油菜類型和品種對外來入侵雜草小子虉草的替代控制作用

徐高峰,申時才, 張 云,楊韶松, 董立堯, 張付斗,*,金桂梅

1 云南省農業科學院農業環境資源研究所,昆明 650205 2 云南省農業跨境有害生物綠色防控重點實驗室,昆明 650205 3 南京農業大學植物保護學院,南京 210095 4 云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所,昆明 650205

外來入侵植物小子虉草(PhalarisminorRetz.)為禾本科 (Gramineae) 虉草屬(Phalaris)一年生雜草, 20世紀70年代隨麥類引種侵入我國,現為我國冬季農田重要外來入侵雜草之一[1-4]。小子虉草具有強的繁殖能力、競爭能力和生態適應能力,常導致入侵地冬春農作物(尤其是麥類)減產超30%,嚴重的甚至絕收[5- 7]。安全有效控制小子虉草一直是人們關注的焦點與研究的核心,國內外學者已對其開展了多種控草技術研究[8]。然而,由于小子虉草獨特的生物生態學特征,常導致物理防治、生物防治等控草技術存在防效低、防治成本高等不足而難以滿足現代農業的需求[7,9-10]。目前世界治理小子虉草的主要措施為噴施化學除草劑,如異丙隆(Isoproturon)、肟草酮(Tralkoxydim)、禾草靈(Diclofop-methyl)、炔草酯(Clodinafop-propargyl)、稀禾定(Sethoxydi)等除草劑已被廣泛應用于麥田控制該草[11- 13]。然而,長期大量施用除草劑導的致抗藥性增加、環境污染、食品安全等諸多問題已引起人們廣泛關注[14]。如何持久有效綠色控制外來入侵植物小子虉草近年來被廣泛研究[15]。

外來物種成功入侵不僅受到自身屬性和功能的影響,同時也與入侵地的環境條件密切相關,入侵地群落中的一些生物因素和環境因素能夠抵抗外來植物的入侵[16- 18]。如研究顯示,在薇甘菊入侵地,本地物種幌傘楓、血桐以及農作物紅薯等不僅能有效抵御薇甘菊的入侵危害,也對其破壞的生態環境具有較強的生態修復能力[19- 20]。因此,探索利用具有一定生態和經濟價值的本地物種或伴生物種來替代控制外來入侵雜草,被認為是一種科學、有效的綠色控草技術,也是近年國內外研究的熱點。

選擇適宜當地的替代植物是實現替代控制的關鍵[21]。油菜是是云南省種植面積最大的油料作物,由于其生長迅速,株型高大,已被研究應用于控制農田雜草和外來入侵雜草[22]。如李林等[23]研究顯示油菜可用于農田替代控制入侵植物紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)。婁群峰等[24]則研究表明在適當的耕作條件下,油菜可有效控制如日本看麥娘(AlopecurusjaponicasSteud)、牛繁縷(Myosolonaquaticum(L.) Mocnch)、稻搓菜(LapsanaapogonoidesMaxim)等農田雜草。在小子虉草的中國入侵地,油菜物候期和空間分布與小子虉草種群重疊[25]。作者前期通過野外定點觀測、溫室盆栽和田間試驗研究了小子虉草與不同農作物的種間關系,發現農作物油菜對小子虉草具有強的競爭能力,油菜田小子虉草的種群數量、土壤種子庫種子量和種子生成量也顯著低于蠶豆田和小麥田[3,26-27]。前期研究表明,油菜可能是替代控制小子虉草的優良作物。根據遺傳類型,油菜可分為白菜型油菜(Brassicarape, AA)、芥菜型油菜(Brassicajuncea, AABB)和甘藍型油菜(Brassicanapus, AACC)[28]。由于遺傳背景不同,3種類型油菜在表型特征、養分需求和種群分布等均存在較大差異。然而,目前尚不清楚不同類型與品種的油菜對小子虉草的綠色防控能力與作用機制,且也未見國內外相關研究報道。

為此,本研究選取在云南與小子虉草同域的白菜型油菜、芥菜型油菜和甘藍型油菜各三種,首先通過田間實驗對比研究其對小子虉草的生長、繁殖以及表型的影響,后通過室內生物測定研究了不同類型油菜對小子虉草種子萌發和幼苗生長的化感作用,探討油菜類型與品種對入侵植物小子虉草綠色防控能力的影響及其作用機制。相關研究為利用油菜綠色防控外來入侵植物小子虉草指明方向。

1 材料與方法

1.1 實驗樣地概況與實驗材料

實驗地位于云南省農業科學院嵩明試驗基地(25°05′—25°28′ N, 102°40′—103°20′ E)。試驗點前茬作物為水稻,土壤類型為水稻土,耕作層0—20 cm土壤理化性質為：有機質27.6 g/kg,全氮1.32 g/kg,全磷 1.31 g/kg,全鉀2.42 g/kg,速效氮93.5 mg/kg,速效磷20.8 mg/kg,速效鉀121.7 mg/kg,pH 6.61。

供試油菜品種分別為：白菜型油菜,品種編號為AA1,AA2和AA3;薺菜型油菜,品種編號為AB1,AB2和AB3;甘藍型油菜,品種分編號為AC1,AC2和AC3。上述油菜品種由云南省農業科學院農業經濟作物研究所油菜項目組提供。小子虉草種子為2018年4月采自云南省保山市麥田,晾干后室溫保存。供試小子虉草的發芽率>90%。

1.2 實驗方法

1.2.1油菜類型與品種對外來入侵植物小子虉草生長繁殖的影響

2018年9月—2019年4月,在云南省農業科學院嵩明試驗基地,通過設置不同油菜品種與小子虉草的單種與混種種群,研究白菜型油菜、芥菜型油菜和甘藍型油菜三種類型不同品種油菜對入侵植物小子虉草生長繁殖的影響。試驗采用裂區試驗設計,其中主處理為白菜型油菜、芥菜型油菜和甘藍型油菜三種類型油菜;副處理為不同類型油菜對應的不同油菜品種及其于小子虉草的單混種種群,副處理采用完全隨機排列。具體如下：2018年9月24日,首先將3種品種油菜和小子虉草的種子撒播溫室苗圃。10月29日,按實驗設計要求,分別選取大小一致的油菜和小子虉草幼苗,按1:1比例(油菜90株,小子虉草90株)將其均勻移栽至試驗小區,小區之間設有1 m 的隔離帶。試驗各小區面積均為9.0 m2(3 m×3 m),每個小區種植總物種數量為180株,每處理重復4次。單種處理小區為同一物種的種植方式,混種處理小子虉草與油菜在小區中均勻分布。幼苗移栽后的1周內每天10:00—15:00打開遮陰網和滴灌裝置以保持土壤濕潤,提高幼苗植株的存活率,并對未成活的幼苗及時補充移栽大小一致的植株。在生長過程中,人工拔除其它植物。另外,試驗采用基肥+追肥的方式施肥,基肥采用一次性翻施方式施用,氮、磷、鉀和硼施用量分別為氮肥 108 kg N/hm2(尿素 N 46%),磷肥90 kg P2O5/hm2(過磷酸鈣 P2O512%),鉀肥120 kg K2O/hm2(氯化鉀 K2O12%),硼肥15 kg 硼砂/hm2(硼砂 B12%),后期追肥2次,分別為氮肥 36 kg N/hm2(尿素 N 46%),澆水按正常田間管理。

2019年3月下旬,于小子虉草種子成熟期,分別在各單一和混合種群中隨機選取10株小子虉草植株,將其貼土割斷,分別計數用小子虉草的主莖長度、分枝數和種子數,并用Li- 3000 A型葉面積儀測定主穗的劍葉面積(葉齡20—30天)。后在80 ℃烘箱中將小子虉草植株烘干至恒重,用電子天平(精確度0.001 g)稱量,測定小子虉草的葉片和地上部生物量。

1.2.2不同類型油菜品種葉片水提液對入侵植物小子虉草種子萌發的影響

采集移栽后30 d生長健壯油菜新葉葉片50.0 g,剪碎后4 ℃條件下放入3倍的蒸餾水中浸提48 h, 二次過濾后,將其定容至濃度為0.1 g/mL (以鮮葉質量計算)。取部分浸提液用蒸餾水分別稀釋至質量濃度為0.05 g/mL和0.025 g/mL(以鮮葉質量計算)。后采用培養皿濾紙法測試水提液對小子虉草種子萌發的影響。具體為：首先選擇顏色較深、飽滿且大小一致的小子虉草種子,用0.5%次氯酸鈉溶液浸泡10 min,后用無菌蒸餾水清洗干凈。在直徑9 cm 培養皿中墊2層濾紙,每皿放置30粒小子虉草種子,后每皿加入10 mL不同濃度葉片浸提液,對照加入10 mL蒸餾水,后放入光照培養箱培養(培養溫度為白天25 ℃,夜間20 ℃,白天和夜間時間各12 h)。每處理重復4次。10 d后記錄萌發種子數(芽長和根長≥ 0.5 cm視為萌發),計算種子萌發抑制率。

1.2.3不同類型油菜品種葉片水提液對小子虉草幼苗生長的影響

供試不同類型油菜品種葉片水提液的制備和小子虉草種子前處理方法同1.2.2。采用室內盆缽法測試不同濃度油菜葉片水提液對小子虉草幼苗生長的影響[29]。具體為：取無菌風干細土200.0 g 置于直徑15 cm、高10 cm 的塑料杯中,每杯分別加入60 mL不同濃度葉片浸提液,對照加入60 mL蒸餾水;后于每杯分別播入30粒小子虉草種子,用手將小子虉草種子輕輕按壓至土層0.5 cm處,后置于人工氣候箱培養(培養溫度為白天25 ℃,夜間20 ℃,白天和夜間時間各12 h)。每處理重復4次。培養期內每天視情況每皿補充一定量蒸餾水,保持土壤潤濕。20 d 后每杯隨機選取10株小子虉草幼苗,測量株高、根長和生物量。

1.3 數據處理分析

采用化感響應指數[30](response index,RI) 分別度量不同品種油菜葉片水提液對小子虉草株高和根長化感作用的類型和強度,計算公式為：當T≥C時,RI=1-C/T;當T0 為促進作用,RI<0 為抑制作用,絕對值的大小與化感作用強度一致。

另外,水提液對小子虉草種子萌發的抑制率計算公式為[31]：

種子萌發抑制率%=[(對照組種子萌發平均數-處理組種子萌發平均數)]/對照組種子萌發平均數×100%

比葉面積(SLA)計算公式為[31]：

比葉面積[19]=葉片面積(cm2)/葉片干重(g)

油菜類型、油菜品種和競爭方式(種類或種間競爭)對外來入侵植物小子虉草的地上生物量、種子數、株高、分枝數、葉面積、比葉面積對的影響,試驗數據采用SPSS 13.0軟件的多因素方差分析(three-way mixed ANOVA)法進行分析處理,并采用LSD 法對上述數據以及化感數據對其進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果

2.1 油菜類型與品種對小子虉草生長繁殖的影響

研究結果表明,小子虉草與油菜混種處理組,其地上生物量和種子數均顯著低于其單種處理組,表明油菜對小子虉草的生長繁殖具有顯著的抑制作用。研究也顯示,不同類型的油菜品種對小子虉草生長繁殖的影響存在顯著差異,其中與芥菜型油菜混種處理組,小子虉草地上生物量和種子數均顯著低于白菜型油菜和甘藍型油菜混種處理組,表明芥菜型油菜對小子虉草生長繁殖的抑制作用最強。另外,研究也表明,同一類型不同品種油菜(除芥菜型油菜 AB1外)對小子虉草地上生物量和種子數的影響均無顯著差異(圖1)。

多因素方差分析顯示,競爭方式(種內-種間競爭)和油菜類型均極顯著(P=0.0001)影響小子虉草地上生物量和種子數,而油菜品種對小子虉草的地上生物量(P=0.6064)和種子數(P=0.3577)均無顯著影響。油菜類型與競爭方式互作(油菜類型×競爭方式)對小子虉草地上生物量具有極顯著影響(P=0.0001),對種子數具有顯著影響(P=0.0362)。而油菜品種與油菜類型或競爭方式的互作對入侵植物小子虉草的生長、繁殖均無顯著影響(表1)。

表1 油菜類型、油菜品種、競爭方式及其互作對入侵植物小子虉草生長繁殖的影響(三因素方差分析)

2.2 不同類型油菜品種對小子虉草表型的影響

小子虉草與油菜混種處理組,小子虉草的株高、比葉面積均顯著增加,而分枝數、葉面積則顯著降低,表明不同類型油菜均能顯著影響小子虉草的表型。不同類型油菜對小子虉草株高、分枝數、葉面積和比葉面積的影響顯著不同,其中與芥菜型油菜混種處理組,小子虉草的株高和比葉面積顯著高于白菜型油菜和甘藍型油菜混種處理組,分枝數和葉面積則顯著小于另外兩種油菜。另外,研究也發現同一類型油菜不同品種對小子虉草株高、分枝數、葉面積、比葉面積3種表型的影響無明顯差異(圖1)。

圖1 不同類型油菜品種對外來入侵植物小子虉草生長繁殖的影響(平均值±標準誤)Fig.1 Effects of different rapeseed cultivars on the growth and reproduction of littleseed canarygrass(mean±SE)橫坐標數字1表示小子虉草單種;數字2,3,4表示小子虉草分別與白菜型油菜品種AA1,AA2和AA3混種;數字5,6,7表示小子虉草分別與芥菜型油菜AB1,AB2和AB3混種;數字8,9,10表示小子虉草分別與甘藍型油菜AC1,AC2和AC3混種

多因素方差分析顯示,競爭方式(種內-種間競爭)和油菜類型均極顯著(P=0.0001)影響小子虉草的株高、分枝數、葉面積和比葉面積;而油菜品種對小子虉草的株高(P=0.4279)、分枝數(P=0.6357)、葉面積(P=0.8839)和比葉面積(P=0.3424)均無顯著影響。油菜類型與競爭方式互作(油菜類型×競爭方式)對小子虉草的株高(P=0.0001)、分枝數(P=0.0001)和比葉面積(P=0.0008)均具有極顯著影響,但對葉面積則無顯著影響。而油菜品種與油菜類型或競爭方式的互作對入侵植物小子虉草的株高、分枝數、葉面積和比葉面積均無顯著影響(表1)。

2.3 不同類型油菜品種葉片水提對小子虉草種子萌發和幼苗生長的影響

研究結果表明,不同類型油菜葉片水提液對小子虉草種子萌發的影響存在明顯差異。在濃度為0.1 g/mL時,3種類型油菜品種的葉片水提液均顯著抑制小子虉草的種子萌發;其中芥菜型油菜葉片水提液對小子虉草種子萌發的抑制作用最強(抑制率均超過70%),且顯著大于白菜型油菜和甘藍型油菜。隨著葉片水提液濃度的降低,其對小子虉草種子萌發的抑制率顯著降低,其中在濃度為0.025 g/mL時,白菜型油菜品種AA1、AA2;甘藍型油菜品種AC2、AC3均促進小子虉草種子的萌發。另外研究也顯示,同種類型油菜不同品種,在同等濃度條件下對小子虉草種子萌發率無明顯差異(表2)。

研究也顯示,不同類型油菜葉片水提液對小子虉草幼苗生長也存在明顯差異。在濃度為0.1 g/mL時,3種類型油菜品種的葉片水提液均顯著抑制小子虉草的株高和根長;其中芥菜型油菜葉片水提液對小子虉草株高和根長的抑制作用最強,白菜型油菜對株高和根長的抑制作用最弱。隨著葉片水提液濃度的降低,其抑制降低,其中在濃度為0.025 g/mL時,白菜型油菜品種AA1、AA2和AA3;甘藍型油菜品種AC1和AC2均促進小子虉草株高和根長的生長(圖2)。

2.4 不同類型油菜品種葉片水提對小子虉草幼苗生長的影響及化感效應指數

研究結果表明,在濃度為0.1 g/mL和0.05 g/mL時,3種類型油菜對小子虉草株高、根長和生物量的化感指數均為負值,其中芥菜型油菜對小子虉草的化感指數絕對值最大;表明在上述濃度條件下,油菜葉片水提液抑制小子虉草的生長,芥菜型油菜對小子虉草的抑制作用最強。另外,研究也顯示,3種類型油菜品種葉片水提液對小子虉草株高、根長和生物量的化感效應指數存在差異,其中生物量的化感指數絕對值最大,株高的化感指數絕對值最小,顯示油菜葉片水提液對小子虉草株高的抑制效應最弱(表2)。

表2 不同類型油菜品種的葉片水提液對小子虉草的化感作用(平均值±標準誤)

圖2 不同類型油菜品種葉片水提液對小子虉草苗高和根長的影響(平均值±標準誤)Fig.2 Effects on plant height and root length of P. minor by leaves water extract from different rapeseed cultivars (mean±SE)橫坐標CK表示純水對照; 數字2,3,4分別表示白菜型油菜品種AA1,AA2和AA3的葉片水提液;數字5,6,7分別表示芥菜型油菜AB1,AB2和AB3 的葉片水提液;數字 8,9,10分別表示甘藍型油菜AC1,AC2和AC3 的葉片水提液

3 討論

不同類型品種的油菜,由于其遺傳基礎不同,可能其對小子虉草的防控能力存在差異。本文通過田間試驗和室內化感作用研究了油菜類型與品種對小子虉草防控能力的影響。通過田間實驗和室內化感作用測定,我們發現油菜類型對小子虉草的地上生物量、種子量以及化感作用的影響存在明顯差異,其中芥菜型油菜對小子虉草的生長、繁殖的抑制作用以及對小子虉草種子萌發、幼苗生長的化感抑制作用明顯強于白菜型油菜和甘藍型油菜。另外,研究結果也顯示,同一類型的不同油菜品種,其對小子虉草的生長繁殖和化感作用均無明顯差異。利用農作物自身抑(抗)草特性控制農田入侵雜草是近年國內外研究熱點[15,17]。本研究首次報道了油菜類型對入侵植物小子虉草替代控制的影響,明確了芥菜型油菜是綠色控制外來入侵植物小子虉草的最佳油菜類型,同時也闡述了化感作用在油菜替代控制小子虉草中扮演重要角色。為進一步開發、利用油菜控制外來入侵植物小子虉草提供了參考。

本研究結果表明油菜能顯著抑制小子虉草的有性繁殖能力,減少其種子的生成數量。而通過室內生物測定發現油菜對小子虉草具有強的化感作用,顯著抑制其種子萌發和幼苗生長。作為一年生草本植物,種子是外來入侵植物小子虉草種群擴散、蔓延和危害的唯一載體。因此,抑制田間小子虉草的種子萌發,減少其種子的生成是控制小子虉草的關鍵。前期調查發現,油菜田小子虉草的種群數量和土壤種子庫數量均顯著低于蠶豆田和小麥田[24,27],但對這一現象的原因尚不清楚。本研究通過田間實驗和室內實驗對前期田間調查的現象進行了解答。另外,本研究也明確了白菜型油菜、芥菜型油菜和甘藍型油菜3種油菜類型在同等條件下,芥菜型油菜對小子虉草種子萌發和田間種子量的抑制作用最大,而白菜型油菜的抑制作用最弱。上述結果暗示,在小子虉草入侵地推廣種植芥菜型油菜,可減少入侵地小子虉草種群的發生危害。

本研究結果表明油菜對小子虉草種子萌發和幼苗生長具有強的化感作用,且不同類型油菜對小子虉草的化感作用存在顯著差異,芥菜型油菜對小子虉草種子萌發抑制率最高,化感抑制作用最強。前期研究表明,油菜對小子虉草具有強的種間競爭能力[3]。然而,植物種間關系極其復雜,植物不僅能通過競爭來獲取資源,也可通過釋放化感物質實現有利于自身而不利于周邊其它物種生長的目的[32]。本研究結果暗示,油菜對入侵植物小子虉草生長繁殖具有較強的抑制能力可能是競爭作用和化感作用共同作用的結果。另外,前期研究主要從種間競爭的角度揭示油菜對小子虉草的替代控制機制,而本研究從化感作用的角度探討了油菜對小子虉草的控制機制,拓寬了對油菜控制小子虉草的認知。

研究表明植物的表型變化與植物的生長對策及其對環境的適應性緊密聯系,能夠反應植物適應環境變化的能力與對策[33]。如葉面積和比葉面積可以反映植物獲取光照資源的能力與環境的適應能力[34]。本研究結果顯示,不同類型的油菜顯著影響小子虉草的表型,其中芥菜型油菜處理組,小子虉草的株高和比葉面積顯著大于另外兩種油菜處理組,而葉面積則相反。本研究暗示,芥菜型油菜處理組小子虉草的光合能力較弱,但為應對芥菜型油菜的選擇壓力,其能量可能更多的用于營養生長,導致其分枝數、種子量等有性繁殖特征顯著低于另外兩種油菜。

綜上所述,3種類型油菜對入侵植物小子虉草的生長、繁殖具有顯著的抑制作用,其中芥菜型油菜抑制作用最強,白菜型油菜的抑制作用最弱。進一步研究發現,芥菜型油菜對小子虉草種子萌發和幼苗生長化感抑制效應顯著強于另外兩種油菜,導致小子虉草的表型變化也顯著不同于另外兩個油菜種群。本研究為利用油菜高效控制入侵植物小子虉草提供了參考。