化感作用在可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

潘柳廷

摘要植物化感作用是植物間相互傳遞信息、相互作用的一種方式,其作用結(jié)果表現(xiàn)為相互促進或相互抑制。介紹了植物化感作用的概念、化感物質(zhì)種類及其釋放方式,同時對化感作用在可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用做了簡單的評述。

關(guān)鍵詞植物化感作用;化感物質(zhì);可持續(xù)農(nóng)業(yè);應(yīng)用

中圖分類號S476+.7文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)11-0261-02

“可調(diào)控性”一直是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的最大區(qū)別,如何通過人工的控制以達到最大的生產(chǎn)力很久以來都是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要目標。特別是19世紀80年代以來,“石油農(nóng)業(yè)”的迅猛發(fā)展,各種肥料、農(nóng)藥、能量大量被人類傾倒入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,人類在短期內(nèi)取得了巨大的生產(chǎn)效益,但是與此同時,這種巨大生產(chǎn)效益的背后卻是農(nóng)業(yè)乃至整個地球生態(tài)系統(tǒng)的不斷惡化。因此,在對整個人類行為的反思中,人類迎來了可持續(xù)農(nóng)業(yè)時代,開始尋求各種途徑以了解作物與作物之間、作物與環(huán)境之間的互相作用關(guān)系,于是,早就成為生態(tài)學領(lǐng)域重要內(nèi)容的植物間化感作用開始被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)認識、利用。初步介紹了植物間化感作用的概念、組成物質(zhì)以及釋放方式,同時對化感作用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進行了簡單評述。

1植物化感作用的概念

化感作用(allelopathy)這一概念最初是在1937年由德國科學家Molish提出來的[1]。他認為,植物的化感作用就是1種植物通過向體外分泌代謝的化學物質(zhì),對其他植物產(chǎn)生直接或間接的影響。之后,隨著研究者工作側(cè)重點的轉(zhuǎn)移,這一概念逐漸被修正,用它僅僅表示1種植物(包括微生物)通過釋放某些化學物質(zhì)到環(huán)境中,而對其他種屬植物(包括微生物)產(chǎn)生直接或間接的有害影響(Putnam,1985),故又稱為異種抑制效應(yīng)或異株克生作用,起這種作用的化學物質(zhì)叫做他感作用物質(zhì)或克生物質(zhì)。到了80年代中期。E.L.Rice將植物間有益的作用和植物體對自身的自毒作用補充到植物他感作用的定義中[2],成為普遍接受的定義:植物化感作用就是指1個活體植物(供體植物) 通過地上部分(莖、葉、花、果實或種子)揮發(fā)、淋溶和根系分泌等途徑向環(huán)境中釋放某些化學物質(zhì),從而影響周圍植物(受體植物)的生長和發(fā)育。這種作用或是互相促進(相生),或是互相抑制(相克)。從廣義上講,化感作用也包括植物對周圍微生物和以植物為食的昆蟲等的作用,以及由于植物殘體的腐解而帶來的一系列影響。

2植物化感物質(zhì)的種類與釋放途徑

2.1植物化感物質(zhì)的種類

化感作用廣泛存在于森林植物中,國外最早報道[3]森林植物化感作用是在2000年前Pling對黑胡桃(Juglans nigra)毒害致死其下農(nóng)作物的觀察。但因化感作用機理的復雜性,20世紀40年代以來,人們才開始在植物化感作用的試驗驗證及化感作用物質(zhì)的提取、分離、鑒定方面做大量工作。

Rice(1984)將化感物質(zhì)大體上分為15類:①簡單的水溶性有機酸、直鏈醇、脂肪醇、脂肪醛和酮;②簡單的不飽和內(nèi)脂;③長鏈脂肪族和聚乙炔;④萘醌、蒽醌和復合醌;⑤簡單的酚、苯甲酸及其衍生物;⑥肉桂酸及其衍生物;⑦香豆素類;⑧類黃酮;⑨單寧;⑩萜和甾類化合物;{11}氨基酸和多肽;{12}生物堿和氰醇;{13}糖甙硫氰酸酯;{14}嘌呤和核苷;{15}其他化合物。

2.2化感物質(zhì)的釋放途徑

化感作用物質(zhì)幾乎存在于森林植物所有器官中,如葉、根、花、果和種子等,這些物質(zhì)雖很少,但有時能強烈影響植物自身或其他植物的生長。眾多研究表明,植物化感作用物質(zhì)的釋放方式主要有根分泌、淋洗、揮發(fā)和植物殘體分解4種。一是根分泌。根分泌是指那些健康完整的活體植物的根系由根組織向土壤中釋放化學物質(zhì)[4] 。不同類型的植物根系以及同一根系的不同部位能分泌不同類型和不同濃度的化學物質(zhì)到土壤中,這些根的分泌物質(zhì)及其相應(yīng)的分解或轉(zhuǎn)化物質(zhì)是植物化感作用研究所關(guān)注的。二是淋洗。樹木代謝過程中分泌一些影響植物生長的化感物質(zhì),如有機酸、糖、氨基酸、類糖物質(zhì)、赤霉酸、萜類、植物堿和酚類化合物等黏附于表面,在雨水、露水和霧滴作用下,從樹木淋溶下來,進入土壤或直接落于其他植物上而產(chǎn)生影響。林秀賢(1987)研究發(fā)現(xiàn),核桃楸苗木浸出液大幅度降低紅松、樟子松、興安落葉松和紅皮云杉等樹苗生長高度。曹光球等研究[5]認為,木荷和絲栗栲等鮮葉浸提液可明顯促進杉木種子萌發(fā)及胚根生長。三是揮發(fā)。萜類化合物是主要的揮發(fā)性化感物質(zhì),這些物質(zhì)揮發(fā)到空氣中或被植物直接吸收,或隨著霧、降水進入土壤根系,對其他植物或母體植物種群產(chǎn)生化感作用。四是殘體腐解。森林植物凋落物花、果、枝和葉等腐爛后,其中復合物或聚合物被微生物分解而釋放出某些化合物對周圍植物起化感作用。研究顯示:巨尾桉枯落物的水浸液對水稻種子的發(fā)芽勢具有顯著的抑制作用[6]。

3化感作用在可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

近年來越來越多的研究表明,長期高劑量使用化肥、農(nóng)藥和生長調(diào)節(jié)劑等化學物質(zhì)嚴重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。人工合成化學物質(zhì)的自然降解十分困難,對環(huán)境造成直接污染,并通過人為運輸、動物活動、氣候條件和食物鏈造成遠程污染和次生污染。但是,這些化肥、農(nóng)藥、生長調(diào)節(jié)劑等帶來的生產(chǎn)力又是維持人類社會發(fā)展所必需的,如何解決好這種短期有害而長期低產(chǎn)的矛盾,是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)所必須面對的最主要問題,開發(fā)天然農(nóng)藥,采用自然有效的方法提高改良土壤改狀等,這些成了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的研究熱點,如何利用好化感作用為實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)服務(wù),無疑也是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略中的一個重要組成部分。

3.1合理利用植物化感作用的相生效應(yīng)進行植物套種,提高農(nóng)田生產(chǎn)力

生產(chǎn)中,有的作物在一起套種會提高作物產(chǎn)量,而有的則會減產(chǎn),這其中的原因之一就是作物間存在著化感作用。如高粱對雜草具有一定的抑制效應(yīng),作物與高粱套種可有效控制雜草,提高作物產(chǎn)量;玉米與大豆、小麥與豌豆套種,也可提高產(chǎn)量;而番茄的根分泌物及其植株揮發(fā)物對黃瓜生長有明顯抑制效應(yīng),故不宜種在一起;蘋果的根分泌物會抑制小麥的生長等,證明了選擇好合適的套種作物是提高農(nóng)田生產(chǎn)力的有效措施。

3.2注意作物自毒作用,合理使用輪作生產(chǎn)技術(shù)

長期以來,連作障礙一直是造成作物減產(chǎn)的一個重要原因,而人們常把原因歸結(jié)為栽培管理不合理、土壤衰退以及病蟲害引起的,而沒有注意到作物分泌于土壤中某些次生代謝物質(zhì)對自體毒害作用的可能性,即化感作用。我國東北連年種植大豆從而造成大豆減產(chǎn),可能與大豆的自毒作用有關(guān)[7]。稻田中水稻殘株抑制第2季水稻幼苗生長現(xiàn)象是自毒作用的典型例證,如我國臺灣省1年2季單一種植水稻,第2季產(chǎn)量長期低于第1季,有時減產(chǎn)達25%,已從水稻根系分泌物中檢測到大量的酚酸類化感物質(zhì)。

3.3利用化感作用進行雜草的生物防治

利用雜草相互間及雜草與作物間化感作用和競爭,可對雜草進行控制。生產(chǎn)中積極利用克生效應(yīng)防除雜草,不但可減少農(nóng)業(yè)投入,節(jié)約成本,同時不會產(chǎn)生由于人工合成化合物的使用而帶來污染環(huán)境問題,可有效利用資源,保護生態(tài)環(huán)境。如冬小麥釋放的化感物質(zhì)能抑制茅草生長;大麥釋放的化感物質(zhì)可抑制繁縷生長[8];刺槐分泌鞣酸物質(zhì)能抑制多種草本植物生長;核桃、薔薇、高粱、向日葵、茄子、菊、番茄等能分泌克生物質(zhì)。生產(chǎn)中廣泛開展利用植物化感作用的克生效應(yīng),直接利用化感植物套種或地面覆蓋,化感物質(zhì)的人工提取直接作為除草劑等措施是有效防除雜草的途徑。

3.4利用化感作用進行病蟲害生物防治,開發(fā)無公害農(nóng)藥

植物的許多次生代謝物能有效地抵御害蟲或病原菌的侵染,故開發(fā)利用植物源殺蟲劑和殺菌劑是當前植物保護工作的熱點之一,也是發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的需要。據(jù)報道,某些植物體內(nèi)可分泌羥化物質(zhì)、單寧等抑制昆蟲和小動物的取食,限制昆蟲生長甚至使其死亡,從而達到保護自身不受傷害的目的[9]。如從除蟲菊中提取的除蟲菊酯對昆蟲有觸殺和麻痹作用。目前許多殺蟲劑是以植物為藥源或是模擬植物中的天然成分合成的,又稱“無公害農(nóng)藥”,它的使用不但可及時大面積防治病蟲害,且高效、低毒、低殘留,有利于保護生態(tài)環(huán)境,減少殘留,保護人類身體健康。無公害農(nóng)藥(除草劑、植物生長調(diào)節(jié)劑)將是未來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展方向,也是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。

4結(jié)語

隨著對化感作用的作用方式及作用機理研究的不斷深入,化感作用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用也愈來愈清晰。通過對植物化感作用的研究,有助于增進對自然生物群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本質(zhì)的認識;有助于人們深入了解植物化感作用的知識,并利用這些知識解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中害蟲治理等實際問題;有助于減少人工合成化學物質(zhì)的投入,開發(fā)新一代無公害農(nóng)藥與作物生長調(diào)節(jié)劑,從而有利于保護生態(tài)環(huán)境,形成結(jié)構(gòu)良好的生態(tài)系統(tǒng),促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5參考文獻

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[9] 尤民生,劉雨芳,侯有明.農(nóng)田生物多樣性與害蟲綜合治理[J].生態(tài)學報,2004,24(1):117-122.