植物间的化感作用是指一种植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物(包括微生物)所产生的抑制或促进作用^{[1, 2]}。化感物质几乎存在于植物的所有器官中，通过挥发、雨雾淋溶、残株分解和根系分泌等途径向环境释放^{[3, 4]}，从而影响植物之间相互关系，进而影响着群落的形成和演替。在林业生产的森林更新、混交林培育和在农业上的单作、轮作、覆盖等各种种植方式均受化感作用的影响^{[5, 6]}，例如，青藏高原高寒草场区毒杂草黄帚橐吾通过释放2-甲基-庚烷、3-甲基-庚烷等萜类化合物不仅可以保护自身不受侵害，还可以抑制牧草种子萌发，降低可食牧草的建植与分布，增强自身生存竞争力，形成单优势种群落^{[7, 8]}。紫茎泽兰分泌的化学物质可以抑制普通针毛蕨的孢子萌发和配子体发育，而这就是蕨类植物没法在紫茎泽兰群落中建群的原因^[9]。胡飞等^[10]从胜红蓟水溶物中分离出的化感物质早熟素Ⅰ和早熟素Ⅱ既能防御昆虫侵袭又能对周围植物进行抑制作用，这就使得胜红蓟广泛分布并成为优势种群。

黄土高原由于其特殊的黄土母质、地形和气候特征，加上长期以来不合理的土地利用方式，水土流失严重，生态系统十分脆弱。减少人类活动干扰，通过生态系统自然演替是恢复该地区生态环境，减少水土流失的重要措施。近年来该区域开展了众多关于植被演替方面的研究，从植物、土壤等方面取得了丰富成果^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}，但对于植被演替中植物之间化感作用的研究相对较少。茵陈蒿(Artemisia capillaries)作为黄土丘陵区坡耕地撂荒后的先锋种群，凭借较强的环境适应能力和竞争能力在演替前期成为了群落优势种。在群落形成过程中，除了自身环境适应性外，茵陈蒿对其他植物的生长是否具有促进或抑制作用进而影响了群落结构，这些问题在以往研究中没有涉及。本研究以该地区自然演替先锋种群茵陈蒿为研究对象，通过种子萌发试验，分析茵陈蒿在演替初期对自身以及其他植物种子萌发以及幼苗生长的影响，从化学生态学角度解释演替初期群落结构形成的原因，期望在理论上揭示植被群落结构与化感作用之间的关系，为认识黄土丘陵区生态恢复的本质过程提供科学依据。

研究区设于中国科学院安塞水土保持综合试验站的墩山(109°19′23″E，36°51′30″N)，海拔1330m。该地区年均降水量510mm左右，蒸发量1000mm，年均气温8.8℃，日照时数2352—2573，属暖温带半干旱气候区，土壤为黄土母质上发育的黄绵土，质地类型为粉砂土壤，粉粒含量占65.2%，砂粒含量占19.0%，黏粒含量占15.8%，抗冲抗蚀能力差，水土流失严重。为了减少水土流失，改善生态环境，该地区从1999年开始实施退耕还林(草)工程，经过十几年的不断努力，该地区的生态环境有了明显改善。目前，该地区常见的植被主要有沙棘(Hippophaer rhamnoides)、柠条 (Caragana Korshinskii)等人工灌丛林，沙打旺(Astragalus adsurgens)、柳枝稷(Panicum virgatum.)等人工草地和以茵陈蒿(Artemisia capillaries.)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、长芒草(Stipa bungeana)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)等为主的天然草地。

供体植物茵陈蒿采集于墩山坡耕地退耕5a后形成的天然草地，分别采集茵陈蒿植株根系、地上部(除根系以外的植株部分)和根际土作为浸提液的来源，受体材料为茵陈蒿、铁杆蒿、白羊草和达乌里胡枝子。采用Riley抖落法^[18]采集植物根际土：用铁铲挖取具有完整根系的土体，先轻轻抖落大块不含根系的土壤，然后用力将根表面附着的土壤全部抖落下来，迅速装入塑料袋内。

(1)水浸提液的制备：将植物根系和地上部洗干净阴干粉碎，过0.25 mm筛，分别称取30 g于三角瓶中，加入150 mL蒸馏水，在震荡机中震荡浸泡30 min，然后在4000 r/min离心机离心5 min，吸取上清液为0.2 g/mL的浸提母液；将母液稀释10倍(0.02 g/mL)和100倍(0.002 g/mL)为3个处理，在铺有单层滤纸的直径为9cm的培养皿中培养种子，加入2 mL各浸提液，以蒸馏水处理为对照，每个处理重复5次，在25℃恒温培养箱中进行发芽试验。根际土水浸提液制备步骤与根系和地上部相同。

(2)甲醇浸提液的制备：方法同水浸提液

选取颗粒饱满，大小均匀的受体植物种子，用 0.1% 的高锰酸钾溶液消毒 15 min 后，取出用蒸馏水冲洗至高锰酸钾完全洗净后，在培养皿中培养(铁杆蒿和茵陈蒿均为100粒，达乌里胡枝和白羊草为30粒)。因受体植物种子为野生杂草种子，其活力难以确定，用蒸馏水处理，放在25℃恒温培养箱中进行发芽试验。以80%种子发芽，并将根长和芽长达到种子长度的10倍以上确定为测量根长和芽长时间。由预试验得知，白羊草需培养96h，铁杆蒿和达乌里胡枝子需144h，茵陈蒿需240h，统计种子发芽率并测量种子根长和芽长。依据化感指数RI反映茵陈蒿对自身以及其他植物是否存在相互促进或抑制作用。

式中,C为对照值，T为处理值。将RI作为衡量指标，RI＞0为促进作用，RI＜0为抑制作用，绝对值的大小与作用强度一致。计算发芽率、根长和芽长的RI值。本文中RI=-1.00表示发芽率为0。

所有数据采用SPSS15.0进行统计分析采用单因素方差分析(one-way ANOVA) 和Duncan法比较处理组间的差异，显著性水平为 α =0. 05。

由图 1可知，茵陈蒿地上部浸提液对铁杆蒿、白羊草和达乌里胡枝子种子发芽的影响差异显著(P < 0.05)。其中，3个浓度下的水浸提液和0.2g/mL的甲醇浸提液均抑制种子的萌发，水浸提液在0.2g/mL浓度时对3种植物种子萌发的抑制作用最为强烈，发芽率均为0，随着浓度的下降，抑制作用逐渐减弱，其中对自身种子萌发的抑制作用降幅最大。铁杆蒿种子在3个浓度的甲醇浸提液中均不能萌发，随着甲醇浸提液浓度的降低，对其他3种受体植物种子萌发的抑制作用也逐渐降低，在浓度为0.002g/mL对自身和白羊草种子萌发表现为轻微的促进作用。

图 1 茵陈蒿地上部浸提液对不同植物种子发芽的影响 Fig.1 Effect of extracts from the aboveground part of Artemisia capillaries on seed germination of different plants 字母表示不同受体植物在同一浓度处理时的差异显著性，字母不同表示差异显著性(P < 0.05)

图选项

茵陈蒿根系浸提液对植物种子萌发的影响与地上部浸提液趋势相类似：随着浓度的增加，抑制作用显著增强(图 2)(P < 0.05)。在0.2g/mL浓度下均抑制植物种子的萌发，其中对铁杆蒿的抑制作用最强，化感指数RI为-1.00，种子不能萌发。水浸提液在3个浓度下均抑制自身种子的萌发，在0.02g/mL和0.2g/mL浓度时对白羊草和达乌里胡枝子种子萌发有抑制作用，但在0.002g/mL时表现为微弱的促进作用。3个浓度的甲醇浸提液均抑制铁杆蒿和白羊草的种子萌发，且对铁杆蒿的抑制作用更为显著(P < 0.05)，在0.002g/mL和0.02g/mL时对达乌里胡枝子有促进作用。

图 2 茵陈蒿根系浸提液对不同植物种子发芽的影响 Fig.2 Effect of extracts from the root of Artemisia capillaries on seed germination of different plants

图选项

由图 3可知，茵陈蒿根际土浸提液在浓度为0.2g/mL时对铁杆蒿、白羊草和自身有较强的抑制作用，但随浓度的降低，抑制作用显著减弱(P < 0.05)，且甲醇浸提液与水浸提液变化一致。当浓度为0.002g/mL时，对四种受体植物种子萌发具有促进作用，但对白羊草的作用较不明显。3种浓度的浸提液对达乌里胡枝子都具有促进作用，且随着浓度是增加呈现先升高再降低的趋势，水浸提液的促进作用大于甲醇浸提液。

图 3 茵陈蒿根际土浸提液对不同植物种子发芽的影响 Fig.3 Effect of extracts from the rhizosphere soil of Artemisia capillaries on seed germination of different plants

图选项

不同浓度的茵陈蒿地上部浸提液对铁杆蒿根长的影响均表现为抑制作用(图 4)，水浸提液随浓度的增加抑制作用逐渐增强，铁杆蒿在不同浓度的甲醇浸提液的作用下种子萌发受到完全抑制，根长均为0。在0.002g/mL和0.02g/mL浓度下，水浸提液促进自身、白羊草和达乌里胡枝子根的生长，其中对白羊草的促进作用较弱，且随水浸提液浓度的增加促进作用显著降低(P < 0.05)，在0.2g/mL浓度时，种子不能萌发，根长为0。在甲醇浸提液的作用下，白羊草根的生长受到抑制，在0.002g/mL和0.02g/mL浓度下，对达乌里胡枝子有较强的促进作用。

图 4 茵陈蒿地上部浸提液对不同植物根长的影响 Fig.4 Effect of extracts from the aboveground part of Artemisia capillaries on root length of different plants

图选项

由图 5可知，0.002g/mL和0.02g/mL浓度下茵陈蒿根系水浸提液对4种受体植物根长的影响均表现为促进作用，且强弱大小为达乌里胡枝子>白羊草>茵陈蒿>铁杆蒿，而相比之下，同浓度的甲醇浸提液对达乌里胡枝子的促进作用更大些，化感指数RI达到0.79和0.53。3个浓度的根系甲醇浸提液抑制白羊草根的生长，且随浓度的增加，抑制作用增强。在0.2g/mL浓度的甲醇浸提液下，铁杆蒿和茵陈蒿种子萌发完全受到抑制，根长为0。

图 5 茵陈蒿根系浸提液对不同植物根长的影响 Fig.5 Effect of extracts from the root of Artemisia capillaries on root length of different plants

图选项

不同浓度的根际土浸提液对铁杆蒿和达乌里胡枝子受体植物的根的生长均具有不同程度的促进作用(图 6)，强弱大小为铁杆蒿 < 达乌里胡枝子，且随浓度在增加促进作用增强，其中水浸提液的促进作用强于甲醇浸提液，在浓度为0.2g/mL时水浸提液对铁杆蒿和达乌里胡枝子作用的化感指数RI达到0.54和0.92。茵陈蒿根际土浸提液对白羊草和自身根长的影响也表现为促进作用，但随浓度的增加，对白羊草的促进作用显著增加(P < 0.05)，而对自身的促进作用呈现出先减小后增加的趋势。

图 6 茵陈蒿根际土浸提液对不同植物根长的影响 Fig.6 Effect of extracts from the rhizosphere soil of Artemisia capillaries on root length of different plants

图选项

茵陈蒿地上部浸提液对植物芽的生长与对根的影响有相似的趋势：浸提液浓度越高，芽的生长受到的促进作用越弱(图 7)。不同浓度的浸提液均抑制铁杆蒿芽的生长，0.002g/mL和0.02g/mL浓度的水浸提液对自身、白羊草和达乌里胡枝子芽的生长无抑制作用，在0.2g/mL水浸提液的作用下，4种植物种子萌发受到完全抑制，芽长为0。0.002g/mL和0.02g/mL的甲醇浸提液对白羊草芽的生长有促进作用，而对铁杆蒿和白羊草有抑制作用，而铁杆蒿生长完全受到抑制，种子发芽率为0，根长和芽长也均为0。

图 7 茵陈蒿地上部浸提液对不同植物芽长的影响 Fig.7 Effect of extracts from the aboveground part of Artemisia capillaries on shoot length of different plants

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由图 8可知，茵陈蒿根系浸提液随着浓度的增加，对植物芽长的促进作用呈现先升高再降低的趋势，而甲醇浸提液对植物芽的抑制作用随浓度增加而增加。3个浓度的水浸提液均促进自身和达乌里胡枝子芽的生长，且在0.02g/mL时促进作用最大。白羊草和自身芽的生长均受不同浓度的甲醇浸提液的抑制作用，而0.002g/mL和0.02g/mL的甲醇浸提液对铁杆蒿和达乌里胡枝子芽的生长有不同程度的促进作用，且随浓度的增加，促进作用减弱。

图 8 茵陈蒿根系浸提液对不同植物芽长的影响 Fig.8 Effect of extracts from the root of Artemisia capillaries on shoot length of different plants

图选项

茵陈蒿根际土浸提液对白羊草、达乌里胡枝子和自身芽的生长均具有促进作用(图 9)，其中对白羊草的促进作用随着浓度的增加而增加，且甲醇浸提液的促进作用随浓度变化更为显著(P < 0.05)；在浓度为0.2g/mL时水浸提液和甲醇浸提液对白羊草的化感指数达0.63和0.45；对达乌里胡枝子的促进作用表现为低浓度时较强高浓度时较弱；对自身的促进作用相对较弱。3个浓度的水浸提液和甲醇浸提液均抑制铁杆蒿芽的生长，但抑制作用较弱。

图 9 茵陈蒿根际土浸提液对不同植物芽长的影响 Fig.9 Effect of extracts from the rhizosphere soil of Artemisia capillaries on shoot length of different plants

图选项

植被演替是生态恢复的重要措施之一，表现为一定区域内一个群落被另一个群落替代的过程，植被演替是群落内部关系与外界环境中各种生态因子综合作用的结果。引起植物群落演替的原因有很多，而植物对养分、水分、空间等资源的竞争则是推动演替的内在动力^{[19, 20, 21]}。化感作用是生态系统中群落共存或竞争的重要方式之一，是植物群落演替的重要因素^{[22, 23]}。在自然界中，化感物质主要通过雨水和雾滴等的淋溶而进入土壤发生化感作用^[24]。当化感物质在土壤中富集到一定程度后，就会影响自身以及其他植物的生长^[25]，从而影响植物在群落的地位和对资源的竞争力^[26]。就化感作用与化感物质数量间的关系而言，产生化感效应必须使化感物质达到某一阈值，低于该值则植物不受影响，且部分化感物质会促进其他植物的生长^{[27, 28]}。Zhang 等^[29]对黄土丘陵区的植被群落的观察发现，植被群落随着演替年限的变化而变化，坡耕地演替前3a，一年生植物茵陈蒿成为先锋中群落并在前10a成为群落优势种蒿，而达乌里胡枝子和铁杆蒿等植物成为群落伴生种。研究结果表明，先锋种茵陈蒿浸提液对自身以及伴生种铁杆蒿、达乌里胡枝子和白羊草的种子萌发和根长芽长的化感作用是不同的。浓度为0.002 g/mL的浸提液对受体植物种子萌发有促进作用或较弱的抑制作用，0.2 g/mL浸提液则具有较强的抑制作用，反映出化感物质具有浓度效应^{[30, 31]}，根和芽的生长也有相似的趋势。同一植物不同器官之间的化感作用也不尽相同，可能与器官化感物质的含量有关^[10]，与根系相比，地上部浸提液对4种植物的抑制作用更强烈，根际土较弱，可能是地上部的叶片是光合作用和各类次生代谢过程的重要器官，含有大量的酶和有机物质^[32]，这些物质更多或活性更强且更稳定，化感作用能大部分表现出来，而根系分泌的化感物质会部分进入土壤，化感作用相对较弱^[33]；根际土中的化感物质被土壤中的微生物分解，加上空气的氧化作用，使得根际土中的化感物质含量较低，活性较弱，化感作用能力也相对较弱。

王辉等^[22]在研究铁杆蒿群落化感作用时发现，相同浓度条件下，铁杆蒿甲醇浸提液对本氏针茅、大针茅、赖草和百里香4种植物的抑制作用要强于水浸提液，翟梅枝等^[34]用乙醇和水提取早熟禾时化感物质时也发现水浸提液对种子萌发的抑制作用强于乙醇浸提液。相同浓度下同部位的茵陈蒿水浸提液和甲醇浸提液对四种受体植物的化感作用也存在差异。总体而言，根系甲醇浸提液对铁杆蒿种子萌发的抑制作用要强于同浓度条件下的水浸提液，但是地上部水浸提液对受体植物根长芽长的作用强度要大于甲醇浸提液。这说明不同基质的提取液针对不同提取对象具有一定选择性，甲醇可能在植物根系中提取出更多的化感物质，而水溶液能对茎叶等具有较好的提取效果。在植被演替前期，先锋物种茵陈蒿生长迅速，盖度大，分泌的化感物质浓度可能比较高，抑制了3种受体植物的种子萌发，尤其是铁杆蒿和白羊草，在地上部浸提液浓度较高时甚至不能萌发。根和芽的生长也有相似的现象，根的生长受到抑制，对养分和水分的吸收能力降低，结果导致植株生长缓慢；植物芽生长受到抑制，地上部分不能很好的进行光合作用，生长发育受阻，植株矮小，对根系的供养能力降低，从而在群落竞争中处于劣势地位，导致该群落在整个草地中逐渐衰落，这可能也是演替前期铁杆蒿和白羊草不能生存的原因之一。随着演替的进行，茵陈蒿的减少降低导致其分泌的化感物质可能有所减少，从而对铁杆蒿和白羊草的抑制作用随之减小，此外，茵陈蒿总体上促进了达乌里胡枝子幼苗的生长，使得他们逐渐成为伴生种。因此，茵陈蒿对其他植物的化感作用可能是该地区演替前期形成以茵陈蒿为优势种的植被群落的重要原因之一。此外，高浓度(0.2 g/mL)的茵陈蒿根际土浸提液对于自身种子萌发具有一定的抑制作用，这也说明茵陈蒿化感物质在土壤中的积累会对自身的生长产生抑制，从而降低自身在群落的地位和竞争能力，为后续物种的生长以及群落的更新演替提供了条件，这也在一定程度上解释了黄土丘陵区演替10a后茵陈蒿逐渐衰落，其他物种代替茵陈蒿成为群落优势种的原因^[29]。

黄土丘陵区退耕地植被演替中，先锋种群茵陈蒿浸提液对自身以及其他植物的种子萌发和幼苗生长具有明显化感作用：

(1)不同浓度的浸提液对铁杆蒿、白羊草和达乌里胡枝子的化感作用不同，0.002g/mL的浸提液对受体植物种子萌发有促进作用或较弱的抑制作用，0.2g/mL浸提液则具有较强的抑制作用，大体表现为低促高抑的浓度效应。

(2)不同部位茵陈蒿浸提液的化感作用也不同，与根际土相比，根系浸提液的抑制作用更强，而地上部最强：地上部水浸提液均抑制4种受体植物的种子萌发，尤其在浓度为0.2g/mL时，化感指数RI为-1.00，种子不能萌发，达到完全抑制。

(3)4种受体植物对不同基质的浸提液的敏感程度也不同，根系甲醇浸提液对铁杆蒿种子萌发的抑制作用要强于同浓度条件下的水浸提液，但是地上部水浸提液对受体植物根长芽长的作用强度要大于甲醇浸提液。

(4)茵陈蒿具有一定的自毒作用，高浓度(0.2 和0.02 g/mL)的茵陈蒿地上部和根系浸提液对于自身种子萌发以及幼苗的生长具有一定的抑制作用。