闊葉豐花草與果園幾種常見雜草的生理生態(tài)特性比較

張?zhí)﹦拢睦?，?純，田興山

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/廣東省植物保護(hù)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】果園生草是一項(xiàng)誕生于19世紀(jì)末的土壤管理技術(shù)。實(shí)施果園生草能抑制雜草的生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)果園微氣候，減少土壤侵蝕［1-2］，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤有機(jī)碳含量和肥力［3-4］，刺激果樹的生長(zhǎng)，并提高果品質(zhì)量［5-6］，還可收獲牧草用于畜禽養(yǎng)殖［7］。因此選用合適的草種進(jìn)行果園生草是實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的有效途徑之一。

【前人研究進(jìn)展】目前，歐美國(guó)家以及日本實(shí)施生草的果園面積占果園總面積的55%～70%以上，有的甚至達(dá)到95%［8］。我國(guó)的果園生草研究和應(yīng)用起步較晚，加上傳統(tǒng)果園的管理仍習(xí)慣于采用清耕法，迄今為止，全國(guó)范圍內(nèi)采用生草技術(shù)的果園總體不足10%［9］，且不同地區(qū)的果園生草技術(shù)發(fā)展極不平衡。近20年，北方果園通過引入生物學(xué)特性較清楚的牧草，如白三葉（Trifolium repens）、黑麥草（Loliumpereenne）和紫花苜蓿（Medicago sativa）等，已經(jīng)形成一系列果園生草技術(shù)的應(yīng)用模式［10-11］。南方不是牧草的主產(chǎn)區(qū)，相關(guān)草種來源較少［12］，在一定程度上限制了果園生草技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，由于南方地區(qū)氣候暖濕，以致果園惡性雜草生長(zhǎng)旺盛，對(duì)果園生草目標(biāo)植物種群的穩(wěn)定性造成很大的威脅。近年來的研究表明，茜草科植物闊葉豐花草（Borreria latifolia）是華南果園生草的適宜植物［13］，為1年生草本植物，耐貧瘠和酸性土壤［14］，含有豐富的粗蛋白、粗纖維和酚類化合物等，可作為動(dòng)物飼料［15］，同時(shí)含有多種具有消炎殺菌作用的化合物［16］，還具有一定的藥用價(jià)值［17-21］。果園栽培闊葉豐花草后，對(duì)多數(shù)惡性雜草的生長(zhǎng)有很好的抑制效果，將大幅度降低果園除草劑的使用量，同時(shí)還能提高土壤微生物的數(shù)量和碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶的活性［22］。

【本研究切入點(diǎn)】利用闊葉豐花草控制果園雜草技術(shù)已入選2020年廣東省農(nóng)業(yè)主推技術(shù)，但現(xiàn)階段有關(guān)闊葉豐花草的生理生態(tài)特性在很大程度上還不清楚，影響了該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步推廣?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過比較闊葉豐花草與果園常見雜草藿香薊、白花鬼針草和牛筋草之間的種子形態(tài)及發(fā)芽特性、根系特征、光合特征以及對(duì)草甘膦敏感性的差異，為更好地利用闊葉豐花草在果園進(jìn)行生草栽培和相關(guān)管理策略的制定提供參考依據(jù)，助力農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物材料為闊葉豐花草（Borreria latifolia）、藿香薊（Ageratum conyzoides）、白花鬼針草（Bidens alba）和牛筋草（Eleusine indica）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品采集 于2018年6月在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云基地（113°25 ' 28.18 " E；23°23 '29.73 " N）植保所荔枝園，選取4種草生長(zhǎng)期一致（5～7葉期）的植株進(jìn)行氣體交換參數(shù)測(cè)定，并連根帶土挖出其根系帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行根系特征分析。

1.2.2 室內(nèi)試驗(yàn) 2018年11月從上述地點(diǎn)采集4種植物的種子帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干、常溫保存。選取飽滿種子測(cè)定千粒質(zhì)量，并利用高清顯微鏡觀察種子形態(tài)特征。2019年7月，每個(gè)草種選取50粒大小一致種子放入鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入適量蒸餾水，在人工氣候箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，周期為10 d，每天觀察發(fā)芽率的變化，發(fā)芽10 d增加測(cè)量每種草的幼苗鮮質(zhì)量。人工氣候箱晝夜溫度設(shè)為28℃/ 25℃，光周期設(shè)為14 h光照/10 h黑暗。另外在15 cm 的塑料盆播種闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草的種子，進(jìn)行草甘膦的敏感性測(cè)定。以41%草甘膦異丙胺鹽水劑（農(nóng)達(dá)，孟山都公司）作為供試藥劑，設(shè)置 0、30、90、270、1 000 g/hm2（ai）5個(gè)劑量，對(duì)闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草盆栽植株（5葉期）進(jìn)行噴霧處理，對(duì)照噴施清水。處理30 d后，收獲盆栽植株，烘干，測(cè)定干質(zhì)量。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 氣體交換參數(shù) 氣體交換參數(shù)采用LI-6800便攜式光合作用分析儀（LI-COR，Inc，USA）測(cè)定。測(cè)量過程的環(huán)境控制：葉室溫度27℃，相對(duì)濕度65%，入氣CO2濃度400 μmol/mol（由小鋼瓶注入），光強(qiáng) 1 200 μmol/m2·s（由紅藍(lán)光源提供）。主要測(cè)定參數(shù)包括凈光合速率（Pn，μmol/m2·s）、蒸騰速率（Tr，mmol/m2·s）和氣孔導(dǎo)度（Gs，mmol/m2·s），每個(gè)草種測(cè)定10株。

1.3.2 根系特征 利用EpsonV500型掃描儀掃描不同草種的根系，得到TIF圖像文件，導(dǎo)入根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO，Canada）分析總根長(zhǎng)（cm）、總根表面積（cm2）、總根體積（cm3）、平均直徑（mm）和直徑頻率。每個(gè)草種分析6株根系。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用四參數(shù)Log-logsitic方程［23］擬合不同草干質(zhì)量對(duì)草甘膦的濃度響應(yīng)曲線，并計(jì)算出50%干重抑制效應(yīng)濃度（ED50）。采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試植物種子形態(tài)和發(fā)芽特征比較

圖1 4種植物種子形態(tài)特征Fig. 1 Seed morphological characteristics of 4 species

圖2 4種植物種子千粒質(zhì)量和發(fā)芽特征Fig. 2 Thousand seed mass and germination characteristics of 4 species

從圖1可以看出，闊葉豐草種子呈橢圓形或棒狀，具有半開放的外殼，其寬度大于藿香薊、白花鬼針草和牛筋草，長(zhǎng)度大于藿香薊（不含頂部附屬結(jié)構(gòu)）和牛筋草，但小于白花鬼針草。闊葉豐花草和牛筋草種子無附屬結(jié)構(gòu)，但藿香薊種子具有羽狀的冠毛，可借助風(fēng)力傳播，白花鬼針草種子頂部具有2～4枚刺針，刺針上還分布著大量的小倒刺，便于附著在動(dòng)物表皮毛和人的衣物上進(jìn)行傳播。闊葉豐花草種子千粒質(zhì)量為3.24 g，比白花鬼針草、牛筋草和藿香薊種子千粒質(zhì)量分別大1.8、8.1、25.8倍，差異顯著（圖2）。從種子發(fā)芽率看，在開始發(fā)芽的1～4 d，闊葉豐花草種子發(fā)芽速度略小于牛筋草，但顯著大于藿香薊和白花鬼針草。在開始發(fā)芽10 d，4個(gè)草種的發(fā)芽率和幼苗鮮質(zhì)量大小均表現(xiàn)為闊葉豐花草>白花鬼針草>牛筋草>藿香薊，與千粒質(zhì)量一致。

2.2 供試植物根系特征比較

從圖3和表1可以看出，闊葉豐花草根系較短，其鮮質(zhì)量、長(zhǎng)度、表面積、平均直徑和體積均小于處于相同生長(zhǎng)階段的藿香薊、白花鬼針草和牛筋草，其鮮質(zhì)量、表面積、平均直徑和體積差異顯著。另外，闊葉豐花草的根冠比分別比藿香薊、白花鬼針草和牛筋草低72.4%、79.3%和70.1%，差異顯著，但其根長(zhǎng)/鮮質(zhì)量和根表面積/鮮質(zhì)量均較大，表明闊葉豐花草根系中細(xì)根占有較大的比重（圖4）。進(jìn)一步分析表明，闊葉豐花草87.8%的根長(zhǎng)集中在0～0.5 mm直徑范圍內(nèi)，顯著大于其他3種植物相應(yīng)的直徑頻率（66.2%～71.5%）。相反，在直徑0.5～2 mm范圍內(nèi)，闊葉豐花草根系的直徑頻率顯著低于其他3種植物（圖5）。

圖3 4種植物根系掃描結(jié)果Fig. 3 Scanned images of the roots of 4 species

2.3 供試植物光合特征比較

從圖6可以看出，在4種草中，闊葉豐花草的光合強(qiáng)度最小，凈光合速率（Pn）比藿香薊、白花鬼針草和牛筋草分別低22.9%、34.3%和64.3%，差異顯著。由于牛筋草是C4植物，因此其Pn遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他3種C3植物。闊葉豐花草的蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）比藿香薊和白花鬼針草分別低24.5%～32.9%和35.9%～48.0%，但比牛筋草分別高41.5%和52.2%。由Pn和Tr可計(jì)算出闊葉豐花草的水分利用效率（Pn/Tr）為2.1 μmol/mmol，這與藿香薊和白花鬼針草（1.8～2.4 μmol/mmol）的差異不顯著，但與牛筋草（10.3 μmol/mmol）差異顯著。

表1 4種植物根系基本參數(shù)Table 1 Root parameters of 4 species

圖4 4種植物的相對(duì)根系參數(shù)Fig. 4 Relative root parameters of 4 species

圖5 4種植物根系直徑頻率分布Fig. 5 Distribution of root diameter frequency of 4 species

2.4 供試植物對(duì)草甘膦的敏感性比較

圖6 4種植物光合特征的差異Fig. 6 Difference in photosynthetic characteristics of 4 species

圖7 3種植物對(duì)草甘膦劑量反應(yīng)曲線Fig. 7 Dose-response curves to glyphosate in three plants

從圖7可以看出，闊葉豐花草、白花鬼針草、藿香薊三者對(duì)草甘膦劑量反應(yīng)曲線有明顯差別。草甘膦90 g/hm2（ai）處理，藿香薊的干質(zhì)量積累急劇下降，與對(duì)照相比降幅達(dá)85.2%，闊葉豐花草和白花鬼針草干質(zhì)量的降幅相對(duì)較??；草甘膦270 g/hm2（ai）處理，闊葉豐花草、白花鬼針草、藿香薊的干質(zhì)量比對(duì)照分別降低94.0%、86.3%和68.5%。由此可見，闊葉豐花草對(duì)草甘膦的敏感性低于白花鬼針草和藿香薊。根據(jù)劑量反應(yīng)曲線計(jì)算出草甘膦對(duì)闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草干質(zhì)量抑制的ED50分別為150、40、83 g/hm2（ai），闊葉豐花草的ED50分別為白花鬼針草和藿香薊的1.79、3.75倍。

3 討論

種子是植物繁殖后代的載體，其特征是為了適應(yīng)環(huán)境長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果［24］。 植物種間和種內(nèi)普遍存在種子大小的差異。與小種子相比，大種子因貯藏的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多，其幼苗成活率更高且對(duì)不利環(huán)境條件的耐受能力和對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)［25-26］。本研究結(jié)果表明，在4種供試植物中，種子大小與種子的發(fā)芽率和幼苗生長(zhǎng)速度明顯呈正相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果［27］相一致。闊葉豐花草種子大、幼苗生長(zhǎng)速度快，能增強(qiáng)其生長(zhǎng)初期的競(jìng)爭(zhēng)能力。

種子擴(kuò)散是植物生活史的一部分，其采用的方式對(duì)植物物種分布有重要影響［28］。從種子形態(tài)上看，闊葉豐花草的種子較大，沒有用于協(xié)助擴(kuò)散的附屬結(jié)構(gòu)，主要依靠無助的方式擴(kuò)散，因此擴(kuò)散能力較弱。相比之下，藿香薊和白花鬼針草種子頂部有冠毛或刺針，可借靠風(fēng)力或附著物進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播；牛筋草種子較小，更容易被風(fēng)吹走，擴(kuò)散到周邊的環(huán)境中。闊葉豐花草種子擴(kuò)散能力較弱可能也是其在野外不如其他3種草常見的一個(gè)重要原因。

闊葉豐花草的根系特征與藿香薊、白花鬼針草和牛筋草也有很大的差別。根系特征在一定程度上反映根系與環(huán)境的相互作用特征［29］。根系長(zhǎng)度和根表面積是植物根系形態(tài)特征的關(guān)鍵指標(biāo)，前者反映了植物根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)狀態(tài)，后者反映了根系和土壤之間的接觸面積大小。與藿香薊、白花鬼針草和牛筋草相比，闊葉豐花草的根長(zhǎng)較短，根表面積較小，不利于吸收土壤深層的水分和養(yǎng)分，這可能會(huì)導(dǎo)致闊葉豐花草對(duì)干旱等環(huán)境脅迫的適應(yīng)性較弱。但從果園生草的角度來看，闊葉豐花草根系與果樹根系（多為深根系）重疊區(qū)較小，不會(huì)與果樹競(jìng)爭(zhēng)過多的養(yǎng)分和水分，是一種用于果園生草栽培較理想的植物。除了上述根系指標(biāo)之外，闊葉豐花草的根冠比也顯著小于其他3種雜草。根冠比過小同樣不利于養(yǎng)分和水分的吸收，但闊葉豐花草的細(xì)根在根系中所占的比重較大，以致根長(zhǎng)/鮮重和根表面積/鮮重較大，在一定程度上補(bǔ)償根冠比的不足。

除了能衡量植物地下與地上部關(guān)系之外，根冠比也是植物光合作用產(chǎn)物分配的重要體現(xiàn)。闊葉豐花草單位葉面積的光合強(qiáng)度弱于其他3種植物，光合作用產(chǎn)物相對(duì)較少，優(yōu)先分配于地上部分。這種不同于其他果園常見雜草的生長(zhǎng)策略，可能為了最大程度維持植株高開花結(jié)實(shí)率，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在自然條件下闊葉豐花草平均結(jié)實(shí)率達(dá)到723粒/株［30］。闊葉豐花草光合強(qiáng)度較低可能與氣孔導(dǎo)度低有關(guān)，而低的氣孔導(dǎo)度能降低葉片蒸騰速率。闊葉豐花草的蒸騰速率和光合強(qiáng)度均低于藿香薊和白花鬼針草，從而導(dǎo)致它們的水分利用效率之間差異較小。但由于葉片結(jié)構(gòu)上的差異，闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草3種C3植物的水分利用效率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C4植物牛筋草。

草甘膦是果園最常用的除草劑之一，能防治絕大多數(shù)的農(nóng)田常見雜草。本研究結(jié)果表明，闊葉豐花草對(duì)草甘膦具有耐藥性，這與前人的研究結(jié)果［31］一致。闊葉豐花草耐草甘膦可能與其葉片對(duì)草甘膦的吸收和傳導(dǎo)性較差有關(guān)［31］，但具體作用機(jī)制還需進(jìn)一步研究。根據(jù)這一特性，在闊葉豐花草生草栽培過程中，果園中出現(xiàn)其他雜草可利用草甘膦進(jìn)行防治。另外，闊葉豐花草對(duì)草甘膦具有耐藥性可能也是華南地區(qū)個(gè)別果園長(zhǎng)期噴施草甘膦導(dǎo)致闊葉豐花草成為優(yōu)勢(shì)草的主要原因。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，闊葉豐花草的種子千粒質(zhì)量、發(fā)芽率和幼苗生長(zhǎng)速度均大于其他3種雜草，但其成株的根系分布較淺，光合速率也較低。草甘膦對(duì)闊葉豐花草干重抑制的ED50劑量（150 g/hm2，ai）大 于 藿香 薊（40 g/hm2，ai）和白花鬼針草（83 g/hm2，ai），因此在闊葉豐花草生草的管護(hù)過程中，可選用100 g/hm2（ai）的草甘膦壓制藿香薊、白花鬼針草和其他敏感雜草的生長(zhǎng)。