小麦、苜蓿秸秆浸提液对棉花的化感效应
2018-01-31孙新展刘建国陈华伟符家伟
孙新展，刘建国，陈华伟，韩 羽，符家伟
(石河子大学，新疆石河子 832003)
新疆是中国的产棉大省，棉花种植面积不断扩大，种植年限不断增加，因此，连作问题日益凸显，如棉田化感自毒物质积累，抑制棉花种子萌发，影响幼苗生长，降低棉花叶片的光合作用能力等。发达国家因农作制度的不同，虽对连作问题略有涉及但相对国内研究不深，化感作用作为连作障碍的成因之一，其研究越来越受到广大学者的重视。
植物间的化感作用主要通过植物或植物残体向环境中释放出化感物质从而对受体植物产生有利或有害的作用[1]。这些化感物质主要通过淋溶、根系分泌物、残体分解和挥发体内代谢产物，以最多见的有机酸和酚类等物质释放出来影响作物的生长发育[2-3]。因此，研究秸秆浸提液对作物的化感作用具有重要的意义，迄今为止学者们已从多方面研究植物的化感作用[4-8]，刘建国等[9]研究了棉花秸秆水浸提液对小麦、番茄、油菜、苜蓿4种作物种子萌发和幼苗生长形态的影响；张国伟等[10]对棉花秸秆浸提液中总酚酸的质量浓度(10.05～124.33 mg/L)与小麦种子萌发和根系生长的关系进行了深入研究；李志华[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，且呈现出明显的质量浓度效应，紫花苜蓿中的多种酚酸类物质具有协同作用，对受体萝卜造成一定损伤；刘瑞显等[12]研究了小麦浸提液对棉花种子发芽及幼苗根系生长的影响。Sui等[13]在小麦和棉花轮作系统中，将小麦秸秆还田后，棉绒产量提高，是因为其化感物质促进棉花产量形成。最新研究表明[14]，绿洲农田有机肥、无机肥混施并辅以秸秆还田的农田操作可以改善农田土壤环境。
因此，以秸秆水浸提液为研究对象，以棉花为受体，全面分析小麦秸秆浸提液和苜蓿秸秆浸提液对棉花种子萌发和幼苗生长的化感效应，为采用小麦、苜蓿分别和棉花轮作倒茬并辅助以秸秆还田的方式缓解棉花化感自毒作用提供理论依据，为解决棉花长期连作障碍，构建棉花与小麦、苜蓿轮作模式提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试棉花品种为‘新陆早45号’，供试小麦(W)秸秆采自石河子大学试验站，供试苜蓿(A)秸秆采自石河子大学农试场。去除小麦、苜蓿秸秆中的杂质，自然晾晒风干，先剪成3～5 cm的小段，后用粉碎机粉碎成粉末。参考于建光等[15]的方法制备秸秆浸提液并稀释得到所需质量浓度的处理液。秸秆浸提液是将秸秆粉末(g)与水(mL)以1∶10的比例在28 ℃下每12 h搅拌10 min浸提48 h，先4层纱布过滤，后单层滤纸抽滤2次，质量浓度为100 g/L。用蒸馏水将所得浸提液的母液稀释为0 g/L(对照，CK)、10 g/L、20 g/L、40 g/L、60 g/L 5个质量浓度备用。
1.2 试验方法
棉花种子萌发试验：每个处理挑选50粒经体积分数10% 的H2O2消毒20 min的棉花种子，放置于铺有200 mL蛭石的发芽盒中，蛭石使用前126 ℃、25 min灭菌处理，分别加入不同质量浓度的浸提液100 mL，重复3次。将发芽盒置于28 ℃，相对湿度50%的无光照人工气候室内培养。
棉花幼苗生长试验：将经过2 d催芽处理的棉花种子转移到含有900 mL蛭石直径9 cm，高20 cm的栽培装置内，每个装置内种15株棉花幼苗，分别浇400 mL的不同质量浓度的处理液。培养条件：昼夜温度28 ℃，相对湿度50%，每天光照12 h。每3 d浇100 mL的蒸馏水，浇水3次，于培养后第12天选取10株进行测量。
1.3 测定指标
统计棉花种子每天的发芽数，并于第7天测量幼根长度，计算种子的发芽势、发芽率和发芽指数。计算公式为：发芽势 =3 d 内发芽种子数/供试种子数×100%；发芽率=7 d 内发芽种子数/供试种子数×100%；发芽指数= ∑(Gt/Dt)，式中Dt为发芽时间，Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数。用尺子手工测量主根长度和苗高，用万分之一分析天平称量根鲜质量和苗鲜质量。根系活力(RV)采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定，丙二醛(MDA)质量摩尔浓度采用赵海泉[16]的硫代巴比妥酸(TBA)法测定，抗氧化酶[超氧化物酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)]活性采用李合生[17]的方法测定。
计算化感指数(RI)[18]，当T≥C时，RI=1-C/T；当T
1.4 数据统计分析
数据采用Excel 2007和SPSS 19.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法进行差异显著性检验，比较不同数据组间的差异(α=0.05)，用Pearson法进行相关性分析。
2 结果与分析
2.1 小麦、苜蓿秸秆浸提液对棉花种子萌发的影响
由表1和图1可知：小麦和苜蓿浸提液对棉花种子的萌发均有一定的化感作用，相同质量浓度下，苜蓿浸提液对棉花发芽势、发芽率和发芽指数的化感指数都小于小麦浸提液。低质量浓度小麦浸提液提高了棉花种子的发芽势和发芽率，但对种子萌发影响较小；高质量浓度小麦浸提液抑制了棉花种子的萌发，质量浓度为60 g/L时，发芽势和发芽指数与对照差异显著(P<0.05)。4种质量浓度的苜蓿浸提液均抑制了棉花种子的萌发，当质量浓度达20 g/L时，与对照差异显著。低质量浓度下(10 g/L)，小麦浸提液和苜蓿浸提液的综合化感效应分别为-0.03和-0.05；高质量浓度下(60 g/L)，小麦浸提液和苜蓿浸提液的综合化感效应分别为-0.20和-0.40。由化感综合效应可知，各质量浓度处理下的小麦和苜蓿浸提液对棉花种子萌发表现出一致的化感抑制作用，且这种抑制作用与质量浓度有关，即随质量浓度的升高，抑制作用增强，同质量浓度下苜蓿浸提液对棉花种子萌发的抑制作用较强。
2.2 小麦、苜蓿秸秆浸提液对棉花幼苗生长形态的影响
由表2和图2可以看出：小麦和苜蓿浸提液对棉花幼苗生长具有一定的化感作用，且随质量浓度升高，化感作用越强。就小麦浸提液而言，各质量浓度浸提液抑制了主根的伸长，与对照相比差异显著，在60 g/L处理下，棉花主根长受到的抑制作用最大，其化感指数为-0.24；低质量浓度浸提液增加了棉花的苗高，根鲜质量和苗鲜质量，高质量浓度小麦浸提液抑制了棉花幼苗的生长。就苜蓿浸提液而言，质量浓度越高，浸提液对棉花幼苗的生长抑制作用越强，各质量浓度处理与对照差异显著，仅质量浓度为10 g/L时，根鲜质量、主根长、苗高和苗鲜质量的化感抑制强度就分别高达0.24、0.26、0.32和0.39。从化感综合效应来看，小麦秸秆水浸提液各质量浓度处理对棉花幼苗生长的化感抑制作用较小，低质量浓度(10 g/L)有助于棉花幼苗的生长，其综合效应为0.02，高质量浓度抑制幼苗的生长；苜蓿浸提液对棉花幼苗生长的抑制作用比小麦大，随质量浓度的增加而增强。
表1 小麦、苜蓿秸秆浸提液处理下棉花种子的萌发指标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异显著(P<0.05)，下同。
Note：Different letters in the same column mean significant difference at 0.05 probability level，the same below.
图1 不同质量浓度水浸提液对棉花种子萌发的化感综合效应比较Fig.1 Comparison of allelopathic potentials of aqueous extract of different mass concentrations to cotton seeds germination
2.3 小麦、苜蓿秸秆浸提液对棉花幼苗生理活性的影响
表3表明，与对照相比，高质量浓度小麦浸提液和苜蓿浸提液随质量浓度升高，根系活力、幼叶SOD和CAT活性降低，幼叶中丙二醛质量摩尔浓度和POD活性提高，低质量浓度小麦浸提液与此结果相反。10 g/L和20 g/L小麦浸提液处理下的根系活力较对照显著提高，分别为对照的1.27和1.09倍，而苜蓿浸提液在10 g/L时，抑制作用最低，为对照的88%。随质量浓度增加， 20 g/L处理时，小麦浸提液处理下的棉花幼叶丙二醛质量摩尔浓度开始增加，40 g/L时与对照差异显著；20 g/L处理时，苜蓿浸提液处理下的丙二醛质量摩尔浓度开始增加，且与对照差异显著。小麦浸提液处理的幼叶SOD和CAT活性随质量浓度变化的规律相同，先升高后降低；POD活性先降低后升高，SOD活性与对照差异显著，高质量浓度(60 g/L)处理下的CAT和POD活性与对照差异显著，分别为对照的62%和1.62倍。随苜蓿浸提液升高，SOD和CAT活性降低，与对照差异不显著；POD活性不断升高，各质量浓度处理均与对照差异显著。
图2 不同质量浓度水浸提液对棉花幼苗生长的化感综合效应比较Fig.2 Comparison of allelopathic potentials ofaqueous extract of different mass concentrationsto cotton seedling
2.4 棉花各项萌发生长指标相关性分析
表4相关性显示，在12个指标的66个相关系数中，2个表现出显著正相关(P<0.05)，23个表现出极显著正相关(P<0.01)，1个表现出显著负相关，14个表现出极显著负相关，26个表现出不显著。其中，发芽势、发芽率、发芽指数、主根长、根鲜质量、苗高和苗鲜质量此7者互为极显著正相关的关系，SOD活性与CAT活性极呈显著正相关，POD活性与MDA质量摩尔浓度呈极显著正相关。根系活力与发芽势和发芽指数呈显著正相关，与MDA质量摩尔浓度呈显著负相关。POD活性和MDA质量摩尔浓度与发芽势、发芽率、发芽指数、主根长、根鲜质量、苗高和苗鲜质量极显著负相关。
表2 小麦、苜蓿秸秆浸提液处理下棉花幼苗的形态指标Table 2 Morphological parameters of water extract liquids from wheat and alfalfa straw on cotton seedlings
表3 水浸提液处理下棉花幼苗的生理指标Table 3 Physiological parameters of water extract liquids on cotton roots and seedlings
注：RV为根系活力。
Note：RV root vigor.
表4 棉花种子发芽和幼苗生长指标间的相关性Table 4 Relationships of seed germination and seeding growth in cotton growth indicators
注：*和**表示在0.05和0.01水平上的差异显著性。
Note：* and ** indicate significanct difference at 0.05 level and 0.01 level,respectively.
3 讨 论
长期种植单一作物，不仅导致产量降低，而且对于农田生态也有不利的影响，因此研究不同耕作制度(间作、套种、轮作等)对缓解连作障碍，为农田高效、优质、生态、安全的生产提供了理论支持。本研究从化感作用方面阐明了小麦、苜蓿水浸提液对棉花种子萌发及幼苗生长的影响。对于棉花种子萌发而言，不同种类、不同质量浓度的水浸提液影响不同，对于不同萌发指标影响强烈程度不同，综合来看，小麦和苜蓿浸提液对棉花种子的萌发均有不利影响，苜蓿浸提液抑制作用更强，此结果与董芳慧等[21]研究的苍耳浸提液对油麦菜种子萌发影响结果基本一致。这可能是因为棉花种子在受到浸提液中的化感物质影响后，改变了种子内部物质的正常代谢，导致种子发芽力较差，活力不强。
种子萌发指标和幼苗生长指标极显著正相关，小麦浸提液抑制主根的伸长，但可以增加棉花幼苗根鲜质量，低质量浓度(10 g/L、20 g/L)小麦浸提液也可以增加苗高和苗鲜质量，这与观察中低质量浓度小麦浸提液增加了棉花幼苗侧根数和促进了侧根生长的事实相一致，苜蓿浸提液和高质量浓度的小麦浸提液对棉花幼苗的生长均产生不利的化感影响，不利于幼根的伸长，幼苗的生长和增重。王一峰等[22]也发现半夏球茎和半夏叶浸提液对小麦幼苗的生长表现出低质量浓度促进、高质量浓度抑制的现象。低质量浓度的小麦浸提液中含有的低量的化感物质可以促进棉花幼苗的生长，高质量浓度的小麦浸提液中还有高质量浓度的化感物质，抑制棉花生长，这与前人[23-24]研究结果一致；而苜蓿秸秆中含有的化感物质不利于棉花幼苗的生长，这说明小麦和苜蓿浸提液中含有不同的化感物质，且相同化感物质其质量浓度也不相同，苜蓿浸提液中的化感物质质量浓度更高[25]。
从生理角度来看，低质量浓度小麦浸提液促进了棉花根系活力，有利于地上部分的生长，保护了棉花幼苗不受外界的损伤，高质量浓度小麦浸提液和苜蓿浸提液损伤了幼苗根系活力，破坏了幼苗叶片膜系统，其中MDA质量摩尔浓度随质量浓度的升高而增多，这些结果均与前人[26-27]研究结果相似。高质量浓度浸提液使自由基等有害物质游离于植物体内，启动了植物体内的抗氧化酶保护系统，由于高质量浓度的浸提液对棉花的处理，导致植物体内的保护系统受损，抗氧化酶活性降低，加速植物的衰老，这一结果与前人[28-29]的研究结果一致。
4 结 论
小麦秸秆浸提液和苜蓿秸秆浸提液对棉花种子的萌发及幼苗生长具有化感效应，并且苜蓿秸秆浸提液的化感效应强于小麦秸秆浸提液；小麦和苜蓿浸提液对棉花种子萌发的抑制作用明显，小麦秸秆浸提液对棉花幼苗的生长具有“低促高抑”的质量浓度效应，低质量浓度促进棉花幼苗的生长，提高了棉花幼根的根系活力，苜蓿秸秆浸提液质量浓度越高对棉花的化感抑制作用越强烈。
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