綠肥作物水浸提液對玉米種子萌發和幼苗生長的影響

朱吉風,王偉榮,蔣美艷,鄭洪建,江建霞,周熙榮

(上海市農業科學院作物育種栽培研究所,上海農產品保鮮加工工程技術研究中心,上海 201403)

植物化感作用(Allelopathy)最早于1937 年首次被提出,即植物(含微生物)釋放的化感物質對周邊植物(含微生物)的生長發育產生影響。 近年來,人們對農業系統中的化感作用逐漸關注,眾多研究表明:植物還田腐解過程中釋放的養分和代謝物質可促進或抑制周邊或后茬作物的種子發芽和幼苗生長[1]。 周娟娟等[2]研究表明,不同濃度的燕麥根莖浸提液對垂穗披堿草種子萌發和幼苗生長具有抑制作用,且隨著浸提液濃度的增加抑制作用增強;高玉蓮等[3]研究發現,油菜浸提液對燕麥、玉米和向日葵種子發芽率的影響不顯著,但高濃度浸提液抑制燕麥幼苗根莖生長,低濃度浸提液則促進玉米幼苗根莖生長;Velika等[4]研究表明,低濃度的油菜浸提液對小麥種子萌發無顯著影響,但高濃度浸提液對其有抑制作用,且對其根莖生長呈現低促高抑的濃度效應;魏云霞等[5]研究表明,紫云英浸提液促進玉米幼苗生長,但對種子萌發表現為低促高抑的化感作用。

綠肥作為一種直接或堆漚后還田的生物肥源,對增辟肥源、改良土壤、改善農產品品質等具有很大的作用,隨著“綠色理念”的普及,冬季綠肥還田將成為發展生態農業的必然趨勢。 油菜(Brassica napusL.)、紫云英(Astragalus sinicusL.)、蠶豆(Vicia fabaL.)和豌豆(Pisum sativumL.)等是我國主要的冬季綠肥作物,在我國綠色農業發展中發揮著重要作用。 還田植物在雨水淋溶或腐解等過程中通過向環境釋放養分和化感物質,促進或抑制后茬作物種子發芽和幼苗生長[1]。 目前研究多集中在綠肥還田對土壤肥力、后茬作物產量等的影響,較少有關于不同綠肥作物水浸提液對作物種子萌發及幼苗生長影響的報道。 因此,本試驗以糯玉米為材料,研究我國主要的冬季綠肥作物(如油菜、紫云英、蠶豆和豌豆)水提液對其種子萌發的化感作用,以期豐富十字花科、豆科與禾本科作物的化感理論,指導農民綠肥還田,了解不同綠肥還田后所產生的農業生態效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與浸提液制備

受體糯玉米品種為‘申科糯602’,由上海市農業科學院提供。 供體綠肥為油菜、紫云英、蠶豆和豌豆,于2020 年3 月采自上海市農業科學院莊行綜合試驗站。

參照魏云霞等[6]方法,將采集的綠肥植株地上部分用自來水沖洗干凈后風干,隨后將莖、葉和花分開并剪碎,各稱取10.0 g 碎樣于250 mL 錐形瓶中,加入200 mL 蒸餾水,室溫浸泡48 h 后,雙層紗布過濾,獲得水浸提液母液(質量濃度為50.0 g∕L),置于4 ℃冰箱保存備用。 發芽試驗時,用蒸餾水取將上述母液稀釋成質量濃度分別為25.0 g∕L、12.5 g∕L、6.2 g∕L、3.1 g∕L 的溶液備用。

1.2 試驗方法

參照魏云霞等[6]的方法,選取當年收獲、無病害、大小一致的飽滿玉米種子,將其放入鋪有2 層無菌濾紙的培養皿中,每皿30 粒,分別加入20 mL 不同處理的綠肥浸提液,以蒸餾水為對照,設3 次重復,于20 ℃恒溫培養,次日起定時觀察統計種子發芽情況,連續7 d 發芽種子數穩定時結束觀察,每皿隨機選取10 株測量苗高和鮮重(根苗部分),取平均值。

1.3 數據分析

根據玉米種子的發芽數計算對應發芽勢(GE,處理3 d 時的種子發芽率)以及各項指標的化感效應指數(RI)與綜合敏感指數(SI)[6]。

式中,N為供試種子總數;T為水浸提液處理下的對應測量值;C為對照值;n為該處理各指標數據RI的總個數;RI＞0 為促進,RI＜0 為抑制,絕對值的大小與化感作用強度一致。

采用Excel 2010 和SAS 9.2 軟件對數據進行整理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同綠肥水浸提液對玉米種子發芽的影響

油菜、紫云英、蠶豆和豌豆4 種綠肥作物的莖葉花水浸提液對玉米種子的3 d 發芽率(即發芽勢)呈現不同的化感效應,但整體表現為“低促高抑”的濃度規律。 其中,油菜地上不同器官(莖、葉和花)水浸提液處理的玉米種子發芽勢隨處理濃度增加表現為先增后降的變化趨勢,并在6.2 g∕L 時均達到最高值,但莖、花水浸提液濃度間差異不顯著。 紫云英、蠶豆、豌豆地上不同器官水浸提液處理的玉米種子發芽勢在不同濃度間存在差異,其中,紫云英莖水浸提液、蠶豆花水浸提液、豌豆葉水浸提液、豌豆花水浸提液處理的玉米種子發芽勢隨處理濃度增加表現為先增后降的變化趨勢,并分別在6.2 g∕L、12.5 g∕L、3.1 g∕L 時達到最高值,均在25.0 g∕L 時降到最低值,差異顯著;紫云英葉水浸提液對玉米種子發芽勢表現為抑制效應,且隨濃度增加而顯著增強(圖1)。

圖1 4 種綠肥水浸提液對玉米種子發芽勢的影響Fig.1 Effects of water extracts from 4 green manures on maize seed germination potential

2.2 不同綠肥水浸提液對玉米幼苗苗高和鮮重的影響

油菜地上不同器官水浸提液對玉米幼苗發育具有不同的化感效應,整體表現為“低促高抑”效應,即玉米幼苗苗高和鮮重隨油菜地上不同器官水浸提液處理濃度的增加而先增后降,均分別在3.1 g∕L 和25.0 g∕L 時達到最高值和最低值,且在不同濃度處理間存在顯著差異(圖2)。 可見,適量油菜作綠肥還田利于后茬作物玉米的生長,還田壓青量過多則不利于后茬玉米生長。

圖2 油菜水浸提液對玉米幼苗苗高和鮮重的影響Fig.2 Effects of rape water extracts on plant height and fresh weight of maize seedlings

紫云英地上不同器官水浸提液對玉米幼苗發育具有不同的化感效應,其中,紫云英葉水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重隨濃度增加而先增后降,分別在6.2 g∕L 和3.1 g∕L 時達到最高值;紫云英莖水浸提液處理的玉米幼苗苗高則隨濃度增加表現為增-降-略增-降的趨勢,鮮重則呈顯著下降趨勢;紫云英花水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重隨濃度增加表現為降-增-降的趨勢,分別在12.5 g∕L 和6.2 g∕L 時達到最高值(圖3)。

圖3 紫云英水浸提液對玉米幼苗苗高和鮮重的影響Fig.3 Effects of Chinese milk vetch water extracts on plant height and fresh weight of maize seedlings

蠶豆地上不同器官水浸提液對玉米幼苗發育具有不同的化感效應,蠶豆水浸提液處理的玉米幼苗苗高與鮮重均隨濃度增加而先增后降,其中蠶豆莖水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重在6.2 g∕L 時達到最高值,葉水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重在3.1 g∕L 時達到最高值,花水浸提液處理的玉米幼苗苗高與鮮重在12.5 g∕L 時達到最高值,但其苗高和鮮重的增降趨勢受蠶豆花水浸提液濃度影響的差異不顯著(圖4)。

圖4 蠶豆水浸提液對玉米幼苗苗高和鮮重的影響Fig.4 Effects of broad bean water extracts on plant height and fresh weight of maize seedlings

豌豆地上不同器官水浸提液對玉米幼苗發育具有不同的化感效應,其中,豌豆莖水浸提液、花水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重隨水浸提液濃度增加而先增后降,均在3.1 g∕L 達到最高值;在低于6.2 g∕L時,由豌豆葉水浸提液處理的玉米幼苗苗高和鮮重受水浸提液濃度影響不顯著,而在6.2—25.0 g∕L 時,苗高和鮮重則隨豌豆葉水浸提液濃度增加而顯著降低(圖5)。

圖5 豌豆水浸提液對玉米幼苗苗高和鮮重的影響Fig.5 Effects of pea water extracts on plant height and fresh weight of maize seedlings

2.3 不同綠肥水浸提液對玉米的綜合化感效應

從表1 可以看出:4 種綠肥作物地上不同器官水浸提液對玉米種子發芽勢、苗高、鮮重的化感指數存在正負差異,其中油菜莖水浸提液、油菜花水浸提液、紫云英花水浸提液、蠶豆莖水浸提液對玉米種子發芽勢,以及蠶豆花水浸提液對玉米種子發芽勢和苗高的化感指數絕對值均接近于零,說明這些作物莖或花的水浸提液對玉米種子發芽勢影響較小。 此外,4 種綠肥作物地上不同器官水浸提液對玉米種子發芽和幼苗生長的綜合敏感指數整體表現為低濃度為正、高濃度為負,說明供試綠肥作物不同器官水浸提液對玉米種子萌發與幼苗生長綜合表現為低質量濃度(3.1—6.2 g∕L)促進、高質量濃度(12.5—25.0 g∕L)抑制,且隨水浸提液濃度的增加抑制效應增強。 在4 種綠肥作物中,除蠶豆花水浸提液在質量濃度為12.5 g∕L 和25.0 g∕L 時對玉米苗高或鮮重為促進效應外,其他材料的水浸提液在相同濃度下均抑制玉米幼苗生長。

表1 4 種綠肥水浸提液對玉米種子萌發和幼苗生長的化感效應Table 1 Allelopathic effects of water extracts from 4 green manures on maize seed germination and seedling growth %

3 討論

綠肥作為一種重要的有機肥源,在培肥地力、改善土壤理化性質、提高農產品品質等方面發揮重要作用[7]。 油菜、紫云英、蠶豆和豌豆等是我國傳統的冬季綠肥作物,還田進入土壤后可有效改良土壤、增加氮磷鉀等營養成分,促進后茬作物生長與產量增加等[8-11]。 然而,植物體內普遍存在著一些化感物質,在其還田腐爛過程中釋放到環境中影響周邊或后茬作物種子萌發和幼苗生長等[12-13]。

前人研究表明,綠肥還田可顯著抑制雜草種子萌發和生長,而對后茬作物玉米、水稻、花生等的幼苗生長無顯著影響[5,13-14]。 本研究表明:油菜、紫云英、蠶豆和豌豆4 種冬季綠肥作物莖葉花水浸提液對玉米種子發芽勢及幼苗生長存在化感抑制效應,且在3.1—25.0 g∕L 時,玉米種子的發芽勢、苗高和鮮重隨水浸提液濃度的增加整體上呈先增后降的趨勢,說明綠肥水浸提液在低濃度下促進玉米發芽與幼苗生長,而在高濃度下則抑制玉米種子發芽和幼苗生長,即不同綠肥作物地上各器官水浸提液對玉米種子發芽勢和幼苗生長總體呈現“低促高抑”的濃度規律,這與前人研究結果基本一致[3-6,14-15]。 因此,為減少綠肥作物還田后其釋放的化感物質對后茬玉米種子萌發和幼苗生長的不利影響,需根據不同綠肥作物濃度效應適度控制其還田量,避免因“營養過剩”造成玉米種子萌發和幼苗生長受阻。