老参地土壤浸提液对玉米紫苏种子萌发及幼苗生长的影响

曹丽娟，葛丽丽，刘宏绪，刘宝东

(1.北华大学林学院，吉林 吉林 132013；2.永吉县林业管理总站，吉林 吉林 132200)

人参(PanaxginsengC.A.Mey)为五加科人参属多年生植物，是我国珍贵的中草药[1]，是严重的忌连作作物，其产业化、可持续发展受连作障碍制约严重[2-3].人参分泌的化感物质能够抑制自身种子发芽和幼苗生长，其连作障碍是一个世界性难题[4-7].栽过一茬的土壤(即老参地)在几年甚至几十年内不能再栽种人参.种植人参后的土壤提取液对人参种子发芽、胚根生长、胚轴伸长有着不同程度的化感影响[6]；浓度较高的土壤浸提液可使幼苗株高、须根量、根长以及植株干重和鲜重显著减少，对其他植物生长发育有促进或抑制作用[5，8].2014年，在吉林省集安地区发现个别参农在种植过人参的老参地种植紫苏，并将种植后成熟的紫苏深耕埋进土壤，3 a后再直接种植人参.此方法有效解决了人参的连作障碍问题，但对其机理并不能做出合理解释.吉林省地处世界三大黄金玉米带，在老参地进行玉米与人参轮作是农民首先考虑的种植方式.目前，关于人参-玉米、人参-紫苏轮作体系中化感作用因子研究的报道较少.为进一步研究人参-玉米、人参-紫苏轮作方式，为老参地循环利用提供依据，我们利用参后土水浸提液处理玉米和紫苏种子，探讨人参化感物质对种子萌发和幼苗生长的影响，为参后土循环利用寻找适宜植物.

1 材料与方法

1.1 材 料

2018年5月中旬，从吉林市江密峰镇新山村采集种植人参5 a后当年还林的老参地土壤.用铁锹铲去参地地表杂物和表层2 cm土壤，获取人参种植痕迹周围10 cm范围内的土壤，取样深度为10 cm左右.玉米、紫苏种子从种子商店采购，挑选饱满、完整的种子，清洗备用.

1.2 方 法

1.2.1 老参地土壤浸提液制备

将采集的土壤样品去除杂物，风干，用圆木棍擀散，过孔径1 mm(18目)筛.准确称取土样200 g，加入300 mL去离子水，放在摇床上以100 r/min振荡浸提24 h，过滤，连续浸提3次，最后一次浸提加入400 mL去离子水，过滤后合并滤液得到质量浓度为200 g/L的浸提母液，再将母液稀释成相当于质量浓度为100 g/L和50 g/L的浸提液.将制得的浸提液贴好标签，置于4 ℃冰箱保存备用.

1.2.2 种子萌发试验

采用培养皿滤纸法进行种子发芽试验.挑选籽粒饱满、大小相同、无虫蛀的玉米和紫苏种子，用5%次氯酸钠浸泡8 min，再用蒸馏水洗涤3次.在室温下，用相应浸提液浸泡2～3 h备用.先在培养皿(口径10 cm)中整齐平铺2层滤纸，滴加不同质量浓度的浸提液使滤纸完全湿润(对照组用无菌蒸馏水湿润).将浸泡过的50粒玉米种子和100粒紫苏种子整齐摆放于滤纸上，每组3次重复.培养皿加盖后，置于25 ℃人工培养箱内避光发芽.根据滤纸干湿情况，处理组每天添加不同质量浓度浸提液1～5 mL，对照组添加无菌去离子水.每24 h记录发芽种子数量(以胚根长出种皮1 mm为发芽标准)，发芽末期连续2 d无萌发时为种子发芽结束.计算发芽势、发芽率、发芽指数、发芽速度指数：

发芽势=(规定时间内发芽总数/供试种子总数)×100%，

发芽率=(种子发芽总数/供试种子总数)×100%，

发芽指数=∑(Gt/Dt)，

发芽速度指数=2(5x1+4x2+3x3+2x4+x5)，

式中：Gt为发芽时间Dt时的发芽数量；xi为每24 h发芽的种子数量，如x1为第1天的发芽数量，x2为第2天的发芽数量，以此类推.

1.2.3 芽苗生长试验

在培养容器中加入300 g消毒的细砂，将培养容器分成处理组和对照组，量取土壤浸提液和无菌去离子水，加入容器中，使培养容器中的细砂湿润，之后分别在对应的试验组中播种50粒玉米种子和100粒紫苏种子，再覆盖一层细砂.同样处理3个重复.待种子出土后，进行光暗处理，每天向培养容器中加入2～10 mL不同质量浓度(50、100、200 g/L)的土壤浸提液，保持砂土湿润.对照组加入适量无菌水，并随时旋转培养容器角度，保持受光均匀.待幼苗生长出现显著差异时，停止试验，采用线绳法测量幼苗高度和根长，计数须根量，记录数据.

1.3 数据统计分析

采用Excel 2010软件统计数据、作图，运用SPSS 26.0软件对数据进行单因素方差分析和差异显著性检验(LSD).利用化感效应指数(RI)进行数据统计分析，参照WILLIAMSON[10]的方法计算：

式中：C为对照值；T为处理值.RI>0，表示促进作用；RI<0，表示抑制作用；RI绝对值的大小表示化感效应的强弱.

2 结果与分析

2.1 老参地土壤浸提液对种子萌发的影响

2.1.1 老参地土壤浸提液对种子发芽势的影响

不同质量浓度老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽势的影响方差分析结果见表1.由表1可见：老参地土壤浸提液对玉米和紫苏两种作物种子的发芽势均呈现高质量浓度抑制的现象.当土壤浸提液质量浓度为50 g/L的低质量浓度时，玉米和紫苏种子的发芽势分别为93%和94%，与对照组发芽势略有差异，但未达到显著水平，其化感效应指数都在0.02左右.随着质量浓度的提高，对玉米、紫苏种子发芽势的抑制作用显现.当土壤浸提液质量浓度为100 g/L的中质量浓度时，玉米和紫苏种子的发芽势为83%和89%，低于对照组，且化感效应指数已经出现负值，抑制作用开始显现；当土壤浸提液质量浓度为200 g/L的母液时，发芽势的抑制作用达到显著水平，化感效应指数分别为-0.18和-0.08.

表1 老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽势的影响Tab.1 Effect of soil extracts from old Ginseng field on germination energy of maize and perilla seeds

2.1.2 老参地土壤浸提液对种子发芽率的影响

老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽率的影响方差分析结果见表2.由表2可见：当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，玉米和紫苏种子发芽率分别为94%和95%，略高于对照组，但没有达到显著水平；当土壤浸提液质量浓度为100 g/L时，玉米和紫苏种子发芽率分别为87%和92%，玉米已经显著表现出抑制作用，紫苏的发芽率小于对照组，其化感效应指数均出现负值；当土壤浸提液质量浓度为200 g/L时，玉米和紫苏种子发芽率分别为83%和85%，化感效应指数分别为-0.108 4和-0.075 1，抑制作用更加明显，未发芽的种子更多.

表2 老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽率的影响Tab.2 Effect of soil extracts from old Ginseng field on germination rate of maize and perilla seeds

2.1.3 老参地土壤浸提液对种子发芽指数的影响

老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽指数的影响方差分析结果见表3.由表3可见：当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，玉米和紫苏种子的发芽指数分别为29.56和40.6，化感效应指数为负值，表现出抑制作用；随着土壤浸提液质量浓度的提高，对玉米和紫苏种子发芽的抑制作用逐渐增强，当土壤浸提液质量浓度为200 g/L时，玉米和紫苏种子的发芽指数分别为25.52和34.78，与对照组差异显著，对应的化感效应指数为-0.462 4和-0.294 2，表现出很强的抑制作用.

表3 老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽指数的影响Tab.3 Effect of soil extracts from old Ginseng field on germination index of maize and perilla seeds

2.1.4 老参地土壤浸提液对种子发芽速度指数的影响

老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽速度指数的影响方差分析结果见表4.由表4可见：当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，玉米和紫苏种子的发芽速度指数分别为375和667，化感效应指数为负值，表现出抑制作用；随着质量浓度的提高，对玉米和紫苏种子发芽的抑制作用增强，当土壤浸提液质量浓度为200 g/L时，玉米和紫苏种子的发芽速度指数与对照组相比低96和118，对应的化感效应指数为-0.318 9和-0.204 2，表现出较强的抑制作用.

表4 老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子发芽速度指数的影响Tab.4 Effect of soil extracts from old Ginseng field on germination speed index of maize and perilla seeds

2.2 老参地土壤浸提液对幼苗生长的影响

老参地土壤浸提液对玉米和紫苏幼苗植株生长的影响见表5，不同处理下的根长和须根量比较见图1.

表5 老参地土壤浸提液对玉米和紫苏幼苗生长的影响Tab.5 Effect of soil extracts from old Ginseng field on seedling growth of maize and perilla seeds

图1 不同处理根长和须根量Fig.1 Root length and fibrous root quantity in different treatments

对于玉米，当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，株高(103.1 mm)比对照组(CK)提高了20.6%，化感指数为0.161 3，达到显著水平，当用其他质量浓度土壤浸提液处理时，株高与对照组相比没有显著差异；当土壤浸提液质量浓度为200 g/L时，根长和须根量分别为22.91 mm和10.66条，明显小于对照组的43.54 mm和10.66条，化感指数分别达到-0.336 6和-0.06 4，均达到显著水平.随着浸提液质量浓度的降低，玉米根长有所增加，但增加幅度不大，没有达到显著水平.当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，须根数量与对照相比没有显著变化，化感指数仅为-0.027 7.

对于紫苏，当土壤浸提液质量浓度为50 g/L时，株高(54.42 mm)略高于对照组的53.6 mm，没有达到显著水平，随着质量浓度的升高株高逐渐降低，但降低的幅度有限，均没有达到显著水平；当土壤浸提液质量浓度为200 g/L时，根长和须根量分别为12.65 mm和19.93条，明显小于对照组的36.28 mm和26.62条，化感指数分别为-0.411 7和-0.094 7，均达到显著水平.随着浸提液质量浓度的降低，紫苏的根长显著增加，但即使在土壤浸提液质量浓度为50 g/L的处理组中根长与对照组仍有较大差距，化感指数达到-0.165 9；紫苏的须根量也随着浸提液质量浓度的升高显著减少，说明浸提液中的化感物质严重抑制了紫苏根的生长.

3 结论与讨论

3.1 结 论

本次研究表明：老参地土壤浸提液对玉米和紫苏种子的发芽进程、萌发、活力均表现出随质量浓度提高抑制作用增强的规律.老参地土壤浸提液抑制了种子的发芽势，说明化感物质推迟了种子的发芽进程；种子发芽率降低，说明化感物质抑制了种子萌发；种子发芽指数和发芽速度指数降低，说明化感物质抑制了种子活力.对比发芽势、发芽率、发芽指数和发芽速度指数可见，发芽指数的化感效应指数绝对值显著大于其他指标，说明发芽指数对化感作用更为敏感.对比两种种子可知，紫苏的发芽势和发芽率更高，化感效应指数绝对值偏差较小，说明紫苏受到化感作用的影响较小，可以作为参后土壤修复的首选作物，种过人参的土壤更适合与紫苏轮作.

老参地土壤浸提液抑制幼苗根生长，对根长和须根量的抑制作用都随质量浓度的提高逐渐增强，但对株高的抑制作用不明显，化感效应强度为根长>须根量>株高.由此表明，化感物质的存在抑制了玉米和紫苏的生长，推迟了生长进程.浸提液质量浓度为50 g/L时开始抑制根生长，尤其对根长的抑制作用最强.

3.2 讨 论

王韶娟[8]研究了人参根系的化感物质对白菜、水稻、萝卜、玉米和大豆种子发芽、幼苗根长、株高、幼苗株鲜重和株干重的影响，结果显示，较高浓度的浸提物对受体种子的测定指标都有抑制作用，与本研究结论一致.本试验中，在土壤浸提液质量浓度为100、200 g/L时紫苏幼苗有烧苗、死苗和根部腐烂的现象；出苗较晚的幼苗生长势较弱，须根量明显较少，须根较短，分支较少，根系发育不发达，说明即使玉米和紫苏种子可以萌发，后期的生长也会出现严重问题，许世泉等[6]、张秋菊等[9]、陈芸等[11]的研究也得到了相似结论.

化感作用对植物影响的强弱主要由化感物质的浓度和持续时间决定，植物根系周围的化感物质浓度一般会随着时间而改变，化感效应也会发生改变[12].本次仅研究了玉米和紫苏萌发和幼苗生长，要全面了解轮作植物间的化感作用，还需对受体植物整个生长周期进行研究，探讨物种间化感效应的变化.