谷子秸稈水浸提液對５ 種作物種子萌發及幼苗生長的化感效應分析

崔紀菡 魯一薇 夏雪巖 劉猛 劉建軍 趙宇 李順國

摘要：從化感作用角度篩選適宜與谷子[Ｓｅｔａｒｉａ ｉｔａｌｉｃａ （Ｌ.） Ｂｅａｕｖ.]進行間套輪作的農作物，為建立合理的谷子間套輪作體系提供參考依據。 采用水提法制備谷子根、莖、葉浸提液，每種浸提液設４ 個濃度梯度（５、２０、４０、１００ ｍｇｍＬ－１ ），以蒸餾水為對照（ＣＫ），研究谷子植株三部位浸提液對受體作物綠豆[Ｖｉｇｎａ ｒａｄｉａｔｅ（Ｌ.）Ｗｉｌｃｚｅｋ]、紅豆[Ｖｉｇｎａ ａｎｇｕｌａｒｉｓ （Ｗｉｌｌｄ.） Ｏｈｗｉ ｅｔ Ｏｈａｓｈｉ]、玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ.）、小麥（Ｔｒｉｔｉｃｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.）和谷子種子萌發、幼苗生長的影響。 結果表明，谷子根、莖、葉浸提液對受體作物種子發芽率和幼苗生長均有抑制作用，葉部浸提液抑制作用最強，根部浸提液的抑制作用最弱。 隨著浸提液濃度增加，其對受體種子的發芽率和幼苗鮮重、根長、芽長抑制作用加重。 整體上看，谷子秸稈浸提液對５ 種作物種子萌發的抑制作用由小到大排序為綠豆<紅豆<小麥<谷子<玉米。 綜合來看，綠豆更適宜與谷子進行間作、套作和輪作。

關鍵詞：谷子；化感效應；種子萌發；幼苗生長；秸稈浸提液

中圖分類號：Ｓ３１４文獻標識號：Ａ文章編號：１００１－４９４２（２０２４）０１－００６６－０８

植物化感作用是指植物通過根系分泌、莖葉揮發、雨水淋溶、殘體分解等途徑釋放化學物質到環境中，從而抑制或促進周圍其他植物（或微生物）生長發育的現象，可分為他毒和自毒兩種[１] 。化感物質的收集方法有水蒸氣蒸餾法、溶劑浸提法、培養吸附法和厭氧腐解法等。 種子萌發是植物生命周期中的關鍵環節[２－３] ，因此，供體對受體植物種子萌發和幼苗生長的影響是研究植物化感作用最重要的測定方法之一[４－６] 。 化感物質對種子萌發表現為促進還是抑制，與化感物質種類、濃度以及供受體種類有很大關系[７－９] 。

自２０ 世紀９０ 年代以來，中國農業普遍采用秸稈還田的耕作方式，秸稈就地還田成為解決秸稈綜合利用問題的最重要手段和途徑[１０] 。 秸稈還田可以有效改善土壤理化和生物性狀，提高土壤有機質含量、培肥土壤地力，既保障了農田持續生產，又減少了環境污染[１１－１２] 。 但秸稈自身含有多種具有生物活性的化感物質，這些物質釋放到農田中會對種子萌發和幼苗生長產生化感作用[１３] 。 研究表明，利用農作物間的化感作用原理合理安排輪作、間套作等栽培模式可以達到減輕病蟲害、提高作物產量和品質的效果，是解決連作障礙最簡單有效的方法之一[１４] 。

近年來，有不少研究人員針對還田秸稈的化感作用進行過深入研究，主要集中在水稻、小麥和玉米等大宗作物上，對谷子[Ｓｅｔａｒｉａ ｉｔａｌｉｃａ （Ｌ.）Ｂｅａｕｖ.]的研究相對較少。 谷子是我國北方地區主要的糧食作物之一，栽培歷史悠久，具有耐瘠、抗旱等特性，其籽粒具有豐富的營養價值和較高的經濟價值，對調節構建合理的膳食結構和農業種植結構能起到重要作用。 谷子適生區域狹窄，人工栽培連作障礙現象嚴重，栽培１～２ 年后需要換地栽培，嚴重影響了其產業化發展。 我國谷子主要產區的種植模式包括谷子搭配小麥輪作，搭配玉米、豆類輪作或間套作等。 一些研究表明，谷子秸稈中的化感物質對下茬小麥、玉米、谷子自身以及雜草的生長均存在著顯著的化感作用[１５－１６] 。以往研究對于認識和利用谷子秸稈化感效應提供了重要參考，但這些研究源自不同研究體系，所以谷子對小麥、玉米等作物的化感強弱尚不能進行比較和排序。 為此，本研究以綠豆[Ｖｉｇｎａ ｒａｄｉａｔｅ（Ｌ.） Ｗｉｌｃｚｅｋ]、紅豆[ Ｖｉｇｎａ ａｎｇｕｌａｒｉｓ （ Ｗｉｌｌｄ.）Ｏｈｗｉ ｅｔ Ｏｈａｓｈｉ]、玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ.）、小麥（Ｔｒｉｔｉｃ￣ｕｍ ａｅｓｔｉｖｕｍ Ｌ.）和谷子為受體，研究谷子不同部位浸提液對這５ 種作物種子萌發和幼苗生長的影響，以探明谷子化感物質主要存在的部位，明確谷子它毒和自毒作用的強弱，從化感作用角度評價、篩選與谷子進行間套輪作的農作物，為合理間套輪作提供理論參考。

１ 材料與方法

１.１ 供試材料

試驗于２０２０ 年１０ 月在河北省農林科學院谷子研究所進行。 供試谷子品種為匯華金米（河北省農林科學院谷子研究所和邢臺自然農莊共同選育），玉米、綠豆和紅豆品種分別為冀玉１８、冀綠９８０２ 和冀紅１７（河北省農林科學院糧油作物研究所選育），小麥種子來源于市場，無詳細品種信息。

１.２ 試驗方法

１.２.１ 谷子根、莖和葉浸提液的制備 將成熟期健康谷子的根、莖、葉各部位分開，陰干粉碎后分別稱取２００ ｇ 放入錐形瓶中，加２ ０００ ｍＬ 蒸餾水后置于（２０±１） ℃、１６０ ｒｍｉｎ－１的振蕩培養箱（型號：ＨＹ－１０）中振蕩浸泡１ ｈ，再放置在超聲波清洗儀中進行超聲震蕩３０ ｍｉｎ，靜置分層后將上層渾濁液過濾后離心，得到濃度為１００ ｍｇｍＬ－１ 的清澈母液。 用蒸餾水將母液稀釋為５、２０、４０ｍｇｍＬ－１共３ 個濃度的浸提液，對照（ＣＫ）為蒸餾水，所有液體保存于４ ℃冰箱中備用。

１.２.２ 種子萌發與相關指標測定 將用７５％酒精消毒３ ｍｉｎ 后的種子放入墊有２ 層滅菌濾紙、直徑為１２ ｃｍ 的培養皿中，綠豆、紅豆和玉米每皿放２０ 粒，小麥和谷子每皿放３０ 粒，再分別加入４個濃度（５、２０、４０、１００ ｍｇｍＬ－１）的浸提液５ ｍＬ，對照（ＣＫ）加蒸餾水，裹上保鮮膜后放入植物培養箱中培養。 植物培養箱設定白天溫度為２５ ℃、濕度７０％、光照強度４ ０００ ｌｘ （１２ ｈ） ，黑夜溫度為２５ ℃、濕度８０％、光照強度０ ｌｘ（１２ ｈ） ，每天適當補充相應濃度的浸提液以保持濾紙濕潤并記錄種子萌發數量，６ ｄ 后結束試驗。 每個處理重復３次。

另將培養至露白的種子放在直徑１２ ｃｍ 的培養皿中，加入浸提液１０ ｍＬ，充分潤濕濾紙，綠豆、紅豆和玉米每皿放２０ 粒，小麥和谷子每皿放３０粒，重復３ 次，培養條件同前，７ ｄ 后移出幼苗測量各項指標。 利用根系掃描系統（型號：ＷｉｎＲＨＩ￣ＺＯ ＴＲＯＮ ２０１２）獲取全部萌發幼苗的根長和芽長，獲得總根長、總芽長，總根長和總芽長除以相應的株數獲得單株根長和單株芽長。

１.２.３ 指標計算公式 發芽率（％）＝ 發芽種子數/ 供試種子數×１００；變化率或抑制率（％）＝ （１－浸提液處理的指標數值/ ＣＫ 指標數值）×１００ 。

１.３ 數據處理與分析

采用ＤＰＳ 數據處理系統對種子發芽率和幼苗根長、芽長、鮮重等指標進行數據處理和多因素（品種、浸提部位、濃度）方差分析。

２ 結果與分析

２.１ 谷子不同部位浸提液對受體種子萌發的影響

由表１ 可知，谷子根、莖、葉浸提液對受體種子的發芽率均有抑制作用，３ 個部位中，莖浸提液對玉米的抑制作用最強，葉浸提液對谷子自身的抑制作用最強，根浸提液對玉米的抑制作用最強。總的來說，莖、葉浸提液的抑制作用高于根浸提液。

浸提液的濃度對受體種子的發芽率存在抑制差異。 低濃度的浸提液對綠豆和紅豆的發芽率無顯著影響，高濃度的浸提液顯著或極顯著抑制綠豆和紅豆的萌發；低濃度的浸提液對玉米、谷子、小麥的發芽抑制有顯著影響，高濃度的浸提液抑制作用更明顯，多為極顯著影響。 所有浸提液處理中，５ 種作物種子皆在１００ ｍｇｍＬ－１浸提液濃度下發芽率最低。 浸提液對受體種子萌發的影響不都是負面或者無影響，較低濃度浸提液提高發芽率的現象也有出現，如５、２０ ｍｇｍＬ－１濃度的根浸提液相比ＣＫ 分別提高小麥和玉米種子的發芽率，即出現“低濃度促進高濃度抑制” 的雙重效應。

浸提液對種子萌發的影響還與種子本身的種類有關。 以發芽率為考量，浸提液對綠豆和紅豆萌發的抑制作用遠低于玉米、小麥和谷子，不同部位浸提液（１００ ｍｇｍＬ－１ ）作用下綠豆、紅豆的發芽率分別為７３.３％～９５.０％、５１.７％～９０.０％，玉米、小麥和谷子的發芽率僅為１８.３％ ～ ２６.７％、１７.８％ ～４７.８％和１.１％～５６.７％。 本研究中，谷子根浸提液對５ 種作物種子萌發的抑制作用排序為紅豆<綠豆<谷子<小麥<玉米，谷子莖浸提液對５ 種作物種子萌發的抑制作用排序為綠豆<紅豆<谷子<玉米<小麥，谷子葉浸提液對５ 種作物種子萌發的抑制作用排序為綠豆<紅豆<小麥<谷子<玉米。 由上可知，谷子浸提液對豆科作物種子萌發的抑制作用小，對谷子自身的抑制主要來源于葉部，對玉米、小麥種子萌發具有明顯的抑制作用。

２.２ 谷子不同部位浸提液對受體作物幼苗生長的影響

由表２ 可知，與對照相比，隨著莖浸提液濃度的增大（５～１００ ｍｇｍＬ－１），其對紅豆、綠豆、玉米、谷子和小麥幼苗鮮重的抑制作用呈波動式增強；莖浸提液對綠豆、紅豆、小麥和玉米幼苗鮮重皆為抑制效應，對小麥幼苗鮮重具有較強的抑制效應；

低濃度莖浸提液（５、２０、４０ ｍｇｍＬ－１ ）對受體谷子幼苗鮮重具有更為明顯的促生效果。 高濃度葉浸提液（１００ ｍｇｍＬ－１）對綠豆和谷子幼苗的抑制效果最強， 分別低于對照７０. ６８％ 和７１. ８８％。５ ｍｇｍＬ－１低濃度根浸提液處理較對照提高小麥幼苗鮮重２３.８７％。

對比表２ 和表３ 數據可以看出，谷子莖浸提液對幼苗根長的抑制效應強于對幼苗鮮重的抑制效應。 由表３ 可知，整體上看，葉浸提液對５ 種受體作物幼苗根長的影響強于根、莖浸提液。 與對照相比，濃度為１００ ｍｇｍＬ－１時，葉浸提液和莖浸提液對５ 種作物幼苗根長的抑制效應達到９７.１７％～１００％，根浸提液對紅豆、綠豆、玉米和谷子幼苗根長的抑制效應達到５５.５６％～６１.６３％，對小麥幼苗根長的抑制效果較低，僅為２.７５％。 低濃度莖浸提液對玉米（５ ｍｇｍＬ－１ ）、小麥（５、２０、４０ ｍｇｍＬ－１）幼苗根長均有促生效應，對綠豆和紅豆皆為抑制效應。

對比表２～表４ 數據可知，谷子根、莖、葉浸提液對幼苗芽長的抑制效應輕于對鮮重和根長的抑制。 從表４ 中可知， 與對照相比， 濃度為１００ｍｇｍＬ－１時，葉浸提液和莖浸提液對受體作物紅豆、綠豆幼苗芽長的抑制效應達到９１. ３０％ ～１００％，對玉米、谷子和小麥幼苗芽長的抑制效果較弱；根浸提液對紅豆、綠豆和谷子幼苗芽長有促進作用，對玉米、小麥幼苗芽長表現為抑制。 低濃度莖浸提液（５、２０ ｍｇｍＬ－１ ）對５ 種受體作物幼苗芽長有促進或輕微抑制效應，５ ｍｇｍＬ－１ 根、葉浸提液對紅豆、玉米和谷子幼苗芽長有促進效果。

２.３ 作物種類、浸提部位和浸提液濃度對作物萌發生長的影響

作物種類、浸提部位和浸提液濃度三因素對各個指標均值的影響及差異分析結果見表５。 可知，作物種類影響自身的萌發生長，不同作物的發芽率、鮮重、根長和芽長差異極顯著。 不同浸提部位對作物萌發生長的影響不同，與其他部位相比，葉部浸提液對所有指標的抑制作用最大，根部浸提液對除芽長外的所有指標的抑制作用最小。 隨著浸提液濃度增加，種子發芽率和幼苗鮮重隨之下降，其中ＣＫ 發芽率和幼苗鮮重最高，１００ ｍｇｍＬ－１浸提液濃度下兩者值最低；隨著浸提液濃度增加，根長和芽長值呈現先上升后下降趨勢，５ ｍｇｍＬ－１浸提液濃度下根長和芽長值最大，１００ ｍｇｍＬ－１ 浸提液濃度下最小。

２.４ 影響作物種子萌發和幼苗生長的多因素方差分析

對作物種類、浸提部位和浸提液濃度三因素下的各個指標進行方差分析，結果見表６。 就獨立影響而言，作物種類、浸提液部位和浸提液濃度各自顯著或極顯著影響種子發芽率和幼苗鮮重、根長和芽長。 就交互影響而言，作物種類、浸提部位和浸提液濃度的交互作用也顯著或極顯著影響種子發芽率和幼苗鮮重、根長和芽長。 各因素中，