臭椿分解残体对本地多年生植物萌发与生长的化感抑制效应及其生态修复意义

《Invasive Plant Science and Management》：Native Perennials’ Germination and Growth Response to Decomposing Ailanthus altissima Stems

本研究针对入侵树种臭椿（Ailanthus altissima）枯死树干分解后是否通过化感作用（allelopathy）影响生态修复的问题，通过18个月野外分解实验和温室控制实验，发现臭椿木材分解土壤会显著抑制紫松果菊（Echinacea purpurea）和大麻叶罗布麻（Apocynum cannabinum）的萌发和生物量积累，但经26个月陈化的臭椿覆盖物（mulch）可缓解化感效应。研究首次揭示臭椿木材残留对本地植物恢复的遗留效应（soil legacy effects），为入侵地管理中木质残体清理和覆盖物利用提供科学依据。

　　

在北美和欧洲的森林中，一种名为“天堂树”的入侵树种——臭椿（Ailanthus altissima）正悄然改变生态系统。这种原产于中国的乔木不仅生长迅速、繁殖力强，更棘手的是其全身富含化感物质（allelopathic compounds），可通过枝叶分解释放到土壤中，抑制周边植物的生长。随着化学防治、病害（如维管萎蔫病Verticillium wilt）或虫害（如斑衣蜡蝉Lycorma delicatula）导致臭椿大面积死亡，林地上常堆积大量枯死树干。这些分解中的木材是否会持续释放化感物质，形成“土壤遗留效应”（soil legacy effects），进而阻碍本地植物恢复？这成为生态修复中亟待厘清的关键问题。

为解答这一难题，美国林务局北部研究站的Cynthia D. Huebner博士开展了一项创新研究。她模拟野外实际情况，将人工栽培4年的臭椿树干切割堆叠，在草地上和园艺地布（garden fabric）上自然分解18个月，随后收集木材下方的土壤进行温室控制实验。研究人员选取三种典型本地多年生植物——喜光物种紫松果菊（Echinacea purpurea）、路边物种大麻叶罗布麻（Apocynum cannabinum）和耐阴物种假荨麻（Boehmeria cylindrica），播种于含臭椿分解土壤的盆器中，并设置添加臭椿覆盖物（分解26个月）与不添加的对比组，在不同光照条件（高光400 μmol·m^?2·s^?1和低光200 μmol·m^?2·s^?1）下培养3个月，系统监测种子萌发、植株生物量和土壤化学性质变化。

关键技术方法

研究通过野外模拟实验（臭椿木材堆叠分解18个月）和温室控制实验（设置7种土壤处理×2种覆盖处理×2种光照水平×5重复），采用广义线性混合模型分析萌发数（负二项分布）和生物量（高斯/伽马分布），结合土壤化学分析（pH、有机质、全氮碳、交换性离子等），评估化感效应的影响维度。

研究结果

Question 1: 臭椿分解木材下方土壤对本地物种萌发和生长的负面影响

臭椿木材分解土壤显著抑制了紫松果菊和大麻叶罗布麻的萌发和地上生物量积累。例如，紫松果菊在木材堆土壤中的萌发数比非木材堆土壤低约50%（p<0.0001），且地上生物量在高光条件下降幅最显著。假荨麻因仅在低光下萌发，其生物量在木材堆土壤中反而较高，可能与竞争减弱有关。三者总根生物量在木材堆土壤中显著降低（p<0.0001），但覆盖物可缓解此效应。

Question 2: 遗留效应是否扩散至分解区域周边？

土壤化学分析显示，木材堆下方土壤的钾（K）、全氮（N）和全碳（C）含量高于周边，但化感效应未显著扩散至2米外的上坡或下坡区域（p>0.05），表明化感物质未通过重力淋溶广泛迁移。

Questions 3和4: 臭椿覆盖物的影响及化感效应的物种与光照差异

陈化26个月的臭椿覆盖物显著促进植物生长（如紫松果菊生物量增加约30%，p<0.0001），表明化感物质已分解。物种响应差异显著：紫松果菊在高光下受抑制最明显，大麻叶罗布麻在低光下生物量更高，假荨麻仅在高遮荫条件下受益于木材堆土壤的低竞争环境。

Question 5: 土壤种子库是否受影响？

本地种子库植物（如酢浆草Oxalis stricta、车前草Plantago major等）的萌发未受木材堆土壤抑制（p=0.79），说明预先暴露于臭椿的植物可能产生适应性。

Question 6: 园艺地布与草地下土壤的化感效应差异

园艺地布覆盖的土壤对植物萌发的抑制效应与木材堆土壤相似（如大麻叶罗布麻萌发数降低约40%），可能与地布减少土壤微生物活性有关，提示长期使用杂草屏障可能阻碍生态修复。

结论与意义

本研究首次证实臭椿木材分解18个月后仍通过化感作用抑制本地植物恢复，且效应因物种和光照条件异质。管理启示深远：在种子库贫瘠的入侵林地，清理臭椿木质残体是保障人工修复成功的关键；而陈化两年以上的臭椿覆盖物可转化为有益资源。研究还警示，园艺地布等物理控草手段可能通过破坏土壤微生物加剧修复难度。未来需深入探究化感物质（如臭椿酮ailanthone）在土壤中的持久性及其与微生物的互作机制，为入侵物种管理提供更精准的生态对策。