化感作用(allelopathy)是指植物通过叶面浸出、挥发、植物残渣分解及根系分泌途径进入环境中的化学物质，对周围的植物或微生物产生促进或抑制的作用［1－4］。化感作用在自然生态系统中是普遍存在的，并且已经成为当前生态学研究的热点［5］。在生态系统中，化感作用影响着植物群落的组成及分布格局、群落的演替、种子的保存和萌发以及氮循环等过程［6］。研究化感作用可对解决物种入侵［5］、农作物的合理种植、杂草控制、植被恢复和农牧业生产等问题有很大的指导作用［7－9］。目前，在草地生态系统中对化感的研究还不够系统深入，基本仅涉及对化感现象的观察和化感植物的确定等方面，分离提取和鉴定了一些化感物质，在化感作用的生理机制、遗传因素以及化感植物的入侵机制等方面研究的比较少。笔者对化感植物、化感物质及其释放途径和影响因素、化感研究方法等方面在草地生态系统中的研究状况进行了总结归纳。 1化感作用的表示方法 在研究中，化感作用通常有3种表示方法:①抑制率IR(Inhibitoryrate)=(1－T/C)×100%，其中IR＞0为抑制作用，IR＜0为促进作用，IR的绝对值代表作用强度的大小，C为对照值，T为处理值［10］。②应指数RI(Responseindex)，当T≥C时RI=1－C/T，当T＜C时RI=(T/C)－1。RI＞0时，表示为促进作用，RI＜0时，表示为抑制作用，RI绝对值的大小表示植物化感作用强度的大小。③化感效应综合指数SE，即化感抑制率(IR)的算术平均值。SE＞0表示抑制效应，SE＜0为促进效应，SE的绝对值表示作用强度的大小［11］。 2化感物质及种类 通常把具有化感作用的化学物质统称为化感物质(allel-ochemical)［12］。化感物质都是次生代谢产物，具有种类繁多、结构多样、分子量较小的特性［1］。但是具有以下两方面的共性:任意一种化感物质对植物的许多基本代谢过程和生长调节都可能会产生影响，如影响细胞的分裂、生长和根尖结构［13］，细胞膜的透性［14］，矿物离子的吸收［15］，光合作用和呼吸作用［16］，植物激素的活性［17］等;任何一种化感物质的作用机制都与其浓度有关，表现为低促高抑的现象，如冷蒿的茎叶水浸提液的浓度≤0．05g/ml时能显著促进糙隐子草幼苗根系的伸长生长，但随着浓度的增加，对幼苗根长的生长的抑制作用就越显著［18］。对化感物质的研究、鉴别已经取得了一定的发展。目前已知的化感物质主要有以下几类:①酚类，如对羟基苯甲酸、阿魏酸;②香豆素类，如香豆素、补骨脂素;③醌类，如胡桃醌、高粱醌;④萜类，如桉树脑、麦角甾醇;⑤黄酮类，如六羟黄酮;⑥糖和糖苷类，如野樱苷;⑦非蛋白氨基酸等，如刀豆氨酸、母菊酯;⑧生物碱，如洋艾碱。根据其性质也可以分为:脂肪族化合物、脂肪酸、类酯物以及不饱和内酯、萜类化合物、芳香族化合物等［19］。最常见的化感物质是酚类和萜类物质［20］，苜蓿的化感物质为酚酸类物质［21］，蒿属多为萜烯类物质［22］。还有其他一些化感物质，孔垂华等通过研究杂草胜红蓟(Ageratumconyziodes)挥发油的化感活性，得到的主要化感物质为早熟素Ⅰ和早熟素Ⅱ［23］。 3草地化感植物 对草地化感植物的研究最早开始于蒿属，如苦艾(A．ab-sinthium)［1］、草白蒿(A．alba)［24］和白蒿(A．vulgaris)［25］等。目前研究比较多的化感植物主要有冷蒿(Artemisiafrigida)、苜蓿(Medicagosativa)、白三叶(Trifoliumrepens)、红三叶(Trifoliumpratens)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisLinn．)、狼毒(StellerachamaejasmeL．)和紫茎泽兰(AgeratinaadenophoraSprengel)等。汪诗平等于1998年提出冷蒿可能是草原进一步退化的狙击者，冷蒿小禾草草原在继续过牧的基础上，最终退化成为星毛委陵菜草原，优势种发生改变，星毛委陵菜可能是草原沙化、退化的最后狙击者［26］。此后，很多学者都把研究的焦点集中在退化草原植物群落的动力学上，却很少能解释它们成为草原退化标志性植物的原因。化感作用是一种化学生态防御机制，也是化感植物提高自身对恶劣环境的适应性和竞争性的一种手段［12］。近年来对冷蒿的化感潜力研究比较多，冷蒿是一种化感植物，其茎叶水浸提液使羊草(Leymuschinensis)、克氏针茅(Stipakrylov-ii)和糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)种子的发芽指数降低，平均发芽时间延长，抑制克氏针茅和糙隐子草幼苗的生长且抑制程度受浸提液浓度的影响［18］。目前已经确定了冷蒿的挥发物质，主要是单萜或者倍半萜烯以及它们的含氧衍生物如桉油精、β－月桂烯等［27］。苜蓿被誉为“牧草之王”，产量高、营养丰富，是优质蛋白质饲料的重要来源;同时种植牧草还有固氮、改良土壤结构和防止水土流失等一些生态功能，但是这种效益并不能持续下去，连续种植5年后产量明显降低［28］。直到1981年才发现苜蓿具有自毒效应［29］。自毒效应也是化感作用的一种形式，可对自身的生长产生影响。经过试验研究，分离和鉴定了苜蓿的一些化感物质:三十烷醇(triacontanol)对作物的生长产生刺激作用，在其他豆科作物中也有发现［30］;皂苷(sap-onins)是苜蓿的主要化感物质之一，但不是化感自毒物质，对自身的生长代谢不会产生影响［31］;酚酸类(phenolicacids)，如咖啡酸(caffeic)、绿原酸(chlorogenic)、异绿原酸(isochlo-rogenic)和阿魏酸(ferulic)等［32］。然而，苜蓿本身的水溶性物质中既包含自毒物质也包括异毒物质，将这两类物质明确地区分开来很难［33］。白三叶既被用作牧草，又由于其成坪效果好而广泛用作园林草坪。但有报道称其正在严重危害着我国的草坪绿地［34］。白三叶自身具有的化感作用是其成功入侵的一个不可忽略的原因，这在景观配置中是尤应注意［35－36］。星毛委陵菜的化感作用也越来越引起人们的重视，其在退化草地中常形成40～50cm的斑块，但是目前的研究只确定了星毛委陵菜是一种化感植物。它的茎叶和根的水浸提液对羊草、克氏针茅、冷蒿、草地早熟禾(Poapretensis)和无芒雀麦(BromusinermisLeyss)的种子萌发均有显著的抑制作用，对其幼苗的生长和根长也有一定的影响等［37］。但目前星毛委陵菜的化感物质组成成分还没有确定，有待进一步研究。狼毒是广泛分布于干草原、沙质草原和典型草原的退化草地上的一种化感植物，对于有些受体植物，狼毒根的化感作用大于茎叶［38］。唐晓蓉等对狼毒根的研究取得了很大突破，第一次提取出了纯天然产品香荆芥酚，一种很好的对抗蚜虫和粘虫的杀虫剂［39］，接着从狼毒根粉末中分离和鉴定出2－异丙基－5－甲酚，它们对蚜虫和菜青虫也有一定的抗虫性［40］。但是目前对于狼毒的茎叶以及在退化草原中的入侵机制研究还比较少。紫茎泽兰是恶性外来入侵种，在我国西南地区盛行。其根状茎发达，生活力极强，适应性广。化感作用强烈，容易成为群落中的优势种，甚至发展成为单一优势群落。据报道，被其侵占的天然草地3年后就失去了放牧利用价值。紫茎泽兰抑制伴生植物的种子萌发和幼苗生长，为进一步入侵和扩张创造了有利的环境。通过实验室测定，不同浓度的紫茎泽兰落叶层水浸提液对三叶草、牛膝草和紫花苜蓿3种草本植物的种子萌发和幼苗生长有强烈的化感抑制作用，并且随着浸提液浓度的增大抑制作用增强［41］。#p#分页标题#e# 4化感物质的释放途径和影响因素 化感物质的释放方式取决于化学物质的性质，主要的释放途径有4种:①根系分泌，影响地下种子库以及根系活动的主要形式，如胜红蓟种子萌发和水稻幼苗生长对假臭草根系分泌物最敏感［42］。②茎叶挥发(主要是萜类)，如冷蒿挥发的单萜类或倍半萜烯及其含氧衍生物对周围植物生长的抑制作用［27］。③雨水冲洗，如洋艾叶中含有的生物碱被水冲洗下来抑制其他植物的生长［16］。④植物残体腐解，如在水稻秸秆分解产物中提取的香豆素、丁香酸、对羟基苯甲酸、香草酸等物质能够延缓或抑制水稻胚根或植株的生长［43］。研究表明，叶片浸提液比根的提取物对周围的植物和微生物有更大的抑制作用，并且随着浓度的增加抑制作用更强烈［44］。化感物质的产生受化感植物的品种、释放组织、年龄的影响。近年来紫花苜蓿主要应用在农业产业结构调整过程中，发挥的作用越来越大。研究表明，苜蓿不仅具有自毒效益，还对其他植物产生化感作用［36－37］。然而，不同品种的紫花苜蓿的5种酚酸类化感物质的含量不同，且同一品种的紫花苜蓿不同组织中同一种酚酸类化感物质的含量也存在差异［21］。植物在生长发育的不同阶段以及植株自身的不同部位化感潜力都有差异，于福科等对沙打旺的研究表明，叶片在沙打旺的整个生长周期内都表现出了较强的化感作用;花果期是沙打旺表现化感作用最强的阶段，其次是成熟期和营养生长期［47］。另外，化感物质的产生也可能受采样时期和试验方法的影响。李雪峰等对冷蒿叶挥发物的化学物质进行了鉴定，分析确定了27种化合物，主要是单萜或者倍半萜烯和它们的含氧衍生物，如桉油精、莰烯等［27］;而Lopes－Lutz等的试验还观察到另外2种主要化感物质(莰酮和β－蒎烯)［48］。然而Korolyuk等分析了从1999到2007年获得的冷蒿挥发油的15个样品，结果表明冷蒿不同种群含有的主要成分非常相似。同一属内不同种类植物的化感物质也存在差异，冷蒿与银叶蒿的挥发油化学成分就有很大的差异［49］。随着研究的深入，在冷蒿中又发现了2种黄酮苷类化合物，命名为frigi-nosideA和friginosideB，并试图应用在医药上［50］。化感植物的受损与否也会影响化感物质的产生。当冷蒿受到外界因素如温度、机械损伤、草食动物侵害等影响后，冷蒿的挥发物将严重增加［22］。 5化感植物的研究方法 通常确定供体植物是否是化感植物有3种方法:①采用人工气候箱培养，用盆栽法研究供体植物在土壤里腐解过程中对受体植物是否有影响。②采用种子培养皿滤纸发芽法研究供体植物的根茎叶水浸提液对受体植物的影响。③提取供体植物根部、茎和叶的分泌物或挥发物质来研究对受体种子或幼苗的影响。测量的指标有:受体种子的萌发率和发芽指数;幼苗植株的苗高，根长，鲜重和干重等;叶面积测定(光合作用和呼吸作用);细胞质膜差别透性(电导率、矿物离子的吸收等)。对于化感物质的提取、分离和鉴定，其中，提取的方法常采用浸提法，浸提液可以是无机溶剂H2O、NaOH等，也可以是有机溶剂甲醇、乙醚等;分离常采用萃取法和树脂法。由于化感物质具结构多样、分子量小等特征，为了更准确地鉴定化感物质，经常运用气相色谱(GC)技术、高效液相色谱(HPLC)技术和气相色谱－质谱联用(GC-MS)技术［12，19］提取化感物质，鉴定化感物质是研究植物化感作用机制的关键步骤。 6小结 草地化感植物的研究可为探究草地植被的恢复重建、植物的入侵机制以及保护草地生态系统提供理论依据;对于合理安排牧草混播、间套轮作、杂草防除等有潜在的应用价值。在恢复重建被化感植物严重侵占的退化草地时，对补播草种的选择具有一定的指导意义。在恢复被狼毒侵占的草地时，如果在15cm的土层内，狼毒的根量达到1000g/m2以上时就不能选用对狼毒敏感的植物作为补播草种，应该选用对其生化他感作用耐抗性较强的种子———新麦草种子，以保证建植成功［51］。在生态系统中，化感作用在植物群落的形成、结构、演替中起着非常重要的作用，是植物相互竞争的重要手段之一。草地化感植物向周围环境中释放化学物质，从而影响到周围一种或多种植物的生长发育，甚至影响土壤微生物的活动。一旦入侵到某一地区时，便迅速扩张，形成单优群丛，减少了生境内生物的多样性，降低草原的生态效益，对于受干扰和未受干扰的生态系统都形成巨大威胁。因此，寻找化感植物的入侵机制，防止其蔓延和危害成为生态学研究的重要内容。同时，从化学生态学的角度来解释草原退化时植物群落结构发生变化的原因，也可为全面防止草原退化拟定正确合理的恢复重建方案提供理论依据。目前的研究主要是从化感植物的生物学特性和生态学机制来解释草原退化、沙化后自身成为优势种的机理，但是对于其不断占领生态位的化学机制往往重视不足。在以后的研究中，应该从根本着手，确定化感物质的化学成分，然后进行化感物质控制试验，进一步探明主效化感物质对植物生理生化的机理;也可以通过建造化感模型来进行研究，对于完善草地植被退化理论及草地生态恢复理论具有重要的意义。
