大豆重迎茬減產的原因及農藝對策研究——重迎茬大豆的根系分泌物與根茬腐解物

何志鴻，許艷麗，劉忠堂，韓曉增，何雪瑩

（1.黑龍江省科技廳,哈爾濱 150001；2.中國科學院東北地理與農業生態研究所,哈爾濱 150040；3.國家大豆工程技術研究中心,哈爾濱 150050；4.黑龍江省農業科學院,哈爾濱 150086）

重迎茬是我國大豆主產區，特別是黑龍江省大豆生產中愈來愈嚴重的一個問題。重迎茬大豆產量降低、品質變差，引起了各級領導機關和科研單位的極大重視。在黑龍江省政府和國家科技部的支持下，從1993年開始，先后確立為黑龍江省和國家重點課題、重大課題、重中之重科技攻關項目，分三個階段組織黑龍江省屬和中直科研單位287名科技人員，分5個專題13個子專題，在6個生態區、9個固定輪作場圃、23個試驗示范區，進行多學科、多部門的聯合攻關，基本探明大豆重迎茬減產的原因，提出了減緩產量損失的7條農藝對策[1]。在生產上大面積推廣應用這些研究成果，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

本文為課題中關于重迎茬大豆的根系分泌物與根茬腐解物部分，旨在探討它們對重迎茬大豆的影響，及其在造成重迎茬大豆減產的諸多原因中的地位與作用。

1 研究方法

1.1 課題的組織與實施

1993 年列黑龍江省科技攻關計劃重點課題，通過招標，由原中國科學院黑龍江農業現代化研究所（現中國科學院東北地理與農業生態研究所）江修業研究員主持第一期研究，主要在該研究所及其海倫試驗站和部分合作單位以及該所的農村基點進行；1994—1996年列黑龍江省科技攻關重大課題，由黑龍江省農業科學院等單位的劉忠堂、江修業、何志鴻研究員主持，通過擇優，組織全省十多個科研、教學、推廣單位的一百多名科技人員分工合作、聯合攻關。第二期的研究課題設立重迎茬對大豆產量和品質的影響、原因與機理、農藝對策、輪作體系和技術示范5個專題13個子專題，在全省6個生態區設立9個固定輪作場圃和多處田間試驗區，并輔以必要的框區和盆栽試驗，進行必要的實驗室試驗分析研究，同時在24個主產縣（市、農場）進行大面積的生產調查；1996—2000年列入國家“九五”重中之重科技攻關項目“大豆大面積高產綜合配套技術研究開發與示范”課題，為該課題03專題的01子課題的一部分。第三期研究工作由中國科學院東北地理與農業生態研究所許艷麗和韓曉增研究員、國家大豆工程技術研究中心劉忠堂研究員、黑龍江省科技廳何志鴻研究員主持，在前期的9個固定輪作試驗場圃，由中國科學院東北地理與農業生態研究所、黑龍江省農業科學院、東北農業大學、黑龍江八一農墾大學等單位進一步進行研究的基礎上，又增加了6個縣（市、農場）作為核心試驗基點、17個縣（市、農場）作為重點示范區，通過招標，中國農業大學、中國科學院沈陽應用生態研究所、中國農業科學院生物防治研究所、解放軍軍需大學和沈陽農業大學參加根系分泌物和根際微生物以及生物防治方面部分內容的研究工作，采取試驗場圃定點觀測調查、實驗室分析測試、中試車間開發生產、試驗區試驗示范、生產田推廣應用相結合的方法進行研究與開發。

1.2 試驗設計與研究方法

1.2.1 總體試驗設計

采取多年多地定點以及多種研究方法和研究手段進行綜合研究與專項研究，試驗研究在全省6個不同生態區同時進行，主要的觀測、調查均在各生態區由9個小區組成的固定場圃進行，同時設置必要的微區、框區、盆栽研究與實驗室研究，在各生態區有代表性的縣（市、農場）的典型地區進行大面積的生產調查，并在這些縣（市、農場）建立試驗示范基地（基點）、設立試驗示范田。對于研究結果進行分析處理時，既考慮全省的共性、也考慮不同生態區的特殊性。

試驗研究的田間設計與當地當前的大豆生產水平、生產條件相一致。即試驗區的管理與當地大豆生產田相一致，除試驗處理之外的耕作、播種、施肥、田間管理均與當地當前的生產環節同步、生產水平平行進行。

1.2.2 固定輪作場圃

在黑龍江省的低濕、鹽堿土、風沙干旱、黑土和高寒等不同生態區設立的9個固定輪作區，按照固定的種植模式，使試驗區內的大豆每年都有正茬、迎茬、重茬各處理，隨著試驗的連年進行，輪作場圃中的重茬處理逐年為重茬一年，重茬一年和二年，重茬一年、二年和三年，以及一個長期重茬小區。中科院海倫試驗站的固定輪作場圃始設于1993年前，其余各固定輪作區自1994年設立，至第三期研究結束，都已經連續了7～8a，試驗區每個小區12行，行長30m，行距0.7m，輪作方式與當地生產相一致。

1.2.3 專項試驗與調查

1.2.3.1 根系分泌物

（1） 土壤中酚酸含量

方法1：將不同土壤浸提、分離、萃取，高效液相色譜儀測定[2]。

方法2：將預先在1/2強霍格蘭—阿農營養液中培養2周和8周的大豆幼苗移至CaCl2溶液中培養4h，再用CH2Cl2提取根洗液，提取液用色譜—質譜儀分析，通過計算機檢索進行未知物的鑒定[3,4]。

（2） 大豆高效分泌物組分分析及毒害作用

方法1：采用GC-MS分析法，對水培2周、8周大豆根用二氯甲烷收集提取的根系分泌物進行分析，采用此提取物進行種子萌發試驗[4-6]。

方法2：采用XAD-4吸附酚酸類物質有效的轉型吸附柱連續自動循環系統收集根系分泌物，鑒定水培3周被收集的大豆根系分泌物的水溶性（酸性、中性、堿性吸水相）、非水溶性物質組分。

（3） 重茬大豆根系分泌物對根腐病病原菌生長的影響

大豆水培苗的培養液加入培養基中，接種供試病原菌，25℃恒溫培養48h后測定菌落直徑[7]。1.2.3.2 根茬腐解物

（1）根茬腐解物的制備：大豆根茬粉碎后加入馬糞作為接種微生物來源，腐解1個月，采用盆栽試驗進行根茬腐解液生物測定[8-15]。

（2）根茬腐解液的提取、鑒定：參照馬瑞霞（1996）方法[8]，即將培養液pH調至2和12，用二氯甲烷萃取，分別得到酸性和堿性提取液，然后用質譜儀測定。

2 結果與分析

2.1 根系分泌物

2.1.1 大豆根系分泌物的種類

共檢測出酸、醇、酯等有機化合物8類124種，其中2周幼苗培養液中檢出7類58種，8周幼苗培養液中檢出7類79種。兩種培養液中檢出相同的有機化合物6類13種。8周幼苗培養液與2周幼苗培養液相比較，檢出物中酸類和酯類物質種數下降，醇類和烴類物質種數增加，醛類和酮類物質種數變化不大、但并不是同種物質，2周培養液中檢出1種酚類物質、8周培養液中檢出1種苯類物質（見表1）。

以等量的二氯甲烷為對照，用2周和8周大豆根系分泌物的二氯甲烷提取液做大豆發芽試驗，對照的發芽率為100%，2周根系分泌物提取液的處理為90%，8周根系分泌物提取物的處理為100%，處理間差異不顯著；2周根系分泌物提取物處理的大豆胚根長3.22cm，對照長3.97cm，差異極顯著，8周根系分泌物物提液處理胚根長4.47cm，對照胚根長4.76cm，差異不顯著。

表1 大豆根系分泌物的種類

從這一檢測和試驗結果可以看出3個問題：

（1）在大豆生長發育的不同時期（2周和8周），根系分泌物的種類不盡相同，而且差別較大，早期（2周）分泌物與以后（8周）的分泌物種類有很多不同；

（2）能被二氯甲烷提取的根系分泌物的種類中烴類的比例較大，占50%以上；

（3）由2周培養液較8周培養液對大豆胚根生長有明顯的抑制作用可以推知，8周培養液較2周培養液中減少種數的酸類和酯類物質對大豆有明顯的毒害作用，酚類也可能有較大的毒害作用。不同時期各種分泌物數量上的差異及其對大豆生長發育的影響將另文報導。

2.1.2 重迎茬大豆根系分泌物的數量

進一步的研究工作表明生長在正茬與重迎茬不同茬口的大豆根系分泌物的數量有所不同。總的表現為重迎茬大豆土壤中的蛋白質、糖、氨基酸、酚酸、醛等多種物質含量較正茬增加，而且重茬、特別是多次重茬增加得更多（見表2），這類分泌物大量增加可能是重迎茬大豆自毒現象的原因所在。

2.1.3 根系分泌物對重迎茬大豆的影響

2.1.3.1 根系分泌物對大豆幼苗生長的影響

將大豆幼苗分別在無菌的新鮮培養基（一次接種培養）和已經培養過一次（30d）大豆幼苗、并補充了15ml營養液的培養基上培養（二次接種培養），20d后收獲，測定幼苗的生長狀況。新鮮培養基上的大豆相當于正茬種植，同一培養基上第二次培養的大豆相當于重茬種植。補充營養液是為了彌補前一次培養時大豆幼苗所消耗的養分。由于是滅菌培養，所以第二次培養，只是培養基中多了上一次培養的大豆幼苗的根系分泌物，其余與新鮮培養基相同。測定結果如表3。

由于第二次培養（相當于重茬）的培養基中存在第一次培養（相當于前茬、正茬）大豆苗根系分泌物，影響了大豆苗的生長，所以其株高、植株鮮重、根長、根鮮重都低于第一次培養（正茬）的大豆幼苗。這種培養是在無菌條件下進行的，由此可見，前茬大豆的根系分泌物對重茬培養的大豆幼苗起到了抑制作用，抑制率達11.5%～37.7%（莖葉鮮重除外）。但這畢竟是間隔時間很短的實驗室里的模擬試驗，在生產實踐中這種根系分泌物在土壤——微生物——植物這一活的有機體系中存在多長時間、能否對后作造成不良影響，需要進一步的研究。

2.1.3.2 根系分泌物對大豆病原菌的影響

在海倫試驗區固定輪作場圃試驗處理中，休閑區不種植任何作物，同樣鏟趟管理，其土壤中沒有根系分泌物和根茬腐解物，正茬大豆區土壤中有當年大豆的根系分泌物，迎茬大豆區土壤中有當年大豆根系分泌物和前一年沒有完全腐解的大豆根茬殘留物，重茬一年大豆區土壤中有大豆根系分泌物（包括當年和上一年遺留的根系分泌物）和前一年遺留的大豆根茬殘留物，重茬三年大豆區土壤中有大豆根系分泌物和前一年沒有全部腐解的與新遺留的大豆根茬殘留物。由于土壤里大豆根茬殘留物不斷腐解，所以重迎茬大豆區土壤中都有大豆根茬腐解物，而且重茬比迎茬腐解物的數量要多。因此，表4中土壤微生物區系的變化，對于正茬大豆而言，是根系分泌物的影響，而對重迎茬大豆而言，則是根系分泌物與根茬腐解物的共同影響。

從表4可見，正、重、迎茬大豆土壤中真菌數量都比休閑地高，表明根系分泌物的單獨作用及其與根茬腐解物的共同作用，都可以引起土壤中真菌數量增加；重迎茬大豆土壤中細菌數量比正茬降低，表明根系分泌物與根茬腐解物的共同作用，使土壤中細菌數量減少。

表2 不同茬口大豆根系分泌物中幾種成分的含量

表3 同一培養基二次培養對大豆無菌苗生長的影響

表4 不同輪作體系的大豆土壤微生物數量變化 ×105個/g干土

進一步的模擬試驗，證實了根系分泌物對土壤微生物區系的影響：向土樣中加入不同數量濃度均為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，使土壤中含有一定數量的酚酸，然后置于25℃恒溫箱中培養，用平板法測定土壤中真菌數量，結果在相同的培養時間內，土壤中真菌數量因加入的酚酸濃度而增加，當濃度相同時，隨培養時間加長真菌數量增加（見表5）。酚酸類是大豆根系分泌物中已檢出的幾種主要物質，由此可知土壤中真菌數量會因大豆根系分泌物的影響而增加，微生物區系會因大豆根系分泌物的影響而發生變化。

表5 酚酸對土壤中真菌數量的影響

根系分泌物不僅對大豆幼苗的生長發育、根際土壤中的微生物區系發生影響，同時，也可以使真菌中的病原真菌數量發生明顯變化。以正、重、迎茬大豆土壤浸提液培養大豆，再以此種培養液的濃縮液為營養源培養根腐病病源菌，研究大豆根系分泌物對土壤致病真菌的影響。結果表明，根系分泌物顯著地增加了土壤中致病真菌的數量，而且重茬重于迎茬，多年重茬重于短期重茬（見表6）。由于正、重、迎茬浸提液培養的大豆都有根系分泌物，因此，表6中各處理與對照病原菌數量上的差異的一個重要原因是由于根系分泌物的影響所致。但是，除根系分泌物之外，重迎茬大豆土壤浸提液中還含有一定數量的根茬腐解物，而且其數量為重二>重一>迎茬。這與培養的病原菌數量結果一致。可見，除了根系分泌物對病原菌數量有影響，根茬腐解物對其也發生了重要的影響。

表6 重茬條件下大豆根系分泌物對主要土壤真菌的影響×106個/g干土

2.1.3.3 根系分泌物對土壤微量元素的活化作用

研究結果表明，根系分泌物對土壤中的一些微量元素具有一定的活化作用。從表7的結果可以看出，種植大豆之后，土壤中原來未能檢出的Fe現在可以檢出，而且重茬的檢出量明顯地高于正茬和迎茬大豆；雖然對照和正茬大豆土壤中都可以檢出少量的Mn，但是重茬種植大豆以后，檢出量增加了一倍（見表7）。

表7 種植在不同茬口的大豆根系分泌物對土壤微量元素的活化作用 mg/g干土

鐵在細胞色素、過氧化物酶、過氧化氫酶中都有重要的功能；錳是多種酶系統的催化劑，直接參與氧化還原過程，促進固氮作用，缺錳時葉綠素的合成和根瘤的形成都要受到影響。缺乏這兩種元素都會影響植株的正常生理功能。但是，“微量元素還有一個特征，就是土壤中存在的有效態微量元素，如果在數量上有極微量的超量時，一般都是極有毒的”（E.W.Russell，1973）[16]。所以，大豆根系分泌物對于土壤微量元素的活化作用能夠影響到重迎茬大豆的生長發育。至于是正向影響還是負向影響以及由于根系分泌物的活化作用，改變了土壤中活化鐵、錳的比例，將對重迎茬大豆產生什么樣的影響，都需要進一步研究才能確定。

2.2 根茬腐解物

試驗采取將大豆殘體經過不同時間的分解，提取微生物分解產物，得到殘茬腐解液，用蒸餾水浸泡大豆殘茬得到殘茬浸出液。向盆栽苗澆灌腐解液和浸出液，結果觀察到根茬腐解物抑制了大豆根的下胚軸伸長、降低了根系活力（見表8）。

表8 大豆殘茬腐解物對大豆幼苗的影響

由表8的結果可以看出，（1）無論是加入根茬還是莖稈，腐解1周以上，都對大豆下胚軸的伸長產生了抑制性的影響；（2）根茬和莖稈等大豆植株的不同部分腐解后對大豆下胚軸伸長的影響沒有明顯的差別；（3）無論是根茬還是莖稈，加入量高時，腐解后對大豆下胚軸的抑制作用大于加入量低的處理。

從表8的結果還可以看出，大豆殘茬腐解物對大豆根系活力有明顯的抑制作用，而且同樣是高劑量的作用大于低劑量的作用。比較根茬和莖稈腐解物對大豆根系活力的影響，可以發現，1～3周短時間腐解處理，腐解物的抑制作用根茬略高于莖稈，7～9周的長時間處理，腐解物的抑制作用莖稈略高于根茬。另一試驗結果表明，大豆根茬腐解1個月，對大豆胚根生長的影響大于腐解4個月；即大豆根茬腐解初期對大豆的不利影響最強，經過一個生長季節以后，雖然還有不利的影響，但是已經降低了許多（見表9）。這表明早期的根茬腐解物中含有較多的化感物質。

表9 大豆根茬腐解時間對萌發大豆胚根長度的影響

表10 根茬腐解物對大豆產量的影響 g干物重/株

通過向正常輪作的土壤中拌入一定數量的大豆根茬，人為地制造重茬土壤環境而又排除了重茬種植前茬大豆根系分泌物的影響，從而測定根茬腐解物對大豆產量的影響。結果表明，無論向種在玉米茬還是小麥茬的土壤中加入一定的大豆根茬，再種植大豆，其產量都明顯地降低，而且加入的大豆根茬量越大，大豆的產量降低得越多（見表10）。證明了大豆根系腐解物對大豆的產量有不利的負向影響。

3 討論與結論

本研究結果表明，大豆重迎茬種植，根際土壤中的根系分泌物和根茬腐解物較正茬大豆增加，改變了土壤的微生態環境，因此產生了如下三種作用：（1）直接對大豆植株的生長發育產生了不利的影響，這將直接影響到干物質的合成，最終影響到產量；（2）使土壤中的微生物區系發生不良變化，導致真菌數量增加，特別是致病性真菌數量明顯增加，細菌、放線菌數量減少，這將加重對植株的侵害，對重迎茬大豆造成不利影響（第十報 重迎茬大豆的根際微生物）[17]；（3）對土壤中的一些微量元素有一定的活化作用，這將影響到土壤和植株體內一些酶的活性（第十二報 重迎茬大豆土壤中的酶）[18]以及植株對養分的吸收（第四報 重迎茬大豆的土壤養分和養分吸收）[19]，甚至還可能對重迎茬大豆植株或根際土壤微生物產生毒害作用（第七報 重迎茬大豆的根際土壤有機化合物）[20]，但這需要進一步研究確定。由于根系分泌物和根茬腐解物對重迎茬大豆的生長發育和產量有一定的不利影響，所以它們也是造成大豆重迎茬減產的一個原因。

重迎茬比正茬大豆土壤中真菌、細菌數量的增、減較為明顯，而正茬大豆與休閑地相比較，土壤中細菌數量的變化規律性不是很強（第十一報重迎茬大豆的根際微生物）[17]。說明單純的根系分泌物的影響，雖然可以使根際土壤中真菌數量明顯增加，但是并沒有在全生育期的每個階段都使細菌數量明顯減少，只有在根系分泌物和根茬腐解物的共同作用下，才使根際土壤中細菌的數量明顯地減少。

在表6的試驗中，有大豆根茬腐解物與根系分泌物同時存在時，比只有大豆根系分泌物單獨存在時，微生物區系變化更加明顯，而且根茬腐解物愈多、微生物區系變化得愈加明顯；表10的試驗中無大豆根系分泌物存在時，大豆的根茬腐解物仍然明顯地降低大豆各生育期的干物質積累。可見大豆根茬腐解物對于重迎茬大豆的影響作用較根系分泌物更大一些。

培養2周與培養8周大豆幼苗的根系分泌物有很多不同，而且對大豆幼苗的抑制作用培養2周的分泌物強于培養8周，說明大豆不同生育期的根系分泌物種類及毒害性不同，而且早期的根系分泌物毒害性更大。關于不同時期根系分泌物、根茬腐解物組分的變化，見另文報導[20-23]。

我們在研究過程中感到，根系分泌物的搜集以及將土壤中根系分泌物與根茬腐解物、微生物分泌物分離，目前還存在相當的難度，而根系分泌物需要相當高的濃度才會對大豆產生化感作用（1：10的稀釋濃度對大豆幼苗根莖鮮重、主根生長速度的影響與對照有明顯的差異，而1：1000濃度的這些影響則與對照無顯著差異），所以主要研究了根系分泌物對大豆幼苗的影響，這只能在一定程度上反映根系分泌物對重迎茬大豆的影響。至于根系分泌物對成株以及在整個生育期中對大豆的影響如何，有待進一步研究。

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