張?zhí)﹦?，郭文磊，?純，田興山

（廣東省農業(yè)科學院植物保護研究所/廣東省植物保護新技術重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】果園生草是一項誕生于19世紀末的土壤管理技術。實施果園生草能抑制雜草的生長，調節(jié)果園微氣候，減少土壤侵蝕［1-2］，促進養(yǎng)分循環(huán)，提高土壤有機碳含量和肥力［3-4］，刺激果樹的生長，并提高果品質量［5-6］，還可收獲牧草用于畜禽養(yǎng)殖［7］。因此選用合適的草種進行果園生草是實現生態(tài)農業(yè)的有效途徑之一。

【前人研究進展】目前，歐美國家以及日本實施生草的果園面積占果園總面積的55%～70%以上，有的甚至達到95%［8］。我國的果園生草研究和應用起步較晚，加上傳統(tǒng)果園的管理仍習慣于采用清耕法，迄今為止，全國范圍內采用生草技術的果園總體不足10%［9］，且不同地區(qū)的果園生草技術發(fā)展極不平衡。近20年，北方果園通過引入生物學特性較清楚的牧草，如白三葉（Trifolium repens）、黑麥草（Loliumpereenne）和紫花苜蓿（Medicago sativa）等，已經形成一系列果園生草技術的應用模式［10-11］。南方不是牧草的主產區(qū)，相關草種來源較少［12］，在一定程度上限制了果園生草技術的發(fā)展。同時，由于南方地區(qū)氣候暖濕，以致果園惡性雜草生長旺盛，對果園生草目標植物種群的穩(wěn)定性造成很大的威脅。近年來的研究表明，茜草科植物闊葉豐花草（Borreria latifolia）是華南果園生草的適宜植物［13］，為1年生草本植物，耐貧瘠和酸性土壤［14］，含有豐富的粗蛋白、粗纖維和酚類化合物等，可作為動物飼料［15］，同時含有多種具有消炎殺菌作用的化合物［16］，還具有一定的藥用價值［17-21］。果園栽培闊葉豐花草后，對多數惡性雜草的生長有很好的抑制效果，將大幅度降低果園除草劑的使用量，同時還能提高土壤微生物的數量和碳、氮、磷循環(huán)相關酶的活性［22］。

【本研究切入點】利用闊葉豐花草控制果園雜草技術已入選2020年廣東省農業(yè)主推技術，但現階段有關闊葉豐花草的生理生態(tài)特性在很大程度上還不清楚，影響了該項技術進一步推廣?！緮M解決的關鍵問題】本研究通過比較闊葉豐花草與果園常見雜草藿香薊、白花鬼針草和牛筋草之間的種子形態(tài)及發(fā)芽特性、根系特征、光合特征以及對草甘膦敏感性的差異，為更好地利用闊葉豐花草在果園進行生草栽培和相關管理策略的制定提供參考依據，助力農業(yè)綠色發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物材料為闊葉豐花草（Borreria latifolia）、藿香薊（Ageratum conyzoides）、白花鬼針草（Bidens alba）和牛筋草（Eleusine indica）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品采集 于2018年6月在廣東省農業(yè)科學院白云基地（113°25 ' 28.18 " E；23°23 '29.73 " N）植保所荔枝園，選取4種草生長期一致（5～7葉期）的植株進行氣體交換參數測定，并連根帶土挖出其根系帶回實驗室進行根系特征分析。

1.2.2 室內試驗 2018年11月從上述地點采集4種植物的種子帶回實驗室，風干、常溫保存。選取飽滿種子測定千粒質量，并利用高清顯微鏡觀察種子形態(tài)特征。2019年7月，每個草種選取50粒大小一致種子放入鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入適量蒸餾水，在人工氣候箱中進行發(fā)芽試驗，周期為10 d，每天觀察發(fā)芽率的變化，發(fā)芽10 d增加測量每種草的幼苗鮮質量。人工氣候箱晝夜溫度設為28℃/ 25℃，光周期設為14 h光照/10 h黑暗。另外在15 cm 的塑料盆播種闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草的種子，進行草甘膦的敏感性測定。以41%草甘膦異丙胺鹽水劑（農達，孟山都公司）作為供試藥劑，設置 0、30、90、270、1 000 g/hm2（ai）5個劑量，對闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草盆栽植株（5葉期）進行噴霧處理，對照噴施清水。處理30 d后，收獲盆栽植株，烘干，測定干質量。試驗重復3次。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 氣體交換參數 氣體交換參數采用LI-6800便攜式光合作用分析儀（LI-COR，Inc，USA）測定。測量過程的環(huán)境控制：葉室溫度27℃，相對濕度65%，入氣CO2濃度400 μmol/mol（由小鋼瓶注入），光強 1 200 μmol/m2·s（由紅藍光源提供）。主要測定參數包括凈光合速率（Pn，μmol/m2·s）、蒸騰速率（Tr，mmol/m2·s）和氣孔導度（Gs，mmol/m2·s），每個草種測定10株。

1.3.2 根系特征 利用EpsonV500型掃描儀掃描不同草種的根系，得到TIF圖像文件，導入根系分析系統(tǒng)（WinRHIZO，Canada）分析總根長（cm）、總根表面積（cm2）、總根體積（cm3）、平均直徑（mm）和直徑頻率。每個草種分析6株根系。

1.4 數據統(tǒng)計分析

運用四參數Log-logsitic方程［23］擬合不同草干質量對草甘膦的濃度響應曲線，并計算出50%干重抑制效應濃度（ED50）。采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 供試植物種子形態(tài)和發(fā)芽特征比較

圖1 4種植物種子形態(tài)特征Fig. 1 Seed morphological characteristics of 4 species

圖2 4種植物種子千粒質量和發(fā)芽特征Fig. 2 Thousand seed mass and germination characteristics of 4 species

從圖1可以看出，闊葉豐草種子呈橢圓形或棒狀，具有半開放的外殼，其寬度大于藿香薊、白花鬼針草和牛筋草，長度大于藿香薊（不含頂部附屬結構）和牛筋草，但小于白花鬼針草。闊葉豐花草和牛筋草種子無附屬結構，但藿香薊種子具有羽狀的冠毛，可借助風力傳播，白花鬼針草種子頂部具有2～4枚刺針，刺針上還分布著大量的小倒刺，便于附著在動物表皮毛和人的衣物上進行傳播。闊葉豐花草種子千粒質量為3.24 g，比白花鬼針草、牛筋草和藿香薊種子千粒質量分別大1.8、8.1、25.8倍，差異顯著（圖2）。從種子發(fā)芽率看，在開始發(fā)芽的1～4 d，闊葉豐花草種子發(fā)芽速度略小于牛筋草，但顯著大于藿香薊和白花鬼針草。在開始發(fā)芽10 d，4個草種的發(fā)芽率和幼苗鮮質量大小均表現為闊葉豐花草>白花鬼針草>牛筋草>藿香薊，與千粒質量一致。

2.2 供試植物根系特征比較

從圖3和表1可以看出，闊葉豐花草根系較短，其鮮質量、長度、表面積、平均直徑和體積均小于處于相同生長階段的藿香薊、白花鬼針草和牛筋草，其鮮質量、表面積、平均直徑和體積差異顯著。另外，闊葉豐花草的根冠比分別比藿香薊、白花鬼針草和牛筋草低72.4%、79.3%和70.1%，差異顯著，但其根長/鮮質量和根表面積/鮮質量均較大，表明闊葉豐花草根系中細根占有較大的比重（圖4）。進一步分析表明，闊葉豐花草87.8%的根長集中在0～0.5 mm直徑范圍內，顯著大于其他3種植物相應的直徑頻率（66.2%～71.5%）。相反，在直徑0.5～2 mm范圍內，闊葉豐花草根系的直徑頻率顯著低于其他3種植物（圖5）。

圖3 4種植物根系掃描結果Fig. 3 Scanned images of the roots of 4 species

2.3 供試植物光合特征比較

從圖6可以看出，在4種草中，闊葉豐花草的光合強度最小，凈光合速率（Pn）比藿香薊、白花鬼針草和牛筋草分別低22.9%、34.3%和64.3%，差異顯著。由于牛筋草是C4植物，因此其Pn遠遠大于其他3種C3植物。闊葉豐花草的蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）比藿香薊和白花鬼針草分別低24.5%～32.9%和35.9%～48.0%，但比牛筋草分別高41.5%和52.2%。由Pn和Tr可計算出闊葉豐花草的水分利用效率（Pn/Tr）為2.1 μmol/mmol，這與藿香薊和白花鬼針草（1.8～2.4 μmol/mmol）的差異不顯著，但與牛筋草（10.3 μmol/mmol）差異顯著。

表1 4種植物根系基本參數Table 1 Root parameters of 4 species

圖4 4種植物的相對根系參數Fig. 4 Relative root parameters of 4 species

圖5 4種植物根系直徑頻率分布Fig. 5 Distribution of root diameter frequency of 4 species

2.4 供試植物對草甘膦的敏感性比較

圖6 4種植物光合特征的差異Fig. 6 Difference in photosynthetic characteristics of 4 species

圖7 3種植物對草甘膦劑量反應曲線Fig. 7 Dose-response curves to glyphosate in three plants

從圖7可以看出，闊葉豐花草、白花鬼針草、藿香薊三者對草甘膦劑量反應曲線有明顯差別。草甘膦90 g/hm2（ai）處理，藿香薊的干質量積累急劇下降，與對照相比降幅達85.2%，闊葉豐花草和白花鬼針草干質量的降幅相對較小；草甘膦270 g/hm2（ai）處理，闊葉豐花草、白花鬼針草、藿香薊的干質量比對照分別降低94.0%、86.3%和68.5%。由此可見，闊葉豐花草對草甘膦的敏感性低于白花鬼針草和藿香薊。根據劑量反應曲線計算出草甘膦對闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草干質量抑制的ED50分別為150、40、83 g/hm2（ai），闊葉豐花草的ED50分別為白花鬼針草和藿香薊的1.79、3.75倍。

3 討論

種子是植物繁殖后代的載體，其特征是為了適應環(huán)境長期進化的結果［24］。 植物種間和種內普遍存在種子大小的差異。與小種子相比，大種子因貯藏的營養(yǎng)物質多，其幼苗成活率更高且對不利環(huán)境條件的耐受能力和對資源的競爭力更強［25-26］。本研究結果表明，在4種供試植物中，種子大小與種子的發(fā)芽率和幼苗生長速度明顯呈正相關關系，這一結果與前人的研究結果［27］相一致。闊葉豐花草種子大、幼苗生長速度快，能增強其生長初期的競爭能力。

種子擴散是植物生活史的一部分，其采用的方式對植物物種分布有重要影響［28］。從種子形態(tài)上看，闊葉豐花草的種子較大，沒有用于協(xié)助擴散的附屬結構，主要依靠無助的方式擴散，因此擴散能力較弱。相比之下，藿香薊和白花鬼針草種子頂部有冠毛或刺針，可借靠風力或附著物進行遠距離傳播；牛筋草種子較小，更容易被風吹走，擴散到周邊的環(huán)境中。闊葉豐花草種子擴散能力較弱可能也是其在野外不如其他3種草常見的一個重要原因。

闊葉豐花草的根系特征與藿香薊、白花鬼針草和牛筋草也有很大的差別。根系特征在一定程度上反映根系與環(huán)境的相互作用特征［29］。根系長度和根表面積是植物根系形態(tài)特征的關鍵指標，前者反映了植物根系的伸長生長狀態(tài)，后者反映了根系和土壤之間的接觸面積大小。與藿香薊、白花鬼針草和牛筋草相比，闊葉豐花草的根長較短，根表面積較小，不利于吸收土壤深層的水分和養(yǎng)分，這可能會導致闊葉豐花草對干旱等環(huán)境脅迫的適應性較弱。但從果園生草的角度來看，闊葉豐花草根系與果樹根系（多為深根系）重疊區(qū)較小，不會與果樹競爭過多的養(yǎng)分和水分，是一種用于果園生草栽培較理想的植物。除了上述根系指標之外，闊葉豐花草的根冠比也顯著小于其他3種雜草。根冠比過小同樣不利于養(yǎng)分和水分的吸收，但闊葉豐花草的細根在根系中所占的比重較大，以致根長/鮮重和根表面積/鮮重較大，在一定程度上補償根冠比的不足。

除了能衡量植物地下與地上部關系之外，根冠比也是植物光合作用產物分配的重要體現。闊葉豐花草單位葉面積的光合強度弱于其他3種植物，光合作用產物相對較少，優(yōu)先分配于地上部分。這種不同于其他果園常見雜草的生長策略，可能為了最大程度維持植株高開花結實率，據統(tǒng)計，在自然條件下闊葉豐花草平均結實率達到723粒/株［30］。闊葉豐花草光合強度較低可能與氣孔導度低有關，而低的氣孔導度能降低葉片蒸騰速率。闊葉豐花草的蒸騰速率和光合強度均低于藿香薊和白花鬼針草，從而導致它們的水分利用效率之間差異較小。但由于葉片結構上的差異，闊葉豐花草、藿香薊和白花鬼針草3種C3植物的水分利用效率均遠遠小于C4植物牛筋草。

草甘膦是果園最常用的除草劑之一，能防治絕大多數的農田常見雜草。本研究結果表明，闊葉豐花草對草甘膦具有耐藥性，這與前人的研究結果［31］一致。闊葉豐花草耐草甘膦可能與其葉片對草甘膦的吸收和傳導性較差有關［31］，但具體作用機制還需進一步研究。根據這一特性，在闊葉豐花草生草栽培過程中，果園中出現其他雜草可利用草甘膦進行防治。另外，闊葉豐花草對草甘膦具有耐藥性可能也是華南地區(qū)個別果園長期噴施草甘膦導致闊葉豐花草成為優(yōu)勢草的主要原因。

4 結論

本研究結果表明，闊葉豐花草的種子千粒質量、發(fā)芽率和幼苗生長速度均大于其他3種雜草，但其成株的根系分布較淺，光合速率也較低。草甘膦對闊葉豐花草干重抑制的ED50劑量（150 g/hm2，ai）大 于 藿香 薊（40 g/hm2，ai）和白花鬼針草（83 g/hm2，ai），因此在闊葉豐花草生草的管護過程中，可選用100 g/hm2（ai）的草甘膦壓制藿香薊、白花鬼針草和其他敏感雜草的生長。