化感作用（Allelopathy）是生态系统中生长的植物通过多种途径向环境中释放特定化学物质从而促进或抑制自身或邻近植物种子萌发和幼苗生长的一种表现形式，是植物体普遍存在的一种生态防御机制或提高自身生存竞争力的化学手段^［1］。目前，植物化感作用已成为生态学领域的重要科学问题，在植物群落演替及恢复，牧草、药材及农作物合理种植，杂草控制、病虫害防治以及减少连作障碍、自毒危害等方面具有重要意义，并已取得显著成果^［2-7］。但这些研究主要在沿海、温带及草原地区，对干旱荒漠区植物的化感作用鲜有报道。在恶劣生境中，植物往往会增加自身代谢物质的释放浓度而具有更强的化感潜力^［1，8］。因此，长期生长在干旱生境中的荒漠植物是更值得深入研究的化感植物资源。

沙蒿（Artemisia desertorum）为菊科半灌木植物，广泛分布于中国内蒙古、陕西、宁夏和甘肃等地的沙漠地区，根系发达，繁殖能力强，在分布区常为群落中重要建群种或优势种。沙蒿不仅是优良的固沙植物，也是牲畜冬春重要的饲草，并具有药用价值，是沙区待开发的野生经济植物^［9］，受到很多学者的广泛关注，并在生理特征、生态适应性、群落演替特征、营养器官的开发利用及生态防护功能等方面开展了一系列研究^［10-13］。沙蒿对恶劣风沙环境具有特殊的适应方式，是已经被证明了的具有化感作用的荒漠植物。邓文红等^［14］指出，沙蒿根、植株浸提液对伴生植物沙米（Agriophyllum squarrosum）、虫实（Corispermum hyssopifolium）种子发芽与幼苗生长具有抑制作用，而对狗尾草（Setaria viridis）则表现为促进，且研究结果证明其化感物质释放以根系为主，但这一研究中未涉及其枯落物的化感效应，因而不能更加充分证明其化感物质的来源。野外条件下沙蒿可自然更新，以种子繁殖为主，幼苗和灌丛常呈较大单株或聚集分布，周围很少有其他植物生长或其生长明显受到抑制^［15］。沙蒿作为已经被证明的具有化感效应的植物，其浸提液对自身生长有何影响未见报道。因此，本文以盆栽两年生沙蒿植物为试验材料，研究其根、枝叶、枯落物浸提液对自身种子萌发与幼苗生长的影响，提供一种从植物化学生态学角度思考其种群分布格局、种内、种间竞争机制、群落演替规律等问题的方法，希望能对荒漠植被建设提供参考。

试验材料于2019年10月采自甘肃省治沙研究所荒漠化与风沙灾害防治重点实验室试验样地。随机选取8—10株盆栽两年生沙蒿植株并收集枯枝落叶，连根完整挖取后带回实验室用自来水将根部泥土冲洗干净，晾干水分后将根系、枝叶、枯落物分别剪碎备用。

称取剪碎的沙蒿根、枝叶、枯落物各100 g放入1 500 mL广口瓶中，加入1 000 mL蒸馏水封口并在室温（20—25 ℃）条件下浸泡48 h（每7—8 h摇动5 min），之后参考寻蓓蓓等^［16］的方法提取活性物质，40 ℃下超声波浸提30 min，之后将浸提液用纱布过滤，再用定量滤纸过滤，最后用单元0.45 μm的微孔滤膜过滤，6 500 rpm下离心15 min后所得上清液即为浓度100 mg·L^-1的沙蒿根、枝叶、枯落物浸提母液，分别稀释成体积浓度为5、25、50、100 mg·L^-1（原液）后置于冰箱4 ℃下保存备用^［17］。

种子萌发采用培养皿滤纸法^［18］。挑选均匀、饱满的沙蒿种子，清水冲洗干净浸泡12 h后播种于铺有双层滤纸的培养皿中（培养皿和滤纸均做高温消毒处理），每皿50粒种子，之后分别注入不同浸提液5 mL（使用前先将浸提液在室温下放置30 min，以免骤冷对试验结果产生影响），对照（CK）加5 mL蒸馏水，每处理5个重复；培养皿加盖后置于智能人工气候箱中（RQX-400H上海跃进医疗器械有限公司）暗培养，白天温度25 ℃、夜晚20 ℃，相对湿度50%；种子萌发期间每天用胶头滴管吸出培养皿中多余的液体，并补充1 mL对应浓度的浸提液或蒸馏水，以保持培养皿中浸提液浓度及水分状况恒定；每天记录种子萌发数（胚根突破种皮1 mm视为萌发）并挑除发芽种子，连续3 d不再有新种子发芽时结束试验，计算种子萌发率、萌发指数。

式中：G_t指在t日内萌发的种子个数；D_t指相应的萌发观测天数。

幼苗生长采用“小烧杯法”^［19］。称取80 g河沙装入250 mL烧杯中，上部铺一层医用纱布压平作为培养床，之后均匀注入20 mL 1/2 Hoagland营养液；用镊子将40粒催芽后刚刚萌动的沙蒿种子分别移入烧杯中，再分别注入沙蒿浸提液各10 mL，CK加等量蒸馏水，每处理5个重复；置于人工气候箱中，设光照12 h、光强4 000 lx（其他培养条件同种子萌发），15 d后从烧杯中随机取出20株幼苗，测定苗高、根长、苗干重、根干重；其中苗干重与根干重在105 ℃下杀青5 min，80 ℃下烘干至恒重后测定。并测定其他20株幼苗的生理指标，其中相对电导率（REC）采用电导率仪（CD400）测定；叶绿素（Chl）含量用乙醇-丙酮-蒸馏水（乙醇∶丙酮∶水=4.5∶4.5∶1）浸泡提取后采用分光光度计法测定；丙二醛（MDA）含量用硫代巴比妥酸显色法测定^［20］。

采用WPS和SPSS19.0对不同浓度浸提液处理间进行数据处理和方差分析，利用Duncan法进行显著性检验；化感综合效应指数指浸提液对各个测试项目促进或抑制率的算数平均值。

式中：T指处理值；C为对照值；RI>0表示浸提液对受体植物具有抑制作用，RI<0表示浸提液对受体植物具有促进作用，RI值表示抑制/促进作用强度的大小。试验所测得的REC、MDA含量数值越大表明抑制作用越明显^［20］。

沙蒿不同种类浸提液对自身种子萌发率及萌发指数具有不同影响（表1）。CK处理时种子萌发率为96.63%，萌发指数达65.81；采用不同浓度根、枝叶浸提液处理时，种子萌发率、萌发指数均随两种浸提液浓度升高而减小，其中根浸提液随浓度的升高对种子萌发的抑制率分别为3.38%、8.25%、41.13%、66.66%，浓度5 mg·L^-1时与CK差异不显著，25 mg·L^-1时与CK间呈显著差异，浓度50、100 mg·L^-1两处理间及其与CK呈极显著差异。根浸提液对种子萌发指数的影响也表现出相同的变化趋势。枝叶浸提液对自身种子萌发的抑制作用较为强烈，抑制率随浸提液浓度的升高分别为11.14%、18.90%、40.14%、74.57%；除浓度5 mg·L^-1的处理外其他各浓度处理均与CK间呈极显著差异；各处理下种子萌发指数也表现出同样的变化趋势。

与根、枝叶不同，枯落物浸提液浓度为5、25 mg·L^-1时对自身种子萌发具有促进作用，萌发率较CK分别增加1.62%、2.21%，但均与CK间差异不显著；随着浸提液浓度升高，种子萌发率逐渐减小，浓度为50、100 mg·L^-1时抑制率分别为16.67%、41.29%，并与CK呈极显著差异；种子萌发指数随浸提液浓度升高呈逐渐减小趋势，其中浓度为5、25 mg·L^-1时与CK差异不显著，浓度为50、100 mg·L^-1时与CK呈极显著差异。

沙蒿不同种类浸提液显著影响自身幼苗地上植株及地下根系的生长（图1）。CK处理时幼苗苗高、根长分别为46.25、66.94 mm。根浸提液处理时，苗高、根长均随浸提液浓度升高而呈先增大后减小的趋势，浓度为5、25 mg·L^-1时苗高、根长均大于CK，且均与CK呈显著差异；随着浸提液浓度的升高，幼苗苗高、根长剧烈减小。枝叶浸提液处理时苗高、根长变化趋势与根浸提液处理相似，但浓度5 mg·L^-1时对苗高、根长没有影响，随着浸提液浓度升高，苗高、根长逐渐减小。枯落物浸提液处理时苗高、根长均随浸提液浓度升高呈先增大后减小的趋势，浓度为5、25、50 mg·L^-1时对苗高、根长具有明显的促进作用，且均与CK间差异不显著，并均在浓度25 mg·L^-1时达到最大值50.69 mm和72.33 mm，但浓度为100 mg·L^-1时，苗高、根长剧烈减小，且与CK及其他处理间呈显著差异。

不同种类浸提液处理时沙蒿幼苗各个生理指标的变化趋势不同（表2）。根、枝叶浸提液处理时REC随其浓度升高而逐渐增大，除浓度为5 mg·L^-1的处理外，其他处理均与CK间呈极显著差异；枯落物浸提液浓度为5、25、50 mg·L^-1时与CK相比分别减小0.08%、0.13%、0.45%；浓度5、25 mg·L^-1时与CK间差异不显著，但浓度为100 mg·L^-1时REC增加至50.11%，并于其他各处理间呈极显著差异。根、枝叶浸提液处理时幼苗Chl含量均随浸提液浓度的升高而减小，其中枝叶浸提液处理时Chl减小趋势更为剧烈；枯落物浸提液浓度为5、25、50 mg·L^-1时Chl随其浓度升高而增大，但在浓度为100 mg·L^-1时有所减小，并与CK呈极显著差异。不同种类浸提液处理时幼苗MDA变化趋势与REC相似，其中枝叶浸提液处理时MDA变化较为剧烈，浓度为100 mg·L^-1时与CK相比增加1.74 μmol·g^-1，且5—100 mg·L^-1各浓度处理均与CK间呈极显著差异；不同浓度枯落物浸提液处理时MDA含量随其浓度升高而逐渐减小。

沙蒿不同浸提液对自身种子萌发与幼苗生长的化感综合效应如表3所示，根浸提液对种子萌发率、萌发指数及幼苗生理特性均表现为抑制，抑制作用均随浸提液浓度升高而增强，对种子萌发率的抑制作用大于对萌发指数的抑制作用，幼苗生理特征中对MDA的抑制作用最小；但其浓度为5、25 mg·L^-1时对幼苗生长具有促进作用，化感综合效应分别为-2.59%、-0.44%，浸提液浓度为50、100 mg·L^-1时抑制作用逐渐增强，表现为根干重>苗干重>根长>苗高。枝叶浸提液仅在浓度5 mg·L^-1时对幼苗REC具有较弱的促进作用（RI=-1.88%），其他浓度均对种子萌发、幼苗生长及生理产生抑制，且抑制作用随其浓度升高而增强，其中对种子萌发阶段的抑制作用最强（RI=41.04%），其次分别为幼苗生理（RI=17.89%）、幼苗生长阶段（RI=16.98%）。低浓度的枯落物浸提液对种子萌发率具有促进作用，但推迟了种子萌发，对萌发指数产生抑制，高浓度时抑制作用渐强；但在幼苗生长阶段，浓度5、25、50 mg·L^-1的枯落物浸提液对幼苗形态指标均有促进作用，浓度100 mg·L^-1时表现为抑制；幼苗生理方面，浸提液浓度为5、25、50 mg·L^-1时，促进作用随浸提液浓度升高而增强，但浓度为100 mg·L^-1时表现为抑制。

本试验中沙蒿根、枝叶、枯落物浸提液对自身种子萌发具有明显的抑制，且抑制作用均随其浓度升高而增强，并不存在多数化感植物所具有的低促高抑现象^［7，17］；抑制作用总体为枝叶>根>枯落；其中根浸提液对萌发率的抑制大于萌发指数（30.90%>26.39%），枝叶浸提液抑制作用为萌发率小于萌发指数（37.45%<44.64%）；较低浓度的（5、25 mg·L^-1）枯落物浸提液对种子萌发率具有促进作用，对萌发指数产生抑制，但总体为抑制，且抑制作用为萌发率小于萌发指数（14%<17.84%），说明同一植物不同器官的化感作用大小通常有所差异，可能与植物各器官化感物质的种类与含量有关^［21-23］。此外，研究表明萌发指数是衡量化感作用更敏感的指标^［24］；在大多数浸提液处理的前期，种子均可萌发，但随着时间延长，萌发种子数量逐渐减少且之前已经萌发种子的胚芽生长缓慢，或其萌发行为逐渐停止。试验中枝叶、枯落物浸提液处理前期沙蒿种子均可萌发，但随处理时间延长萌发率和萌发指数均呈降低趋势，且枝叶浸提液对萌发指数的抑制作用极强，这种现象表明高浓度的沙蒿枝叶和枯落物中的化感物质不仅可以降低自身种子萌发的数目，更主要的是种子在萌发前或萌发过程中推迟、延缓其萌发时间，最终导致种子在萌发出芽前变质腐烂。那么，在荒漠区降水极少的自然条件下，沙蒿同多数荒漠植物一样，利用单次有效的降水即可萌发^［25］，但错过萌发机会最终死亡。

幼苗生长阶段，根、枯落物浸提液对自身幼苗生长的影响均表现为低促高抑现象，根浸提液浓度为5、25 mg·L^-1时可促进根长、苗高生长，但对苗干重、根干重表现为抑制，各生长指标敏感性依次为根干重>苗干重>根长>苗高，说明低浓度的根浸提液虽然在一定程度上促进了幼苗的生长，但阻碍了幼苗干物质的积累，外观表现为叶片发黄，主根细长。枝叶浸提液对自身幼苗、根系生长及干物质积累仍然产生较为强烈的抑制。枯落物浸提液浓度为5、25、50 mg·L^-1时对幼苗生长各指标均有促进作用，高浓度时（100 mg·L^-1）产生抑制，但总化感效应指数表现为促进（RI=-1.98%），幼苗各生长指标对枯落物浸提液促进作用的敏感性依次为根干重>根长>苗干重>苗高，表明枯落物浸提液处理有利于沙蒿自身幼苗根系生长，也有利于地上、地下部分干物质的积累；这种现象可能是植物不同器官对不同化感物质的敏感性及耐受力不同而表现出不同的生长策略。研究表明，雨水淋溶是植物向环境中释放化感物质的途径^［14］，那么，雨水入渗进入土壤，根系成为直接接触化感物质的器官可能更容易受到影响，因此多数植物幼苗根系在受到外界化感胁迫时通常比其他指标更为敏感^［25］。而地上部分靠根部吸收营养物质满足其生长需要，只有当根部受胁迫达到一定程度，水分和养分不能正常供给时，植物其他部分才表现出受害症状^［26］；邓文红等^［27］研究表明，沙蒿化感物质主要是酸性物质，其中根系的酸性组分最多，占36.80%，进一步说明沙蒿对自身幼苗生长产生影响的化感物质可能主要存在于地下土壤中，即通过影响幼苗根系生长从而降低其地下、地上部分干物质积累使幼苗生长不良。不同部位水浸提液所表现出来的化感效应强度不同，表明化感作用与其含有的化感物质的种类与含量有关。这与同属植物黑沙蒿（Artemisia ordosica）、艾蒿（Artemisia argyi）、冷蒿（Artemisia frigida）的化感作用机制相似^{［17，27-29］}，这可能也是沙蒿在荒漠区恶劣的生境条件下增强自身生存竞争能力，扩大种群，从而形成单优势群落的主要原因。

REC反映细胞膜的通透性，Chl与植物光合能力大小有关，而MDA能与细胞内各种成分发生强烈反应， 在遭受逆境伤害时，膜电阻及膜的流动性降低，引起酶和膜严重损伤， 最终导致膜结构及生理完整性遭到破坏，其含量反映植物遭受伤害的程度^［30］。沙蒿根、枝叶浸提对自身幼苗生理指标总体均表现为抑制，均随浸提液浓度的升高而逐渐增强，其中枝叶（RI=17.89%）的综合化感效应大于根（RI=9.68%），区别在于根浸提液以降低幼苗Chl含量从而影响其光合作用为主，而枝叶浸提液则通过对幼苗膜系统的破坏从而影响植物根系对水分和矿质元素的吸收及蛋白质的合成而抑制幼苗的生长。枯落物浸提液仅在浓度100%时对REC、Chl含量产生抑制，但对MDA表现为促进效应；且3种生理指标中，对MDA的促进效应最为强烈，说明沙蒿枯落物化感物质对幼苗膜系统具有保护作用。以上现象说明即使同一种植物，其不同器官或相同器官的不同生长状态（枝叶与枯落物），对受体植物的化感效应也存在差异^［31］。

综上所述，实验室条件下沙蒿根、枝叶浸提液对自身种子萌发与幼苗生长总体表现为抑制，其中枝叶抑制作用更为强烈，因此说明沙蒿活体植株内存在的化感物质可能是影响（抑制）自身幼苗生长发育的主要因素；当植物死亡后，其残株及枯枝落叶在风沙流的沙埋作用下进入土壤，逐渐腐烂、分解，并在分解过程中释放出有利于自身幼苗成活与生长的化感物质，为其提供优越的地下微环境，此时枯落物对幼苗生长的促进作用逐渐显现出来，使其在后期生长过程中增加个体竞争优势，并具有较大的抵御不良外界条件的能力，逐渐形成以较大单株生长或聚集分布的现象，并逐渐演替为荒漠区植物群落的优势物种。但在自然条件下，其抑制作用的发挥以根系还是枝叶为主，或具体释放途径如何，有待于进一步研究。因为以上试验均在恒温培养箱内进行，可保证光照、温度及湿度条件的一致，避免自然条件下各种因素的干扰；且所用植株为盆栽沙蒿，生长期间水分条件较好，研究结果能较好地反映不同种类浸提液对自身种子萌发与幼苗生长的化感作用；但自然环境中化感物质的释放与积累受温度、降水量、土壤、太阳辐射^［31-32］等诸多环境因素错综复杂的影响，加上荒漠区牲畜对地上部分的取食较多，从而减弱了沙蒿地上化感竞争优势的发挥。而在地下，沙蒿同多数沙区植物一样，具有发达的根系和根状茎，在植物内部或与其他植物之间对地下水肥资源激烈竞争形成的选择压力，可能促使沙蒿根部释放更多的化感物质，以增强其化感作用，从而影响其他植物生长，提高自身生存能力；另外，植株间竞争效应也会对化感作用的表现产生重要影响，因此需要将实验室的研究理论在野外环境下进行检验。植物常随环境恶劣程度的加剧往往会增加代谢物质的释放浓度而产生更强的化感效应^［1，8］。因此，同种植物在不同生境胁迫条件下的化感效应也有待于进一步研究。