紫花苜蓿 / 飼用玉米 / 高丹草彼此間的化感效應(yīng)

劉旵旵，師尚禮，何 龍，王文娟，武 蓓

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 / 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室 / 中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070）

植物化感作用，也稱異株克生或相生，即一種植物通過自然揮發(fā)、莖葉淋溶、根系分泌和植株殘體分解的方式向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)，對其他植物所產(chǎn)生的直接或間接的有利或不利的影響[1]，這在高頻次、長時間種植的農(nóng)田系統(tǒng)中表現(xiàn)尤為明顯[2]。

紫花苜蓿(Medicago sativa)是豆科多年生草本植物，以“牧草之王”著稱，在畜牧業(yè)中起著不可代替的作用[3-4]。飼用玉米(Zea mays)是禾本科一年生草本植物，因其營養(yǎng)價值高、產(chǎn)量大等優(yōu)點成為優(yōu)良的糧食作物，同時也是畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等重要飼料來源[4-5]。 高丹草(Sorghum bicolor×Sorghum sudanense)是禾本科高粱和蘇丹草的雜交品種，抗旱、耐瘠性強，用于青飼或青貯，也可以調(diào)制成干草[6]。三者均為飼草生產(chǎn)中常見且重要的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼草作物，對促進畜牧業(yè)發(fā)展，保障飼料安全具有重要意義[7-8]。目前，關(guān)于紫花苜蓿、飼用玉米化感作用研究報道較多，主要集中在紫花苜蓿、飼用玉米連作以及其化感物質(zhì)的鑒定等方面，蘇一諾等[9]研究發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿多年生長會釋放多種化感物質(zhì)，極大地降低次代苜蓿種子萌發(fā)和幼苗生長。鄭瑞[10]研究發(fā)現(xiàn)在肉桂酸、羥基苯甲酸、香豆素、苜蓿素等化感物質(zhì)影響下，苜蓿發(fā)芽、生長受到了顯著抑制，而通過小麥(Triticum aestivum)浸提液處理苜蓿種子，在適宜濃度下對苜蓿種子發(fā)芽具有一定的促進效果。劉賢文和郭華春[11]研究發(fā)現(xiàn)玉米連作會導(dǎo)致化感物質(zhì)的積累，但經(jīng)過馬鈴薯(Solanum tuberosum)與玉米復(fù)合種植后，可以降低化感物質(zhì)在土壤中的積累，提高產(chǎn)量。但有關(guān)紫花苜蓿、飼用玉米與高丹草相互間可能存在的化感作用鮮見報道。本試驗以紫花苜蓿、飼用玉米、高丹草為試驗材料，通過模擬自然界中植物莖葉淋溶的化感作用方式，在不同濃度、不同種類植株水浸提液處理下，測定種子發(fā)芽及幼苗生長的相關(guān)指標(biāo)，進行紫花苜蓿 / 飼用玉米 / 高丹草的化感效應(yīng)研究，以期了解植物間的化感作用，為合理利用化感作用的促進與抑制效果，正確選擇輪作、混播或間、套作植物以提高飼草產(chǎn)量及品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及獲取方法

飼用玉米選用‘利單295’品種(審定編號：甘審玉2016006)，購買于恒基利馬格蘭種業(yè)有限公司；高丹草選用 ‘隴草1 號’品種，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供；紫花苜蓿選用‘甘農(nóng)9 號’品種，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室提供。以上3 種作物抗病性強、產(chǎn)量高、抗逆性好，適宜在甘肅等活動積溫2 300 ℃·d 以上地區(qū)種植。

2020 年4 月中旬將試驗材料按條播、行距60 cm、株距10 cm，播種于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室蘭州牧草試驗基地，于飼用玉米、高丹草抽穗期前、紫花苜蓿初花期各采取以上3 種植物完整植株，將植株上的附土刷凈后自然風(fēng)干、粉碎、過篩(孔徑0.5 mm)備用。

1.2 試驗方法與測定指標(biāo)

飼用玉米、高丹草、紫花苜蓿浸提液的制備參考周立業(yè)等[12]的試驗方法，分別稱取200 g 飼用玉米、高丹草、紫花苜蓿的全株粉碎風(fēng)干樣放入潔凈錐形瓶中，均加入1 L 超純水，封口，于搖床150 r·min-1、20 ℃震蕩浸提24 h，定性濾紙過濾，0.45 μm 的濾膜二重過濾，獲得200 mg·mL-1的浸提液母液。將母液定容獲得200、150、100、50、25、12.5 mg·mL-1濃度梯度浸提液，放入4 ℃冰箱中保存。

指標(biāo)測定參考李彥飛等[13]的試驗方法，選取外觀無破損、大小一致、飽滿的種子，4%次氯酸鈉浸泡10 min 后蒸餾水沖洗7 次，再用10%雙氧水浸泡15 min后蒸餾水沖洗7 次，濾干備用。采用濾紙培養(yǎng)皿法，直徑9 和13 cm 的潔凈培養(yǎng)皿鋪入雙層濾紙，分別均勻放入30 粒苜蓿種子、20 粒高丹草種子和16 粒飼用玉米種子，用量筒測量出需要的浸提液后將其加入培養(yǎng)皿中，處理方式如表1 所列。處理重復(fù)3次，置于智能生長室內(nèi)，培養(yǎng)條件：溫度22 ℃、相對濕度80%、光周期14 h、光強20 000 lx、暗周期10 h[14]。

表1 浸提液對受體植物的試驗處理Table 1 Experimental treatment of extract on receptor plants

測定指標(biāo)：參照國際種子檢驗協(xié)會的方法[15-16]，以胚根突破種皮、伸出1 mm 為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每日進行計數(shù)，第7 天測定種子發(fā)芽率，每皿隨機取10 株幼苗，稱取鮮重、干重，在坐標(biāo)紙上測定胚芽長和胚根長。

計算不同處理后的發(fā)芽率指標(biāo)：發(fā)芽率為發(fā)芽終止時全部正常發(fā)芽的種子占全部供試種子數(shù)的百分比。

參照 Williamson 和Richardson[17]的方法，計算化感作用效應(yīng)指數(shù)(response index, RI)：

式中：T為測試項目的處理值；C為對照值；當(dāng)RI>0 時，表示存在促進效應(yīng)；當(dāng)RI< 0 時，表示存在抑制效應(yīng)。絕對值大小代表化感效應(yīng)強度。

活力指數(shù)(vital index, VI)：

發(fā)芽指數(shù)(germination index, GI)：

式中：S為7 d 內(nèi)幼苗長度(cm)；Gt為不同時間(7 d)的發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽日數(shù)[18]。

綜合化感效應(yīng)指數(shù)(synthetical effect, SE)：是指同一處理濃度對同一個受體多個測試項目(發(fā)芽率、活力指數(shù)、鮮重、苗長等)的化感作用效應(yīng)指數(shù)(RI)的均值。

計算后CK 即為0 刻度基準(zhǔn)，SE在-1 至1 之間，SE< 0 表示抑制效應(yīng)，SE> 0 表現(xiàn)促進效應(yīng)，且SE絕對值大小表示化感效應(yīng)作用強度，n是化感效應(yīng)指數(shù)的個數(shù)[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0 對受體植物發(fā)芽指標(biāo)、幼苗生長指標(biāo)、綜合化感效應(yīng)指數(shù)進行單因素方差分析、差異性檢驗及多重比較(Waller-Duncan 法)，數(shù)據(jù)用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示，采用Prism 8 進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸提液對種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

2.1.1 紫花苜蓿浸提液對高丹草、飼用玉米種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液處理濃度的升高，A-M和A-S 發(fā)芽率均呈先升高后降低趨勢，A-S 活力指數(shù)、萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)總體呈降低趨勢，A-M活力指數(shù)、萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)呈先升高后降低趨勢(表2、圖1)。

圖1 浸提液影響種子萌發(fā)的綜合化感效應(yīng)指數(shù)Figure 1 Synthetical effect index of extract on seed germination

表2 浸提液對受體植物萌發(fā)的影響Table 2 Effect of extract on germination of receptor plants

除CK 外，A-S 發(fā)芽率于50 mg·mL-1處理達到最高，A-S 各濃度活力指數(shù)均顯著低于CK (P<0.05)。A-M 發(fā)芽率、活力指數(shù)均于50 mg·mL-1達最高，處理濃度25 和50 mg·mL-1時的發(fā)芽率、50 mg·mL-1時的活力指數(shù)與CK 差異不顯著，其余均顯著低于CK (P< 0.05)。50 mg·mL-1時A-M 活力指數(shù)明顯高于S-M。

A-S、A-M 的萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)于12.5、25 mg·mL-1處理時達到最高，與CK 相比降低了27.7%、12.12%，均呈現(xiàn)抑制效應(yīng)。

2.1.2 飼用玉米浸提液對高丹草、紫花苜蓿種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液處理濃度的升高，M-S、M-A 發(fā)芽率、活力指數(shù)、萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)均呈先升高后降低趨勢(表2、圖1)。

除CK 外，M-S 發(fā)芽率于25 mg·mL-1處理達到最高，濃度為12.5、150、200 mg·mL-1時發(fā)芽率顯著低于CK (P< 0.05)。M-S 活力指數(shù)于25～100 mg·mL-1時顯著高于CK，50 mg·mL-1處理達到最高，提升了67.75% (P< 0.05)。M-A 發(fā)芽率于25 mg·mL-1時達最高， 100 mg·mL-1時發(fā)芽率均顯著低于CK (P< 0.05)，≥150 mg·mL-1時不發(fā)芽。M-A活力指數(shù)于25 mg·mL-1達最高且顯著高于CK 20.20%，≥50 mg·mL-1時顯著低于CK，25 mg·mL-1時M-A 的活力指數(shù)明顯高于S-A。

M-S、M-A 萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)于25～100、25 mg·mL-1時為正值，呈現(xiàn)促進效應(yīng)，最高與CK 相比提升了19.1%、7.8%。

2.1.3 高丹草浸提液對紫花苜蓿、飼用玉米種子萌發(fā)的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液處理濃度的升高，S-A、S-M發(fā)芽率、活力指數(shù)和S-A 萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)呈先升高后降低趨勢，S-M 萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)總體呈降低趨勢(表2、圖1)。

除CK外，S-A發(fā)芽率于50 mg·mL-1下達最高，≥100 mg·mL-1時發(fā)芽率顯著低于CK，200 mg·mL-1時不發(fā)芽。S-A 活力指數(shù)于25 mg·mL-1處理達最高，≥50 mg·mL-1時活力指數(shù)顯著低于CK (P< 0.05)。S-M發(fā)芽率、活力指數(shù)均于25 mg·mL-1下達最高，≥50 mg·mL-1時發(fā)芽率、活力指數(shù)顯著低于CK，25 mg·mL-1時S-M 活力指數(shù)明顯高于A-M。

S-A、S-M 萌發(fā)綜合化感效應(yīng)指數(shù)分別于25、12.5 mg·mL-1下達最高。

2.2 浸提液對幼苗生長的化感效應(yīng)

2.2.1 紫花苜蓿浸提液對飼用玉米、高丹草幼苗生長的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液濃度升高，A-M 幼苗鮮干比呈降低趨勢，A-S 幼苗鮮干比呈先升高后降低趨勢(表3)。A-M 胚芽長、胚根長總體呈先升高后降低趨勢。A-S 胚芽長、胚根長呈降低趨勢(表4)。

表3 浸提液對受體植物鮮干比的影響Table 3 Effect of extract on fresh-dry ratio of receptor plants

表4 浸提液對受體植物生長的影響Table 4 Effect of extract on growth of receptor plants

除CK 外，A-M 幼苗鮮干比于12.5 mg·mL-1處理達最高，≥100 mg·mL-1時鮮干比顯著低于CK (P<0.05)。A-M 胚芽長、胚根長均于50 mg·mL-1處理達最高，≥100 mg·mL-1時均顯著低于CK，50 mg·mL-1時A-M 的胚根長明顯高于S-M。A-S 幼苗鮮干比于25 mg·mL-1達最高，≥100 mg·mL-1時幼苗鮮干比顯著低于CK。A-S 胚芽長、胚根長均于12.5 mg·mL-1達最高，胚芽長≥100 mg·mL-1、胚根長大于等于50 mg·mL-1時均顯著低于CK。

2.2.2 飼用玉米浸提液對高丹草、紫花苜蓿幼苗生長的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液濃度升高，M-S 下，幼苗鮮干比、胚芽長、胚根長呈先升高后降低趨勢。M-A下，幼苗鮮干比、胚芽長呈先升高后降低趨勢，肧根長呈降低趨勢(表3、表4)。

M-S 幼苗鮮干比均與CK 差異不顯著(P< 0.05)。除CK 外，M-S 胚芽長于25 mg·mL-1時達最高，200 mg·mL-1時顯著低于CK，胚根長于100 mg·mL-1時達最高并顯著高于CK 35.04%，100 mg·mL-1時M-S胚芽長、胚根長明顯高于A-S。M-A 幼苗鮮干比與CK 差異不顯著，胚根長于50 mg·mL-1時顯著低于CK。胚芽長于25 mg·mL-1達最高且顯著高于CK 23.93%，明顯高于S-A。

2.2.3 高丹草浸提液對紫花苜蓿、飼用玉米幼苗生長的化感效應(yīng)

除CK 外，隨著浸提液處理濃度的升高，S-A、S-M幼苗鮮干比整體呈降低趨勢，S-A 胚芽長、胚根長呈波動趨勢，S-M 胚芽長、幼苗胚根長整體呈先升高后降低趨勢(表3、表4)。

除CK 外，S-A 幼苗鮮干比于12.5 mg·mL-1達最高，100 mg·mL-1時顯著低于CK。S-A 幼苗胚芽長僅150 mg·mL-1時顯著低于CK，幼苗胚根長除100 mg·mL-1外均顯著低于CK (P< 0.05)。S-M 幼苗鮮干比于12.5 mg·mL-1達最高，≥50 mg·mL-1時鮮干比顯著低于CK，150 mg·mL-1時S-M 鮮干比明顯高于A-M。S-M 胚芽長于25 mg·mL-1達最高，≥150 mg·mL-1時胚芽長顯著低于CK，胚根長在100 mg·mL-1達最高，12.5、200 mg·mL-1時胚根長顯著低于CK，150 mg·mL-1時S-M 胚芽長、胚根長顯著高于A-M。

2.3 植物生長發(fā)育的綜合化感效應(yīng)評價

隨著浸提液濃度升高，總體上M-A、M-S、S-M植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)呈先上升后下降趨勢，A-M 植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)呈先升高后降低再升高的趨勢，而A-S、S-A 植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)整體呈逐漸降低的趨勢(圖2)。

圖2 浸提液對植株生長發(fā)育的綜合化感效應(yīng)指數(shù)Figure 2 Comprehensive allelopathy index of extract on growth and development

與CK 相比 ，A-M 植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)，僅50 mg·mL-1時升高了2.74%。M-A、M-S 植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)分別于12.5～25、25～100 mg·mL-1時為正值，最高與CK 相比升高了7.45%、9.94%。S-M、A-S、S-A 植株生長綜合化感效應(yīng)指數(shù)，分別于25、12.5、12.5 mg·mL-1達最高，與CK 相比降低了13.14%、14.40%、3.21%，呈生長抑制效果。

3 討論

植物的發(fā)芽到出苗是整個植物生命中至關(guān)重要的一個階段，同時也是植物化感作用主要起作用的階段，易受外界影響[20-22]，因此選擇該階段設(shè)置梯度濃度進行試驗。本研究表明，紫花苜蓿、飼用玉米、高丹草相互間均具有化感效應(yīng)，化感效應(yīng)對種子發(fā)芽、出苗的改變，因受體植物種類、受體器官、浸提液濃度的不同而存在顯著差異，當(dāng)浸提液濃度保持在適宜區(qū)間內(nèi)，對受體植物生長有一定的促進效果，而當(dāng)浸提液濃度超出適宜范圍時，對受體有明顯抑制效果，會導(dǎo)致種子發(fā)芽率降低，出苗遲緩，改變了植物的生長基礎(chǔ)，可能將嚴(yán)重影響到植物在環(huán)境中對生長資源的競爭能力。

首先，與飼用玉米和高丹草相比，紫花苜蓿作為受體植物時種子發(fā)芽和幼苗生長對浸提液濃度變化的響應(yīng)更加敏感，同樣的浸提液濃度范圍，紫花苜蓿的綜合化感效應(yīng)指數(shù)的變化范圍介于-1～0.075，大于飼用玉米(-0.071 ～0.028) 和高丹草(-0.58～0.1)，這說明不同的植物間對化感效應(yīng)的敏感程度不一致。該結(jié)果與前人對紫花苜蓿、高粱、小麥、黃瓜(Cucumis sativus)等多種植物的研究結(jié)果趨向一致[23-24]。

其次，相關(guān)研究表明，胚根比胚芽更易受浸提液影響[25-26]，適宜濃度的浸提液可以在促進紫花苜蓿、飼用玉米等植物的胚芽生長的同時抑制其胚根長度[27-29]。在本研究中也得到類似結(jié)果，12.5～50 mg·mL-1的飼用玉米水浸提液可以促進紫花苜蓿幼苗胚芽生長，抑制其胚根生長；25 mg·mL-1的高丹草水浸提液可促進飼用玉米幼苗胚芽生長，抑制胚根生長，而濃度大于50 mg·mL-1時S-M 處理下幼苗胚芽、胚根生長將均受到抑制，這表明浸提液對受體植株的不同器官的化感作用不一致。

此外，在種子萌發(fā)以及出苗階段初期，有機物主要靠種子內(nèi)部提供，受外界影響較小，而促使種子萌發(fā)、維持細(xì)胞生理活動、保障幼苗各器官形態(tài)建成所需的水分，主要依賴于從外界吸收，此過程更易受到影響[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn)，各受體植物的幼苗鮮干比在各組合、各濃度處理下存在一定差異，推測植株水浸提液有可能通過影響受體幼苗的水分吸收而表現(xiàn)化感效應(yīng)。

最后，通常認(rèn)為浸提液對受體植物呈低濃度促進而高濃度抑制的效果[32-34]，但本研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)定浸提液濃度的高與低并不能簡單的以一個閾值濃度來劃分，其效應(yīng)隨著浸提液濃度的變化而不斷變化，這將會導(dǎo)致對一種植物的“低促”濃度卻可能對另外的植物起到“高抑”的效果。例如，玉米水浸提液50 mg·mL-1時對高丹草幼苗長度呈促進效果，而對紫花苜蓿幼苗長度呈抑制效果，這與陳鋒等[35]、張金花等[36]的研究結(jié)果保持一致。該結(jié)論充分說明采用合適植物搭配實現(xiàn)對目標(biāo)作物增產(chǎn)、抑制其他植物搶奪營養(yǎng)的可行性。

研究紫花苜蓿、飼用玉米、高丹草的化感效應(yīng)對3 種作物的科學(xué)耕種具有現(xiàn)實意義，研究表明，利用不同植物所產(chǎn)生的化感效應(yīng)差異，合理安排前后茬輪作以促進目標(biāo)植物生長。但本研究是在實驗室條件下完成，因為化感物質(zhì)作用的復(fù)雜性與浸提液滲透勢定容時的誤差干擾以及室內(nèi)試驗與大田試驗的環(huán)境差異，因此本研究對3 種植物化感作用的特點，以及其相互促進或抑制生長的結(jié)論，還需要進一步細(xì)化濃度梯度、延長試驗時間和增設(shè)試驗地點，多方面測定指標(biāo)開展深入研究。

4 結(jié)論

紫花苜蓿、飼用玉米、高丹草相互間均具有化感效應(yīng)，其效應(yīng)因受體植物種類、受體器官、浸提液濃度的不同而存在顯著差異，影響植物生長。飼用玉米浸提液濃度25、50 mg·mL-1時分別對紫花苜蓿、高丹草達最佳促進效應(yīng)。紫花苜蓿浸提液僅50 mg·mL-1時對飼用玉米植株生長有化感促進效應(yīng)，對高丹草均為化感抑制效應(yīng)。高丹草浸提液各處理濃度對紫花苜蓿、飼用玉米均為化感抑制效應(yīng)。紫花苜蓿宜與飼用玉米、不宜與高丹草輪、套作或混播，以飼用玉米作為主要收獲對象時不宜與高丹草輪作或混播。