天山云杉天然林地土壤中的自毒物质及其来源研究

在无火干扰的有限时间的森林自然恢复中，天山云杉天然更新不良或天然更新障碍是长期困惑新疆林业工作者的一大难题。基于"天山云杉天然更新障碍自毒作用假设"，研究发现天山云杉针叶水浸提取液和针叶凋落物水浸提取液对其种子萌发和幼苗生长均存在自毒效应，其中新的潜在化感物质云杉酮起关键作用。但上述结果均是在实验室条件下获得的，只能作为"天山云杉天然更新障碍自毒作用假设"的间接证据。本项目在已有研究工作的基础上，以天山云杉针叶和凋落物中已知的潜在化感物质为基础，以天然林地表层土壤中活性有机小分子为化学线索，以生物测定为导向，运用致毒效应生物测定、物质浓度定量检测、光谱分析与分子结构解析等实验生态学和分析化学的技术手段，通过对天山云杉林地表层土壤中化感物质种类、浓度和来源的研究，进一步验证"天山云杉天然更新障碍自毒作用假设"，并为天山森林生态系统的可持续经营提供科学依据，具有重要的科学意义和广泛的应用前景。

天山云杉（Picea schrenkiana Fisch.et Mey.）为中亚和亚洲中部山地特有种，是天山山地最主要的地带性森林群落建群种。在无火干扰的有限时间的森林自然恢复中，天山云杉天然更新不良或天然更新障碍是长期困惑新疆林业工作者的一大难题。相关研究发现天山云杉针叶和凋落物水浸提取液对其种子萌发和幼苗生长存在自毒效应。基于“天山云杉天然更新障碍自毒作用假设”，本项目以天山云杉天然林地表层土壤（含凋落物）中活性有机小分子为化学线索，以生物测定为导向，运用致毒效应生物测定、高效液相色谱分析、GC-MS-MS分析、硅胶柱层析分离、NMR分析、单晶衍射分析、LC-MSD分析等实验生态学和分析化学的技术手段，查明了天山云杉天然林地土壤中自毒性化感物质的种类及其来源，揭示了土壤中自毒性化感物质的生态学意义，为“天山云杉天然更新障碍自毒作用假设”提供了直接证据。研究结果表明：①天山云杉林地表层土壤（含凋落物）水浸提液乙醚、乙酸乙酯和正丁醇萃取相中有16种主要化学成分，其中：酚酸类物质10种，长链脂肪酸类物质2种，吲哚类物质2种，单宁酸类物质2种。生物测定显示，从乙醚萃取相中分离纯化出的3,4-二羟基苯乙酮对天山云杉种子萌发和幼苗生长具有最强的抑制作用，并对天山云杉具有专一性，为一新的化感物质。②天山云杉林地表层土壤（含凋落物）中3,4-二羟基苯乙酮含量为（3.78±0.72）mg/g，土壤中的含量为（0.51±0.03）mg/g。当3,4-二羟基苯乙酮浓度大于等于2.5 mM时，显著抑制天山云杉种子萌发（p<0.05），当浓度达到10 mM时，完全抑制天山云杉种子的萌发；且当3,4-二羟基苯乙酮浓度大于等于0.5mM时，显著抑制天山云杉幼苗胚芽、胚根的生长和鲜重的增加（p<0.05）。③天山云杉针叶水浸提液乙醚、乙酸乙酯和正丁醇萃取相中有16种主要化学成分，其中：酚酸类物质10种，长链脂肪酸类物质2种；单宁酸类物质2种；吲哚类物质1种；黄酮类物质1种。乙醚萃取相中含量最多的物质为3,4-二羟基苯乙酮，其在天山云杉针叶中的含量为（4.93±0.41）mg/g。天山云杉天然林地土壤中的自毒性化感物质为3,4-二羟基苯乙酮，其来自于天山云杉的针叶，为天山云杉的化感自毒作用提供了直接证据。发表学术论文5篇(其中SCI收录论文3篇)，培养毕业研究生3名(其中博士研究生1名)。