劉 蘋(píng)，趙海軍，仲子文，孫 明，龐亞群，馬 征，萬(wàn)書(shū)波，*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，濟(jì)南 250100;2.農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250100;3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，濟(jì)南 250100;4.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，濟(jì)南 250100;5.黑龍江省肇源縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，肇源 166500)

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，同一種作物在同一地塊連續(xù)種植多年，通常會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為連作障礙［1］。Rice 1984年將化感作用定義為一種植物(包括微生物)通過(guò)向環(huán)境釋放化學(xué)物質(zhì)的方法，對(duì)其他植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用［2］。自毒作用是一種特殊的化感作用，即植物釋放的化學(xué)物質(zhì)對(duì)自身種子的萌發(fā)及植株生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用的現(xiàn)象［3］。近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明，作物根系分泌物的自毒作用與作物的連作障礙有著密切的關(guān)系［4-6］。田間條件下，化感物質(zhì)或自毒物質(zhì)產(chǎn)生毒性作用的前提條件是要積累到一定的含量水平，且與目標(biāo)植物直接接觸［7］?；形镔|(zhì)或自毒物質(zhì)在土壤中的存在形式和狀態(tài)受土壤微生物和土壤條件的影響很大［8-10］。然而，大部分化感作用的生物評(píng)價(jià)試驗(yàn)是在人工生長(zhǎng)介質(zhì)如瓊脂、石英砂、蛭石中進(jìn)行的，必然導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與田間實(shí)際情況差距較大［11］。因此，如Inderjit的建議，有必要對(duì)分離鑒定出的化感物質(zhì)進(jìn)入到土壤后的作用進(jìn)行研究［12］。

植物的化感作用是釋放的所有化感物質(zhì)綜合作用的結(jié)果。Einhellig認(rèn)為幾乎所有植物的化感作用是至少兩種或兩種以上物質(zhì)相互作用的結(jié)果［13］。而且，大田土壤中除了植物釋放的化感物質(zhì)外還包括多種物質(zhì)(有毒或無(wú)毒)，這些物質(zhì)很可能會(huì)與化感物質(zhì)發(fā)生相互作用。Blum的研究表明，隨著添加到土壤中的酚酸類(lèi)物質(zhì)種類(lèi)的增多，單種酚酸類(lèi)物質(zhì)對(duì)黃瓜生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用的含量降低，向土壤中添加其他有機(jī)物質(zhì)(葡萄糖、蛋氨酸等)也降低了單種酚酸物質(zhì)產(chǎn)生抑制作用的含量［14］。由于化感物質(zhì)可能存在相互作用，因此有必要對(duì)其進(jìn)入到土壤后的綜合作用進(jìn)行研究。

花生是一種重要的油料經(jīng)濟(jì)作物。花生連作后長(zhǎng)勢(shì)變差，產(chǎn)量和品質(zhì)降低。山東省每年大約有連作田23.33萬(wàn)—26.67萬(wàn)hm2，由連作而造成的減產(chǎn)在15萬(wàn)t以上［15］。因此，揭示花生連作障礙的成因非常重要。早期研究表明，花生連作障礙與土壤的微生物區(qū)系、酶活性、物理和化學(xué)性質(zhì)等的變化相關(guān)［6］。前期研究發(fā)現(xiàn)花生根系分泌物的自毒作用與花生連作障礙有著密切關(guān)系，鑒定出了包括脂肪酸類(lèi)物質(zhì)在內(nèi)的6種主要成分［16］，其中，豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸的含量相對(duì)較高，并且發(fā)現(xiàn)連作花生土壤中脂肪酸類(lèi)物質(zhì)含量有累積的趨勢(shì)。脂肪酸類(lèi)化感物質(zhì)是目前研究較多、活性較強(qiáng)的一類(lèi)物質(zhì)，很多植物的根系分泌物中均檢測(cè)到脂肪酸及其衍生物，如:小麥、玉米、大豆、水稻、茄子的根系分泌物中均分離鑒定出該類(lèi)物質(zhì)。豆蔻酸是茄子根系分泌物中特征性的化感物質(zhì)［17］，豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸等多種脂肪酸對(duì)藻類(lèi)的生長(zhǎng)均具有一定的抑制作用［18］。在本研究中，以田間土壤為介質(zhì)，采用盆栽試驗(yàn)的方法重點(diǎn)研究了花生根系分泌物中3種長(zhǎng)鏈脂肪酸，即:豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸的混合物，對(duì)花生植株生長(zhǎng)、產(chǎn)量和土壤酶活性的影響。旨在探討花生連作后土壤中脂肪酸類(lèi)物質(zhì)的累積與花生連作障礙間的關(guān)系，為花生連作障礙機(jī)理的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從田間收集未種植過(guò)花生的土壤，過(guò)2 mm篩混勻，土壤為棕壤，pH值約為6.6，有機(jī)質(zhì)含量為1.32%，堿解氮、速效磷、速效鉀的含量分別為71.5、9.73和234.88 mg/kg。將5 kg過(guò)篩土壤裝于準(zhǔn)備好的108個(gè)花盆中(25×30 cm)。根據(jù)豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸在花生根系分泌物中的相對(duì)含量，將豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸(上海國(guó)藥集團(tuán)公司出品，分析純)按照質(zhì)量比1.6∶16.6∶12均勻混合成3份，每份的質(zhì)量分別為10.8、21.6 g和32.4 g，先用10 ml乙醇溶解再用蒸餾水稀釋至27 L。用稀釋后的溶液處理盆中的土壤，每盆澆灌1 L，使脂肪酸的初始含量達(dá)到80 mg/kg土、160 mg/kg土和240 mg/kg土，對(duì)照用蒸餾水處理，每個(gè)處理設(shè)27個(gè)平行。處理1d后每盆種下3棵大小一致的兩葉期花生幼苗。試驗(yàn)在自然氣候條件下進(jìn)行，試驗(yàn)期間根據(jù)干旱程度適量補(bǔ)充等量水分。本試驗(yàn)分別在2010年和2011年的6—8月份進(jìn)行，供試花生品種為花育16號(hào)，取兩年試驗(yàn)的平均值進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 花生農(nóng)藝性狀的測(cè)定

處理30d和60d之后，當(dāng)花生處于苗期和花期時(shí)，每個(gè)處理隨機(jī)取樣9盆，分別對(duì)花生的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定指標(biāo)有:苗高、莖葉鮮重、根系鮮重、總生物量、葉片葉綠素含量和根系活力，每盆中3株幼苗的平均值作為1個(gè)重復(fù)。用SPAD葉綠素儀(SPAD-502，日本)測(cè)定主莖第3片展開(kāi)葉的葉綠素含量［19］，注意確保SPAD儀的傳感器完全覆蓋住葉片。測(cè)定完根部鮮重之后，立即用TTC法測(cè)定根系活力［20］。處理3個(gè)月之后，當(dāng)花生進(jìn)入結(jié)莢期時(shí)測(cè)定每個(gè)處理余下的9個(gè)花盆中花生莢果的鮮重。

1.3 土壤酶活性的測(cè)定

當(dāng)花生植株處于苗期和花期時(shí)，在測(cè)定花生生長(zhǎng)和生理指標(biāo)之前，先采集根系附近(離主根2—4cm)土壤樣品，每盆隨機(jī)取3鉆(內(nèi)徑2.5cm)，采樣深度0—15 cm，充分混勻后裝在密封塑料袋中。立即將采集的土樣于室溫下風(fēng)干并過(guò)1 mm篩。采用水楊酸比色法測(cè)定蔗糖酶活性，苯酚鈉比色法測(cè)定脲酶活性，二鈉苯基磷酸鹽比色法測(cè)定磷酸酶活性［21］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS(13.0)進(jìn)行處理間各指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平為P＜0.05，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 脂肪酸對(duì)花生植株生長(zhǎng)的影響

當(dāng)土壤中脂肪酸含量相對(duì)較低時(shí)(初始含量80 mg/kg土)，對(duì)花生植株的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用(圖1)，但與對(duì)照的差別沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P＞0.05)。隨著土壤中脂肪酸含量的增加，對(duì)花生植株的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐种谱饔?，并且含量越高抑制作用越?qiáng)(圖1)。當(dāng)土壤中初始脂肪酸含量為160 mg/kg土?xí)r，苗期根系鮮重被顯著抑制(P＜0.05)，花期時(shí)莖葉鮮重、根系鮮重和總生物量均顯著低于對(duì)照(P＜0.01)。當(dāng)土壤中初始脂肪酸含量為240 mg/kg土?xí)r，苗期和花期時(shí)花生植株的株高、莖葉鮮重、根系鮮重、總生物量均顯著低于對(duì)照處理(P＜0.01)，其中在花期時(shí)各指標(biāo)比對(duì)照分別降低14.4%，22.0%，30.9%，和23.7%。

2.2 脂肪酸對(duì)花生植株生理指標(biāo)的影響

當(dāng)土壤中脂肪酸初始含量為80 mg/kg土?xí)r，花生葉片的葉綠素含量、根系活力比對(duì)照處理增加，其中葉綠素含量在苗期和花期與對(duì)照的差別均達(dá)到了極顯著水平(P＜0.001)(圖2)。和對(duì)花生生長(zhǎng)的抑制作用規(guī)律相似，當(dāng)土壤中脂肪酸初始含量為160和240 mg/kg土?xí)r，在苗期和花期均顯著抑制了葉片葉綠素含量和根系活力(P＜0.001)(圖2)。在最高添加量處理下，葉綠素含量、根系活力在苗期時(shí)比對(duì)照分別減少21.0%和31.4%，在花期時(shí)比對(duì)照分別減少22.7% 和33.3%。

圖1 3種脂肪酸對(duì)花生植株生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of three fatty acids on peanut plants growth

2.3 脂肪酸對(duì)花生產(chǎn)量的影響

當(dāng)土壤中脂肪酸含量相對(duì)較低時(shí)(初始含量80mg/kg土)，對(duì)花生的產(chǎn)量有一定的促進(jìn)作用(圖3)，但與對(duì)照的差別沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P=0.14)。當(dāng)土壤中脂肪酸初始含量為160和240 mg/kg土?xí)r，花生莢果的產(chǎn)量顯著降低，比對(duì)照分別減少15.4%(P=0.021)和22.4%(P=0.005)。

2.4 脂肪酸對(duì)土壤酶活性的影響

當(dāng)土壤中脂肪酸含量相對(duì)較低時(shí)(初始含量80mg/kg土)，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性增強(qiáng)，但只有磷酸酶的活性在花期時(shí)與對(duì)照處理的差別達(dá)到了顯著水平(P=0.016)(圖4)。當(dāng)土壤中脂肪酸含量較高時(shí)(初始含量160和240 mg/kg土)，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性降低，其中，脲酶的活性在苗期時(shí)顯著低于對(duì)照(P=0.032)?；ㄆ跁r(shí)，3種酶的活性均顯著降低(P＜0.001)，在最高添加量處理下，蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性在花期時(shí)比對(duì)照分別減少25.3%、25.4% 和26.1%。

圖2 3種脂肪酸對(duì)花生植株生理指標(biāo)的影響Fig.2 Effects of three fatty acids on peanut plants physiological indices

圖3 3種脂肪酸對(duì)花生產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of three fatty acids on peanut production

3 討論

3.1 3種脂肪酸對(duì)花生植株生長(zhǎng)的影響及作用機(jī)理

當(dāng)土壤中豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸的含量較低時(shí)，對(duì)花生植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有微弱的促進(jìn)作用，可能是脂肪酸的添加量適宜，為土壤中的微生物提供了碳源，提高了根際土壤的有效養(yǎng)分含量，促進(jìn)了花生植株的養(yǎng)分吸收，從而促進(jìn)了生長(zhǎng)［22］。當(dāng)土壤中脂肪酸含量較高時(shí)，抑制了花生植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。以往研究表明，化感物質(zhì)主要是通過(guò)影響細(xì)胞膜透性、酶活性、離子吸收、光合作用等途徑對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響［23-25］。本研究中發(fā)現(xiàn)，土壤中脂肪酸含量較高時(shí)顯著抑制了花生植株葉片的葉綠素含量和根系活力，葉綠素在植物的光合作用中起著重要作用，葉綠素含量的降低意味著對(duì)光合作用強(qiáng)度的減弱，根系活力的降低又會(huì)影響到植株對(duì)養(yǎng)分的吸收能力［26-27］。光合產(chǎn)物和養(yǎng)分吸收的減少有可能是導(dǎo)致花生植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量降低的主要原因之一。

3.2 3種脂肪酸對(duì)土壤酶活性的影響及與花生生長(zhǎng)的關(guān)系

化感物質(zhì)對(duì)土壤酶活性的研究還較少［28-29］。土壤酶活性通常可以反映由于農(nóng)業(yè)管理措施的改變引起的土壤性質(zhì)的變化。蔗糖酶是土壤碳循環(huán)過(guò)程中的一種重要的酶，蔗糖酶活性提高，土壤中可溶性養(yǎng)分的含量將增加［30］。脲酶與土壤氮循環(huán)關(guān)系密切，參與將有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)氮的反應(yīng)過(guò)程，為植物的生長(zhǎng)提供可利用氮［31］。磷酸酶有助于將土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)機(jī)磷［32］。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中脂肪酸含量較低時(shí)，對(duì)蔗糖酶、脲酶和磷酸酶的活性有一定的促進(jìn)作用，酶活性的提高有利于根際土壤有效養(yǎng)分含量的增加，從而促進(jìn)花生植株的生長(zhǎng)發(fā)育。而當(dāng)土壤中脂肪酸含量較高時(shí)顯著抑制了這3種酶的活性，根際土壤有效養(yǎng)分含量減少，從而間接地抑制花生植株的生長(zhǎng)發(fā)育。

土壤酶主要來(lái)源于土壤微生物和植物根系的分泌物。添加的脂肪酸能影響土壤酶的活性可能與以下原因有關(guān):第一，當(dāng)脂肪酸進(jìn)入到土壤中后，會(huì)影響土壤微生物的種類(lèi)和數(shù)量［33］。第二，影響到植物根系的生長(zhǎng)和分泌，土壤中脂肪酸含量的不同可能導(dǎo)致根系分泌物主要成分的改變［4］。第三，土壤酶的活性與土壤pH值有關(guān)，而脂肪酸含量的高低會(huì)影響到土壤pH值［34］。最后，脂肪酸可能會(huì)直接影響土壤酶的活性，影響的大小取決于脂肪酸的種類(lèi)和含量。

圖4 3種脂肪酸對(duì)土壤酶活性的影響Fig.4 Effects of three fatty acids on soil enzymes activities

3.3 3種脂肪酸與花生連作障礙的關(guān)系

酚酸類(lèi)物質(zhì)是常見(jiàn)的植物化感物質(zhì)，李培棟等的研究表明，南方紅壤區(qū)花生的連作障礙與土壤中的對(duì)羥基苯甲酸、香豆酸和香草酸這3種酚酸類(lèi)化感物質(zhì)的累積有密切關(guān)系［35］。然而，近來(lái)許多研究表明脂肪類(lèi)物質(zhì)也是一類(lèi)重要的化感物質(zhì)。芋頭根系分泌的脂肪酸類(lèi)物質(zhì)如己二酸在和芳香酸類(lèi)物質(zhì)的協(xié)同作用下可以抑制芋頭植株的生長(zhǎng)［4］。He等的研究表明脂肪酸類(lèi)物質(zhì)和酚酸類(lèi)物質(zhì)均與西洋參的自毒作用有密切關(guān)系［36］。本研究中證實(shí)了土壤中3種長(zhǎng)鏈脂肪酸豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸積累后會(huì)抑制花生植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，花生連作土壤中豆蔻酸、軟脂酸和硬脂酸的累積與花生的連作障礙有著密切關(guān)系。通過(guò)生物或物理措施調(diào)控土壤中脂肪酸的含量將有助于緩解花生的連作障礙問(wèn)題?；ㄉB作土壤中脂肪酸的致毒臨界含量、作用機(jī)理等問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

致謝:本研究得到了中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所韓興國(guó)研究員的指導(dǎo)與幫助，特此致謝。

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