大豆重迎茬减产的原因及农艺对策研究——重迎茬大豆的根系分泌物与根茬腐解物<br/>

大豆重迎茬减产的原因及农艺对策研究——重迎茬大豆的根系分泌物与根茬腐解物

2011-06-04何志鸿许艳丽刘忠堂韩晓增何雪莹

大豆科技 2011年5期

何志鸿，许艳丽，刘忠堂，韩晓增，何雪莹

（1.黑龙江省科技厅,哈尔滨 150001；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,哈尔滨 150040；3.国家大豆工程技术研究中心,哈尔滨 150050；4.黑龙江省农业科学院,哈尔滨 150086）

重迎茬是我国大豆主产区，特别是黑龙江省大豆生产中愈来愈严重的一个问题。重迎茬大豆产量降低、品质变差，引起了各级领导机关和科研单位的极大重视。在黑龙江省政府和国家科技部的支持下，从1993年开始，先后确立为黑龙江省和国家重点课题、重大课题、重中之重科技攻关项目，分三个阶段组织黑龙江省属和中直科研单位287名科技人员，分5个专题13个子专题，在6个生态区、9个固定轮作场圃、23个试验示范区，进行多学科、多部门的联合攻关，基本探明大豆重迎茬减产的原因，提出了减缓产量损失的7条农艺对策[1]。在生产上大面积推广应用这些研究成果，取得了显著的经济效益和社会效益。

本文为课题中关于重迎茬大豆的根系分泌物与根茬腐解物部分，旨在探讨它们对重迎茬大豆的影响，及其在造成重迎茬大豆减产的诸多原因中的地位与作用。

1 研究方法

1.1 课题的组织与实施

1993 年列黑龙江省科技攻关计划重点课题，通过招标，由原中国科学院黑龙江农业现代化研究所（现中国科学院东北地理与农业生态研究所）江修业研究员主持第一期研究，主要在该研究所及其海伦试验站和部分合作单位以及该所的农村基点进行；1994—1996年列黑龙江省科技攻关重大课题，由黑龙江省农业科学院等单位的刘忠堂、江修业、何志鸿研究员主持，通过择优，组织全省十多个科研、教学、推广单位的一百多名科技人员分工合作、联合攻关。第二期的研究课题设立重迎茬对大豆产量和品质的影响、原因与机理、农艺对策、轮作体系和技术示范5个专题13个子专题，在全省6个生态区设立9个固定轮作场圃和多处田间试验区，并辅以必要的框区和盆栽试验，进行必要的实验室试验分析研究，同时在24个主产县（市、农场）进行大面积的生产调查；1996—2000年列入国家“九五”重中之重科技攻关项目“大豆大面积高产综合配套技术研究开发与示范”课题，为该课题03专题的01子课题的一部分。第三期研究工作由中国科学院东北地理与农业生态研究所许艳丽和韩晓增研究员、国家大豆工程技术研究中心刘忠堂研究员、黑龙江省科技厅何志鸿研究员主持，在前期的9个固定轮作试验场圃，由中国科学院东北地理与农业生态研究所、黑龙江省农业科学院、东北农业大学、黑龙江八一农垦大学等单位进一步进行研究的基础上，又增加了6个县（市、农场）作为核心试验基点、17个县（市、农场）作为重点示范区，通过招标，中国农业大学、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国农业科学院生物防治研究所、解放军军需大学和沈阳农业大学参加根系分泌物和根际微生物以及生物防治方面部分内容的研究工作，采取试验场圃定点观测调查、实验室分析测试、中试车间开发生产、试验区试验示范、生产田推广应用相结合的方法进行研究与开发。

1.2 试验设计与研究方法

1.2.1 总体试验设计

采取多年多地定点以及多种研究方法和研究手段进行综合研究与专项研究，试验研究在全省6个不同生态区同时进行，主要的观测、调查均在各生态区由9个小区组成的固定场圃进行，同时设置必要的微区、框区、盆栽研究与实验室研究，在各生态区有代表性的县（市、农场）的典型地区进行大面积的生产调查，并在这些县（市、农场）建立试验示范基地（基点）、设立试验示范田。对于研究结果进行分析处理时，既考虑全省的共性、也考虑不同生态区的特殊性。

试验研究的田间设计与当地当前的大豆生产水平、生产条件相一致。即试验区的管理与当地大豆生产田相一致，除试验处理之外的耕作、播种、施肥、田间管理均与当地当前的生产环节同步、生产水平平行进行。

1.2.2 固定轮作场圃

在黑龙江省的低湿、盐碱土、风沙干旱、黑土和高寒等不同生态区设立的9个固定轮作区，按照固定的种植模式，使试验区内的大豆每年都有正茬、迎茬、重茬各处理，随着试验的连年进行，轮作场圃中的重茬处理逐年为重茬一年，重茬一年和二年，重茬一年、二年和三年，以及一个长期重茬小区。中科院海伦试验站的固定轮作场圃始设于1993年前，其余各固定轮作区自1994年设立，至第三期研究结束，都已经连续了7～8a，试验区每个小区12行，行长30m，行距0.7m，轮作方式与当地生产相一致。

1.2.3 专项试验与调查

1.2.3.1 根系分泌物

（1）土壤中酚酸含量

方法1：将不同土壤浸提、分离、萃取，高效液相色谱仪测定[2]。

方法2：将预先在1/2强霍格兰—阿农营养液中培养2周和8周的大豆幼苗移至CaCl2溶液中培养4h，再用CH2Cl2提取根洗液，提取液用色谱—质谱仪分析，通过计算机检索进行未知物的鉴定[3,4]。

（2）大豆高效分泌物组分分析及毒害作用

方法1：采用GC-MS分析法，对水培2周、8周大豆根用二氯甲烷收集提取的根系分泌物进行分析，采用此提取物进行种子萌发试验[4-6]。

方法2：采用XAD-4吸附酚酸类物质有效的转型吸附柱连续自动循环系统收集根系分泌物，鉴定水培3周被收集的大豆根系分泌物的水溶性（酸性、中性、碱性吸水相）、非水溶性物质组分。

（3）重茬大豆根系分泌物对根腐病病原菌生长的影响

大豆水培苗的培养液加入培养基中，接种供试病原菌，25℃恒温培养48h后测定菌落直径[7]。1.2.3.2 根茬腐解物

（1）根茬腐解物的制备：大豆根茬粉碎后加入马粪作为接种微生物来源，腐解1个月，采用盆栽试验进行根茬腐解液生物测定[8-15]。

（2）根茬腐解液的提取、鉴定：参照马瑞霞（1996）方法[8]，即将培养液pH调至2和12，用二氯甲烷萃取，分别得到酸性和碱性提取液，然后用质谱仪测定。

2 结果与分析

2.1 根系分泌物

2.1.1 大豆根系分泌物的种类

共检测出酸、醇、酯等有机化合物8类124种，其中2周幼苗培养液中检出7类58种，8周幼苗培养液中检出7类79种。两种培养液中检出相同的有机化合物6类13种。8周幼苗培养液与2周幼苗培养液相比较，检出物中酸类和酯类物质种数下降，醇类和烃类物质种数增加，醛类和酮类物质种数变化不大、但并不是同种物质，2周培养液中检出1种酚类物质、8周培养液中检出1种苯类物质（见表1）。

以等量的二氯甲烷为对照，用2周和8周大豆根系分泌物的二氯甲烷提取液做大豆发芽试验，对照的发芽率为100%，2周根系分泌物提取液的处理为90%，8周根系分泌物提取物的处理为100%，处理间差异不显著；2周根系分泌物提取物处理的大豆胚根长3.22cm，对照长3.97cm，差异极显著，8周根系分泌物物提液处理胚根长4.47cm，对照胚根长4.76cm，差异不显著。

表1 大豆根系分泌物的种类

从这一检测和试验结果可以看出3个问题：

（1）在大豆生长发育的不同时期（2周和8周），根系分泌物的种类不尽相同，而且差别较大，早期（2周）分泌物与以后（8周）的分泌物种类有很多不同；

（2）能被二氯甲烷提取的根系分泌物的种类中烃类的比例较大，占50%以上；

（3）由2周培养液较8周培养液对大豆胚根生长有明显的抑制作用可以推知，8周培养液较2周培养液中减少种数的酸类和酯类物质对大豆有明显的毒害作用，酚类也可能有较大的毒害作用。不同时期各种分泌物数量上的差异及其对大豆生长发育的影响将另文报导。

2.1.2 重迎茬大豆根系分泌物的数量

进一步的研究工作表明生长在正茬与重迎茬不同茬口的大豆根系分泌物的数量有所不同。总的表现为重迎茬大豆土壤中的蛋白质、糖、氨基酸、酚酸、醛等多种物质含量较正茬增加，而且重茬、特别是多次重茬增加得更多（见表2），这类分泌物大量增加可能是重迎茬大豆自毒现象的原因所在。

2.1.3 根系分泌物对重迎茬大豆的影响

2.1.3.1 根系分泌物对大豆幼苗生长的影响

将大豆幼苗分别在无菌的新鲜培养基（一次接种培养）和已经培养过一次（30d）大豆幼苗、并补充了15ml营养液的培养基上培养（二次接种培养），20d后收获，测定幼苗的生长状况。新鲜培养基上的大豆相当于正茬种植，同一培养基上第二次培养的大豆相当于重茬种植。补充营养液是为了弥补前一次培养时大豆幼苗所消耗的养分。由于是灭菌培养，所以第二次培养，只是培养基中多了上一次培养的大豆幼苗的根系分泌物，其余与新鲜培养基相同。测定结果如表3。

由于第二次培养（相当于重茬）的培养基中存在第一次培养（相当于前茬、正茬）大豆苗根系分泌物，影响了大豆苗的生长，所以其株高、植株鲜重、根长、根鲜重都低于第一次培养（正茬）的大豆幼苗。这种培养是在无菌条件下进行的，由此可见，前茬大豆的根系分泌物对重茬培养的大豆幼苗起到了抑制作用，抑制率达11.5%～37.7%（茎叶鲜重除外）。但这毕竟是间隔时间很短的实验室里的模拟试验，在生产实践中这种根系分泌物在土壤——微生物——植物这一活的有机体系中存在多长时间、能否对后作造成不良影响，需要进一步的研究。

2.1.3.2 根系分泌物对大豆病原菌的影响

在海伦试验区固定轮作场圃试验处理中，休闲区不种植任何作物，同样铲趟管理，其土壤中没有根系分泌物和根茬腐解物，正茬大豆区土壤中有当年大豆的根系分泌物，迎茬大豆区土壤中有当年大豆根系分泌物和前一年没有完全腐解的大豆根茬残留物，重茬一年大豆区土壤中有大豆根系分泌物（包括当年和上一年遗留的根系分泌物）和前一年遗留的大豆根茬残留物，重茬三年大豆区土壤中有大豆根系分泌物和前一年没有全部腐解的与新遗留的大豆根茬残留物。由于土壤里大豆根茬残留物不断腐解，所以重迎茬大豆区土壤中都有大豆根茬腐解物，而且重茬比迎茬腐解物的数量要多。因此，表4中土壤微生物区系的变化，对于正茬大豆而言，是根系分泌物的影响，而对重迎茬大豆而言，则是根系分泌物与根茬腐解物的共同影响。

从表4可见，正、重、迎茬大豆土壤中真菌数量都比休闲地高，表明根系分泌物的单独作用及其与根茬腐解物的共同作用，都可以引起土壤中真菌数量增加；重迎茬大豆土壤中细菌数量比正茬降低，表明根系分泌物与根茬腐解物的共同作用，使土壤中细菌数量减少。

表2 不同茬口大豆根系分泌物中几种成分的含量

表3 同一培养基二次培养对大豆无菌苗生长的影响

表4 不同轮作体系的大豆土壤微生物数量变化 ×105个/g干土

进一步的模拟试验，证实了根系分泌物对土壤微生物区系的影响：向土样中加入不同数量浓度均为1000μg/mL的羧基苯甲酸、香草酸、香草醛、阿魏酸、苯甲酸、香豆素混合液，使土壤中含有一定数量的酚酸，然后置于25℃恒温箱中培养，用平板法测定土壤中真菌数量，结果在相同的培养时间内，土壤中真菌数量因加入的酚酸浓度而增加，当浓度相同时，随培养时间加长真菌数量增加（见表5）。酚酸类是大豆根系分泌物中已检出的几种主要物质，由此可知土壤中真菌数量会因大豆根系分泌物的影响而增加，微生物区系会因大豆根系分泌物的影响而发生变化。

表5 酚酸对土壤中真菌数量的影响

根系分泌物不仅对大豆幼苗的生长发育、根际土壤中的微生物区系发生影响，同时，也可以使真菌中的病原真菌数量发生明显变化。以正、重、迎茬大豆土壤浸提液培养大豆，再以此种培养液的浓缩液为营养源培养根腐病病源菌，研究大豆根系分泌物对土壤致病真菌的影响。结果表明，根系分泌物显著地增加了土壤中致病真菌的数量，而且重茬重于迎茬，多年重茬重于短期重茬（见表6）。由于正、重、迎茬浸提液培养的大豆都有根系分泌物，因此，表6中各处理与对照病原菌数量上的差异的一个重要原因是由于根系分泌物的影响所致。但是，除根系分泌物之外，重迎茬大豆土壤浸提液中还含有一定数量的根茬腐解物，而且其数量为重二>重一>迎茬。这与培养的病原菌数量结果一致。可见，除了根系分泌物对病原菌数量有影响，根茬腐解物对其也发生了重要的影响。

表6 重茬条件下大豆根系分泌物对主要土壤真菌的影响×106个/g干土

2.1.3.3 根系分泌物对土壤微量元素的活化作用

研究结果表明，根系分泌物对土壤中的一些微量元素具有一定的活化作用。从表7的结果可以看出，种植大豆之后，土壤中原来未能检出的Fe现在可以检出，而且重茬的检出量明显地高于正茬和迎茬大豆；虽然对照和正茬大豆土壤中都可以检出少量的Mn，但是重茬种植大豆以后，检出量增加了一倍（见表7）。

表7 种植在不同茬口的大豆根系分泌物对土壤微量元素的活化作用 mg/g干土

铁在细胞色素、过氧化物酶、过氧化氢酶中都有重要的功能；锰是多种酶系统的催化剂，直接参与氧化还原过程，促进固氮作用，缺锰时叶绿素的合成和根瘤的形成都要受到影响。缺乏这两种元素都会影响植株的正常生理功能。但是，“微量元素还有一个特征，就是土壤中存在的有效态微量元素，如果在数量上有极微量的超量时，一般都是极有毒的”（E.W.Russell，1973）[16]。所以，大豆根系分泌物对于土壤微量元素的活化作用能够影响到重迎茬大豆的生长发育。至于是正向影响还是负向影响以及由于根系分泌物的活化作用，改变了土壤中活化铁、锰的比例，将对重迎茬大豆产生什么样的影响，都需要进一步研究才能确定。

2.2 根茬腐解物

试验采取将大豆残体经过不同时间的分解，提取微生物分解产物，得到残茬腐解液，用蒸馏水浸泡大豆残茬得到残茬浸出液。向盆栽苗浇灌腐解液和浸出液，结果观察到根茬腐解物抑制了大豆根的下胚轴伸长、降低了根系活力（见表8）。

表8 大豆残茬腐解物对大豆幼苗的影响

由表8的结果可以看出，（1）无论是加入根茬还是茎秆，腐解1周以上，都对大豆下胚轴的伸长产生了抑制性的影响；（2）根茬和茎秆等大豆植株的不同部分腐解后对大豆下胚轴伸长的影响没有明显的差别；（3）无论是根茬还是茎秆，加入量高时，腐解后对大豆下胚轴的抑制作用大于加入量低的处理。

从表8的结果还可以看出，大豆残茬腐解物对大豆根系活力有明显的抑制作用，而且同样是高剂量的作用大于低剂量的作用。比较根茬和茎秆腐解物对大豆根系活力的影响，可以发现，1～3周短时间腐解处理，腐解物的抑制作用根茬略高于茎秆，7～9周的长时间处理，腐解物的抑制作用茎秆略高于根茬。另一试验结果表明，大豆根茬腐解1个月，对大豆胚根生长的影响大于腐解4个月；即大豆根茬腐解初期对大豆的不利影响最强，经过一个生长季节以后，虽然还有不利的影响，但是已经降低了许多（见表9）。这表明早期的根茬腐解物中含有较多的化感物质。

表9 大豆根茬腐解时间对萌发大豆胚根长度的影响

表10 根茬腐解物对大豆产量的影响 g干物重/株

通过向正常轮作的土壤中拌入一定数量的大豆根茬，人为地制造重茬土壤环境而又排除了重茬种植前茬大豆根系分泌物的影响，从而测定根茬腐解物对大豆产量的影响。结果表明，无论向种在玉米茬还是小麦茬的土壤中加入一定的大豆根茬，再种植大豆，其产量都明显地降低，而且加入的大豆根茬量越大，大豆的产量降低得越多（见表10）。证明了大豆根系腐解物对大豆的产量有不利的负向影响。

3 讨论与结论

本研究结果表明，大豆重迎茬种植，根际土壤中的根系分泌物和根茬腐解物较正茬大豆增加，改变了土壤的微生态环境，因此产生了如下三种作用：（1）直接对大豆植株的生长发育产生了不利的影响，这将直接影响到干物质的合成，最终影响到产量；（2）使土壤中的微生物区系发生不良变化，导致真菌数量增加，特别是致病性真菌数量明显增加，细菌、放线菌数量减少，这将加重对植株的侵害，对重迎茬大豆造成不利影响（第十报重迎茬大豆的根际微生物）[17]；（3）对土壤中的一些微量元素有一定的活化作用，这将影响到土壤和植株体内一些酶的活性（第十二报重迎茬大豆土壤中的酶）[18]以及植株对养分的吸收（第四报重迎茬大豆的土壤养分和养分吸收）[19]，甚至还可能对重迎茬大豆植株或根际土壤微生物产生毒害作用（第七报重迎茬大豆的根际土壤有机化合物）[20]，但这需要进一步研究确定。由于根系分泌物和根茬腐解物对重迎茬大豆的生长发育和产量有一定的不利影响，所以它们也是造成大豆重迎茬减产的一个原因。

重迎茬比正茬大豆土壤中真菌、细菌数量的增、减较为明显，而正茬大豆与休闲地相比较，土壤中细菌数量的变化规律性不是很强（第十一报重迎茬大豆的根际微生物）[17]。说明单纯的根系分泌物的影响，虽然可以使根际土壤中真菌数量明显增加，但是并没有在全生育期的每个阶段都使细菌数量明显减少，只有在根系分泌物和根茬腐解物的共同作用下，才使根际土壤中细菌的数量明显地减少。

在表6的试验中，有大豆根茬腐解物与根系分泌物同时存在时，比只有大豆根系分泌物单独存在时，微生物区系变化更加明显，而且根茬腐解物愈多、微生物区系变化得愈加明显；表10的试验中无大豆根系分泌物存在时，大豆的根茬腐解物仍然明显地降低大豆各生育期的干物质积累。可见大豆根茬腐解物对于重迎茬大豆的影响作用较根系分泌物更大一些。

培养2周与培养8周大豆幼苗的根系分泌物有很多不同，而且对大豆幼苗的抑制作用培养2周的分泌物强于培养8周，说明大豆不同生育期的根系分泌物种类及毒害性不同，而且早期的根系分泌物毒害性更大。关于不同时期根系分泌物、根茬腐解物组分的变化，见另文报导[20-23]。

我们在研究过程中感到，根系分泌物的搜集以及将土壤中根系分泌物与根茬腐解物、微生物分泌物分离，目前还存在相当的难度，而根系分泌物需要相当高的浓度才会对大豆产生化感作用（1：10的稀释浓度对大豆幼苗根茎鲜重、主根生长速度的影响与对照有明显的差异，而1：1000浓度的这些影响则与对照无显著差异），所以主要研究了根系分泌物对大豆幼苗的影响，这只能在一定程度上反映根系分泌物对重迎茬大豆的影响。至于根系分泌物对成株以及在整个生育期中对大豆的影响如何，有待进一步研究。

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