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第 16卷 第 1期
1 9 9 6年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOG1t2A SINICA
1每f 7
Vo】 16 No．1
Jan．． 1 996
豚草的化感作用研究
王 六力 祝心 如
(中国科学院生态环境研究中心．北京．100085 {
摘要 本文研究了在我国东北地区广泛蔓延的菊科杂草——豚草(Ambros／a artemi~sifolia)对大豆、玉米、
小麦 水稻的化感作用 实验针对豚 草的挥发物、茎叶和根的淋溶物、根区土壤水浸液等的化感活性进行
了研究．研究发现豚草的挥发物对大豆和玉米的种子萌发有一定抑制作甩 壤区土壤对采作物无明显的
作用；茎叶部分的水浸谴对几种农作物的种 于萌发和曲苗的劫根伸长有明显的抑制作用．同时使根 表形
志发生较太的变化；根采的术浸液对作蛔的劫芽忡长有 一定的促进作用 进一步对不同的活性组分进行
GC、GC／MS分析．结旱表明化感活性明显的茎叶水浸液的有机物明显多于植椿其它几十部分．主要成分
为一 蒎烯、 蒎烯、嫜脑 、桉树脑、2 片烯、莰烯 冰片 勺叶桉醇、洼尼烯、尼 丁于香酚．里那醇 3已烯一
l一醇 橙花叔酵、2一甲基苄氰和环戊烷 卜 r酸、壬二酸、3羟基癸酸、3．4二羟基苯甲醢等 -系列有机物 由
此可U靛现际草 耳有一定的化感 乍角．并主要通过挥发、雨水淋溶 、根 不分泌等方式向周围环境释放 化感
物质．影响其它植物的l牛K发育．而使 自身蔓延生长
，
糊
麟 ÷一一 oN—ALE⋯LOPA⋯THY
W angDali Zhu Xinru
Abstract Ambrosia amem#iifotia is a wide spread weed of composite in Northeast China．This
paper studied the allelopathic effect of A．artemisifotia．so as to elucidate it’s．spreading mecha—
nism and to find sortie ways tO control jt．After a series of experiments．we found Nom e 1nter。
esting results：1．Volatile of this weed has some inhibit effects on seeds germination of soybean
and maize，the length of maize roOt treaed by volatile was shorter than that by contro1．2．The
water extract of the upper—ground part shows significant inhibitory effects on the seed germi—
nation and primary growth of crops(soybean，maize，wheat and rice)and produces changes in
root morpha．The most sensitive species are soybean and wheat．3．The water extract of the
under ground part has no efect on seed germination，but has a different effect on the primary
growth of crops．The extract can retard 23 of the root elongation of wheat—while it stimu—
lates 21 of bud growth． 4． Soil has no allelopathic effects on germination and growth of
plants．5．The GC and GC／MS analysis of water extract from A．artemisiifolia shows that
· 本研究为国家 自然科学基金资助项目 样品测试 由太型仪器测试基锰资助
收稿 日期：1994 09 04-修改稿收到 日期：1995 04 14
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生 态 学 报 1 6卷
pinent， pinene—cineole—eamphene—spanthueol and some others are the potentia[a[1eloehem
1cals．
As a result，vce found A．artemisiifolia has some alielopathic effects which may be a possi
b Le reason for it"tO wide spread in the northeastern China．
Key words： Ambrosia arternisiifblia，atlelopathy，Alleloehemicais
化感作用(A[elopathy)是植物通过向环境中释放化学物质 ．而对周围植物(包括微生
物)产生间接或直接的有害或有利的作用 。这种作用在 自然界中存在比较广泛．它在群落
演替、植被恢复以及农业、林业生产中有着较为重要的作用。研究化感作用的化学生态学
是 门新兴的交叉学科，在我国处于起步阶段
豚草(A artemisifolia)是菊科豚草属的一种 1年生恶性杂草 ，40 50年代传人我国，
至今已在东北地区广泛蔓延，南方许多省市也有较大 的发生，形成 对 自然植被、农业生
产的巨大危害。豚草广泛蔓延的原因是多方面的．植物本身的强大的吸水、吸肥能力，旺盛
的生命 及强大的繁殖力和种子的 2次休眠特性都是豚草蔓延的原因一]
化感作用是否在豚草蔓延中起到一定的作用已有少量研究，Jackson报道了豚草的化
感作用，发现它在弃耕地的次生演替中扮演着先锋植物的角色 ．而化感作用是主要的作用
因素，由于豚草和紫菀的化感作用使豚草在演替过程中成为先锋植物 ．而随之这被紫菀等
杂草所取代 。豚草属的另一种多年生杂草 毛果破布草 (^ ．psilostacb@a DC )的化感
作用也有研究报道。发现它在弃耕地的演替中的作用可能是由于根系分泌物、枯落物腐败
以及挥发物等的化感活性造成的，另外这些物质对豆科植物的根瘤的大小、数量、颜色等
都有影响，同时对几种固氯菌和硝化菌也有相当的影响 ，可以看出豚草不仅具有化感
作用．而且还有多种作用形式．因此，研究豚草的化感作用在农田生态系统中的作用形式．
对揭示它的蔓延机制和危害有着较大的意义
1 材料和方法 ．
1．1 生物 检测
1．1．1 实验材料 大豆、玉米、小麦、水稻种子由吉林省农业科学院提供；豚草的样品 1993
年 7月采自吉林省公主岭地区，室内样品同年 6月采 自北京。
1．1．2 挥发物的生物检测 将保干器分 为上中下 3层，在上下两层放置豚草的新鲜叶子
各 500 g．中层放置摆有种子的培养皿；种子用升汞灭菌，每个培养皿铺放 3层滤纸用蒸馏
水饱和润湿，摆放 100粒种子 ，3个重复．置暗处于 26C萌发 ．定时记录萌发情况
1．1．3 植株水浸渣的制备 将整株植物分成地上、地下两部分 ．按 2O g／lO0 ml、lOg／lO0
ml的比例用蒸馏水浸泡 24 h，过滤备用。
1．1．4 水浸液的萌发生物检删 取 lo ml水浸液 ，加入铺有 3层滤纸的培养皿，种子用升
汞灭菌，每皿摆放 25粒种子．进行 6个重复，以蒸馏水对照，其余同前
1 1．5 水浸液对作物幼苗初期生长的生物检测 将水浸液稀释 4倍加入 250 ml烧杯 ．上
盖尼龙网，选取萌发一致的种子置于阿上．以蒸馏水对照．定时补充水浸液。每种作物 20
株，72 h后记录幼苗的幼芽和幼根的生长状况。
1．1．6 土壤水浸液的生物检测 取根区土壤 ，研磨后过 16目筛．取 400 g土装于 1000 ml
烧瓶中．加水 500 m1．充分振荡，高压灭菌 (10×6x10 Pa．30 rain)后静置过夜．离心
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1期 王大 等：豚草的化感作用研究
(3000 rap／m[n，10 min)．取上清液 ．按前面的方法进行种子萌发的生物检测。
1．1．7 有机溶剂萃取液的生物检测 将植物水浸液用正已烷和乙酸乙脂进行萃取 ，取 10
ml萃取液加于培养皿的滤纸上 ，自然挥发干后．加 10 m L蒸馏水 ．进行生物检测
】．2 样品分析鉴定
1．2．1 样品制备 取前面的植物水浸液．分别用正已烷和乙酸乙脂萃取．乙酸乙脂样品
用无水 Na!SO 进行干燥备用。
1．2．2 ( 条件 HP5890A．ULTRA2柱(2j m×0．25 rnm)；载气 ：N ；检测器 ：FID；
进样量：1 ul；进样品温度；230 C；检测器温度：250 C；
程序升温：初始温度．60℃，保持 2 nlin， 10c／min程序升温至 200c，保持 5rain
1．2．3 GC／MS条件 TRIO2000．SE54(30 nl×0．25 rln1)；谱图检索：NBA+扩展 ；
程序升温：初始温度 60c，保持 2 rlin； 5C／min程度升温至 290℃
离子源温度 ：180℃；扫描范围：3O 450：70 ev
2 结果讨论
2．1 化感现象研究
2．I．1 豚草挥发物的化感作用研究 挥发物对农作物种子萌发的影响见表 I。
表 1 豚草挥发物对农作物种子萌发的影响
Table I Erf艘b of volatile of A．ar~emissifolia
蚺 seed germination
注：CK：对照；AA：三裂 叶豚草挥发物； 萌发时间：96 h
对大豆 、玉米、小麦种子萌发半
数 时间的影 响分别为对照的>1 60 、
120 和 100 ；萌发率分 别 此对照减
少：】2％、8 和 11 ，由此可以看出豚
草挥发物对大豆种子萌发有较明显的抑
制作用．其次是玉米。另外在玉米的处
理组中，玉米的幼根明显短于对照．豚
草的挥发可能通过 2条途径产生作用：
1．形成一种“挥发云”直接对周围植物发
生作用，抑制它们的生长，正象鼠李草
植物形成的“萜云”一样：2．进入环境媒
体间接对植物发生作用。这可能是豚草蔓延的原因之一。
2．1．2 豚草植株水浸液对作物的化感作用 为保证实验的准确性和说服力 ．实验首先采
用了改进的浸提方法 ． 整段的植株浸泡，减少植物体的损伤 ．降低植物组织液的渗漏，
使浸提方法更接近于自然界的雨水淋溶的效果 ；其次采取了不同地点和浓度进行实验的设
计方案 。
2．1．2．1 水缦液对农作物种子萌发的影响 表 2给出了豚草茎叶水浸液对作物种子萌发
影响的实验结果 。
首先从 萌发半数时间来看．两种浓度的水浸液对大豆、玉米、小麦、水稻(只做 10 g／100
ml～个浓度)种子的萌发部有影响．依次分别为对照 的 1 66 和 177 、106 和 108 、
110 和 1 80 、112 ，以对大豆、小麦的影响最明显；其次萌发率也显示出水浸液的抑制
作用．依次分别此对照减少 11 和 30 、1 5 和 11 、2 和 18 、6 ，对大豆和玉米的抑
制作用最显著
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生 态 学 报 l6卷
表 2 豚草茎叶水漫液对作物种子萌发的影响
T~ble 2 Efects 0f w砒er extract of A aetemlssifolia’ shoots 0Ⅱseed germination
总萌发时间 Time 0 grerminmion：90 h
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囝一1 晖草茎叶水橙渡对作物种子萌发的影响
． 1 Effects of wat⋯ x “ of A a*~eraiaitfolta shoots on seed germil~ation of crop
注：A～c；野外采样生物检测(二倍浓度)：D—F：室内采样生物檀捌(正常浓度)
图例 ：--．CK对照 i一 ：SAA茎叶水漫液：一0 ：RAA根水浸维i
Note A— C：Double coneemration (20 g／100 m1)；D E：Normal concentrtion(10 g／1C0 m】)
综合上面的分析可 看出豚草茎叶水浸液对农作物种子萌发的化感作用大体包括延迟
萌发和抑制萌发 2种方式，从图中可以得到明确的认识。
豚草根水浸液对农作物种子萌发的抑制作用不明显 ．甚至还表现出轻微的促进作用。
2．1．2．2 豚草水浸液对农作物幼苗初期生长的影响 实验中为了减少渗透压对幼苗的影
响，将水浸液稀释 4倍以减少实验的误差。
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期 乇大力等 ：豚草的化感作用研究
． 从图 2和图 3可以看出豚草茎叶水浸液对大豆、玉米、小麦幼苗的幼根的伸长有明显的
抑制作用 ，其根长分别为对照的 31 、64 、76 ．以玉米和小麦最 为敏感；对幼芽的伸长
影响，在 lO 20 之内。但对小麦有轻微的促进作用。使幼芽伸长增大 8 ／J。
图 2 桴草术浸液对作物毫打苗盘仃根伸长的影响
Fig．2 Effect 9f’ te⋯ t of A 口 m m ， Ⅲ 。n foot extension
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呈
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耋
图 3 豚草求 裙梭对 怍物劫 苗幼 芽忡 长的影 响
FiB．3 Effect of water extract of A．art~ iss；folla 0Ⅱshoot growth
豚草根系对作物幼苗生长的作用不一致，总体表现为对幼根伸长抑制 ．对幺打芽伸长促
进。其中对小麦作用显著 ，对小麦根伸长抑制 2l ，对小麦幼芽伸长促进 23 。
2．1．2．3 豚草水浸液对作物幼苗根系形态的影响 实验 中观察到用豚草水浸液处理的大
豆、玉米和小麦的根系不仅在伸长量上受到 明显抑制。而且在根系形态上也发生 了较大的
变化。一般表现为 ，幼根数目比对照增多，但长度短于对照；根毛不发达：幼根的颜色呈黄
褐色；幼根短硬 ，扭曲较多。
导致这种现象的原囤可能是 由于水浸液 中含有某种化合物不仅抑制根系生长 ，而且具
有致畸变的作用 ．Vaughan研究了一 化感物质对植物根系的影响，发现几种酚酸 (阿魏
酸、P香豆酸、香草酸、丁香酸)对豆子根系的影响比较 明显．他推删是由于酚酸改变 植物
体 内激素的分配 ，从而导致根系受到影响。另 种推测为是由于改变了植物水分平衡引起
的 ．这种形态上的变化可能通过影响根系营养吸收影响作物的初期生长。
2．1．3 豚草根区土壤对作物的影响 从表 3可以看出根区土壤对作物种子的萌发的影响
不明显，仅在小麦实验 中表现出轻微的抑制作用 对在大豆、玉米幼苗的影响也不明显(图
4)。
从总体上看。根区土壤的化感活性很弱，这可能是由多方面原因造成的：]．浓度低 。在作物
的感受闻之下；2．微生物降解作用使进入土壤的化感物质失去了作用。
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i6 生 态 学 报 l6卷
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4 草根区士壤对幼苗劫根坤长的影响
Fig 4 E[fec~s of rhizospher~ soil on ru0t extension
2．1．4 有机溶剂萃取液对作物种子萌发的影
响 为了进一步了解水浸液中 f￡感物质的性
质 ，采用正已烷和乙酸乙脂来萃取水浸液。
实验结果由表 4和表 5给出，从表中可以
看出正已烷萃取液的作用不明显．仅对小麦表
现出一定的抑制作用：使萌芨半数时间延长 I_
8倍，萌发率降低 l0 ；乙酸乙脂萃取液的作
用相对较大，使小麦、玉米、大豆种子的萌发时
间分别增加 ：>230 、120 0／,、1 30 ；萌发率分
别降低 22 、9 、4 。由此可以看出水浸液中
的化感物质可能是亲水性较大的一类化合物。
表 3 豚草根区土壤对衣作物种 子葫发的影响
Table 3 Effexts of rhizo~Dherlc sou 09 seed germination
注：CK：对照；AA 蜉草根区土壤；总萌发时间：96 h
N0 ：CK：control；AA；wa“ extran of so1】，
Total time for germination：96 h
表 4 豚草植物水漫液正已烷萃取液对农作物种子萌发的影响
Tahle 4 Effect of 11一hexane extract of piant water extract 09 seed gezm~ation
注：CK：对照 ；AA：豚苴的正已烧水浸液革取馇 岳萌发时『础：96 h
Note：CK comro[：AA ；c hexane ㈣ A． ⋯ t⋯ xtract}Totaltm fo germination：9 B h
2．2 啄草的化感物质分析
为了进一步探讨豚草的化感作用，在上述生物检测的基础上．利用 GC、GC／．vIS手段
对可能的组分进行分析 ，取得较好的结果 。
2 2．1 挥发物的 GC、Gc／MS分析 从挥发物的 GC谱圉上(图 5)可以发现有 5个含量较
大的峰 ，进一步利用 GC／MS手段分析它们．具体的结果见表 6。从表中可以看出豚草挥发
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1期 王大力等：豚草的化感作用研究
物主要 为双环单萜，这些单萜是菊科植物常见的组分，它们的化感作用相当明显。
表 5 豚草植物木浸液乙酸乙脂萃取液对农作物种子萌发 的影响
Table 5 Effect of elhylacetate extact of plant water extract Oil seed germ ination
注：CK：对照 ；AA：脬草的乙酸乙脂永授液萃取液 {萌发 总时问：96 h
Note：CK i~ofitro[~AA ：ethylacetate extract 0f』． 洲 ， 抽 ’ water tf {Total time germJ~ te：96 h．
表 6 豚草挥发物的 GC／MS分析结果
Table 6 TentaUve identification by Gc／Ms 0f A．artemisiif~a volatile
2．2．2 正已烷、乙酸乙脂萃取液的 GC、GC／MS分析 利用GC的分析表明，豚草的茎叶 2
种有机萃取液的成分不仅比根萃取液的成分复杂，而且含量也高。特别是乙酸乙脂萃取液
的成分最为复杂，进一步分析 GC／MS的测试结果(表 7)，发现茎叶水浸液的萃取液含有较
表 7 豚草茎叶木浸液有机萃取液的 GC／MS分析结果
Table 7 Tenlative results of GC／M S of stem extracts
化台物 Compounds 正巳靛 乙酸乙脂
Hexane Ethylacetate
■一
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生 态 学 报 l6卷
多的双环单萜和烯醇。
2．2．3 豚草水浸液中的有机酸 本实验利用
XAD-4树脂 富集 水浸 液 中的 有机 酸，进 行
Gc／Ms分析结果表 明可能含有 3羟基癸酸、
壬二酸 、环戊烷十一酸和 3，4-二羟基苯 甲酸。
从 GC、GC／MS得出的实验性结果，可以看 出
豚草的茎叶水浸液中的有机组分 比根中组分
多，其中主要的成分从文献研究中都发现具 有
不同程度的化感作用活性 。另外结合前面的生
物检测结果，推测橙 花叔醇、勺叶桉 醇、法尼
烯、十四碳一3一块、2，5，6-三甲基癸烷、 蒎烯、
蒎烯、a一冰片烯、里那醇、冰片、樟脑 、 里那醇、
3一羟基癸酸、壬二酸、环戊烷十一酸等是豚草化
感作用的主要化合物。
3 结论
通过对豚草的系统研究，对其化感作用有
了较为明确的认识 ：
3．1 豚草挥发物对作物种子的萌发有一定的
作用，特别是对大豆和小麦的抑制 比较 明显，
而且对玉米幼根的伸长也有相当的抑制作用 Fig 5
图 5 辱草挥发物的 GC谱图
GC~ [yses of volatilematter of artemi~ifolia
3．2 豚草的茎叶水浸液对作物种子和幼苗生长的影响十分明显。特别是对大豆和小麦种
子的萌发抑制最明显 ，使萌发率分别降低 3o 和 J8 ；对幼苗早期生长的作用主要表现在
对幼根伸长的抑制 ，而对幼芽则几乎没有影响，对大豆、玉米和小麦的幼根伸长量分别降
低 3l 、64 和 76 。
3．3 豚草根水浸液对 作物种子和幼苗生长的影响与茎叶不一致 ，作用不明显，作用形式
在多数实验中表现为促进作用和抑制作用多种形式并存 ，其中以对小麦的幼苗生长最明
显，对幼根的抑制 2l ．对幼芽的促进 23 这是一个值得进一步探讨的问题
3．4 豚草根区土壤对作物种子和幼苗生长的影响不明显
3．5 利用 GC、GC／MS的分析手段对豚草的水浸液进行了分析研究，发现茎叶中的成分要
比根的成分复杂 ，结合生物检测的结果推测其 中主要的化感物质是橙花叔醇、勺叶桉醇、法
尼烯、十四碳 3一炔、a一蒎烯、}蒎烯、2冰片烯、 里那醇、冰片、桉树脑、樟脑、异丁子香酚、3r
羟基癸酸、壬二酸、环戊烷十一酸等
由此可以看出豚草可能通过挥发、雨水淋溶和根系分泌等途径向环境中释放一些萜类、
烯醇类和聚乙炔类等化台物，对周围的植物的种子萌发和幼苗生长产生抑制作用，从而使
自身在生长发育过程中处于优势 ．加快蔓延速度。
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l期 王大力等：豚草的化感作用研究
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