杉木自毒作用及其与主要混交树种化感作用的研究

化感作用是指植物生长过程或植物腐烂过程中产生的化感物质对邻近植物生长的干扰，它是植物之间传递信息的一种方式，是森林生态系统中普遍存在的一种现象，对森林群落的结构、功能、效益及发展均有重大影响，是一不可忽视的化学生态因子。1984年Rice把化感作用定义为“植物(包括微生物)向环境释放化学物质，从而对其它植物产生有利或有害的影响”。植物通过挥发、淋溶、分泌、分解、腐解等途径向环境释放化感物质。 杉木是我国南方最重要的用材树种，连栽导致地力衰退。杉木自毒作用是导致杉木林地力衰退、生产力下降的一个重要原因。本论文首先分析了不同浸提方式条件下杉木叶、根及根际土壤化感物质以及不同腐解阶段杉木枯枝落叶分解土化感物质对杉木种子发芽及其幼苗的化感效应；在GC-MS鉴定自毒物质的基础上，分析了逆境胁迫条件下杉木自毒物质对杉木幼苗的化感效应；除此之外，本文还探讨了杉木主要混交树种对杉木的种间化感作用，这不仅可以从机理上研究杉木人工林的自毒作用，深入了解杉木对自毒物质的反应及自毒物质的作用强度的变化，全面评价杉木自毒作用在杉木林中的地位，揭示杉木自毒作用在杉木林生态系统中的自然化学调控机理，而且通过杉木与主要混交树种种间生化作用的研究，为解决杉木连栽障碍问题，实现杉木林地的可持续经营，防止杉木连栽生产力下降在理论上和实践上都具有重要的理论参考价值及实践意义。研究结果表明： (1)杉木纯林中的土壤、枯落叶、半分解枯落叶和杉木鲜叶、枝条、树皮、树根的水浸液和上述七种水浸液添加乙烯吡咯啉酮K-300(pvp)后得到的溶液对杉木种子的萌发具有不同程度的影响。所有水浸液均表现出高浓度下抑制种子萌发，随着浓度降低，抑制作用减弱、消失，甚至转变为促进作用的规律；其中根和鲜叶的水浸液抑制作用最强，但水浸液添加pvp后得到的抑制作用明显减弱，且在低浓度时表现出促进作用。 (2)杉木枝叶水浸液对杉木幼苗的生长、生理及其各器官营养元素含量具有不同的影响。从生长量上，在整个培养过程，总体上的趋势基本上表现为高浓度的枝叶水浸液对杉木幼苗苗高及地径生长及光合指标、呼吸指标具有不良的影响；从生物量上看，各器官生物量随杉木枝叶水浸液浓度的上升而逐渐降低。从生物量分配率上看，杉木水浸液在低浓度时有利于叶、皮、根、枝和干等各器官的生物量分配率，高浓度时有利于枯枝落叶的生物量分配率。大部分营养器官C、N、Mg、K、Ca、Cu、Mn、Fe和Zn的含量随着水浸液的降低而升高，Al含量随着水浸液浓度的升高而升高；同一器官不同水浸液各个营养元素含量不同，同一元素也因水浸液浓度的不同而在不同的营养器官产生不同的分配。通过GC-MS气相质谱鉴定，杉木枝叶水浸液的化感物质主要是二氢香豆精、顺式合欢醛、丙酸甲酯、肉桂酸、阿魏酸、1-环丁基乙醇。 (3)采用正交试验方法及超临界流体萃取技术提取的杉木根提取物对杉木种子发芽存在不同程度的影响。生物检测结果表明，与酒精对照相比：超临界流体1萃取条件下，萃取参数8条件杉木根提取物对杉木种子绝对发芽率、绝对发芽势、胚根、胚轴、鲜重和干重等发芽指标均表现出抑制作用，萃取参数2、3、4和6等条件杉木根提取物对杉木种子鲜重表现出抑制作用，萃取参数5条件杉木根提取物对绝对发芽势和鲜重起抑制作用，萃取参数1和7等条件杉木根提取物对除胚根以外的其它各发芽指标均起抑制作用；同一参数条件三种浓度(50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg)处理之间相比，萃取参数1、2、3、6、7和8条件下以200mg/kg浓度杉木根提取物处理的抑制作用最强，接着为100mg/kg或50mg/kg处理的；萃取参数4和5条件下以100mg/kg浓度提取物处理的抑制作用最强，接着为50mg/kg或200mg/kg处理的。夹带剂(乙醇)超临界流体CO2条件下，萃取参数3和8等条件杉木根提取物对杉木种子鲜重和干重现出不同程度的抑制作用；萃取参数1、6和7等条件杉木根提取物对绝对杉木种子绝对发芽率、鲜重和干重表现出抑制作用；萃取参数2条件杉木根提取物对绝对发芽势、鲜重和干重表现抑制作用；而萃取参数4和5等条件杉木根提取物则对绝对发芽率、绝对发芽势、鲜重和干重均起抑制作用；同一参数条件下三种浓度(50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg)处理之间相比，萃取参数1、3、7和8条件下以200mg/kg浓度提取物处理的抑制作用最强，接着为50mg/kg或100mg/kg处理的；而参数2、4和5条件下则以100mg/kg浓度提取物处理的抑制作用最强，接着为50mg/kg或200mg/kg处理的。通过GC-MS鉴定，杉木超临界根化感物质主要是9-十八烯酸、1-环丁基乙醇、2-苯基丙醛、肉桂酸、4氟基组胺、邻羟基苯甲酸、2,2,6-三甲基环已酮等化感物质。 (4)丙酮和乙酸乙酯1:1混合浸提的杉木根际土壤提取物对杉木种子各发芽指标均存在抑制作用。三种浓度(50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg)处理之间相比，以200mg/kg浓度提取物处理的抑制作用最强，接着为100mg/kg或50mg/kg浓度处理的。200mg/kg浓度提取物对杉木种子绝对发芽率、绝对发芽势和根长的影响强度与酒精对照相比，分别降低了32.19％、40.27％、和39.05％；而与50mg/kg处理的相比则分别降低12.69％、45.45％和23.81％。通过GC-MS鉴定，杉木根际土壤化感物质主要是苯甲醛等化感物质。 (5)不同浓度阿魏酸、肉桂酸及邻羟基苯甲酸对杉木种子的发芽有不同程度的影响；高浓度阿魏酸、肉桂酸及邻羟基苯甲酸对杉木种子萌发与胚根生长存在明显抑制作用，随着浓度的降低，抑制作用逐渐减弱；就不同自毒物质间的差异而言，邻羟基苯甲酸对杉木种子发芽及胚的生长抑制程度大于阿魏酸和肉桂酸。 (6)不同逆境胁迫对邻羟基苯甲酸的活性具有不同的效应。在-0.3MPa及-0.5MPa水分条件下杉木幼苗的SOD活性随着邻羟基苯甲酸浓度的加大，表现为先降后升又下降，在-0.7MPa水分条件下随着邻羟基苯甲酸浓度的加大呈递减下降趋势；POD活性则表现为在-0.3MPa水分条件下，低浓度邻羟基苯甲酸处理的杉木幼苗POD活性在整个实验期间表现为先下降后上升；在-0.5MPa及-0.7MPa水分条件下，POD活性呈一直下降的趋势，且随邻羟基苯甲酸浓度增加，POD活性降低得越快。在不同营养水平条件下，与对照相比，低浓度邻羟基苯甲酸(50mg/L)处理的杉木幼苗叶绿素含量、NR、SOD、POD等指标总体上表现为先降低后上升的趋势；较高浓度邻羟基苯甲酸(100mg/L)及高浓度(200mg/L)处理的杉木幼苗叶绿素含量、NR、SOD、POD等指标总体上表现为递减的趋势；对于相对电导率来说，除完全营养液对照处理的相对电导率无明显变化外，其余处理的均随胁迫时间的延长而增大，且随着邻羟基苯甲酸浓度的加大，相对电导率上升趋势越明显。 (7)杉木枯枝落叶不同腐解阶段分解土化感物质的生物评价结果表明，不同腐解阶段杉木枯枝落叶分解土化感物质对杉木种子的发芽具有不同的影响；就分解士的化感物质而言，随着腐解时间的延长，化感物质对杉木种子鲜物质最及干物质等指标的抑制作用逐渐增强，但对绝对发芽率、绝对发芽势及根长的促进作用逐渐增强；就不同极性化感物质而言，杉木枯枝落叶分解土极性化感物质的抑制作用强于弱极性化感物质。经GC-MS鉴定结果表明，当枯枝落叶分解3个月时，杉木枯枝落叶分解土化感物质主要是肉桂酸等；当枯枝落叶分解6个月时，杉木枯枝落叶分解土化感物质主要是邻羟基苯甲酸、阿魏酸等；当枯枝落叶分解9个月时，杉木枯枝落叶分解土化感物质主要是邻羟基苯甲酸、阿魏酸等；当枯枝落叶分解12个月时，杉木枯枝落叶分解土化感物质主要是肉桂酸、邻苯二甲酸二甲基乙基酯等。 (8)采用正交试验方法及夹带剂(夹带剂为乙醇)超临界流体CO2提取的丝栗栲根提取物对杉木种子发芽的影响各不相同。生物检测结果显示，与酒精对照相比：萃取参数1、5和8等条件丝栗栲根提取物对杉木种子绝对发芽率、绝对发芽势、胚根长、胚轴长、鲜重和干重等发芽指标均起促进作用，而萃取参数3、6和7等条件丝栗栲根提取物对除绝对发芽势外的各发芽指标起促进作用，萃取参数2条件丝栗栲根提取物仅对发芽率、鲜重和干重起促进作用。同一参数条件三种浓度(50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg)处理之间相比，萃取参数1、3、6、7和8条件下以50mg/kg浓度提取物对杉木种子各发芽指标的促进作用最强，接着为100mg/kg或200mg/kg处理的，而萃取参数2和5条件下以100mg/kg浓度提取物处理的促进作用最强，接着为200mg/kg和50mg/kg处理的。 (9)丙酮和乙酸乙酯1∶1混合浸提的丝栗栲根际土壤提取物对杉木种子绝对发芽率和绝对发芽势均存在不同程度的促进作用，而对其根长生长则表现为不同程度的抑制作用。三种浓度(50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg)处理之间相比，以200mg/kg浓度处理的促进作用最强，接着为100mg/kg处理的或50mg/kg处理的。与酒精对照相比，200mg/kg提取物处理的杉木种子绝对发芽率、绝对发芽势分别提高8.69％和9.02％，而根长则降低11.43％。 (10)木荷和丝栗栲叶片化感物质在高浓度时能抑制杉木叶片化感物质的自毒活性，能在一定程度上促进杉木种子的发芽以及芽的生长，但随着浓度下降，这种促进作用逐渐减弱。