趙財，周海燕，柴強(qiáng)，黃高寶，劉輝娟，朱靜

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國人均耕地少，連作普遍，隨之而來的連作障礙成為制約作物生產(chǎn)的重要原因。連作障礙的發(fā)生不僅同營養(yǎng)偏耗、病原菌滋生、土壤傳染性病害和土壤理化性狀劣變有關(guān), 也同由根系分泌物引起的化感自毒作用有關(guān)[1]。化感作用(allelopathy)指植物通過向環(huán)境釋放特定次生物質(zhì)，從而對鄰近其他植物(含微生物及其自身)生長發(fā)育產(chǎn)生的有益或有害影響[2]，其強(qiáng)度受光照、水分、養(yǎng)分、土壤環(huán)境條件和生物等多重因子的影響[3]。其中，水分與植物化感作用的關(guān)系倍受研究者的關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)萬壽菊(Tageteserecta)在干旱脅迫下產(chǎn)生的酚類物質(zhì)較充分供水時增加[4]，導(dǎo)致化感作用加強(qiáng)；在水分脅迫時，化感物質(zhì)對受試植物的活性會增強(qiáng)[5-6]。在有關(guān)作物化感作用解除措施的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)小麥蠶豆間作時，間作蠶豆(Viciasativa)可降低小麥(Triticumaestivum)根系分泌物間甲酚對小麥產(chǎn)量的抑制作用[7]，說明通過改變種植模式是克服化感作用的有效途徑之一。根系是化感物質(zhì)的主要來源[8-9]，化感物質(zhì)對植物根系具有抑制作用，且根系的生長、代謝和活力變化可直接影響到地上部的生長發(fā)育及產(chǎn)量[10-13]。因此，揭示不同條件下化感物質(zhì)與作物根系生長間的相互關(guān)系，對于尋求調(diào)控化感作用的途徑具有重要理論價值。

前期研究中，研究者在土壤含水量為田間持水量的75%，60%和45%條件下分離鑒定了寧春4號小麥的根系分泌物，發(fā)現(xiàn)3個供水水平下，小麥根系分泌物中均含有濃度較高的丁香酚，且該物質(zhì)對小麥幼苗的抑制作用大于玉米(Zeamays)幼苗[14]，說明該物質(zhì)是造成寧春4號小麥連作障礙的化感物質(zhì)之一。為尋求克服小麥連作障礙的可能途徑，系統(tǒng)揭示作物根系與調(diào)控措施間的相關(guān)關(guān)系，本研究在前期工作基礎(chǔ)上，以小麥根系分泌物丁香酚為參試化感物質(zhì)，探討了供水、間作蠶豆及丁香酚對小麥根系形態(tài)學(xué)特征和產(chǎn)量的協(xié)同影響，以期為合理利用種群結(jié)構(gòu)和灌水減小連作障礙提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試作物品種為寧春4號春小麥和臨蠶8號蠶豆。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)3個水分梯度(I)，分別為田間最大持水量的75%(I1)，60%(I2)和45%(I3)；2種種植模式(P)，分別為單作小麥(W)和小麥間作蠶豆(WB)；2個丁香酚處理水平，分別為0和300×10-6mol/kg土(A)；共12個處理，每處理重復(fù)12盆(試驗設(shè)計及處理代碼詳見表1)。

表1 試驗設(shè)計及處理代碼Table 1 Experiment design and treatments codes

試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)模擬試驗基地網(wǎng)室進(jìn)行，試驗用土為取自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田的灌淤土，田間持水量為24.24%，pH 8.19，土壤有機(jī)質(zhì)含量12.34 g/kg，全氮1.10 g/kg，速效氮35 mg/kg，全磷0.96 g/kg，速效磷27.32 mg/kg。所用瓦盆高與直徑均為30 cm，播前將試驗用土風(fēng)干過2 mm篩，將土壤與N、P肥混合均勻，N肥和P肥用量分別為200 mg純N/kg土、200 mg純P2O5/kg土。每盆裝土14 kg，澆水至田間持水量60%，待表土稍干后于2010年4月3日播種。單作小麥留主莖苗30株，小麥間作蠶豆(小麥留主莖苗15株，蠶豆留苗4株)，苗齊后按預(yù)設(shè)水分梯度進(jìn)行控水，10 d時將濃度300×10-6mol/kg土的丁香酚和自來水進(jìn)行對應(yīng)處理，此后每天按不同供水水平用稱重法補(bǔ)水，保持水分梯度始終恒定，直至試驗結(jié)束。

1.3 測定指標(biāo)及方法

根樣收集：在小麥拔節(jié)期(5月1日)、開花期(5月15日)、灌漿期(5月31日)和成熟期(6月20日)，每處理各取3盆，剪去地上部分后，將盆栽用瓦盆放尼龍網(wǎng)篩上后，用低壓水沖洗根系，撿除雜物，分盆收集小麥根樣，用濾紙吸取根系表面附著水，之后用于根長、根體積、根干重測定。

根體積：排水法。用根體積測定裝置測定[15]。

根長：網(wǎng)格法[16]。根長=長度轉(zhuǎn)換系數(shù)×交叉點數(shù)。

根干重：烘干稱重法測定[17]。將根樣置于105℃烘箱先烘0.5～2.0 h，再在60～70℃下烘至恒重，稱重。

化感效應(yīng)指數(shù)：根系分泌物丁香酚產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)用Willimson(1988)的公式計算[18]:

RI=1-C/T(T≥C) 或RI=T/C-1(T

式中，RI表示化感效應(yīng)，RI絕對值大小與化感作用強(qiáng)度一致；C表示對照值，T表示處理值。當(dāng)0

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003進(jìn)行分類整理，利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥根系特征的影響

相同丁香酚濃度與供水水平下，間作小麥根體積均顯著大于單作，但隨生育進(jìn)程的推進(jìn)其差異逐漸減小(表2)，至小麥成熟期，小麥根體積在單作與間作間無顯著差異。各生育期，小麥根體積均受不同程度虧缺供水抑制，在相同丁香酚濃度下，單、間作小麥根體積在75%與45%供水水平間差異顯著。丁香酚處理下，45%供水水平的單、間作小麥根體積較75%供水水平分別降低49.34%和60.20%，較60%供水水平分別降低41.71%和49.35%；未加丁香酚處理45%供水水平下，單、間作小麥根長較75%供水水平顯著降低49.42%和55.21%，較60%供水水平分別降低42.61%和47.35%。

小麥根長隨供水水平降低逐漸降低，成熟期各處理間差異顯著(表2)；未加丁香酚處理下，45%供水水平的單、間作小麥根長較60%供水水平分別顯著降低61.84%和56.22%，較75%供水水平顯著降低76.73%和50.31%。丁香酚處理下，45%供水水平的單、間作小麥根長較60%供水水平分別顯著降低66.47%和54.79%，較75%供水水平顯著降低73.89%和56.66%。相同供水水平下，45%供水水平的丁香酚對灌漿期小麥根長存在顯著抑制作用；拔節(jié)期小麥根長在間作與單作間存在顯著差異，其他各生育期間作小麥根長與單作小麥的均差異不顯著。

小麥根干重隨供水量降低而降低，除拔節(jié)期外，不同種植模式下45%供水的小麥根干重顯著低于75%供水處理，與60%供水處理差異不顯著(表2)。無丁香酚作用時，45%供水水平的單作小麥根干重在開花期、灌漿期與成熟期分別比75%供水水平低59.57%，61.76%和74.41%，而間作小麥根干重則分別降低56.10%，48.00%和16.00%；丁香酚作用下，3個生育期內(nèi)，45%供水水平的單作小麥根干重較75%供水水平分別降低54.05%，63.63%和64.52%，而間作小麥則分別降低50.00%，56.52%和29.41%。

主效應(yīng)分析表明(表3)，丁香酚對小麥根長和根體積，種植模式對小麥根體積和根干重效應(yīng)均達(dá)顯著水平；供水水平對小麥根長、根體積和根干重均具有顯著的促進(jìn)作用；種植模式與供水水平對小麥根干重的互作效應(yīng)顯著。

2.2 不同供水水平下丁香酚對小麥根系特征的化感效應(yīng)

丁香酚對小麥根體積、根長和根干重均具不同程度化感負(fù)效應(yīng)(圖1)。不同供水水平下，化感效應(yīng)值在75%與45%供水水平之間差異顯著；75%供水水平下，丁香酚對間作小麥根體積、根長和根干重的抑制強(qiáng)度較45%水平各時期分別降低54.69%，26.70%和18.67%，而單作小麥則分別降低33.32%，49.55%和55.41%。相同供水水平下，丁香酚對單作小麥根體積的化感負(fù)效應(yīng)均大于間作。

表2 不同處理下小麥根體積、根長和根干重的變化Table 2 The changes of wheat root volume, root length and root dry weight in different treatment

注：同列不同字母表示5%水平上差異顯著。下同。

Note： Different small letters in one column mean significant difference among treatments at 5%. The same below.

表3 不同處理因子對小麥根系形態(tài)學(xué)特征的效應(yīng)分析Table 3 Analysis of influence on morphologic characteristics of wheat root in different treatment

圖1 不同供水水平下丁香酚對小麥根體積、根長、根干重化感效應(yīng)Fig.1 Allelopathic effect of eugenol on root volume, root length, dry root weight of wheat in different treatment

2.3 不同處理小麥產(chǎn)量及與其根系特征的相關(guān)性

丁香酚處理降低小麥籽粒產(chǎn)量，增加供水可弱化丁香酚對小麥籽粒產(chǎn)量的抑制作用；隨供水水平的提高，各處理小麥籽粒產(chǎn)量均有不同程度提高，3個水分梯度下丁香酚使單作小麥籽粒產(chǎn)量分別降低20.93%，31.72%和32.50%，而間作小麥籽粒則分別降低26.39%，25.61%和26.40%(表4)。在供水水平I1與I3間，小麥產(chǎn)量差異顯著，丁香酚處理下單作和間作小麥產(chǎn)量在I3供水水平較I1供水水平分別降低50.41%和48.99%。當(dāng)供水水平達(dá)田間持水量60%以上后，增加供水則對小麥產(chǎn)量的增加作用不顯著(表4)。表明，不同種植模式下，有無化感物質(zhì)，60%田間持水量均可作獲取最大水分效益的參考指標(biāo)；同樣，相同供水水平下間作蠶豆對丁香酚的產(chǎn)量降低作用亦具弱化作用。

3 討論

濃度為300×10-6mol/kg土的丁香酚在不同供水水平下對單、間作小麥的根長、根體積和根干重均表現(xiàn)出化感負(fù)效應(yīng)，影響根系的生長，說明小麥根系分泌物丁香酚對小麥根系具有自毒作用?；形镔|(zhì)通過影響受體植物細(xì)胞分裂來抑制其生長發(fā)育，如薄荷根分泌物顯著促進(jìn)小麥幼苗和幼根的生長，顯著抑制青菜(Brassicachinensis)幼苗和幼根生長，顯著促進(jìn)蘿卜(Raphanussativus)幼苗而抑制其幼根生長[19]；大豆(Glycinemax)連作中須根減少、根系不發(fā)達(dá)、根鮮重下降、根皮老化，吸收養(yǎng)分和水分的能力減弱，根的生長緩慢[3]；花生(Arachishypogaea)連作中花生種子胚根的伸長遲緩、根鮮重下降[20]。

間作蠶豆弱化了丁香酚對小麥根系生長的抑制作用，丁香酚對單作小麥根體積、根干重和根長的化感負(fù)效應(yīng)均大于間作，說明間作方式有緩解供體植物根系自毒作用效果。間作是增加單位面積生物多樣性的一種有效種植方式，可以直接增加植物物種多樣性，更重要的是合理的間作能避免自毒作用，從而促進(jìn)作物的生長而減輕連作障礙的發(fā)生[21]。小麥間作蠶豆研究中發(fā)現(xiàn)中，兩種作物生長盛期，間作蠶豆顯著降低間甲酚對根重的抑制作用[22]；另有研究表明復(fù)合種植可顯著降低高濃度化感物質(zhì)對幼苗芽干重的負(fù)效應(yīng)[23]；說明存在化感抑制物質(zhì)的條件下，通過間作的方式可產(chǎn)生一定的緩解化感作用的效果。本研究中作物不同的生長階段丁香酚的自毒作用有所不同，可能與作物生長發(fā)育不同階段產(chǎn)生化感物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量差異有關(guān)，且小麥蠶豆間作群體內(nèi)，不同生育時期，小麥的競爭力的不同也可能導(dǎo)致小麥對丁香酚的適應(yīng)能力不同。

表4 不同處理下小麥的產(chǎn)量表現(xiàn)Table 4 The effect of eugenol on yield in different treatment g/盆Pot

不同供水水平下隨水分虧缺的加劇化感效應(yīng)增強(qiáng)，化感效應(yīng)值在75%與45%供水水平之間存在顯著差異，75%供水水平下丁香酚對間作小麥根體積、根長和根干重的抑制強(qiáng)度較45%水平下各時期均值分別降低54.69%，26.70%，18.67%，單作小麥分別降低33.32%，49.55%，55.41%；作物根系對作物汲取養(yǎng)分水分，生長以及產(chǎn)量形成至關(guān)重要。在再生稻頭季稻產(chǎn)量研究中表明，其產(chǎn)量與根系干物質(zhì)量及根系活力密切相關(guān)[24]；水分是植物體光合作用的主要原料，是新陳代謝和生理生化過程的主要參與者。水分可以通過對土壤生態(tài)條件、養(yǎng)分狀況、化感物質(zhì)的運轉(zhuǎn)和次級代謝等條件的影響而影響化感作用[3]。一般隨著土壤含水量的降低，植物生長吸收水分的減少，植物體內(nèi)化感物質(zhì)濃度有增加的趨勢，并且植物在逆境條件下，可能產(chǎn)生更多的次生物質(zhì)[25]。

在整個小麥生長期內(nèi)，種植模式與供水水平的互作效應(yīng)對其根干重達(dá)顯著水平；且低供水水平下間作小麥籽粒產(chǎn)量受丁香酚的抑制作用小于單作小麥，45%水分梯度下丁香酚使單作小麥籽粒產(chǎn)量降低了32.50%，而間作小麥籽粒降低了26.40%；相關(guān)研究表明，小麥根系分泌物間甲酚與灌水水平對小麥蠶豆競爭力的互作作用顯著[26]。生產(chǎn)實踐中, 當(dāng)間套作作物間存在化感抑制作用時, 補(bǔ)水可作為調(diào)控作物競爭力的措施而應(yīng)用。然而，本研究采用了常用的加入外源物質(zhì)模擬化感物質(zhì)作用機(jī)制的方法, 但未能對作物生長過程中的根系分泌特征及其化感物質(zhì)濃度進(jìn)行動態(tài)檢測，因此，實時檢測作物的根系分泌特征及其化感物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化等綜合效應(yīng), 將是進(jìn)一步深入研究種植模式、供水水平及化感效應(yīng)三者之間互作作用的重要方向。

4 結(jié)論

丁香酚對小麥根系生長均具有抑制作用，相同供水水平下丁香酚對小麥根系的化感抑制作用在間作中小于單作；丁香酚對小麥根系生長的抑制作用隨水分虧缺的加劇而增強(qiáng)，間作與供水水平對根干重的交互效應(yīng)顯著，提高供水水平和間作可弱化丁香酚對小麥根系生長的抑制作用。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過合理的作物配對和優(yōu)化水分管理可達(dá)到弱化化感物質(zhì)對作物根系的負(fù)效應(yīng)，從而達(dá)到克服因化感物質(zhì)累積而造成的連作障礙。