李雪楓,王 堅(jiān),葉曉園,張秀婷,王麗學(xué)
(1海南大學(xué)林學(xué)院/海南省熱帶特色花木資源生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,???570228;2天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所,天津 300192)
稻菜輪作是一種中國南方地區(qū)既保證糧食安全、使農(nóng)民增收又能有效控制病蟲害和雜草發(fā)生的種植模式[1-3]。稻菜輪作使海南省瓜菜種植面積穩(wěn)中有升,2015—2017年瓜菜種植面積均值2.99×105hm2,約占這3年總播種面積均值的36.37%[4]。瓜菜產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展導(dǎo)致海南島瓜菜采收后莖葉、根莖等廢棄物量也逐年增大。這類廢棄物被瓜菜基地和農(nóng)戶任意棄置,堆放路邊、地頭和溝渠,不僅影響環(huán)境美觀,增加農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷[5-6],還造成了巨大的資源浪費(fèi)[5,7]。瓜菜莖葉廢棄物粉碎后翻壓還田利用是解決資源浪費(fèi)、農(nóng)業(yè)面源污染、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的可行途徑之一[8-10]。許多研究已表明:瓜菜的活體植株或植株殘?bào)w可以通過向環(huán)境中釋放某些特定的化感物質(zhì)對周圍或后茬植物(包括微生物)產(chǎn)生或促進(jìn)或抑制的化感作用[11-13],但稻菜輪作模式下瓜菜采收后的廢棄物對后茬水稻的化感作用情況的研究鮮見報(bào)道。
苦瓜(MomordicacharantiaL.)又稱涼瓜,為葫蘆科(Cucurbitaceae)苦瓜屬(MomordicaL.)一年生蔓生草本植物,富含人體所需的多種營養(yǎng)成分和多種具有一定抗病功能的生物活性成分[14-16],具有提高人體免疫力、增進(jìn)食欲、助消化、降低膽固醇等功效[17-18],在亞洲、非洲及南美洲有悠久的栽培歷史[19-20],是海南省主要栽培瓜菜之一[18],也是海南省稻菜輪作制度中的主要輪作蔬菜之一。本試驗(yàn)以苦瓜采收后的植物殘?bào)w為對象,研究其水浸提液對海南省3種常見水稻品種種子萌發(fā)和秧苗生長的干擾,估測苦瓜莖葉的化感作用潛力大小與化感效應(yīng)方向,為海南省稻菜輪作栽培和瓜菜廢棄物還田利用提供理論基礎(chǔ)。
供體植物苦瓜植株殘?bào)w于2017年1月初采集于海南省屯昌楓木鎮(zhèn)苦瓜生產(chǎn)基地,為常規(guī)露天栽培的楓木苦瓜‘瓊2號油綠苦瓜’采收后收集的莖葉、根系等。
受體植物為‘特秈占25’、‘Ⅱ優(yōu)129’和‘博Ⅱ優(yōu)818’,其中:‘特秈占25’為秈型常規(guī)水稻,適宜海南省早造種植[21];‘博Ⅱ優(yōu)818’為秈型弱感光三系雜交水稻,適宜海南省晚造種植[22];‘Ⅱ優(yōu)129’為秈型感溫三系雜交水稻,適宜海南省早晚造種植[23]。所有水稻種子均由海南省農(nóng)科院糧食作物研究所提供。
1.2.1 水浸提液制備 將采收后的苦瓜莖葉殘?bào)w切短為2 cm左右小段晾曬、抖干凈其上的灰土備用;稱量準(zhǔn)備好的苦瓜莖葉放入錐形瓶,按l g干質(zhì)量材料:5 mL水的比例用無菌蒸餾水在25℃室溫、240 r/min條件下于搖床中震蕩浸泡48 h,先用2層紗布過濾,濾液在1500 r/min下離心5 min后取上層清液,再用0.45 μm的微孔濾膜抽真空過濾得到濃度為0.20 g/mL的浸提液母液,將母液用無菌蒸餾水稀釋為0.05、0.10、0.15和0.20 g/mL共4個濃度后分別保存于4℃冰箱。
1.2.2 種子預(yù)處理 參考Li等[24]的方法,選擇顆粒飽滿、大小均勻的受體種子用10%的H2O2消毒5 min,再用無菌蒸餾水沖洗干凈后,取一部分在室內(nèi)攤開晾6 h左右進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn);另一部分用蒸餾水水培法培養(yǎng),使水稻種子萌發(fā)并生長為4葉1心幼苗,用于秧苗生長試驗(yàn)。
1.2.3 測定項(xiàng)目及方法
(1)種子萌發(fā):從處理后的種子中選取出籽粒飽滿、色澤光鮮、大小一致的種子均勻擺放于直徑11 cm、墊2層滅菌濾紙的滅菌培養(yǎng)皿中,每皿30粒,分別加入5 mL已制備好的苦瓜水浸提液,以無菌蒸餾水為對照,上蓋,置于人工氣候箱(30℃時光照14 h、25℃時黑暗10 h、相對濕度75%)培養(yǎng)。每隔24 h補(bǔ)充適量水浸提液或無菌蒸餾水1次,并觀察種子萌發(fā)及生長情況,以胚根突破種皮2 mm視為萌發(fā),連續(xù)觀察7天,并在第7天時量測每皿已萌發(fā)種子的幼芽和幼根總鮮重。每個處理4次重復(fù)。
(2)秧苗生長:分別在栽培盒內(nèi)加入125、250、375、500 mL浸提液母液,其余部分添加蒸餾水使總體積達(dá)500 mL并在在盒外側(cè)劃線標(biāo)記液面位置,則栽培盒內(nèi)浸提液濃度分別為0.05、0.10、0.15、0.20g/mL。栽培盒液面上放置預(yù)先均勻打有6個孔、消毒的泡沫板,每個孔種1株株高基本一致的4葉1心期水稻秧苗,幼苗根蘗和孔徑接觸處用滅菌海綿包裹固定。然后將栽培盒置于人工氣候箱(30℃時光照14 h、25℃時黑暗10 h、相對濕度75%、光照強(qiáng)度12000 lx)培養(yǎng)。每天將栽培盒開蓋透氣約30 min,同時根據(jù)栽培盒外側(cè)液面標(biāo)記線及時補(bǔ)充蒸發(fā)的水分,以保證試驗(yàn)期間各個栽培盒的處理液的總體積保持恒定。培養(yǎng)15天后量測每株秧苗的苗高和根長,然后分別稱量每株秧苗的苗鮮重和根鮮重。蒸餾水培養(yǎng)為對照。
上述各式中:Gi指第i天的發(fā)芽數(shù),Ti指相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。
S為與GI對應(yīng)的可萌發(fā)種子幼根和幼芽總鮮重。
式中:C指對照值;T指處理值;IR>0表示抑制作用,IR<0表示促進(jìn)作用,IR絕對值的大小與化感作用強(qiáng)度一致[24]。
采用Microsoft Excel 2010整理原始數(shù)據(jù),并將發(fā)芽率和活力指數(shù)轉(zhuǎn)化為相對值(對照的百分比)以便于比較時消除品種間差異的影響。用SPSS 17.0軟件對各參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA),在置信水平P=0.05運(yùn)用鄧肯新復(fù)極差測驗(yàn)法(Duncan’s Multiple Range Test)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。所有數(shù)值均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。
2.1.1 對種子發(fā)芽率的影響 3種水稻種子的發(fā)芽率均隨苦瓜植株水浸提液濃度增加呈逐漸降低的趨勢,但低濃度水浸提液(≤0.10 g/mL)對3種水稻種子的發(fā)芽率均無顯著影響(P>0.05),濃度升至0.15 g/mL時僅‘特秈占25’的發(fā)芽率較對照顯著降低(P<0.05),至0.20 g/mL時3種水稻種子的發(fā)芽率均顯著低于對照(P<0.05),但發(fā)芽率抑制率為‘特秈占25’>‘Ⅱ優(yōu)129’>‘博Ⅱ優(yōu)818’(圖1)。
圖1 苦瓜植株水浸提液對受試植物種子發(fā)芽率的影響
2.1.2 對種子平均發(fā)芽時間的影響 濃度≤0.10 g/mL的苦瓜植株水浸提液對‘特秈占25’的平均發(fā)芽時間無顯著影響,當(dāng)浸提液濃度繼續(xù)增大時,隨濃度增加‘特秈占25’的平均發(fā)芽時間顯著延長(P<0.05),至0.20 g/mL時平均發(fā)芽時間延長了1.13天(圖2)?!騼?yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’的平均發(fā)芽時間在各濃度處理間對均無顯著差異(P>0.05)(圖2)。
圖2 苦瓜植株水浸提液對受試植物種子平均發(fā)芽時間的影響
2.1.3 對種子活力指數(shù)的影響 隨苦瓜植株水浸提液濃度增加,‘特秈占25’的種子活力指數(shù)呈先升高后降低趨勢(表1),0.05 g/mL和0.10 g/mL處理與對照差異顯著(P<0.05),其均值比對照高出約38.92%,濃度繼續(xù)增大時,活力指數(shù)與對照無顯著差異(P>0.05);‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’的活力指數(shù)均隨水浸提液的濃度增加而逐漸降低,且均在≥0.15 g/mL處理時才顯著低于對照(P<0.05),但同一濃度處理下,‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’的種子活力指數(shù)間均無顯著差異(P>0.05),至0.20 g/mL時二者活力指數(shù)抑制率分別為22.16%和29.68%(表1)。
表1 苦瓜水浸提液對受試水稻種子活力指數(shù)的影響
2.2.1 對秧苗伸長生長的影響 苦瓜植株水浸提液抑制‘特秈占25’秧苗根系的伸長生長,抑制作用隨浸提液濃度增加而顯著增大(P<0.05),至0.20 g/mL時根長抑制率達(dá)38.60%;低濃度水浸提液(≤0.15 g/mL)顯著促進(jìn)‘博Ⅱ優(yōu)818’秧苗根系生長(P<0.05),隨濃度升高促進(jìn)效應(yīng)逐漸降低,至0.20 g/mL時表現(xiàn)出微弱抑制效應(yīng),但其根長與對照間無顯著差異(P>0.05);≤0.15 g/mL水浸提液對‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗的根系生長無顯著影響,至0.20 g/mL時其根長生長受到顯著抑制(P<0.05),抑制率17.76%。同一濃度處理下,3種水稻秧苗的根長均為‘博Ⅱ優(yōu) 818’>‘Ⅱ優(yōu) 129’>‘特秈占 25’(圖3A)。
濃度≤0.15 g/mL的苦瓜植株水浸提液對‘特秈占25’秧苗苗高無顯著影響(P>0.05),至0.20 g/mL時其苗高受到顯著抑制(P<0.05),抑制率15.77%(P<0.05);≤0.15 g/mL水浸提液顯著促進(jìn)‘博Ⅱ優(yōu)818’秧苗苗高伸長生長(P<0.05),至0.20 g/mL時促進(jìn)效應(yīng)減弱,但其苗高仍比對照高8.96%;0.05 g/mL時水浸提液顯著促進(jìn)‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗的苗高生長(P<0.05),比對照高出12.93%,濃度繼續(xù)增大時無顯著影響(P>0.05)(圖3B)。
圖3 苦瓜水浸提液對受試水稻秧苗根長(A)和苗高(B)的影響
2.2.2 對秧苗總生物量的影響 苦瓜植株水浸提液促進(jìn)‘特秈占25’秧苗總生物量積累,促進(jìn)效應(yīng)隨濃度升高逐漸減弱(圖4)。0.05 g/mL水浸提液也顯著促進(jìn)‘博Ⅱ優(yōu)818’秧苗生物量積累(P<0.05),濃度增大時表現(xiàn)出抑制效應(yīng),但0.10 g/mL和0.15g/mL時的生物量均與對照無顯著差異(P>0.05),至0.20 g/mL時的生物量顯著低于對照14.05%(P<0.05),水浸提液抑制‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗的生物量積累,抑制作用隨濃度增加而增強(qiáng),但較高濃度(≥0.15 g/mL)時‘Ⅱ優(yōu)129’的生物量才顯著低于對照(P<0.05),至0.20 g/mL時抑制率為27.65%;同一濃度處理下,水浸提液對3種水稻秧苗生物量的抑制率均為‘Ⅱ優(yōu)129’>‘博Ⅱ優(yōu)818’>‘特秈占25’(圖4)。
圖4 苦瓜水浸提液對受試水稻秧苗總生物量的影響
2.2.3 對秧苗生物量分配的影響 苦瓜植株水浸提液促進(jìn)特秈占25秧苗地上和地下生物量的累積,促進(jìn)效應(yīng)均隨濃度升高而逐漸降低(表2)。水浸提液對‘博Ⅱ優(yōu)818’秧苗的苗生物量呈逐漸減弱的促進(jìn)效應(yīng),較低濃度(≤0.10 g/mL)時的苗生物量均顯著高于對照(P<0.05),≥0.15 g/mL時與對照無顯著差異(P>0.05);其根生物量卻受到逐漸增強(qiáng)的抑制效應(yīng),0.20 g/mL時抑制率達(dá)34.30%(表2)。水浸提液對‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗的苗生物量在低濃度時微弱促進(jìn)、高濃度時抑制,但僅在濃度0.20 g/mL處理時才顯著低于對照(P<0.05);‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗的根生物量也呈逐漸增強(qiáng)的抑制效應(yīng),至0.20 g/mL時其抑制率達(dá)23.78%(表2)。
同一濃度處理下,濃度0.05 g/mL水浸提液對‘特秈占25’秧苗苗和根生物量的促進(jìn)效應(yīng)間無顯著差異(P>0.05),≥0.10 g/mL時對苗生物量的促進(jìn)效應(yīng)均顯著大于對根生物量的促進(jìn)效應(yīng)(P<0.05);但相同濃度水浸提液對‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’秧苗根生物量的效應(yīng)值均顯著大于對其苗生物量的效應(yīng)值(P<0.05)(表2)。
表2 不同濃度下受試秧苗地上生物量和地下生物量的抑制率 %
植物化感作用是在共生、伴生或生態(tài)相關(guān)植物種間、種內(nèi)自然發(fā)生的一種現(xiàn)象,指一種活的或死的植物通過合適的途徑向環(huán)境釋放特定的化學(xué)物質(zhì)從而直接或間接影響鄰近或下茬(后續(xù))同種或不同種植物或周圍微生物的生長[25-26],這種影響效應(yīng)可能是積極的,也可能是負(fù)面的,其中積極的效應(yīng)關(guān)系可以用以維持和構(gòu)建可持續(xù)和生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)[27]。稻菜輪作模式使后茬作物不可避免的要遭遇前茬的化感作用,但以往人們對海南熱帶地區(qū)稻菜輪作的研究主要著眼于輪作對土壤養(yǎng)分和后茬作物病蟲害的影響等方面[1,28],鮮有關(guān)于輪作前茬對后茬的化感作用的報(bào)道。本試驗(yàn)通過研究苦瓜植株殘?bào)w水浸提液對水稻生長周期中對外界環(huán)境因子最敏感的時期之一——萌發(fā)期的影響情況,得知:苦瓜植株水浸提液在濃度升至0.20 g/mL時才對3種受試水稻種子的發(fā)芽率有抑制作用,但抑制率小于20%,僅使得‘特秈占25’的平均發(fā)芽時間延長了1.13天,對‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’的種子活力指數(shù)有抑制(抑制率小于30%)。說明苦瓜植株可能通過雨霧淋溶途徑釋放出某些化感物質(zhì)來影響稻菜輪作制度中后茬水稻的種子萌發(fā),但這種化感效應(yīng)相對較弱。海南省水稻種植采用的是苗床或穴盤育秧后再將秧苗移栽于大田的栽培方式[29],只要注意育秧苗床土壤不施用前茬種植了苦瓜的土壤,就可在稻菜輪作制中有效規(guī)避苦瓜對下茬水稻種子萌發(fā)的化感抑制效應(yīng)。
植物體內(nèi)的次生代謝產(chǎn)物可以在雨霧淋溶、莖葉揮發(fā)、根系分泌和殘?bào)w降解等途徑下以少量而連續(xù)的方式緩慢釋放進(jìn)入周圍環(huán)境特別是土壤中作為化感物質(zhì)產(chǎn)生化感作用[25,27]。本試驗(yàn)中‘特秈占25’、‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’對苦瓜植株水浸提液化感效應(yīng)的響應(yīng)差異可能源于這3種水稻分別為秈型常規(guī)水稻、秈型弱感光三系雜交水稻和秈型感溫三系雜交水稻[21-23],本身遺傳性狀存在差異。盡管苦瓜水浸提液以劑量效應(yīng)抑制‘特秈占25’秧苗的根長和3種受試秧苗的總生物量向根系分配,但濃度≤0.15 g/mL水浸提液對3種受試秧苗的苗高和總生物量表現(xiàn)為無影響甚至是促進(jìn)效應(yīng),僅在0.20 g/mL時有較弱的負(fù)向效應(yīng)(抑制率<28%),且水浸提液促進(jìn)3種受試秧苗的總生物量向地上部分配,說明通過雨霧淋溶途徑釋放出的化感物質(zhì)在一定濃度范圍內(nèi)有利于水稻秧苗的生物量累積,特別是有利于地上部健壯生長。健壯的地上部意味著植株的維持和支撐結(jié)構(gòu)的比例較高,易于獲取地上部資源[30],可在同等環(huán)境條件下通過對有限資源的搶先占有而在競爭中勝出[30-31]。化感物質(zhì)的化感活性取決于化感物質(zhì)的浸出部位、化感物質(zhì)的濃度和化感物質(zhì)作用的目標(biāo)植物[32]??喙现仓杲嵋褐兄饕腥祁?、甾體、生物堿及其他類具有殺菌抗蟲活性的次生代謝產(chǎn)物[15,33-35],它們可能會被釋放到環(huán)境中執(zhí)行化感作用,具體的化感物質(zhì)的成分與在土壤中的變化情況還需要進(jìn)一步研究。
諸多研究已經(jīng)表明,利用植物與植物間的化感作用效應(yīng)方向不但可以優(yōu)化輪作系統(tǒng)[31],通過科學(xué)安排植物序列抑制雜草、昆蟲和病害[31,36],還能減少目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中諸如環(huán)境污染、不安全產(chǎn)品、土壤病害等問題,避免作物生產(chǎn)力下降[26,37-38]。本試驗(yàn)結(jié)果證明苦瓜植株釋放的化感物質(zhì)在累積到較高濃度會對后茬水稻產(chǎn)生一定的生長抑制效應(yīng),室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果只能說明苦瓜——水稻輪作中苦瓜對后茬水稻的化感潛力大小和趨勢,不能完全代表田間發(fā)生的真正意義上的化感作用。實(shí)際生產(chǎn)中,苦瓜釋放的化感物質(zhì)在土壤中含量達(dá)到最高濃度的可能途徑為“生長過程中釋放并進(jìn)入土壤的化感物質(zhì)+苦瓜采收后的莖葉全部還田后腐解釋放的化感物質(zhì)”。因此,要明確稻菜輪作制度下苦瓜對水稻的化感作用的最大效應(yīng),尚需要對苦瓜采收后的莖葉在全量還田下對后茬水稻生長和產(chǎn)量等方面的影響進(jìn)行研究。
綜上所述:低濃度苦瓜植株水浸提液對3種水稻種子萌發(fā)無影響,濃度升高至0.20 g/mL時,使‘特秈占25’的平均發(fā)芽時間延長1.13天,對3種受試水稻種子的發(fā)芽率、‘博Ⅱ優(yōu)818’和‘Ⅱ優(yōu)129’種子的活力指數(shù)均有抑制作用,但發(fā)芽率抑制率小于20%而活力指數(shù)抑制率小于30%??喙纤嵋阂詣┝啃?yīng)抑制‘特秈占25’秧苗的根系伸長,低濃度時不影響或促進(jìn)3種受試秧苗的苗高和總生物量,濃度達(dá)0.20 g/mL時才對秧苗的總生物量有<28%的抑制效應(yīng);各濃度水浸提液均有利于3種受試秧苗的總生物量向地上部分配。說明苦瓜植株水浸提液對3種水稻種子萌發(fā)和秧苗生長的化感抑制效應(yīng)較弱,在稻菜輪作制度中,苦瓜-水稻輪作模式具有較好的應(yīng)用前景。