小麥、苜蓿秸稈浸提液對棉花的化感效應

孫新展，劉建國，陳華偉，韓 羽，符家偉

(石河子大學，新疆石河子 832003)

新疆是中國的產(chǎn)棉大省，棉花種植面積不斷擴大，種植年限不斷增加，因此，連作問題日益凸顯，如棉田化感自毒物質積累，抑制棉花種子萌發(fā)，影響幼苗生長，降低棉花葉片的光合作用能力等。發(fā)達國家因農作制度的不同，雖對連作問題略有涉及但相對國內研究不深，化感作用作為連作障礙的成因之一，其研究越來越受到廣大學者的重視。

植物間的化感作用主要通過植物或植物殘體向環(huán)境中釋放出化感物質從而對受體植物產(chǎn)生有利或有害的作用[1]。這些化感物質主要通過淋溶、根系分泌物、殘體分解和揮發(fā)體內代謝產(chǎn)物，以最多見的有機酸和酚類等物質釋放出來影響作物的生長發(fā)育[2-3]。因此，研究秸稈浸提液對作物的化感作用具有重要的意義，迄今為止學者們已從多方面研究植物的化感作用[4-8]，劉建國等[9]研究了棉花秸稈水浸提液對小麥、番茄、油菜、苜蓿4種作物種子萌發(fā)和幼苗生長形態(tài)的影響；張國偉等[10]對棉花秸稈浸提液中總酚酸的質量濃度(10.05～124.33 mg/L)與小麥種子萌發(fā)和根系生長的關系進行了深入研究；李志華[11]的研究表明，紫花苜蓿地上部分的化感作用大于地下部分，且呈現(xiàn)出明顯的質量濃度效應，紫花苜蓿中的多種酚酸類物質具有協(xié)同作用，對受體蘿卜造成一定損傷；劉瑞顯等[12]研究了小麥浸提液對棉花種子發(fā)芽及幼苗根系生長的影響。Sui等[13]在小麥和棉花輪作系統(tǒng)中，將小麥秸稈還田后，棉絨產(chǎn)量提高，是因為其化感物質促進棉花產(chǎn)量形成。最新研究表明[14]，綠洲農田有機肥、無機肥混施并輔以秸稈還田的農田操作可以改善農田土壤環(huán)境。

因此，以秸稈水浸提液為研究對象，以棉花為受體，全面分析小麥秸稈浸提液和苜蓿秸稈浸提液對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應，為采用小麥、苜蓿分別和棉花輪作倒茬并輔助以秸稈還田的方式緩解棉花化感自毒作用提供理論依據(jù)，為解決棉花長期連作障礙，構建棉花與小麥、苜蓿輪作模式提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試棉花品種為‘新陸早45號’，供試小麥(W)秸稈采自石河子大學試驗站，供試苜蓿(A)秸稈采自石河子大學農試場。去除小麥、苜蓿秸稈中的雜質，自然晾曬風干，先剪成3～5 cm的小段，后用粉碎機粉碎成粉末。參考于建光等[15]的方法制備秸稈浸提液并稀釋得到所需質量濃度的處理液。秸稈浸提液是將秸稈粉末(g)與水(mL)以1∶10的比例在28 ℃下每12 h攪拌10 min浸提48 h，先4層紗布過濾，后單層濾紙抽濾2次，質量濃度為100 g/L。用蒸餾水將所得浸提液的母液稀釋為0 g/L(對照，CK)、10 g/L、20 g/L、40 g/L、60 g/L 5個質量濃度備用。

1.2 試驗方法

棉花種子萌發(fā)試驗：每個處理挑選50粒經(jīng)體積分數(shù)10% 的H2O2消毒20 min的棉花種子，放置于鋪有200 mL蛭石的發(fā)芽盒中，蛭石使用前126 ℃、25 min滅菌處理，分別加入不同質量濃度的浸提液100 mL，重復3次。將發(fā)芽盒置于28 ℃，相對濕度50%的無光照人工氣候室內培養(yǎng)。

棉花幼苗生長試驗：將經(jīng)過2 d催芽處理的棉花種子轉移到含有900 mL蛭石直徑9 cm，高20 cm的栽培裝置內，每個裝置內種15株棉花幼苗，分別澆400 mL的不同質量濃度的處理液。培養(yǎng)條件：晝夜溫度28 ℃，相對濕度50%，每天光照12 h。每3 d澆100 mL的蒸餾水，澆水3次，于培養(yǎng)后第12天選取10株進行測量。

1.3 測定指標

統(tǒng)計棉花種子每天的發(fā)芽數(shù)，并于第7天測量幼根長度，計算種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。計算公式為：發(fā)芽勢 =3 d 內發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽率=7 d 內發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)= ∑(Gt/Dt)，式中Dt為發(fā)芽時間，Gt為與Dt相對應的每天發(fā)芽種子數(shù)。用尺子手工測量主根長度和苗高，用萬分之一分析天平稱量根鮮質量和苗鮮質量。根系活力(RV)采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定，丙二醛(MDA)質量摩爾濃度采用趙海泉[16]的硫代巴比妥酸(TBA)法測定，抗氧化酶[超氧化物酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)]活性采用李合生[17]的方法測定。

計算化感指數(shù)(RI)[18]，當T≥C時，RI=1-C/T；當T0時表示促進作用，當RI<0時為抑制作用，RI的絕對值代表作用強度?；芯C合效應(SE)[19-20]用該處理下化感效應指數(shù)(RI)的算術平均值來表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法進行差異顯著性檢驗，比較不同數(shù)據(jù)組間的差異(α=0.05)，用Pearson法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 小麥、苜蓿秸稈浸提液對棉花種子萌發(fā)的影響

由表1和圖1可知：小麥和苜蓿浸提液對棉花種子的萌發(fā)均有一定的化感作用，相同質量濃度下，苜蓿浸提液對棉花發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的化感指數(shù)都小于小麥浸提液。低質量濃度小麥浸提液提高了棉花種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率，但對種子萌發(fā)影響較小；高質量濃度小麥浸提液抑制了棉花種子的萌發(fā)，質量濃度為60 g/L時，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與對照差異顯著(P<0.05)。4種質量濃度的苜蓿浸提液均抑制了棉花種子的萌發(fā)，當質量濃度達20 g/L時，與對照差異顯著。低質量濃度下(10 g/L)，小麥浸提液和苜蓿浸提液的綜合化感效應分別為-0.03和-0.05；高質量濃度下(60 g/L)，小麥浸提液和苜蓿浸提液的綜合化感效應分別為-0.20和-0.40。由化感綜合效應可知，各質量濃度處理下的小麥和苜蓿浸提液對棉花種子萌發(fā)表現(xiàn)出一致的化感抑制作用，且這種抑制作用與質量濃度有關，即隨質量濃度的升高，抑制作用增強，同質量濃度下苜蓿浸提液對棉花種子萌發(fā)的抑制作用較強。

2.2 小麥、苜蓿秸稈浸提液對棉花幼苗生長形態(tài)的影響

由表2和圖2可以看出：小麥和苜蓿浸提液對棉花幼苗生長具有一定的化感作用，且隨質量濃度升高，化感作用越強。就小麥浸提液而言，各質量濃度浸提液抑制了主根的伸長，與對照相比差異顯著，在60 g/L處理下，棉花主根長受到的抑制作用最大，其化感指數(shù)為-0.24；低質量濃度浸提液增加了棉花的苗高，根鮮質量和苗鮮質量，高質量濃度小麥浸提液抑制了棉花幼苗的生長。就苜蓿浸提液而言，質量濃度越高，浸提液對棉花幼苗的生長抑制作用越強，各質量濃度處理與對照差異顯著，僅質量濃度為10 g/L時，根鮮質量、主根長、苗高和苗鮮質量的化感抑制強度就分別高達0.24、0.26、0.32和0.39。從化感綜合效應來看，小麥秸稈水浸提液各質量濃度處理對棉花幼苗生長的化感抑制作用較小，低質量濃度(10 g/L)有助于棉花幼苗的生長，其綜合效應為0.02，高質量濃度抑制幼苗的生長；苜蓿浸提液對棉花幼苗生長的抑制作用比小麥大，隨質量濃度的增加而增強。

表1 小麥、苜蓿秸稈浸提液處理下棉花種子的萌發(fā)指標Table 1 Germination parameters of water extract liquids from wheat and alfalfa straw on cotton seeds

注：同列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note：Different letters in the same column mean significant difference at 0.05 probability level，the same below.

圖1 不同質量濃度水浸提液對棉花種子萌發(fā)的化感綜合效應比較Fig.1 Comparison of allelopathic potentials of aqueous extract of different mass concentrations to cotton seeds germination

2.3 小麥、苜蓿秸稈浸提液對棉花幼苗生理活性的影響

表3表明，與對照相比，高質量濃度小麥浸提液和苜蓿浸提液隨質量濃度升高，根系活力、幼葉SOD和CAT活性降低，幼葉中丙二醛質量摩爾濃度和POD活性提高，低質量濃度小麥浸提液與此結果相反。10 g/L和20 g/L小麥浸提液處理下的根系活力較對照顯著提高，分別為對照的1.27和1.09倍，而苜蓿浸提液在10 g/L時，抑制作用最低，為對照的88%。隨質量濃度增加， 20 g/L處理時，小麥浸提液處理下的棉花幼葉丙二醛質量摩爾濃度開始增加，40 g/L時與對照差異顯著；20 g/L處理時，苜蓿浸提液處理下的丙二醛質量摩爾濃度開始增加，且與對照差異顯著。小麥浸提液處理的幼葉SOD和CAT活性隨質量濃度變化的規(guī)律相同，先升高后降低；POD活性先降低后升高，SOD活性與對照差異顯著，高質量濃度(60 g/L)處理下的CAT和POD活性與對照差異顯著，分別為對照的62%和1.62倍。隨苜蓿浸提液升高，SOD和CAT活性降低，與對照差異不顯著；POD活性不斷升高，各質量濃度處理均與對照差異顯著。

圖2 不同質量濃度水浸提液對棉花幼苗生長的化感綜合效應比較Fig.2 Comparison of allelopathic potentials ofaqueous extract of different mass concentrationsto cotton seedling

2.4 棉花各項萌發(fā)生長指標相關性分析

表4相關性顯示，在12個指標的66個相關系數(shù)中，2個表現(xiàn)出顯著正相關(P<0.05)，23個表現(xiàn)出極顯著正相關(P<0.01)，1個表現(xiàn)出顯著負相關，14個表現(xiàn)出極顯著負相關，26個表現(xiàn)出不顯著。其中，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、主根長、根鮮質量、苗高和苗鮮質量此7者互為極顯著正相關的關系，SOD活性與CAT活性極呈顯著正相關，POD活性與MDA質量摩爾濃度呈極顯著正相關。根系活力與發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)呈顯著正相關，與MDA質量摩爾濃度呈顯著負相關。POD活性和MDA質量摩爾濃度與發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、主根長、根鮮質量、苗高和苗鮮質量極顯著負相關。

表2 小麥、苜蓿秸稈浸提液處理下棉花幼苗的形態(tài)指標Table 2 Morphological parameters of water extract liquids from wheat and alfalfa straw on cotton seedlings

表3 水浸提液處理下棉花幼苗的生理指標Table 3 Physiological parameters of water extract liquids on cotton roots and seedlings

注：RV為根系活力。

Note：RV root vigor.

表4 棉花種子發(fā)芽和幼苗生長指標間的相關性Table 4 Relationships of seed germination and seeding growth in cotton growth indicators

注：*和**表示在0.05和0.01水平上的差異顯著性。

Note：* and ** indicate significanct difference at 0.05 level and 0.01 level,respectively.

3 討 論

長期種植單一作物，不僅導致產(chǎn)量降低，而且對于農田生態(tài)也有不利的影響，因此研究不同耕作制度(間作、套種、輪作等)對緩解連作障礙，為農田高效、優(yōu)質、生態(tài)、安全的生產(chǎn)提供了理論支持。本研究從化感作用方面闡明了小麥、苜蓿水浸提液對棉花種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。對于棉花種子萌發(fā)而言，不同種類、不同質量濃度的水浸提液影響不同，對于不同萌發(fā)指標影響強烈程度不同，綜合來看，小麥和苜蓿浸提液對棉花種子的萌發(fā)均有不利影響，苜蓿浸提液抑制作用更強，此結果與董芳慧等[21]研究的蒼耳浸提液對油麥菜種子萌發(fā)影響結果基本一致。這可能是因為棉花種子在受到浸提液中的化感物質影響后，改變了種子內部物質的正常代謝，導致種子發(fā)芽力較差，活力不強。

種子萌發(fā)指標和幼苗生長指標極顯著正相關，小麥浸提液抑制主根的伸長，但可以增加棉花幼苗根鮮質量，低質量濃度(10 g/L、20 g/L)小麥浸提液也可以增加苗高和苗鮮質量，這與觀察中低質量濃度小麥浸提液增加了棉花幼苗側根數(shù)和促進了側根生長的事實相一致，苜蓿浸提液和高質量濃度的小麥浸提液對棉花幼苗的生長均產(chǎn)生不利的化感影響，不利于幼根的伸長，幼苗的生長和增重。王一峰等[22]也發(fā)現(xiàn)半夏球莖和半夏葉浸提液對小麥幼苗的生長表現(xiàn)出低質量濃度促進、高質量濃度抑制的現(xiàn)象。低質量濃度的小麥浸提液中含有的低量的化感物質可以促進棉花幼苗的生長，高質量濃度的小麥浸提液中還有高質量濃度的化感物質，抑制棉花生長，這與前人[23-24]研究結果一致；而苜蓿秸稈中含有的化感物質不利于棉花幼苗的生長，這說明小麥和苜蓿浸提液中含有不同的化感物質，且相同化感物質其質量濃度也不相同，苜蓿浸提液中的化感物質質量濃度更高[25]。

從生理角度來看，低質量濃度小麥浸提液促進了棉花根系活力，有利于地上部分的生長，保護了棉花幼苗不受外界的損傷，高質量濃度小麥浸提液和苜蓿浸提液損傷了幼苗根系活力，破壞了幼苗葉片膜系統(tǒng)，其中MDA質量摩爾濃度隨質量濃度的升高而增多，這些結果均與前人[26-27]研究結果相似。高質量濃度浸提液使自由基等有害物質游離于植物體內，啟動了植物體內的抗氧化酶保護系統(tǒng)，由于高質量濃度的浸提液對棉花的處理，導致植物體內的保護系統(tǒng)受損，抗氧化酶活性降低，加速植物的衰老，這一結果與前人[28-29]的研究結果一致。

4 結 論

小麥秸稈浸提液和苜蓿秸稈浸提液對棉花種子的萌發(fā)及幼苗生長具有化感效應，并且苜蓿秸稈浸提液的化感效應強于小麥秸稈浸提液；小麥和苜蓿浸提液對棉花種子萌發(fā)的抑制作用明顯，小麥秸稈浸提液對棉花幼苗的生長具有“低促高抑”的質量濃度效應，低質量濃度促進棉花幼苗的生長，提高了棉花幼根的根系活力，苜蓿秸稈浸提液質量濃度越高對棉花的化感抑制作用越強烈。

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