陇东苹果园土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响

王亚亚，杨 梅，陆姣云，杨惠敏(草地农业生态系统国家重点实验室 农业部草牧业创新重点实验室 兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730020)

生态农业是现代农业发展的重要方向，应用与推广生态农业技术将在解决食品安全问题中发挥重要作用。果园生草是现代生态农业的一种重要模式，通过在果树行间或全园种植草类植物，对土壤进行新型、高效、有机的管理[1]，保障果园高效可持续生产[2]。与传统“清耕法”管理果园土壤的方式相比，果园生草是自给式解决肥源、改善果园生态环境和提高劳动效率最有效的技术措施之一[3]。

果园生草后，地表残体、半腐解层在微生物的作用下形成矿质元素，增加了土壤有机质的含量[4]，从而不断补充土壤养分。土壤温度昼夜变化或季节变化幅度减小，有利于果树的根系生长和对养分的吸收[5]。此外，生草能提高土壤水分吸收，减少地表径流，防止或减少水土流失，减弱地表水分蒸发，提高土壤排涝能力，从而有利于果树生长发育[6]。同时，建植成的草地还能为家畜养殖提供饲草[7]。因此，果园生草既涵养水土，改善果园小环境，又有助于绿色有机水果的生产，提高了果园整体生态及经济效益。

虽然果园生草已在我国推广近20年[8]，这一土壤管理模式正快速地进入到越来越多的果园，但是林下草地的成功建植一直是该模式应用中的突出问题。由于果树可通过地上部淋溶、根系分泌和植株残体腐解等途径释放化感类物质进入环境[9]，从而对其他植物生长发育产生抑制或促进作用[10-11]。因此，果园土壤可能含有不同种类化感物质[12]，影响种子萌发、幼苗的生物量、酶活性等[13-14]。研究表明，树木根系浸提物可抑制小麦(Triticumaestivum)种子萌发和早期根苗的发育。此外，林草复合系统特殊的水热条件及遮阴环境，也可极大地影响草类植物幼苗生长[15]。因此，了解草类植物在果园土壤条件下的种子萌发和幼苗生长情况，有助于选择适宜的品种，确保林下草地建植[16]。

甘肃省陇东地区是典型的黄土高原雨养农区，土地的不合理利用造成了严重的水土流失、土壤退化、生态失衡等环境问题[17]。该区也是我国苹果(Maluspumila)两大优生区之一，苹果产业已成为该区支柱产业[18]。林下草地的建植也是该区果园生草亟待解决的问题之一。因此，研究苹果园土壤浸提液对草类植物种子萌发及幼苗生长的影响，可为生草果园中草种的选择、草地的建植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况及试验设计

试验于2015年秋开始在兰州大学庆阳黄土高原试验站(35°40′ N，107°51′ E，海拔1 298 m)的11龄苹果园中进行。秋末(2015年11月)苹果树叶片全部凋落后随机选取6行(4 m×6 m)清耕地，其中一半清扫掉地表的落叶(无叶)，另一半则保留落叶(有叶)。

1.2 土壤浸提液制备

2016年3月下旬，用土钻分别在有落叶地和无落叶地多点取样，土层深度为0-5、5-10和10-30 cm。同层多点土样混合，挑出根系、枯枝落叶后，将新鲜土样过1 mm筛，按土∶水体积比1∶1加水浸提，室温振荡1 h，静置24 h后用双层滤纸过滤得土壤浸提液，保存于4 ℃冰箱中备用。

1.3 供试种子

试验所用材料为多年生黑麦草(Loliumperenne)和陇东紫花苜蓿(Medicagosativa‘Longdong’)均购自草种公司。

1.4 种子萌发和幼苗生长观测

采用纸上发芽法进行种子萌发试验。选用直径9 cm的培养皿，双层滤纸，每皿50粒种子，4个重复，将不同土层的土壤浸提液5 mL加入培养皿中，加入等量的蒸馏水作为对照。将培养皿置于光照培养箱中，培养箱温度设置为25 ℃、相对湿度为75%，在黑暗条件下培养。萌发周期为7 d，以胚根突破种皮的长度为种粒的一半作为萌发标准，分别在紫花苜蓿种子萌发的24 h和黑麦草种子萌发的48 h开始每隔2 h记录种子萌发数。实际观测中，各处理下萌发10 h时萌发数相近，故不再频繁记录。在萌发周期结束(168 h)时记录萌发总数，并计算种子的萌发率。同时，在每个培养皿中随机选取4株幼苗，测量胚根和胚芽长，以及幼苗鲜重。

1.5 数据处理与统计分析

采用SPSS 17.0统计软件对试验数据进行处理，使用Two-way ANOVA分析土层和落叶残留对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长影响的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 种子萌发动态

土壤浸提液促进了黑麦草种子的萌发，但对种子萌发总数无影响(图1)。与对照相比，土壤浸提液处理下黑麦草种子的萌发数较高。在0-5和5-10 cm土层土壤浸提液处理下，萌发48-56 h时，有叶土壤浸提液萌发数大于无叶的；10-30 cm土层时，有叶和无叶间萌发数差异不明显。

土壤浸提液减缓了紫花苜蓿种子的萌发，但对种子萌发总数无影响(图1)。与对照相比，土壤浸提液处理下紫花苜蓿种子的萌发数较低。在0-5 cm土层土壤浸提液处理下，有叶土壤浸提液的萌发数比无叶处理更高；5-10和10-30 cm土层时，有叶和无叶间萌发数无明显差异。

2.2 种子萌发率变化

土层、落叶残留及其相互作用下的土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发率均无显著影响(图2，表1)。与无叶时相比，有叶土壤浸提液处理有提高黑麦草和紫花苜蓿种子萌发率的趋势。与对照相比，0-5和5-10 cm土层有叶土壤浸提液提高了苜蓿种子的萌发率。

图1 不同土层土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发动态的影响Fig. 1 Effect of soil extract of different soil layers on dynamics of germination of ryegrass and alfalfa seeds

图2 不同土层土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发率的影响Fig. 2 Effect of soil extract of different soil layers on germination rate of ryegrass and alfalfa seeds

2.3 幼苗胚芽长变化

落叶残留下土壤浸提液显著影响黑麦草幼苗胚芽长(P≤0.001)，土层、落叶残留土壤浸提液显著影响紫花苜蓿幼苗胚芽长(表1)。在0-5 cm土层，土壤浸提液处理下黑麦草幼苗胚芽长与对照相近(P>0.05)，而在5-10和10-30 cm土层时，无叶土壤浸提液处理的黑麦草幼苗胚芽长显著大于对照和有叶时的(P<0.05)(图3)。0-5 cm土层土壤浸提液处理下紫花苜蓿幼苗胚芽长小于对照，无叶显著小于对照和有叶时的，有叶与对照之间无显著差异，5-10 cm土层时则相反，10-30 cm土层时与对照相近(图3)。0-5和5-10 cm土层有叶土壤浸提液处理下紫花苜蓿幼苗胚芽长显著大于无叶时的；5-10 cm有叶土层土壤浸提液处理下紫花苜蓿幼苗胚芽长显著大于0-5和10-30 cm土层的。

2.4 幼苗胚根长变化

落叶残留土壤浸提液显著影响黑麦草(P≤0.001)和紫花苜蓿幼苗胚根长(P≤0.01)(表1)。土壤浸提液处理下黑麦草幼苗的胚根长小于对照的，且无叶土壤浸提液处理下的显著小于有叶时的(P<0.05)(图4)。土壤浸提液处理下紫花苜蓿幼苗的胚根长显著小于对照；在0-5和10-30 cm土层有叶土壤浸提液处理下紫花苜蓿幼苗的胚根长显著大于无叶时的(图4)。

2.5 幼苗单株鲜重变化

土壤浸提液处理对黑麦草幼苗单株鲜重影响不显著，仅土层对紫花苜蓿幼苗单株鲜重有显著影响(P≤0.001)(表1)。但与对照相比，土壤浸提液处理下黑麦草幼苗单株鲜重较小，且无叶处理的黑麦草幼苗单株鲜重大于有叶时的(图5)。土壤浸提液显著减小了紫花苜蓿幼苗单株鲜重，0-5 cm土层时紫花苜蓿幼苗单株鲜重显著小于其他土层(图5)。

表1 土层、落叶残留及其相互作用对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响Table 1 Effect of soil layer, falling leaves, and their interaction on germination rate and seedling growth of ryegrass and alfalfa

NS表示不显著，***,P≤0.001，**,P≤0.01。

“NS” indicates no significance. ***,P≤0.001，**,P≤0.01.

图3 土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿幼苗胚芽长的影响Fig. 3 Effect of soil extract on plumule length of ryegrass and alfalfa seedlings

不同大写字母表示同一土层无叶、有叶及对照间差异显著，不同小写字母表示不同土层相同处理间差异显著(P<0.05)。

Different capital letters indicate significant differences between the soils with or without leaves and CK at the 0.05 level, and different lowercase letters indicate significant differences among soil layers at the 0.05 level; similarly for the following figures.

图4 土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿幼苗胚根长的影响Fig. 4 Effect of soil extract on radicle length of ryegrass and alfalfa seedlings

图5 土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿幼苗单株鲜重的影响Fig. 5 Effect of soil extract on fresh weight of ryegrass and alfalfa seedlings

3 讨论与结论

土壤溶液中含有植物生长所需的养分，还可能含有其他调节植物生长过程的物质[19]。果树及其周围植物可以通过淋溶、分泌、分解等方式产生化学物质进入土壤溶液[9]，影响植物的生长发育，例如种子萌发。种子萌发主要受到水分和气体供应的调节，因此，土壤溶液中养分的差异可能对种子萌发无直接影响[20]，而其中的化感物质则可能发挥调节作用。研究表明，苹果树根系分泌的酚酸类物质能够使萝卜(Raphanussativus)种子萌发所需要的关键酶类活性减弱[13]，导致种子萌发过程中缺乏足够的能量和合成代谢所需的中间产物，从而抑制种子的萌发[21]。化感物质也能破坏细胞膜结构，影响种子萌发时的水分和养分获取[22-23]。然而，在本研究中，苹果园清耕地土壤浸提液对黑麦草和紫花苜蓿种子萌发率并无显著影响。果园土壤浸提液中所含的酚酸类物质的浓度可能并不足以对牧草种子最终的萌发率造成影响[24]。如，果园清耕地土壤浸提液对萝卜种子萌发的化感效应指数为零，而套种牧草后，土壤浸提液对萝卜种子萌发有明显抑制作用[12]，间接证实了浸提液中化感物质浓度对种子萌发的效应。因此，化感物质对其他植物的种子萌发表现出明显的浓度依赖性[25-26]。但在较低浓度下，化感物质仍能调控植物生长发育过程[11,27]。因此，在本研究中，苹果园土壤浸提液处理后提高了萌发初期黑麦草的萌发数但减小了紫花苜蓿种子的萌发数。这说明虽然该苹果园土壤中的化感物质浓度不足以影响牧草种子最终萌发率，但是却对萌发初期的萌发速度产生了明显的影响。有落叶残留时土壤浸提液中化感物质浓度升高，加快了二者种子的萌发，并有提高萌发率的趋势，也暗示黑麦草和紫花苜蓿种子萌发对化感物质浓度的依赖性。此外，两种牧草各自固有的遗传背景特质导致种子萌发时的要求不同，对同一化感环境的反应也不同。

化感物质还能影响植物幼苗生长时的水分和养分获取，对植物的生长发育产生不利影响[21-22]。化感物质能影响幼苗体内酶(如，吲哚乙酸氧化酶，ATPase等)活性[22]，降低激素水平，或者抑制呼吸作用而减少能量供应，最终抑制幼苗生长[28]。研究表明，苹果树根系分泌的根皮苷等酚酸类物质浓度较高时能抑制周围其他植物的生长[29]。本研究中，苹果园土壤浸提液显著抑制了黑麦草和紫花苜蓿幼苗的胚根生长，也一定程度上减小了幼苗单株鲜重。但是有落叶残留较无叶土壤浸提液也表现出了促进幼苗(尤其胚根)生长的作用。可能果园土壤溶液偏碱性(pH 7.9)导致了与酚酸类物质相拮抗的作用[30]。但这一解释还需要深入研究证实。因此，土壤浸提液对幼苗早期的生长调节可能主要来自于化感物质。此外，豆科和禾本科牧草的反应差异表明二者遗传背景不同。

种子萌发和幼苗早期生长是植物生活史的重要阶段[31]，决定了牧草的进一步生长和草地的最终建植。在土壤浸提液处理下，紫花苜蓿种子萌发较慢，幼苗胚根生长受到显著抑制，幼苗长势也较弱，因此，在陇东苹果园中不适宜种植紫花苜蓿。考虑到果园生草的生态和生产需求，在果园生草实践中，选择草种时建议选用其他种类的豆科牧草或者禾草[32]，就黑麦草的生长特性而言比较适合作为果园草来种植。

苹果园土壤浸提液提高了黑麦草种子萌发数而减小了紫花苜蓿种子萌发数，但对二者种子萌发率没有影响；与无叶相比，落叶残留时土壤浸提液加快了种子萌发，并有提高种子萌发率的趋势。土壤浸提液抑制了黑麦草和紫花苜蓿幼苗胚根的生长，减小了幼苗单株鲜重；但有落叶残留时相较无叶土壤浸提液表现出了促进黑麦草和紫花苜蓿幼苗胚根生长的作用。因此，苹果园土壤可通过抑制草类植物幼苗生长而非种子萌发来影响草地建植；从幼苗生长受抑制程度来看，苹果园土壤对豆科草地建植的抑制作用比禾本科草地更大，黑麦草比紫花苜蓿更适合作为果园草建植。

References:

[1] Drinkwater L E,Wagoner P,Sarrantonio M.Legume-based cropping systems have reduced carbon and nitrogen losses.Nature,1998,396:262-265.

[2] 王艳廷,冀晓昊,吴玉森,毛志泉,姜远茂,彭福田,王志强,陈学森.我国果园生草的研究进展.应用生态学报,2015,26(6):1892-1900.

Wang Y T,Ji X H,Wu Y S,Mao Z Q,Jiang Y M,Peng F T,Wang Z Q,Chen X S.Research progress of cover crop in Chinese orchard.Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26(6):1892-1900.(in Chinese)

[3] 曹铨,沈禹颖,王自奎,张小明,杨轩.生草对果园土壤理化性状的影响研究进展.草业学报,2016,25(8):180-188.

Cao Q,Shen Y Y,Wang Z K,Zhang X M,Yang X.Effects of living mulch on soil physical and chemical properties in orchards:A review.Acta Prataculturae Sinica,2016,25(8):180-188.(in Chinese)

[4] 吴玉森.自然生草对黄河三角洲梨园土壤理化特性及果实品质的影响.北京:中国农业大学硕士学位论文,2013.

Wu Y S.Effects of natural grass on soil nutrient,enzyme activity and fruit quality of pear orchard in yellow river delta.Master Thesis.Beijing:China Agricultural University,2013.(in Chinese)

[5] 马德功,田利光.老龄苹果园更新改建技术.烟台果树,2015(1):28-32.

Ma D G,Tian L G.Older apple orchards reconstruction technology updates.Yantai Fruits,2015(1):28-32.(in Chinese)

[6] 李振江,贾艳利,李书风.果园生草的好处及管理.河北果树,2015(2):48-49.

Li Z J,Jia Y L,Li S F.The benefits of orchard grass planting and management.Hebei Fruits,2015(2):48-49.(in Chinese)

[7] 李永红,高照良.黄土高原地区水土流失的特点、危害及治理.生态经济,2011(8):148-153.

Li Y H,Gao Z L,The loess plateau area the characteristics of soil and water loss,damages and management.Ecological Economy,2011(8):148-153.(in Chinese)

[8] 李会科,张广军,赵政阳,李凯荣.黄土高原旱地苹果园生草对土壤贮水的影响.草地学报,2007,15(1):76-81.

Li H K,Zang G J,Zhao Z Y,Li K R.Effects of growing different herbages on soil water-holding of a non-irrigated apple orchard in the Weibei Area of the Loess Plateau.Acta Agrestia Sinica,2007,15(1):76-81.(in Chinese)

[9] Inderjit.Experimental complexities in evaluating the allelopathic activities in laboratory bioassays:A case study.Soil Biology & Biochemistry,2006,38:256-262.

[10] 尹承苗.连作苹果园土壤酚酸类物质的分布及其对真菌的影响.泰安:山东农业大学博士学位论文,2014.

Ying C M.Distribution of phenolic acids in apple replanted orchard soil and effects of phenolic acids on the fungi.PhD Thesis.Tai’an:College of Horticulture Science and Engineering,2014.(in Chinese)

[11] Duke S O.Allelopathy:Current status of research and future of the discipline:A commentary.Allelopathy Journal,2010,25:17-30.

[12] 李发林,危天进,黄炎和,林晓兰,蔡志发,林永贤,林敬兰.生草果园土壤浸提液对几种作物种子萌发的影响.热带农业科学,2009,29(10):26-29.

Li F L,Wei T J,Huang Y H,Lin X L,Cai Z F,Lin Y X,Lin J L.Effect of soil extracts from gardens planted with cover crops on seed germination of several crops.Chinese Journal of Tropical Agriculture,2009,29(10):26-29.(in Chinese)

[13] 宋亮,潘开文,王进闯,马玉红.酚酸类物质对苜蓿种子萌发及抗氧化物酶活性的影响.生态学报,2006,26(10):3393-3403.

Song L,Pan K W,Wang J C,Ma Y H.Effects of phenolic acids on seed germination and seedling antioxidant enzyme activity of alfalfa.Acta Ecologica Sinica,2006,26(10):3393-3403.(in Chinese)

[14] 闵丹丹,潘佳,范燕,王彦荣,胡小文.引发对种子萌发和幼苗生长特性的影响.草业科学,2016,33(9):1728-1738.

Min D D,Pan J,Fan Y,Wang Y R,Hu X W.Effect of priming on seed germination and seedling growth.Pratacultural Science,2016,33(9):1728-1738.(in Chinese)

[15] 德力格尔,李媛媛.遮荫对幼苗期紫羊茅和草地早熟禾生长与生理特性的影响.华北农学报,2016,31(3):135-140.

Deligeer,Li Y Y.Effects of the shading on seedling growth and physical characteristics ofPoapratensisandFestucarubra.Acta Agriculturae Boreali-Sinica North,2016,31(3):135-140.(in Chinese)

[16] 张子龙,鹿晨昱,陈兴鹏,薛冰.陇东黄土高原农业生态效率的时空演变分析:以庆阳市为例.地理科学,2014,4:472-478.

Zhang Z L,Lu C Y,Chen X P,Xue B.Spatio-temporal evolution of agricultural eco-efficiency in Loess Plateau of east Gansu Province:A case study of Qingyang City.Scientia Geographical Sinica,2014,4:472-478.(in Chinese)

[17] 李振江,贾艳利,李书风.浅谈果园生草的好处及管理.落叶果树,2016,48(6):58.

Li Z J,Jia Y L,Li S F.Introduction to the advantages of orchard grass planting and management.Deciduous Fruits,2016,48(6):58.(in Chinese)

[18] 徐恒恒,黎妮,刘树君,王伟青,王伟平,张红,程红焱,宋松泉.种子萌发及其调控的研究进展.作物学报,2014,40(7):1141-1156.

Xu H H,Li N,Liu S J,Wang W Q,Wang W P,Zhang H,Cheng H Y,Song S Q.Research progress in seed germination and its control.Acta Agronomica Sinica,2014,40(7):1141-1156.(in Chinese)

[19] Marschner P.Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants.Second Edition.Adelaide，Australia:Science Press,2013:284-293.

[20] Baskin C C,Baskin J M.Seeds:Ecology,Biogeography,and Evolution of Dormancy and Germination.San Diego,USA:Academic Press,1998:47-50.

[21] 赵霞,谢应忠,刘桂霞.影响种子萌发及其调控的研究进展.黑龙江农业科学,2006(3):76-80.

Zhao X,Xie Y Z,Liu G X.Discussion on factors affecting seed germination and seedling survival.Heilongjiang Agricultural Sciences,2006(3):76-80.(in Chinese)

[22] Baziramakenga R,Leroux G D,Simard R R.Effects of benzoic and cinnamic acids on membrane permeability of soybean roots.Journal of Chemical Ecology,1995,21:1271-1285.

[23] 林文雄,何华勤,郭玉春,梁义元,陈芳育.水稻化感作用及其生理生化特性的研究.应用生态学报,2001,12(6):871-875.

Lin W X,He H Q,Guo Y C,Liang Y Y,Chen F Y.Rice allelopathy and its physiobiochemical characteristics.Chinese Journal of Applied Ecology,2001,12(6):871-875.(in Chinese)

[24] 李美娜,李志华.紫花苜蓿茎叶浸提液对波斯婆婆纳化感效应的研究.中国草地学报,2010,32(1):69-74.

Li M N,Li Z H.Allelopathic effect of aqueous extracts from stems and leaves of alfalfa on persian speed well.Chinese Journal of Grassland.2010,32(1):69-74.(in Chinese)

[25] 李志华,沈益新,倪建华,赵玲玲.豆科牧草化感作用初探.草业科学,2002,19(8):28-31.

Li Z H,Shen Y X,Ni J H,Zhao L L.A preliminary study on the allelopathy of legumes.Pratacultural Science.2002,19(8):28-31.(in Chinese)

[26] 朱旺生,沈益新.白三叶和高羊茅不同品种对萝卜幼苗的化感作用.南京农业大学学报,2004,27(1):28-31.

Zhu W S,Shen Y X.A study on allelopathic potential of white clover and tall fescue on seedling of radish.Journal of Nanjing Agricultural University,2004,27(1):28-31.(in Chinese)

[27] 吕阳,程文达,黄珂,李晓卿,曹卫东,申建波.低磷胁迫下箭筈豌豆和毛叶苕子根际过程的差异比较.植物营养与肥料学报,2011,17(3):674-679.

Lyu Y,Cheng W D,Huang K,Li X Q,Cao W D,Shen J B.Comparison of rhizosphere processes ofViciasativaandViciavillosain response to phosphorus deficiency.Plant Nutrition and Fertilizer Science,2011,17(3):674-679.(in Chinese)

[28] Yang Y,Wang H,Tang J,Chen X.Effects of weed management practices on orchard soil biological and fertility properties in southeastern China.Soil and Tillage Research,2007,93(1):179-185.

[29] 张江红,毛志泉,王丽琴,束怀瑞.根皮苷对平邑甜茶幼苗生理特性的影响.中国农业科学,2007,40(3):492-498.

Zhang J H,Mao Z Q,Wang L Q,Shu H R.Effect of phloridzin on physiological characteristics ofMalushupehensisRehd.Seedlings.Scientia Agricultura Sinica,2007,40(3):492-498.(in Chinese)

[30] Wardle D A,Yeates G W,Bonner K I,Nicholson K S,Watson R N.mpacts of ground vegetation management strategies in a kiwifruit orchard on the composition and functioning of the soil biota.Soil Biology and Biochemistry.2001,33(7):893-905.

[31] 李利,张希明,何兴元.胡杨种子萌发和胚根生长对环境因子变化的响应.干旱区研究,2005,22(4):104-109.

Li L,Zhang X M,He X Y.Effects of salinity and water potential on seed germination and radicle growth of riparianPopuluseuphratica.Arid Zone Research,2005,22(4):104-109.(in Chinese)

[32] Chen Y X,Wen X X,Sun Y L,Zhang J L,Wu W,Liao Y C.Mulching practices altered soil bacterial community structure and improved orchard productivity and apple quality after five growing seasons.Scientia Horticulturae.2014,172:248-257.