水稻秸稈還田對(duì)小麥化感作用研究進(jìn)展

李波 石曉旭 劉建 薛亞光 石呂 魏亞鳳

摘要 稻麥兩熟是我國(guó)面積最大種植方式，水稻秸稈還田是一種便捷的秸稈利用方式。秸稈還田后在雨露水浸提以及自身腐解釋放化感物質(zhì)會(huì)對(duì)周圍作物產(chǎn)生化感作用。為了給水稻秸稈還田相關(guān)研究提供參考，介紹了近年來水稻秸稈對(duì)小麥化感作用研究進(jìn)展，從秸稈還田化感物質(zhì)釋放方式、秸稈中化感物質(zhì)分離鑒定、水稻秸稈主要化感物質(zhì)、水稻秸稈還田對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)化感效應(yīng)、水稻秸稈還田對(duì)小麥中后期影響等方面闡述了研究進(jìn)展，并對(duì)水稻秸稈還田化感作用研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 小麥;水稻;秸稈還田;化感作用

中圖分類號(hào) S512.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）04-0026-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.007

Research Advances in Allelopathic Effects of Rice Straw on Wheat

LI Bo，SHI Xiao-xu，LIU Jian et al （Institute of Agricultural Science Research in the Yangtze River in Jiangsu，Nantong，Jiangsu 226541）

Abstract Rice and wheat double cropping is the largest planting method in China，and returning rice straw to the field is a convenient way to use straw.After returning straw to the field，the allelopathic substances released by soaking in rain and dew water and their own decomposition will produce allelopathic effects on the surrounding crops.In order to provide references for the research of rice straw returning to the field，we introduced the research progress of rice straw on wheat allelopathy in recent years，from the aspects of the release mode of straw returning to the field，the separation and identification of allelopathic substances in straw，the main allelopathic substances of rice straw returning to the field，the allelopathic effects of rice straw returning to the field on wheat seed germination and seedling growth，and the influence of rice straw returning to the field on the middle and late stage of wheat.Finally，we forecasted the researches on allelopathic effects of rice straw returning to the field.

Key words Wheat;Rice;Straw returning;Allelopathy

基金項(xiàng)目 江蘇省333科研項(xiàng)目（BRA2019203）;南通市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（JC2018074）。

作者簡(jiǎn)介 李波（1982—），男，江蘇泰興人，助理研究員，碩士，從事作物栽培研究。

收稿日期 2020-06-21

稻麥兩熟區(qū)是我國(guó)糧食作物主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)水稻秸稈約9 750.5萬(wàn)t，水稻秸稈富含作物生長(zhǎng)必需的碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，是重要的有機(jī)肥源之一[1-2]，秸稈還田是一種最便捷、最環(huán)保的秸稈利用方式，也是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展不可替代的重要措施[3]。稻秸還田的研究始于20世紀(jì)70—80年代，發(fā)展于90年代。綜合國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果顯示，稻秸還田相關(guān)研究主要集中在土壤環(huán)境、作物生長(zhǎng)以及溫室氣體等方面。目前，大部分研究表明，稻秸還田有利于改善土壤理化性狀、增加土壤有效養(yǎng)分[4]。長(zhǎng)期連續(xù)稻秸還田有助于提高玉米、小麥、油菜產(chǎn)量[5-6]。溫室氣體排放的研究表明，稻秸翻耕還田降低了麥田N2O排放量而且降低稻田CH4排放量[7]。稻秸還田是發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)必不可少的重要措施，近年來在生產(chǎn)上逐漸推廣?；凶饔迷谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛，無論是作物的單一種植，還是作物輪作、間作、覆蓋、翻埋、重茬種植、殘茬的處置或利用等，都要考慮化感作用的影響[8]。鑒于此，筆者介紹了國(guó)內(nèi)外水稻秸稈化感物質(zhì)以及還田對(duì)小麥種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)等化感效應(yīng)，綜述了稻秸還田對(duì)小麥化感作用研究的相關(guān)進(jìn)展，并對(duì)今后研究方向進(jìn)行了展望，旨在為水稻秸稈還田小麥生產(chǎn)、改良水稻秸稈還田技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 秸稈還田化感物質(zhì)釋放方式

植物化感作用的產(chǎn)生主要通過雨露淋溶、地上部分揮發(fā)、根系分泌和植株殘留物腐解4種途徑釋放到環(huán)境中[9]。在雨水露水的淋溶下，植物的葉片、莖稈等不同部位水溶性化感物質(zhì)被淋溶出來，從而釋放到環(huán)境中產(chǎn)生化感作用。秸稈還田后，在雨水露水淋溶下，化感物質(zhì)釋放到土壤中，在微生物分解等作用下產(chǎn)生化感物質(zhì)[10]。植物釋放化感物質(zhì)的另一個(gè)重要途徑就是植物殘留物在環(huán)境中分解釋放，枯萎的植物殘留物能在環(huán)境中的微生物或其他物理化學(xué)因素作用下產(chǎn)生和釋放化感物質(zhì)到附近的環(huán)境當(dāng)中。秸稈還田后在微生物作用下逐漸腐解，化感物質(zhì)逐步釋放到土壤中，從而對(duì)周圍作物產(chǎn)生化感作用[11]。

2 秸稈中化感物質(zhì)分離鑒定

秸稈中化感物質(zhì)可以通過淋溶和殘?bào)w分解進(jìn)入環(huán)境中。浸提劑主要是無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，其中無機(jī)化合物主要有：H2O、NaOH等[12-13]，有機(jī)化合物主要有甲醇、石油醚、氯仿、二氯甲烷、丙酮、乙醚、乙酸乙酯、乙醇等。浸提一般使用復(fù)試振蕩、索式提取和超聲波等方法[14-16]。

化感物質(zhì)分離純合主要包括萃取法、樹脂吸附法、色譜分析法[17]。萃取法是一種用液態(tài)的提取劑處理與之不互相溶解的雙組分或多組分溶液，實(shí)現(xiàn)組分分離的傳質(zhì)分離過程，該方法操作簡(jiǎn)單方便、快速易行，是一種廣泛應(yīng)用的單元操作[18]。樹脂吸附分離技術(shù)是采用特殊材料的樹脂作為吸附劑從提取液中有選擇地吸附其中的化感物質(zhì)，除去雜質(zhì)的一種提取并且精制的新方法[19-20]。色譜分析法又稱為層析法，該方法是利用不同物質(zhì)在不同相態(tài)的選擇性分配，以固定相對(duì)流動(dòng)相中的混合物進(jìn)行洗脫，混合物中不同的化學(xué)物質(zhì)由于選擇分配系數(shù)不同會(huì)以不同的速度沿固定相移動(dòng)，從而達(dá)到預(yù)期的分離效果。一般常用的色譜分離方法有紙層析、柱層析、氣相色譜層析、液相色譜層析等，通過這些方法達(dá)到分離和純化化感物質(zhì)的目的[21]。

化感物質(zhì)鑒定主要通過測(cè)定熔點(diǎn)、毛細(xì)管電泳法、紅外光譜、紫外光譜、質(zhì)譜和核磁共振等參數(shù)，判斷其中存在的官能團(tuán)、共軛體系、分子量以及原子和原子在分子中的結(jié)合方式來確定其化學(xué)式，隨著現(xiàn)代儀器設(shè)備的更新?lián)Q代，把色譜儀的高分辨率和質(zhì)譜儀的高鑒別能力結(jié)合起來組成氣質(zhì)聯(lián)用儀（或液質(zhì)聯(lián)用儀），這些高端分析儀器的運(yùn)用成為目前鑒定分析復(fù)雜未知化合物定性問題的常用工具之一[22]。

3 水稻秸稈化感物質(zhì)

胡帥珂[23]采用超聲波提取法和索氏提取法提取了水稻秸稈中化感物質(zhì)，并用GC-MS分析鑒定了水稻秸稈中的化感物質(zhì)成分。其中超聲波提取法分離鑒定出21種化合物，主要有己酸、苯甲酸、水楊酸、十六烷、香草醛、十八烷、十四酸、6，10，14-三甲基-2-十五烷酮、十五烷酸、4-羥基-3，5二甲基苯甲酸、4-羥基-3，5二甲基苯甲酸、正十六酸、鄰苯二甲酸二異丁酯、十七酸、植醇、1-十八烯酸等，以脂肪酸及其衍生物為主要類別，還有醇、酮醛、酯和一些烴類有機(jī)化合物。其中酸類物質(zhì)占到總提取物的78.55%，含量最高的為正十六酸，占到40.70%。索氏提取法分離鑒定出種化合物，主要有苯甲酸、十六燒、十八院、香草酸、正十六酸、十七酸、十八碳稀酸、十五烷、正二十烷、二十七烷、甲基十五碳稀、十六酸甲酯、四十四烷、9-十八稀、十九烷，這些化感物質(zhì)具有抑制種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)等化感作用。Chung等[24]對(duì)4個(gè)品種水稻秸稈化感物質(zhì)進(jìn)行了分離與鑒定，水稻秸稈中化感物質(zhì)主要有對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、香豆酸等，其中對(duì)羥基苯甲酸在抑制稗草種子萌發(fā)起主要作用。

4 水稻秸稈還田對(duì)小麥種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)化感效應(yīng)

水稻秸稈還田對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)大都是抑制作用，稻秸還田后小麥出苗主要受溫度、水分等物理因素控制，秸稈還田后會(huì)引起土壤水分、溫度變化，從而引起小麥種子萌發(fā)環(huán)境變化，這也影響了小麥種子萌發(fā)及出苗。稻草還田影響小麥出苗的主要因素有土壤水分不足或分布不不均、秸稈阻礙等因素[25-26]。稻草還田影響小麥出苗除了物理因素外，秸稈釋放的化感物質(zhì)對(duì)小麥種子萌發(fā)影響也占很大部分。

李波等[27-28]利用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究不同質(zhì)量濃度稻草浸提液對(duì)小麥種子發(fā)芽、葉重、苗高、根系長(zhǎng)度、根干重的化感效應(yīng)。稻草浸提液對(duì)小麥發(fā)芽表現(xiàn)為抑制作用，且隨著稻草浸提液濃度增加，抑制作用增大。不同濃度稻草浸提液對(duì)葉重、苗高、根系長(zhǎng)度、根干重都有影響，稻草浸提液對(duì)葉重影響因品種不同而不同，低濃度時(shí)都為促進(jìn)作用，對(duì)小麥苗高都是促進(jìn)作用，低濃度的稻草浸提液對(duì)小麥根長(zhǎng)、根干重有促進(jìn)作用。稻稈浸提液對(duì)小麥種子萌發(fā)有抑制作用，對(duì)幼苗生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為低促高抑，稻稈浸提液主要通過影響小麥淀粉體降解及淀粉酶活性來影響小麥種子萌發(fā)。董雪芳等[29]研究表明小麥根比莖葉對(duì)水稻秸稈浸提液更敏感，不同小麥品種對(duì)浸提液的耐受能力不同。李逢雨等[30]研究表明。水稻秸稈水浸提液對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)的影響總體上表現(xiàn)為低促、高抑，即低濃度的浸提液對(duì)小麥發(fā)芽有促進(jìn)作用，較高濃度的浸提液對(duì)小麥發(fā)芽產(chǎn)生抑制作用，濃度越高，抑制作用越強(qiáng)。當(dāng)浸提液質(zhì)量濃度為 0.01 g/mL（低）時(shí)，浸提液對(duì)小麥發(fā)芽有微弱的影響，對(duì)幼苗生長(zhǎng)有顯著的促進(jìn)作用;當(dāng)浸提液質(zhì)量濃度為 0.02 g/mL（中）時(shí)，浸提液對(duì)小麥發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，且在小麥幼苗生長(zhǎng)階段的抑制作用強(qiáng)于發(fā)芽階段。

5 水稻秸稈還田對(duì)小麥生育后期影響

水稻秸稈還田對(duì)小麥拔節(jié)期至成熟期化感效應(yīng)研究較少，有學(xué)者研究了稻秸還田量與還田深度對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響，水稻秸稈還田量主要影響小麥SOD、CAT酶活性，葉片光合速率小麥根系生長(zhǎng)等，其中9 000 kg/hm2稻秸還田量能提高小麥SOD和CAT活性及光合速率，延緩生育后期企業(yè)衰老，促進(jìn)小麥根系生長(zhǎng)，增加次生根數(shù)目、根冠比、根系總吸收面積、活性吸收面積，提高產(chǎn)量[31]。

水稻秸稈還田深度主要影響小麥根系活力、根系活性吸收面積、小麥旗葉綠素含量和光合速率等，其中15 cm 的稻稈還田深度能顯著促進(jìn)小麥根系生長(zhǎng)，增加次生根數(shù)目，提高根冠比、根系總吸收面積、活性吸收面積及根系 TTC還原強(qiáng)度;不同稻稈還田深度對(duì)拔節(jié)期小麥次生根皮層結(jié)構(gòu)影響不大，但對(duì)導(dǎo)管結(jié)構(gòu)影響較大，還田深度越深，導(dǎo)管發(fā)育越慢;15 cm的稻稈還田深度能顯著提高小麥旗葉綠素含量和光合速率，在生育后期能延緩旗葉葉綠素的降解速度，增加小麥產(chǎn)量;15 cm的稻稈還田深度能提高小麥生育后期旗葉中 SOD 和 CAT的活性，延緩葉片的衰老;15 cm的稻稈還田深度能延緩小麥胚乳細(xì)胞中淀粉體發(fā)育時(shí)間[32]。水稻秸稈還田延緩小麥生育進(jìn)程，顯著提高小麥產(chǎn)量，增加小麥的千粒重、每穗粒數(shù)[33]。

6 展望

秸稈還田是處理剩余秸稈最有效的措施，秸稈還田釋放化感物質(zhì)，從而影響周圍作物生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)研究集中在表型現(xiàn)象方面較多，如：發(fā)芽率、幼苗生長(zhǎng)等，但是其作用機(jī)制相關(guān)研究較少，尤其關(guān)于水稻秸稈中化感物質(zhì)分離鑒定相關(guān)研究也較少。水稻秸稈是豐富寶貴的生物資源，重點(diǎn)圍繞水稻秸稈中新型化感物質(zhì)鑒定以及抑制雜草功能分析，可為研發(fā)生態(tài)環(huán)保型植物源除草劑提供基礎(chǔ)，同時(shí)也為水稻秸稈資源化利用提供途徑，對(duì)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)具有重要意義。

稻秸還田化感效應(yīng)主要集中在小麥種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)期，主要研究了水稻秸稈浸提液對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，秸稈還田對(duì)小麥生育中后期研究較少，小麥生育后期秸稈化感物質(zhì)主要是在微生物腐解作用下逐漸釋放，小麥生育后期籽粒灌漿、成熟等決定著小麥產(chǎn)量與品質(zhì)，但關(guān)于水稻秸稈腐解釋放的化感物質(zhì)及其對(duì)小麥生育中后期的影響相關(guān)研究較少。開展水稻秸稈還田對(duì)小麥生育中后期化感效應(yīng)與作用機(jī)制對(duì)秸稈還田條件下小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培有重要意義。

水稻秸稈還田方式相關(guān)研究較多，但相關(guān)機(jī)械配套較少，在水稻秸稈還田機(jī)械方面可開展相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，為秸稈高效還田提供基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

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