎叶水浸液具有不同的化感效应，前者具有一定的促进作用，后者则表现为抑制作用。在5 mg·mL-1时根水浸液对山韭种子胚根生长的化感促进作用显著大于茎叶水浸液(P<0.05)。狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子胚芽的化感效应显示(图1D)，0.5和5 mg·mL-1根、茎叶水浸液均具有促进作用，且根水浸液的促进作用显著强于茎叶水浸液(P<0.05)；
10，20和50 mg·mL-1时均表现为不同程度的抑制作用，10 mg·mL-1时根水浸液的抑制作用显著小于茎叶水浸液(P<0.05)。
图1 狼毒不同部位水浸液对山韭种子发芽的化感效应Fig.1 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seed germination of A. senescens注：*表示各指标在同一浓度根水浸液与茎叶水浸液处理下具有显著差异(P<0.05)。下图同Note:* Represents significant difference between the indexes under the same concentration of aqueous extracts from root and stem and leaf at the 0.05 level. The same as below
狼毒根、茎叶水浸液对山韭幼苗生长的化感效应指数对比分析(图2)，根、茎叶水浸液对山韭幼苗株高(图2A)、根长(图2B)与根径(图2C)均在0.5，5和10 mg·mL-1时表现出促进作用，在20和50 mg·mL-1时表现出抑制作用。相同浓度下，狼毒根水浸液在5 mg·mL-1浓度时对山韭幼苗株高的促进作用显著大于茎叶水浸液(P<0.05)，在0.5和10 mg·mL-1浓度时对山韭根长的促进作用显著大于茎叶水浸液(P<0.05)，茎叶水浸液在20和50 mg·mL-1浓度时对山韭幼苗根长的抑制作用显著大于根水浸液(P<0.05)。
图2 狼毒不同部位水浸液对山韭幼苗生长的化感效应Fig.2 Allelopathic effects of aqueous extracts from different parts of S. chamaejasme on the seedling growth of A. senescens
研究发现，狼毒根、茎叶水浸液均对山韭种子的发芽率、发芽指数、胚根长和胚芽长具有显著的影响。在种子萌发时，除0.5，5和10 mg·mL-1浓度的根水浸液对山韭种子的发芽率与发芽指数无显著抑制作用外，其他浓度下的狼毒根、茎叶水浸液对其均具有显著的抑制作用(P<0.05)，且抑制作用强度与浓度成正相关关系。这与前人的研究结果一致[26]。同时，周淑清[19]与刘雅婧等[20]分别通过狼毒对紫花苜蓿(Medicagosativa)种子发芽的化感抑制强度与水浸液浓度的关系进行了印证。大量研究表明植物体不同部位的化感效应有所差异[27-29]。本研究发现狼毒根与茎叶的化感作用也存在明显的差异。同时，研究发现狼毒茎叶水浸液对山韭种子发芽的抑制作用强于根水浸液，这与狼毒对豆科牧草种子萌发的研究结果相反。周淑清[19]研究发现狼毒根水浸液抑制沙打旺(Astragalusadsurgens)种子萌发的强度大于茎叶水浸液，同时通过土壤腐解试验证明狼毒根对紫花苜蓿的化感抑制作用大于茎叶[30]。这说明植物化感作用的强弱不仅与其产生部位有关，还与作用植物的种类有关。
当山韭种子萌发后，狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子的胚根、胚芽的生长均具有“低促高抑”的作用。该结果不同于狼毒对紫花苜蓿和沙打旺等豆科植物的化感作用变化规律，即狼毒水浸液对紫花苜蓿和沙打旺种子胚根的伸长具有明显的抑制作用，且随着浓度的增加逐渐增强[19]。在0.5和5 mg·mL-1浓度的根、茎叶水浸液对胚芽的生长均具有明显的促进作用，而根水浸液对胚芽生长的促进作用显著大于茎叶水浸液。这一结果前人的相关研究相同[31-32]，可能是因为植物不同组织或部位对化感物质的敏感程度不同所导致。对比相同浓度下化感效应指数，狼毒对山韭种子胚根和胚芽的化感作用总体呈现规律性变化，即低浓度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，根水浸液的促进作用强于茎叶水浸液，而高浓度(20和50 mg·mL-1)下，茎叶水浸液抑制作用强于根水浸液。
随着山韭幼苗的生长，不同浓度狼毒根、茎叶水浸液对其化感作用也具有明显差异，低浓度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液对山韭幼苗株高、根长与根径均具有促进作用，高浓度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。研究表明，狼毒水浸液对紫花苜蓿[20]、新麦草(Psathyrostachysjuncea)[24]、高粱(Sorghumbicolor)和燕麦(Avenasativa)[33]等幼苗生长的化感作用也具有“低促高抑”的现象。刘利红[34]证明了狼毒根、茎叶腐解物对扁蓿豆(M.ruthenica)、草木樨状黄芪(A.melilotoides)与沙芦草(Agropyronmongolicum)幼苗生长具有化感促进作用，且茎叶的化感作用强于根，这与本研究的结果有所差异。本研究发现低浓度(0.5，5和10 mg·mL-1)下，狼毒根水浸液对山韭幼苗生长的化感促进作用大于茎叶水浸液，高浓度(20和50 mg·mL-1)下茎叶水浸液的化感抑制作用大于根水浸液。由于某些植物具有多种化感物质释放方式[3]，这可能与两种试验所模拟的化感途径不同有关，分别模拟了狼毒残株腐解与雨雾淋溶的化感物质释放途径。
化感作用的本质是一种植物通过释放化感物质来影响另一种植物的生长发育，可能会影响到植物的部分甚至全部生长过程[3]。本研究发现，狼毒对山韭的化感作用存在于其种子萌发和幼苗生长的全部过程，其不同部位(根、茎叶)对山韭不同的生长发育阶段所存在的化感作用也不同。总体来看，狼毒在山韭种子的萌发阶段主要抑制其发芽，但在胚根和胚芽突破种皮至幼苗生长阶段则表现为低浓度的促进和高浓度抑制作用。本研究结果或许可以为毒害草型退化草原修复寻找替代防控植物提供数据资料。早在20世纪80年代，Putnam等[35]开创性的在农业生态系统中运用化感作用进行田间杂草防除，对各种作物的化感作用进行了评估，并筛选出一些可以控制常见杂草的作物。随后，基于植物化感作用的农田管理措施和种植模式等陆续展开，并取得良好的效益。这也为当前草原生态修复提供了有益参考。虽然化感作用在草原生态系统中的研究已经取得显著成就，但相关研究还处于初始的验证化感效应、化感物质的分离和鉴定等方面[11]。本研究也属草原植物化感作用初始验证范畴，为下一步筛选、利用和开发替代防控狼毒的乡土植物奠定理论基础，今后将继续开展百合科葱属植物化感作用在不同时空尺度生态学过程的相关机制研究。
狼毒对山韭的种子发芽与幼苗生长具有明显的化感作用，且随着山韭种子的萌发，胚根、胚芽的伸长，乃至幼苗的生长呈现一定的变化规律。在种子萌发阶段，狼毒根、茎叶水浸液均对山韭种子的发芽率和发芽指数具有抑制作用，且随浓度的增加逐渐增强，最大可分别降低发芽率达43.94%和87.13%；
胚根、胚芽的伸长到幼苗的生长阶段，不同浓度狼毒根、茎叶水浸液对山韭种子胚根、胚芽及幼苗的生长具有“低促高抑”的作用，即低浓度(0.5，5和10 mg·mL-1)水浸液对其具有促进作用，高浓度(20和50 mg·mL-1)具有抑制作用。不同部位的化感效应比较分析表明，狼毒对山韭的种子发芽与幼苗生长的化感作用具有部位和浓度的差异。狼毒茎叶水浸液对山韭种子发芽的抑制作用强于根水浸液；
对山韭种子胚根、胚芽及幼苗生长的化感作用表明，低浓度根水浸液的化感促进作用强于茎叶水浸液，而高浓度茎叶水浸液的化感抑制作用强于根水浸液。