曾 亮，柴繼寬，趙桂琴，李春杰，黎 蓉

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 / 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 甘肅 蘭州 730020）

燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑湆賰?yōu)良的一年生糧飼兼用作物，在我國北方地區(qū)被廣泛種植[1]。隨著國家種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和糧改飼等政策的實施，燕麥?zhǔn)袌鲂枨笠仓鹉暝黾樱N植面積的增加和機械化程度的提高，也讓雜草成為影響其產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因素[2]。雜草根系龐大，吸收養(yǎng)分能力較強，燕麥苗期如果田間頭茬雜草未及時清除，其會通過營養(yǎng)競爭和空間競爭等方式嚴(yán)重影響燕麥的生長。有研究表明，田間雜草密度超過50 株·m-2時燕麥產(chǎn)量會下降25%～40%[3]。同時，纏繞型雜草也會影響燕麥的收割，有的雜草種子混入燕麥種子很難清除。

化學(xué)除草因其適用范圍廣、施用成本低、見效快等特點在燕麥雜草防除中被廣泛使用，但隨之而來的諸如生態(tài)環(huán)境污染、藥劑殘留以及因抗藥性而產(chǎn)生的優(yōu)勢雜草等問題也愈發(fā)嚴(yán)峻[4]。在生態(tài)安全的大背景下，有機生產(chǎn)和食品安全越來越受到重視，如何利用作物本身潛在的化感作用來進(jìn)行雜草的防除已成為當(dāng)前的研究熱點[5-6]。

化感作用是植物或微生物在生長過程中通過向環(huán)境釋放次生物質(zhì)從而對鄰近植物(或微生物)生長發(fā)育產(chǎn)生有益或有害的影響，其在整個生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，在植物種群構(gòu)成和群落演替過程中具有重要作用[7]。研究表明，一些植物會通過化感作用來限制其周邊雜草的生長，保證自身在群落中的競爭優(yōu)勢，如水稻(Oryza sativa)、小麥(Triticum aestivum)和紅薯(Ipomoea batatas)等產(chǎn)生的化感物質(zhì)均能抑制農(nóng)田雜草的生長[8-10]。燕麥種子和植株浸提液對油菜(Brassica napus)、高羊茅(Festuca elata)、白三葉(Trifolium repens)和多年生黑麥草(Lolium perenne)的種子萌發(fā)及幼苗生長都會產(chǎn)生抑制作用[11-12]，但燕麥根系及其分泌物對其周邊雜草的化感效應(yīng)尚未見報道。因此，以燕麥品種‘白燕2 號’的根浸提液為供體，刺莧(Amaranthus spinosus)、油菜(Brassica napus)、灰 綠 藜(Chenopodium glaucum)、反 枝 莧(Amaranthus retroflexus)和狗尾草 (Setaria viridis)等西北地區(qū)燕麥田常見雜草為受體，分析其對燕麥根浸提液化感作用的響應(yīng)方式，以期為燕麥田間雜草的科學(xué)管理和綠色防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試燕麥品種為‘白燕2 號’，2021 年4 月下旬種植于甘肅省定西市通渭縣華家?guī)X鎮(zhèn)，并于燕麥分蘗期采集植株根系裝入無菌袋，帶回實驗室低溫保存?zhèn)溆?。受體植物刺莧、油菜、灰綠藜、反枝莧和狗尾草種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 燕麥根浸提液的制備

將燕麥根系置于通風(fēng)陰涼處陰干，粉碎后稱取50 g，加入500 mL 無菌水，超聲波(35 kHz，120 W，30 min)輔助浸提后，置于室溫再浸提48 h。水浸提液經(jīng)過兩層紗布和0.45 μm 濾膜雙重過濾后，即得到質(zhì)量濃度為100 mg?mL-1的根浸提液，再用無菌水將其分別稀釋為20、40、60 和80 mg?mL-1的根浸提液。4 ℃冰箱中儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 燕麥根浸提液化感作用的測定

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗[13]，選取大小均勻、顆粒飽滿的受體植物種子用2%的次氯酸鈉消毒15 min，再用無菌水反復(fù)漂洗5～6 次，濾紙吸干種子表面水分，在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)均勻放置50 粒受體植物種子，分別加入5 mL 不同濃度的浸提液，以加等量無菌水為對照(CK)，每處理3 次重復(fù)。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱中[溫度(25 ± 0.5) ℃，濕度50%，12 h/12 h 交替光照周期]培養(yǎng)，每隔2 d 更換浸提液或無菌水。每24 h 同一時間統(tǒng)計受體植物種子發(fā)芽數(shù)(胚根突破種皮1 mm視為萌發(fā))，7 d 后結(jié)束發(fā)芽，每皿隨機選取10 個幼苗植株，用游標(biāo)卡尺(精確度為0.01 mm)測量其根長和芽長，電子天平稱重后計算幼苗鮮重。

1.2.3 測定指標(biāo)

各指標(biāo)計算公式如下：

式中：Gt為第t天種子發(fā)芽的數(shù)量；Dt為種子發(fā)芽試驗第t天。

式中：X為每隔24 h 種子發(fā)芽數(shù)量。

式中：S表示幼苗的生長量(長度或重量)；Gi表示種子發(fā)芽指數(shù)。

化 感 效 應(yīng) 指 數(shù)(Response index，RI)：參 照Williamson 等[14]對化感效應(yīng)的評價方法對燕麥根浸提液的化感潛力進(jìn)行計算。

式中：T為測試項目的處理值，C為對照值；當(dāng)RI>0 時，表示促進(jìn)作用；當(dāng)RI< 0 時，為抑制作用，RI的絕對值大小代表作用的強弱。

綜合化感效應(yīng)(Synthetical allelopathic effect, SE)為燕麥根浸提液某一濃度處理對同一受體各個測試指標(biāo)RI的值的算術(shù)平均值，用SE絕對值大小綜合評價化感作用強度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進(jìn)行分析作圖，SPSS 22.0 對各處理間種子萌發(fā)和幼苗生長特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差比較和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物種子萌發(fā)的影響

不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物的種子萌發(fā)均有明顯作用(圖1)。浸提液處理后油菜種子發(fā)芽率均較對照有所提高，除20 mg?mL-1處理外，其他濃度處理均顯著高于對照(P< 0.05)，在60 mg?mL-1處理下發(fā)芽率最高，較對照提高了11.83%。其余4 種植物經(jīng)浸提液處理后發(fā)芽率低于對照，呈現(xiàn)抑制作用。其中，刺莧除在20 mg?mL-1處理下發(fā)芽率略有提高外，其他處理均顯著低于對照(P< 0.05)；灰綠藜各處理的發(fā)芽率均低于對照，且除60 mg?mL-1處理外其余均差異顯著(P< 0.05)；反枝莧除40 mg?mL-1處理的發(fā)芽率略有提高外，其他處理的發(fā)芽率均較對照有所降低但差異不顯著(P＞0.05)；狗尾草各處理的發(fā)芽率均顯著低于對照(P<0.05)，且隨著根浸提液濃度的增高而逐漸降低，100 mg?mL-1處理下發(fā)芽率較對照降低了38.09%。

圖1 燕麥根浸提液對5 種植物種子萌發(fā)的影響Figure 1 Effects of oat root extract on seed germination rates of five studied plants

發(fā)芽勢是反映種子發(fā)芽整齊度和種子質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo)。燕麥根浸提液對5 種雜草發(fā)芽勢的化感效應(yīng)存在較大差異，其中，油菜和反枝莧各濃度處理下的發(fā)芽勢均顯著高于對照(P< 0.05)，呈現(xiàn)促進(jìn)作用，并分別于60 和20 mg?mL-1處理時達(dá)到最高，較對照提高了21.42%和22.53%；刺莧、灰綠藜和狗尾草在各濃度處理下發(fā)芽勢均顯著低于對照(P<0.05)，表現(xiàn)為抑制作用。隨著浸提液濃度的增加，刺莧和狗尾草的發(fā)芽勢呈現(xiàn)下降趨勢，并于100 mg?mL-1處理時達(dá)到最低，分別較對照降低了31.58%和40.00%。

燕麥根浸提液對5 種植物萌發(fā)速度指數(shù)的化感作用也各不相同。油菜和反枝莧在各濃度處理下萌發(fā)速度指數(shù)均高于對照，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。灰綠藜和狗尾草均低于對照，呈現(xiàn)出抑制作用。刺莧在20～40 mg?mL-1處理時，萌發(fā)速度指數(shù)高于對照，而在60～100 mg?mL-1處理下低于對照，呈現(xiàn)出“低促高抑”的雙重效應(yīng)。

發(fā)芽指數(shù)是種子的活力指標(biāo)。油菜和反枝莧在各濃度處理下發(fā)芽指數(shù)顯著高于對照(P< 0.05)，呈現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。狗尾草的發(fā)芽指數(shù)隨著浸提液濃度的增加呈現(xiàn)出下降趨勢，且各處理下均顯著低于對照(P< 0.05)，在100 mg?mL-1處理下較對照降低了44.22%?；揖G藜在各濃度處理下的發(fā)芽指數(shù)也低于對照，表現(xiàn)為抑制作用。

2.2 不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物種子萌發(fā)化感效應(yīng)指數(shù)的影響

燕麥根浸提液對灰綠藜和狗尾草的種子發(fā)芽率化感效應(yīng)指數(shù)(RI)均小于0，表現(xiàn)為明顯的抑制作用(表1)。對刺莧和反枝莧除20 和40 mg?mL-1處理外，其他濃度下也均表現(xiàn)為抑制作用(RI< 0)。其化感效應(yīng)指數(shù)由強到弱依次為狗尾草 > 灰綠藜 > 刺莧 > 反枝莧。另外，各濃度浸提液處理均對油菜種子發(fā)芽率具有促進(jìn)作用。

表1 燕麥根浸提液對5 種植物種子萌發(fā)化感效應(yīng)指數(shù)( RI )的影響Table 1 Effects of oat root extract on seed germination allelopathic effect index for the five studied plants

燕麥根浸提液對5 種植物發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的化感效應(yīng)規(guī)律一致，對刺莧、灰綠藜和狗尾草均表現(xiàn)為抑制作用(RI< 0)，發(fā)芽勢的化感效應(yīng)指數(shù)由強到弱依次為灰綠藜 > 狗尾草 > 刺莧。發(fā)芽指數(shù)的化感效應(yīng)指數(shù)由強到弱依次為狗尾草 > 灰綠藜 > 刺莧。燕麥根浸提液對油菜和反枝莧的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI> 0)，且對油菜的促進(jìn)效果更強。

燕麥根浸提液對灰綠藜和狗尾草的萌發(fā)速度指數(shù)表現(xiàn)出抑制作用(RI< 0)，對狗尾草的化感效應(yīng)指數(shù)大于灰綠藜。對油菜和反枝莧的萌發(fā)速度指數(shù)具有促進(jìn)作用(RI> 0)，且對油菜的促進(jìn)作用更強。對刺莧的萌發(fā)速度指數(shù)在20～40 mg?mL-1處理下表現(xiàn)為促進(jìn)(RI> 0)，在60～100 mg?mL-1處理下則為抑制(RI< 0)，表現(xiàn)出“低促高抑”的雙重效應(yīng)。

2.3 不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物幼苗生長的影響

燕麥根浸提液不僅影響5 種植物種子萌發(fā)，對幼苗生長也有顯著作用(圖2)。浸提液處理后灰綠藜、反枝莧和狗尾草的根長均低于對照，表現(xiàn)為抑制作用，且抑制程度隨浸提液濃度的增高而增強，60～100 mg?mL-1處理下與對照差異顯著(P< 0.05)，100 mg?mL-1處理下根長最短，較對照分別縮短了34.19%、46.46%和15.86%。刺莧和油菜在低濃度浸提液處理下根長低于對照，而在高濃度處理下根長均高于對照，呈現(xiàn)“低抑高促”的雙重效應(yīng)。

圖2 燕麥根浸提液對5 種植物幼苗生長的影響Figure 2 Effects of oat root extract on seedling growth rates of the five studied plants

燕麥根浸提液處理后反枝莧和狗尾草的芽長均顯著高于對照(P< 0.05)，呈現(xiàn)促進(jìn)作用；且芽長隨浸提液濃度的增高而增長，在100 mg?mL-1處理下芽長最長，較對照分別增長了56.69%和15.25%。刺莧的芽長在20 mg?mL-1處理時低于對照，其他濃度處理下均高于對照。燕麥根浸提液對油菜和灰綠藜芽長的作用無明顯規(guī)律。

燕麥根浸提液對5 種植物活力指數(shù)的化感作用明顯不同。刺莧和反枝莧在各濃度處理下活力指數(shù)均高于對照，表現(xiàn)為促進(jìn)作用，其中，刺莧在所有濃度處理和反枝莧在40～100 mg?mL-1處理下與對照差異顯著(P< 0.05)。油菜除60 mg?mL-1處理外，其他處理均略高于對照，但不具有顯著差異?；揖G藜和狗尾草在各濃度處理下活力指數(shù)均低于對照，呈現(xiàn)出抑制作用。

油菜和灰綠藜在不同濃度浸提液處理后的幼苗鮮重均低于對照，表現(xiàn)為抑制作用，其中油菜在各濃度處理下鮮重與對照均無顯著差異，而灰綠藜均顯著低于對照(P< 0.05)，且抑制作用隨浸提液濃度的增高而增強，在100 mg?mL-1處理下鮮重較對照降低了45.71%。刺莧、反枝莧和狗尾草在不同濃度浸提液處理后鮮重均高于對照，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

2.4 不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物幼苗生長化感效應(yīng)指數(shù)的影響

燕麥根浸提液對灰綠藜、反枝莧和狗尾草根長的化感效應(yīng)指數(shù)(RI)均小于0 (表2)，且化感作用隨浸提液濃度的增加而增強，其化感效應(yīng)指數(shù)由強到弱依次為反枝莧 > 灰綠藜 > 狗尾草。對刺莧和油菜根長的影響呈現(xiàn)“低抑高促”的效應(yīng)。

表2 燕麥根浸提液對5 種植物幼苗生長化感效應(yīng)指數(shù)(RI)的影響Table 2 Effects of oat root extract on the seedling growth allelopathic effect index of the five studied plants

浸提液對刺莧芽長的化感效應(yīng)除20 mg?mL-1處理時表現(xiàn)為抑制外(RI< 0)，其他處理均表現(xiàn)為促進(jìn)(RI> 0)。各濃度處理對反枝莧和狗尾草的芽長均表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI> 0)，且作用效果隨濃度的增高而加強?；揖G藜的芽長除在40 mg?mL-1處理下RI> 0 外，其他處理均小于0，總體表現(xiàn)為抑制作用。各濃度處理對油菜芽長的化感作用無明顯規(guī)律。

浸提液對灰綠藜和狗尾草活力指數(shù)具有抑制作用(RI< 0)，其化感效應(yīng)指數(shù)為灰綠藜 > 狗尾草。對刺莧和反枝莧的活力指數(shù)表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI> 0)，對油菜僅在60 mg?mL-1處理下表現(xiàn)為抑制作用(RI< 0)，其他濃度處理均表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI> 0)。

不同濃度浸提液對刺莧、反枝莧和狗尾草的鮮重均表現(xiàn)為促進(jìn)作用(RI> 0)，其促進(jìn)作用效果由強到弱依次為刺莧 > 狗尾草 > 反枝莧。對油菜和灰綠藜的鮮重均表現(xiàn)為抑制作用(RI< 0)，對灰綠藜的化感效應(yīng)指數(shù)大于油菜。

2.5 不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物綜合化感效應(yīng)的影響

不同濃度燕麥根浸提液對5 種植物的綜合化感效應(yīng)差異也非常明顯(圖3)。其中，對刺莧、油菜和反枝莧的綜合化感效應(yīng)均為正值，表現(xiàn)為促進(jìn)作用。在80 mg?mL-1處理下對刺莧和油菜促進(jìn)作用最強，而對反枝莧則在40 mg?mL-1處理下作用最強，其綜合作用強度由大到小依次為反枝莧 > 刺莧 >油菜。各濃度浸提液對灰綠藜和狗尾草的綜合化感效應(yīng)均為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制作用，且都在100 mg?mL-1處理下抑制效果達(dá)到最大。

圖3 燕麥根浸提液對5 種植物的綜合化感效應(yīng)Figure 3 Synthetical allelopathy efficacy of oat root extract on the five studied plants

3 討論

化感作用在自然界中普遍存在，是植物響應(yīng)其周邊生態(tài)環(huán)境并進(jìn)行化學(xué)防御的主要方式，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、植被恢復(fù)以及植物群落演替等方面起著重要作用[15-17]。植物的化感效應(yīng)及其強度與化感物質(zhì)的濃度、類別及受體物種密切相關(guān)[18-20]。本研究中，燕麥根浸提液對刺莧、油菜、灰綠藜、反枝莧和狗尾草的種子萌發(fā)特性和幼苗生長均產(chǎn)生一定的化感效應(yīng)，且不同植物對浸提液具有不同類型和程度的化感響應(yīng)。從綜合化感效應(yīng)可以看出，浸提液對刺莧、油菜和反枝莧具有促進(jìn)作用(SE> 0)，對灰綠藜和狗尾草則表現(xiàn)為抑制作用(SE< 0)，且響應(yīng)程度也各不相同?？登酀萚12]研究發(fā)現(xiàn)，燕麥種子浸提液對高羊茅種子萌發(fā)具有明顯的化感抑制效應(yīng)，而對多年生黑麥草和白三葉種子萌發(fā)則表現(xiàn)出先促進(jìn)后抑制的現(xiàn)象。牛歡歡等[21]通過光葉紫花苕子(Vicia villosa)浸提液對4 種牧草化感作用的研究表明，浸提液對不同牧草種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出不同程度的化感作用，其地上部浸提液明顯抑制紫花苜蓿和白三葉的種子萌發(fā)，而地下部浸提液會抑制黑麥草、紫花苜蓿(Medicago sativa)和白三葉幼苗的根長。丁春發(fā)等[22]研究了麻花秦艽(Gentiana straminea)的化感物質(zhì)對3 種牧草萌發(fā)及生理特性影響，發(fā)現(xiàn)其對紫花苜蓿和紅三葉的種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)出抑制作用，而對白三葉的苗高表現(xiàn)出促進(jìn)作用。以上研究均與本研究結(jié)果一致，燕麥根浸提液中化感物質(zhì)具有物種選擇性，這可能是因為不同植物對同一化感物質(zhì)的敏感度不同，在長期協(xié)同進(jìn)化過程中，不同植物在化感脅迫下啟動了不同的應(yīng)激機制[23-24]。

植物對化感物質(zhì)的響應(yīng)除了與其本身有關(guān)外，還與化感物質(zhì)的濃度有關(guān)[25-26]。周娟娟等[27]發(fā)現(xiàn)燕麥植株浸提液對垂穗披堿草(Elymus nutans)種子萌發(fā)和幼苗生長的抑制作用隨浸提液濃度的增加而增強。余秒等[28]研究了西洋參(Panax quinquefolium)水提物對8 種作物的化感效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其對受體植物具有高濃度抑制、低濃度促進(jìn)的規(guī)律。本研究結(jié)果也表明，狗尾草種子萌發(fā)的各項指標(biāo)及灰綠藜和反枝莧的根長均呈現(xiàn)出隨浸提液濃度增加受抑程度增強的現(xiàn)象，而刺莧的發(fā)芽率和萌發(fā)速度指數(shù)隨浸提液濃度的增加呈現(xiàn)出“低促高抑”的雙重效應(yīng)，說明燕麥根浸提液對不同植物的化感作用具有濃度依賴性。

不同植物甚至同一植物的不同器官中所含的化感物質(zhì)種類及含量差異很大，化感作用的強弱與這些化感物質(zhì)的類別及其累加效應(yīng)密切相關(guān)[29]，同時，不同的提取劑和提取條件也會影響化感物質(zhì)的種類和濃度[30]。本研究對分析了燕麥根系水浸提液對5 種植物的化感作用，而對于不同提取物及提取條件下燕麥根系的化感作用及其化感物質(zhì)類型還需在后續(xù)試驗中做進(jìn)一步深入的研究和分析。研究中燕麥根系水浸提液對5 種植物的潛在化感作用僅在室內(nèi)進(jìn)行，避免了田間各種復(fù)雜環(huán)境條件的影響，因此后續(xù)研究燕麥根系的化感作用還需要與外界自然環(huán)境相結(jié)合，對所得結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行驗證。另外，通過提純燕麥根浸提液中的主效化感物質(zhì)，研發(fā)出植物源除草劑，在有機燕麥生產(chǎn)中也具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

燕麥根浸提液對5 種植物種子萌發(fā)和幼苗生長的化感效應(yīng)存在顯著差異。不同濃度浸提液對油菜種子萌發(fā)表現(xiàn)出促進(jìn)作用，而對灰綠藜和狗尾草則表現(xiàn)出明顯的抑制作用。浸提液抑制了反枝莧和狗尾草的根長、降低了油菜和灰綠藜的鮮重，但對刺莧、反枝莧和狗尾草的芽長和鮮重均有促進(jìn)作用。浸提液對刺莧、油菜和反枝莧的綜合化感效應(yīng)均為促進(jìn)作用，其作用強度由大到小依次為反枝莧 > 刺莧 > 油菜；對灰綠藜的抑制作用大于對狗尾草。