全 文 ：香草醛对杉木幼苗生长的影响*
马越强 廖利平 杨跃军 汪思龙 高 洪 陈楚莹
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
刘更有 (湖南省会同县林业科学研究所, 会同 418307)
摘要 为了解杉木连栽土壤中有毒化感物质对杉木幼苗毒害作用, 采用水培杉木幼苗
方法,通过投加不同浓度香草醛, 发现 1mg!kg- 1香草醛显著抑制杉木种子胚根的伸长( P
< 0. 05) ,只为对照的 70% ;香草醛浓度达 10mg!kg- 1时, 叶绿素总量明显下降到对照的
80% ;超过 20mg!kg - 1对杉木幼苗地径与高度生长产生明显抑制作用; 50mg!kg- 1以上将
明显影响地上部分枝叶的正常生长发育, 及至植株冠层的生长;超过 100mg!kg- 1 ,整个植
株的生长受到显著抑制.香草醛是连栽土壤中毒性较大的一种有毒化感物质, 是杉木存活
率低的重要原因之一.
关键词 香草醛 杉木幼苗 毒害作用
Effect of vanillin on the growth of Chinesefir ( Cunninghamia lanceolata ) seedlings. Ma
Yueqiang, L iao L iping, Yang Yuejun, Wang Silong , Gao Hong , Chen Chuying ( I nstitute of
App lied Ecology , A cademia S inica, Shenyang 110015) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 1998, 9( 2) :
128~ 132.
The hydroponic study on the effect of different concentrations of v anillin on the grow th of Chi
nesefir seedlings show ed that 1mg!kg - 1 of vanillin significantly inhibited the radicle growt h of
seeds, reached only 70% of the control; at concentration of 10mg!kg- 1 , the total chlorophyll
amount w as decreased to 80% ; when the concentration was above 20mg!kg- 1 , the g rowth of
height and diameter at g round layer was inhibited; above 50mg!kg- 1 , the growth of branches
and leaves of aboveground part as well as of the canopy was significantly affected; and above
100mg!kg- 1 , the grow th of w hole Chinesefir seedling was significantly inhibited. It is sug
gested that vanillin is a kind of more poisonous allelopathic chemicals accumulated in soils con
tinuously plant ed with Chinesefir, and is one of the important causes making a low survival
rate of Chinesefir seedlings.
Key words Vanillin, Chinesefir, Seedlings, T oxicity .
* 国家自然科学基金 ( 39700115) 和中国科学院陆
地生态系统痕量物质生态过程开放实验室基金资助项
目.
1997- 03- 19收稿, 1997- 07- 21接受.
1 引 言
香草醛( Vanillin, 又名香兰素)是苯甲
酸最容易分解产生的衍生物, 极易氧化成
香草酸,香草酸普遍存在于高等植物体叶
片、根系及根系分泌物、土壤及植物体残留
物中. Rice等[ 11]发现香草酸影响植物体内
的一些生理过程, 如细胞分裂、蛋白质合
成、酶活性、光呼吸以及植物水分关系, 不
利于植物幼苗生长[ 1, 3, 4, 9~ 12, 14, 15] .
为解决杉木连栽导致地力衰退问题,
大量研究工作集中在如何提高土壤肥力和
栽培制度的改善上[ 2] , 而克服化感物质,
特别是酚酸类物质对杉木生长不利影响的
研究尚未见报道. 本文拟通过杉苗的水培
盆栽实验,探索香草醛对杉苗生长和光合
强度的影响作用, 通过分析单酚物质 ∀ ∀ ∀
应 用 生 态 学 报 1998 年 4 月 第 9 卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 1998, 9( 2)#128~ 132
香草醛在不同浓度下对杉苗生长与发育的
影响,研究其单因子效应,为进一步揭示多
元酚类化感物质对杉苗生长的影响提供科
学依据.
2 材料与方法
实验时间为 1996 年 4 月 6 日至 6 月 8 日.地
点为湖南省中国科学院会同森林生态系统定位
站实验林场. 香草醛样品为沈阳市化学试剂三厂
生产, 分析纯. 香草醛为不溶于水的有机单元酚
类物质,酸性, 能溶于乙醇,故配制不同浓度香草
醛水培溶液时,先用少量乙醇试剂溶解香草醛样
品,再溶解于蒸馏水中(表 1) .
表 1 1L水培溶液香草醛浓度
Table 1 Concentrations of vani llin in 1 litter hydroponic
water
处 理
T reatment
No.
香草醛
Vanillin
dosage
( g)
乙 醇
Ethanol
dosage
( ml)
香草醛浓度
Vanillin
concentrat ion
( mg!kg- 1)
1 0 0 0
2 0 0. 3 0
3 0. 001 0. 3 1
4 0. 01 0. 3 10
5 0. 02 0. 3 20
6 0. 05 0. 3 50
7 0. 1 0. 3 100
8 0 3 0
9 0. 5 3 500
杉木幼苗采用水培法培养, 营养液为 1 倍
Hoagland液,基质为岩棉. 首先用黑色塑料布将
容积为 1L 的塑料培养盆包裹, 盆盖上预先留有 2
个直径分别为 2、4cm 的孔径, 大孔生长杉苗, 小
孔用于水培液打气和更换营养液. 每个塑料盆中
盛有 1L 的营养液. 培养后每天通气 20min, 上下
午各 10min, 每周更换 1 次水培液, 6 个处理各 8
次重复; 2 种乙醇对照, 5 次重复; 加上蒸馏水对
照,8 次重复, 共计 66 盆 , 培养时间约为 2 个月.
杉木苗由湖南省会同县林业科学研究所苗圃提
供 1 年实生幼苗.布置实验前先将杉木幼苗放入
盛水的相应塑料盆中生长 2d, 以洗去根系间的土
壤,同时使杉木苗适应水生环境, 避免温度、通气
条件突然改变导致苗木死亡.
实验前后分别测定杉木苗木的高度、地径等
生长常数; 收获前分别测定新生枝条的个数, 测
定顶枝、总枝条长度,计算顶枝枝条平均长度. 取
杉木苗新生枝叶鲜重 0. 1g, 2 次重复, 用 10ml
80%丙酮于常温下遮光浸提叶绿素至叶片变白
( 48h) ,然后将浸提液在 663nm 和 645nm 波长下
用 721 型分光光度计比色,并根据 Arnon 公式计
算叶绿素 a、b和叶绿素总量 .
2. 2 发芽实验
分别用 1ml 乙醇溶液溶解相应量香草醛于
100ml容量瓶中(表2) , 每皿 30ml香草醛溶液(实
验期间不再加入香草醛溶液) ,定期添加蒸馏水,
保持芽正常生长的需水量. 7 个处理, 5 次重复,
共计 35 个培养皿.每日统计发芽数, 发芽与否以
胚根突破种皮为准. 当对照连续 5d 内发芽数不
及置床总数的 1%时结束发芽实验.用精度为0. 1
cm 的直尺测定芽长.
表 2 发芽实验 100ml蒸馏水溶液中各物质浓度
Table 2 Concentration of materials in 100ml distil led wa
ter for germination
处 理
Treatm ent
No.
香草醛
Vanillin
dosage
( g)
乙 醇
Ethanol
dosage
( ml)
香草醛浓度
Vanillin
concent rat ion
( mg!kg- 1)
1 0 0 0
2 0 1 0
3 0. 0001 1 1
4 0. 001 1 10
5 0. 01 1 100
6 0. 1 1 1000
7 1 1 10000
所有发芽实验均在直径为 9cm 的培养皿中
进行, 每皿 100粒杉木种子.水选种子后, 清水中
预先浸泡 24h,种子实验前用 5 ∃ 的高锰酸钾溶液
再浸泡 1min.对剩余未发芽种子, 做切开实验, 统
计其中涩粒数, 然后计算发芽率. 发芽率的统计
均以 100 粒饱满种子为基础.
2. 3 数据处理
所有实验数据进行方差分析[ 5]和多重比较
( P< 0. 05) . 在水培实验中, 根据乙醇的用量将处
理 1~ 7进行了多重比较, 处理 8、9 进行方差分
析. 发芽实验数据进行多重比较.
3 结果与讨论
3. 1 香草醛对杉木幼苗高度、地径的影响
虽然在整个实验期间, 各实验处理对
杉木幼苗高度生长的促进与抑制作用没有
达到差异显著水平,但对两种乙醇对照( 2、
1292 期 马越强等:香草醛对杉木幼苗生长的影响
8号)和纯水对照( 1号)比较, 发现低处理
乙醇对高度生长促进作用最大, 幼苗高度
增长 3. 6cm. 而高处理乙醇增加 3. 1cm, 均
比纯水的 2. 0cm 高,说明乙醇对杉木幼苗
高度增加有一定的促进作用. 而投加香草
醛,杉木幼苗高度虽有增加,但去除乙醇对
幼苗生长的促进作用, 发现各浓度处理的
香草醛抑制杉木幼苗的生长, 而且随浓度
增高抑制作用增强(表 3) .
表 3 香草醛对杉木幼苗高度、地径的影响
Table 3 Effect of vanil lin on the height and diameter
growth of Chinese- fir seedl ings
处 理
T reat
ments
No.
高度增加量
Height
increment
( cm)
地径增加量
Diameter
increment
( cm)
1 2. 0 0. 121
2 3. 6 0. 112
3 2. 7 - 0. 9 0. 062 - 0. 050
4 2. 4 - 1. 2 0. 079 - 0. 033
5 2. 0 - 1. 6 0. 044* - 0. 068
6 2. 1 - 1. 5 0. 029* - 0. 083
7 1. 7 - 1. 9 0. 043* - 0. 069
8 3. 1 0. 074
9 2. 0* - 1. 1 - 0. 033* - 0. 107*
* P< 0. 05.
香草醛对杉木幼苗地径生长有一定抑
制作用, 特别是 5 号以上处理 ( 20mg!
kg- 1)对杉木幼苗地径的抑制达到差异显
著水平( P< 0. 05) . 如果考虑乙醇作用因
素,则 1~ 20mg!kg - 1的香草醛对地径抑
制作用会十分明显, 与 Vanghan的报道相
近[ 16] , Vanghan认为化感物质通过抑制植
物细胞分裂来影响植物根系分生组织的生
长,能够改变植物体内荷尔蒙平衡,例如它
们对生长素( IAA)的影响主要是通过刺激
或抑制合成与分解 IAA 有关酶的活动.
Rice
[ 11]报道, 从外部施用香草醛可增加引
哚乙酸氧化酶的活性,使生长素破坏,抑制
细胞分裂和伸长.
3. 2 香草醛对杉木幼苗新生枝叶的影响
香草醛对杉木幼苗枝条的生长有抑制
作用. 当香草醛浓度为 50mg!kg- 1时, 新
生枝条干物重、总枝长、枝条总数显著低于
乙醇和纯水对照( P< 0. 05) . 如果去掉乙
醇效应,低浓度香草醛对杉木苗枝条生长
几无促进作用,甚至有抑制作用(表 4) .
表 4 香草醛对杉木幼苗新生枝叶的影响
Table 4 Effects of vanillin on the branch growth of Chi
nesefir seedlings
处 理
Treatments
No.
顶部枝条平均长
Average
length ( cm)
枝干重
Dry weight
( g)
总枝长
Total
length
( cm)
总数
Total
1 7. 96 0. 7889 42. 6* 5*
2 7. 01 1. 4702 66. 0 9
3 8. 14 1. 1184 52. 4 6
4 5. 98* 1. 0756 57. 8 10
5 6. 36 0. 9858 38. 9 6
6 6. 58 0. 6896* 30. 1* * 5*
7 5. 57* 0. 5815* 27. 0* * 5*
8 5. 59 0. 8304 32. 2 6
9 5. 58 0. 5206 31. 0 6
* P< 0. 05, * * P< 0. 01.
香草醛对枝条生长影响可反映其对杉
木幼苗光合器官的综合影响,不论是新生
干物质的积累,还是树冠组成的枝叶大小、
伸长都明显受到香草醛的影响.杉木营林
主要方式是移栽实生苗, 连栽土壤中积累
的香草醛对幼苗的伤害作用会很快地表现
在新生枝条上, 导致幼苗有效光合面积下
降,光合作用生产的少量碳氢化合物很难
满足幼苗高速生长的需求, 导致杉苗生长
受到阻碍.这也许是导致连栽土壤上大量
杉木苗生长不良、成活率低的重要原因.
3. 3 香草醛对杉木幼苗新生叶叶绿素含
量的影响
由表 5可见, 乙醇能降低杉木幼苗枝
叶中叶绿素的含量,而且乙醇浓度越高,对
叶绿素的伤害越大. 虽然乙醇对叶片中的
叶绿素影响很大, 但仍能够发现香草醛对
杉木幼苗叶片叶绿素的合成有抑制作用
(表 5) .
处理 9( 500mg!kg - 1 )香草醛对叶绿
素的降低作用由于乙醇对照的影响而不显
著,但叶绿素 a、叶绿素总量都比乙醇对照
低.处理 7由于乙醇含量低,乙醇对叶绿素
的合成抑制作用相对较小, 表现出香草醛
130 应 用 生 态 学 报 9 卷
表 5 香草醛对杉木幼苗新生叶叶绿素含量的影响
Table 5 Effects of vanill in on chlorophyll contents of Chi
nese- fir seedlings( mg!g- 1)
处 理
T reat
m ents
No.
叶绿素 a
Chloro
phyll a
叶绿素 b
Chloro
phyll b
叶绿素总量
T otal
chlorophyll
叶绿素 a/ b
Chl. a/ b
value
1 0. 64 0. 32 0. 96 2. 00
2 0. 55 0. 26 0. 81 2. 11
3 0. 49* 0. 24 0. 73 2. 04
4 0. 43* * 0. 22 0. 65* 1. 96
5 0. 48* 0. 25 0. 73 1. 92
6 0. 40* * 0. 20* 0. 60* 2. 00
7 0. 35* 0. 18* 0. 53* 1. 94
8 0. 29 0. 13 0. 42 2. 23
9 0. 25 0. 13 0. 38 1. 92
* P< 0. 05, * * P< 0. 01.
对杉木幼苗叶片叶绿素合成的抑制作用较
明显, 达到极显著水平( P< 0. 01) . 其它浓
度处理( 1~ 50mg!kg- 1)也普遍低于乙醇
对照,特别是在对叶绿素 a 合成的抑制效
果上, 10mg!kg- 1香草醛溶液处理的杉木
苗均显著低于乙醇对照. 相对而言,对叶绿
素b的抑制作用在50mg!kg- 1才达到显著
水平.
据报道[ 6~ 8, 12] , 10- 3mol咖啡酸、反肉
桂酸、阿魏酸、鞣酸和香草酸强烈抑制水培
西红柿、大豆叶片的光合同化速率和叶面
积的增加.研究发现,这些化感物质对生长
的抑制作用是通过对植物叶片净光合作用
的降低引起的.其原因是 10- 3mol左右的
化感物质导致叶片 50%气孔关闭,减少了
水培中叶绿素含量, 显著抑制净光合速率、
气孔导性和叶片的伸长.
3. 4 不同浓度香草醛对杉木种子发芽的
影响
香草醛对杉木种子的发芽有很强的抑
制力, 1mg!kg- 1香草醛溶液对杉木种子胚
根生长的抑制作用达到差异显著水平( P
< 0. 05) ,只为酒精对照的 80% ,香草醛浓
度达到 10mg!kg- 1时发芽率显著低于纯
蒸馏水对照.当香草醛浓度达到 10000mg!
kg- 1时, 发芽率的降低和胚根生长所受的
抑制作用都达到极显著水平( P< 0. 01) .
虽然乙醇对照对种子发芽的抑制作用也十
分强烈,但两项指标都没有达到差异显著
水平(表 6) .
表 6 杉木种子在不同浓度香草醛溶液下的平均芽长与
发芽率
Table 6 Average root length and germination rate of Chi
nese- fir seed in different vanil lin solution
处 理
Treatm ent
No.
香草醛浓度
Vanillin
concent ration
( mg!kg- 1)
平均芽长
Average seed
root length
( cm)
发芽率
Germination
rate( / 100)
1 0 1. 32 76
2 0 0. 90 69
3 1 0. 63* 62
4 10 0. 49* * 46*
5 100 0. 45* * 30*
6 1000 0. 33* * 24* *
7 10000 0. 11* * * 3* * *
* P< 0. 05, * * P< 0. 01, * * * P< 0. 001.
化感物质对植物种子发芽的抑制作用
大小是研究植物化感作用的一种重要测试
手段[ 13] .发芽实验证明, 香草醛是一种能
强烈抑制杉苗种子发芽的化感物质,且对
杉木种子胚根的生长抑制作用尤其明显.
4 结 语
香草醛对杉木幼苗生长的影响十分明
显. 1mg!kg- 1香草醛溶液对种子的胚根伸
长产生显著抑制作用, 10mg!kg- 1左右浓
度的香草醛对杉木幼苗枝叶的叶绿素总量
的影响就达到显著水平, 超过 20mg!kg- 1
则对地径的生长产生明显的抑制作用,
50mg!kg- 1浓度以上将明显影响到地上部
分枝叶的正常生长发育, 进而影响整个植
株冠层生长, 对主要光合器官枝叶干物质
积累产生明显的不良影响, 导致杉木幼苗
在幼苗期光合碳平衡方面发生失调与缺
乏.超过 100mg!kg - 1情况下整个植株的
生长指标与光合指标都达到负增加水平,
植株处于养分消耗阶段,生长发育停止,甚
至出现死亡现象. 在 2 个月的培养阶段,
500mg!kg- 1处理的植株出现明显的黄化
和枝叶脱落现象,整个植株老化现象严重.
结果表明,若杉木连栽土壤中香草醛类酚
1312 期 马越强等:香草醛对杉木幼苗生长的影响
酸物质得到积累, 即使含量很低 ( 10- 5~
10- 4mol) ,其对杉木毒害作用也十分强烈.
而杉木连栽土壤中存在的化感物质肯定不
只香草醛一种,香草醛与其它化感物质在
杉木连栽土壤中对杉木幼苗影响作用往往
又是交互的, 所以不能轻视这些含量少但
危害作用大的化感物质对杉木的伤害作
用.一旦这些物质在连栽土壤中获得累积,
再与连载土壤中其它不利的土壤因素相结
合,其对杉木的伤害作用将是巨大的,甚至
是致命的, 这些都应该引起科学家们足够
重视.
参考文献
1 冯宗炜、陈楚莹、周崇莲等. 1982. 湖南省会同县杉
木人工林生长与环境底相互关系.南京林产工业学
院学报, 3: 19~ 38.
2 余叔文主编. 1992. 植物间的生化相互作用 ∀ ∀ ∀ 相
生相克现象.北京: 科学出版社.
3 陈楚莹. 1990.改善杉木人工林的林地质量和提高
生产力的研究.应用生态学报, 1( 2) : 98~ 106.
4 袁可能. 1990.土壤化学.北京:农业出版社.
5 唐守正. 1984.多元统计分析方法.北京: 中国林业
出版社.
6 Ein hellig, F. A. et al . 1970. Ef fects of scopolet in
on grow th, CO 2 exchange rates, and con cent ration of
scopolet in, scopolin, and chlorogenic acids in tobacco,
sunflow er, and pigweed. Bul l . T orrey Bot . , 97: 22
~ 33.
7 Einhellig, F. A. et al . 1979. Ef fects of three Phe
nolic acids on chlorophyll content and grow th of soy
bean and grain sorghum seedlings. J . Chem . Ecol . ,
4: 425~ 436.
8 Envas, F. 1980. Podzol development north of lake
Huron in relation to geology and vegetat ion. Can . J .
Soi l Sci ence, 60: 527~ 539.
9 Harborne, J. B. . 1964. Biochemist ry of Phenolic
Com pounds. Academic Press, Lon don and New
York.
10 Parterson, D. T . 1981. Ef fects of allelopathic chemi
cals on growth and phys iological responses of soybean
( Glycine max ) . Weed Sci . , 29: 53~ 59.
11 Rice, E. L. 1984. Allelopathy. 2nd ed. Academ ic
Press, Orlando.
12 Wang, T. S. C, , C heng, S. Y. 1967 a. Ext raction
and analysis of soil organic acids. Soil Sci . , 103: 360
~ 366.
13 Wang, T. S. C. , Chuang, T. 1967b. Soil phenolic
acids as plant grow th inhibitors. Soi l S ci . , 103: 239
~ 246.
14 Whitehead, D. C. 1982. Phenolic compounds in soil
as influenced by the grow th of diff erent plant species.
J. App l . Ecol . , 19: 579~ 588.
15 Whitehead, D. C. 1964. Ident ificat ion of - hydrox
ybenzoic, vanillic, - coumaric, and ferulic acids in
soils. Nature , 202: 417~ 418.
16 Vanghan, D. and Ord, B. G. 1990. Influence of phe
nolic acids on morphological changes in root s of Pisum
sat iv um. J. Sci . Food . Agri . , 52: 289~ 299.
132 应 用 生 态 学 报 9 卷