油菜对4种杂草种子的化感抑制效应及田间应用

全 威，郑成忠，东保柱，孟焕文，孙瑞锋，周洪友

（1. 内蒙古农业大学 园艺与植物保护学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 内蒙古乌兰察布市农林科学研究所，内蒙古 乌兰察布 012000；3. 鄂尔多斯市万通农牧业科技有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

农田杂草是农业生产中常见的有害生物。农田杂草与作物争夺水、肥、光照等自然资源，影响耕地生态环境与作物的产量和品质[1]。实际生产中常采用人工除草和化学除草来防除农田杂草，但人工除草效率低、费工费力，不符合现代农业发展的需求。化学除草是农业生产中常见的除草方式，但除草剂的不合理使用会造成除草剂残留超标、杂草产生抗性、农田生态破坏等问题[2]，制约着我国农业的绿色可持续发展，农田杂草的绿色防控是亟待解决的问题。近些年，不断有研究表明，植物化感作用可以影响杂草种子的萌发和生长，如马铃薯（Solanum tuberosum）[3]、 猪 毛 蒿（Artemisia scoparia）[4]、细 叶 旱 芹（Apium leptophyllum）[5]、谷 子（Setaria italica）[6]、小麦（Triticum aestivum）可以显著抑制野燕麦（Avena fatua）、多年生黑麦草（Lolium perenne）、红豆草（Onobrychis viciaefolia）、反枝苋（Amaranthus retroflexus）、藜（Chenopodium album）、狗尾草（Setaria viridis）、看麦娘（Alopecurus aequalisSobol.）等种子的萌发和生长[7]。

化感作用，又被称为异株克生，指活体植物通过自身根系分泌、雨水淋溶或其他方式释放到环境中影响其他植物生存的一类现象[8]。化感作用除草为农田杂草防除提供了新途径，在农业生产中也有应用，生产上可通过轮作、间作的方式实现化感作用除草[9]。有化感作用的绿肥植物具有抑制杂草种子萌发[10]、防治农田病虫害[11‑12]、改善土壤及农业生态环境等作用[13‑14]。BERDJOUR 等[15]发现，玉米（Zea mays）-大豆（Glycine max）间作可以显著降低杂草生物量，且随着间作距离的扩大对杂草生物量的抑制效果降低。有研究发现，冬羽扇豆（Lupinus albus）与黑小麦（Triticosecale）间作可抑制冬羽扇豆田内杂草的发生[16]。油菜（Brassica napus）作为一种常见的化感绿肥作物，在我国东北、华北、华中等地区均有分布[17]，对农田中病原菌和杂草均有显著抑制作用。室内研究发现，高浓度的油菜水浸提液可以有效抑制燕麦和向日葵幼苗生长；油菜叶水浸提液能够延长马唐（Digitaria sanguinalis）、反枝苋、醴肠（Eclipta prostrata）3 种杂草种子的平均发芽时间，降低马齿苋（Portulacae herba）的发芽率[18]。

虽然利用油菜的化感作用可以防治农田有害生物已被证实，但油菜对于常见农田杂草的化感效应强弱以及油菜化感作用对杂草生理过程的影响均未见报道。内蒙古农业大学生物农药实验室前期研究表明，不同油菜品种的化感效应不同，饲油二号作为绿肥在田间对杂草的防治效果优于其他品种。故拟通过油菜（饲油二号）浸提液处理不同的杂草种子，调查杂草种子发芽和幼苗生长情况以及杂草幼苗的抗氧化酶活性、丙二醛（MDA）含量，评价油菜对不同种类杂草的化感作用强弱，明确油菜化感作用对杂草生理过程的影响及油菜-燕麦（Avena SativaL）间作在燕麦田内的除草效果，以解决化学农药除草带来的农业经济损失、生态环境破坏、杂草产生抗药性等问题，为开发绿色安全的生物除草剂提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试油菜品种为饲油二号，供试燕麦品种为白燕二号，供试杂草为反枝苋、狗尾草、藜、野稷（Panicum miliaceum），所有供试种子均由内蒙古农业大学农药学研究室提供。

1.2 试验方法

1.2.1 油菜浸提液的制备 将成熟期油菜叶片清洗干净后切成2～3 cm2的小块，称取15 g油菜叶片小块浸泡于100 mL 蒸馏水中避光静置24 h，期间用玻璃棒搅拌4 次，即为0.15 g/mL 油菜水浸提液，并过0.22 μm的滤膜除杂；用无菌水稀释成0.10、0.05 g/mL浸提液，备用。

1.2.2 油菜浸提液对4种杂草种子萌发的化感作用测定 采用培养皿滤纸法进行种子萌发试验，分别用75%乙醇和3%次氯酸钠溶液对4 种杂草种子进行表面消毒。将一层灭菌滤纸平铺于无菌、直径120 mm 的培养皿内，并分别取0.05、0.10、0.15 g/mL油菜浸提液10 mL 润湿，之后放上100 粒杂草种子，将培养皿放入（25±1）℃智能人工培养箱内培养。此后，每隔24 h，分别加入相应质量浓度的油菜浸提液3 mL。每个质量浓度重复3 次，以无菌水为对照（CK）。每天观察发芽情况（萌发标准：胚根长度突破种子1 mm），至连续2 d种子萌发数量无变化为止。同时，计算发芽率（Germination rate）、发芽势（Germination potential）、发 芽 指 数（Germination index，GI）和活力指数（Vigor index，VI）。

发芽率=（发芽的种子数÷供试总种子数）×100%；

发芽势=（种子萌发最活跃时期发芽数÷供试总种子数）×100%；

GI=∑（Gt/Dt），Gt为第t天种子的发芽数，Dt为相应的天数；

VI=S×GI，S为种苗生长量（长度或质量）。

待发芽试验结束后，每处理取10株长势良好的杂草幼苗，用游标卡尺和天平分别测量4 种杂草幼苗的胚轴长、胚根长、鲜质量和干质量。

化感效应指数：参照WILLIAMSON 等[19]的方法计算化感效应指数（Response index，RI）。

RI=1-C/T（T≥C）或RI=T/C-1（T

式中，C为各指标的对照值；T为各指标的处理值；当RI>0为促进，RI<0为抑制，绝对值的大小表示作用强度大小。

化感综合效应指数（SE）反映化感效应的强弱，指同一处理下对同一受体各测试项目化感效应指数（RI）的算术平均值。

SE=（RI发芽率+RI发芽势+RI发芽指数+RI活力指数+RI胚根长+RI胚轴长+RI苗鲜质量+RI苗干质量）/8。

1.2.3 杂草幼苗抗氧化酶活性测定 取营养期的幼苗，参照沙俊涛等[20]的方法提取酶液。过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）活性均采用Sinobestbio 公司试剂盒测定，具体方法参照说明书。MDA 含量测定采用硫代巴比妥酸（Thiobarbituric acid，TBA）法[21]进行。

1.2.4 油菜-燕麦间作对燕麦田杂草发生的影响及防效调查 2021 年分别在位于内蒙古乌兰察布的集宁农科院和位于呼和浩特的内蒙古农业大学新校区农场进行油菜-燕麦间作试验。间作试验设置为3 垄燕麦（间距25 cm）与3 垄油菜（间距75 cm）间作，于燕麦苗期、抽穗期、成熟期采用五点取样方法调查间作田（处理）与单作田（对照）杂草的种类、密度，并计算株防效、鲜质量防效（每个点按0.5 m×0.5 m的样方面积设定）。

田间密度（MD）=调查田块的平均密度（株/m2）之和/总调查田块数；

株防效=（对照组株数-处理组株数）/对照组株数×100%；

鲜质量防效=（对照组杂草鲜质量-处理组杂草鲜质量）/对照组杂草鲜质量×100%[22]。

1.3 数据分析

应用SPSS 25.0 软件进行单因素方差分析（One‑way ANOVA），Duncan’s 法进行多重比较。采用Graphpad 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 油菜浸提液对4种杂草种子萌发的影响

油菜浸提液处理后，4 种杂草种子的各项萌发指标如图1 和图2 所示。由图1 和图2 可知，随着处理后时间的增加，在中质量浓度（0.10 g/mL）和高质量浓度（0.15 g/mL）油菜浸提液处理下，反枝苋与野稷种子萌发均受到饲油二号浸提液的显著抑制（P<0.05），而狗尾草、藜种子的发芽率则分别于处理后第2、3 天开始显著低于无菌水处理（CK）（P<0.05），且4种杂草种子的发芽势、发芽指数、活力指数均受到抑制且差异显著（P<0.05）。在低质量浓度（0.05 g/mL）处理下，仅反枝苋在处理第1、3、4天，野稷在处理第1、2、3 天以及藜在处理第6、7 天的发芽率受到显著抑制（P<0.05）；同时，在0.05 g/mL 油菜浸提液处理下，狗尾草的活力指数以及反枝苋、野稷的发芽势、发芽指数、活力指数均显著低于CK（P<0.05），而藜种子的萌发对0.05 g/mL 饲油二号浸提液不敏感。总体上，0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液对4种杂草的发芽势、发芽指数及活力指数均有抑制作用。

图1 油菜浸提液对4种杂草种子发芽率的影响Fig.1 Effects of rape water extract on germination rate of four weeds seed

图2 油菜浸提液对4种杂草种子发芽势、发芽指数、活力指数的影响Fig.2 Effects of rape water extract on germination potential，germination index and vigor index of four weeds seed

2.2 油菜浸提液对4种杂草生长的影响及其化感作用

由表1 和图3 可知，反枝苋胚轴长在0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理下与CK 差异显著；胚根长在0.05、0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理下均与CK 差异显著；鲜质量仅在0.15 g/mL油菜浸提液处理下与CK 差异显著；不同质量浓度饲油二号浸提液对反枝苋干质量的影响未达显著水平。狗尾草的胚轴长、胚根长、鲜质量、干质量在油菜浸提液3个质量浓度处理下均呈下降趋势且与CK 差异显著。藜的胚轴长和胚根长均受到低、中、高质量浓度油菜浸提液的显著抑制，胚根长所受抑制作用与浸提液质量浓度呈正相关。相反，藜的鲜质量受低质量浓度浸提液处理促进且与CK 差异显著，而0.10 g/mL 浸提液处理则会显著抑制藜的鲜质量，0.15 g/mL 油菜浸提液处理下其鲜质量与CK 差异不显著，藜干质量4个处理之间差异不显著。野稷干质量在低质量浓度浸提液处理下增加，但与CK 无显著差异，在中、高质量浓度油菜浸提液下呈下降趋势且与CK差异显著，其余生长指标所受抑制程度均随油菜浸提液质量浓度升高而增加。

图3 油菜浸提液对4种杂草幼苗生长各指标化感抑制指数的影响Fig.3 Effects of rape water extract on RI of growth indexes of four weeds seedling

表1 油菜浸提液对4种杂草幼苗生长的影响Tab.1 Effects of rape water extract on seedling growth of four weeds

2.3 油菜浸提液对4种杂草的综合化感效应

如表2 所示，3 个质量浓度油菜浸提液对4 种杂草的综合化感作用均表现为抑制。油菜浸提液对反枝苋、狗尾草、藜的综合化感效应随着质量浓度升高而增强；对野稷的综合化感效应随质量浓度升高呈先升高后降低的趋势，0.05、0.10、0.15 g/mL油菜浸提液对野稷的综合化感效应指数分别为-0.075、-0.400、-0.238。在供试质量浓度下，油菜浸提液对4种杂草的综合化感效应大小为狗尾草>野稷>藜>反枝苋。

表2 油菜浸提液对4种杂草幼苗的综合化感效应Tab.2 Allelopathy of rape water extract on four kinds of weed seedlings

2.4 油菜浸提液对4种杂草幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影响

由图4 可见，经0.05、0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理后，反枝苋幼苗SOD、POD 活性与CK 相比无显著差异，但CAT 活性显著升高。在0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理下，狗尾草幼苗SOD、POD 活性显著降低（P<0.05），但0.10 g/mL 浸提液处理下CAT 活性与CK 无显著差异。在各浓度油菜浸提液处理下，藜幼苗的SOD、POD、CAT活性均较CK显著降低，且CAT 活性降幅最大。在0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理下，野稷幼苗POD 活性显著降低，而CAT 活性在3 个质量浓度浸提液处理下均较CK 显著升高，且在0.15 g/mL浸提液处理下野稷SOD活性较CK 显著升高。经0.10、0.15 g/mL 油菜浸提液处理后，4 种杂草幼苗MDA 含量均显著升高，以藜升高趋势最为明显；经0.05 g/mL 油菜浸提液处理后，仅藜MDA含量较CK 显著上升，其他杂草MDA 含量与CK 相比无显著变化。以上结果表明，油菜浸提液对于不同杂草的化感效应不同，藜受油菜浸提液影响最为显著。

图4 油菜浸提液对4种杂草幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影响Fig.4 Effects of rape water extract on the antioxidant acitivity malondialdehyde content of four weeds seedling

2.5 油菜-燕麦间作对燕麦田杂草发生的影响及防治效果

2.5.1 燕麦单作田杂草发生情况 由表3可知，集宁农科院与内蒙古农业大学新校区农场燕麦单作田杂草种类繁多，且以反枝苋、藜、狗尾草、野稷及稗草为主，其中，反枝苋与狗尾草发生最严重，在集宁农科院的平均密度分别达到43.20、63.20株/m²，在内蒙古农业大学新校区农场的平均密度分别为12.16、8.64株/m²。

表3 间作模式下燕麦田内杂草发生情况Tab.3 Investigation on weed occurrence of oat field in two locations under intercropping mode

2.5.2 油菜-燕麦间作的防治效果 由表3、表4 可知，油菜-燕麦间作后，集宁农科院与内蒙古农业大学新校区农场燕麦田内的杂草种类、数量及鲜质量均降低。集宁农科院试验地燕麦单作田内，杂草密度为171.20 株/m2，而油菜-燕麦间作田杂草密度显著降低为80.00株/m2（P<0.05），株防效达到53.27%；同时，杂草鲜质量由燕麦单作田（77.90 g/m2）显著减少至38.37 g/m2（P<0.05），鲜质量防效达到50.74%。内蒙古农业大学新校区农场试验地燕麦单作田杂草密度为31.20株/m2，而油菜-燕麦间作田杂草密度降低为15.68 株/m2（P<0.05），株防效达到49.74%；同时，杂草鲜质量由燕麦单作田（123.81 g/m2）显著减少至64.15 g/m2（P<0.05），鲜质量防效达到

表4 间作模式下燕麦田内杂草防治效果Tab.4 Investigation on weed control effect of oat field in two locations under intercropping mode

48.19%。

3 结论与讨论

植物化感作用在自然界广泛存在。植物化感物质浓度不同，对其周围受体的生长和发育产生的影响也不同[23]。姚树宽等[24]研究发现，不同浓度假苍耳浸提液处理对油菜、白菜、萝卜种子萌发率的影响均表现为低促高抑，但对芥菜种子萌发率表现为化感抑制效应。此外，郑曦等[25]发现，杨柳树浸提液质量浓度低于25 g/L 时对小麦品种济麦22 种子的萌发起促进作用。本研究发现，在0.10、0.15 g/mL油菜浸提液处理下，4 种杂草种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数都受到显著抑制，且4 种杂草种子的发芽势与发芽指数所受抑制程度随油菜浸提液质量浓度升高而增强；低质量浓度（0.05 g/mL）对于一些杂草的萌发无显著影响，与前人研究中“低促高抑”的现象不同[26]，原因可能是化感物质的浓度、种类及环境条件和受体植物不同，具体原因仍需进一步研究确定。

一些化感植物的根系分泌物还会对受体的生长产生一定的影响。杨柳青等[27]发现，一定浓度实葶葱根系分泌物促进骆驼蓬幼苗的生长和干质量积累，对雀麦则表现为抑制作用。李茹等[28]研究了油菜品种史立丰对杂草千金子（Leptochloa chinensis）的化感作用，结果发现，0.10 g/mL 油菜秸秆水浸提液能够显著抑制千金子幼苗的根长和芽长，且化感抑制指数达到-0.99。李淑英等[18]研究表明，油菜叶水提液浓度越高，对反枝苋根长和苗高的抑制能力越强。本研究中，3 种质量浓度油菜浸提液处理后，狗尾草与藜幼苗的胚轴长与胚根长均较CK 显著降低；反枝苋与野稷幼苗胚根长显著降低，而胚轴长只在0.10、0.15 g/mL 浸提液处理下受到显著抑制。并且，经0.15 g/mL 浸提液处理后，除藜幼苗鲜、干质量以及反枝苋幼苗干质量与CK 差异不显著外，狗尾草和野稷幼苗的鲜质量和干质量均显著降低。以上研究结果表明，油菜浸提液能够不同程度地抑制4 类杂草受体的生长发育，利用油菜化感作用除草是一种可行的方法。通过油菜与各类作物轮作，将油菜作为绿肥来防除田间杂草，是农田杂草绿色防控的一种有效手段。然而，油菜对于各类作物的化感作用强弱以及是否影响作物产量和品质，仍需进一步研究。

SOD、POD、CAT 是植物体内几种主要的抗氧化酶，植物受损伤时可清除体内多余的活性氧，减轻活性氧对植物的损伤[29]。本研究发现，与CK 相比，油菜浸提液处理后藜的SOD、POD、CAT活性均显著降低，狗尾草的SOD、POD 活性显著下降，野稷的POD 活性降低，证明油菜浸提液处理抑制了杂草的抗氧化酶活性，致使杂草幼苗受到不同程度的活性氧损伤。MDA 含量作为脂质过氧化指标，反映植物对逆境的耐受程度。本研究结果发现，在中（0.10 g/mL）、高（0.15 g/mL）质量浓度油菜浸提液处理下，反枝苋、狗尾草、藜和野稷杂草幼苗体内MDA 含量随油菜浸提液浓度升高均显著增加，高质量浓度浸提液使植物体内的膜脂被氧化，造成植物细胞膜系统受到损伤。张如义等[30]研究发现，香樟凋落叶浸提液处理能够显著提高小白菜、莴苣、茄子叶片的MDA 含量，与本研究结果一致。以上结果表明，油菜化感作用能够改变杂草的抗氧化酶活性、破坏膜的完整性，从而抑制杂草幼苗的生长。

间作是绿色农业的一种杂草防除方法[31]。一方面，间作植物可以争夺杂草的资源和生态位，另一方面，间作植物可能分泌化感物质达到抑制杂草的目的[32]。SALAU 等[33]发现，南瓜与木薯间作可以抑制木薯田内70%～100%的杂草生长。间作可以改善土壤微生物的多样性[34]，促进间作作物化感物质的分泌，并增强间作作物与杂草的相互作用，从而达到除草的目的[35]。本研究发现，室内试验中油菜浸提液能抑制北方燕麦田4种常见杂草的萌发及生长；2 个地点的田间试验证明，油菜-燕麦间作体系对燕麦田间杂草的防治效果也很明显。可见，通过油菜与燕麦间作，利用油菜的化感作用抑草，是一种切实可行的燕麦田除草方法。以上研究为绿色防控农田杂草提供了新思路，其他油菜品种与作物间作能否有效控制田间杂草仍需进一步研究。