玉米秸秆腐解液对作物化感作用的研究

严锐+任相浩+张龙轩+李红+全爽

作者简介：严锐（1988—），男，甘肃人,北京建筑大学城市环境与能源工程学院硕士研究生。

通讯作者：任相浩（1974—），男，吉林人,朝鲜族,副教授,主要研究方向为污水回用对人体细胞的影响。中图分类号：S513文献标识码：B文章编号：16749944(2014)05016004

1引言

近年来随着农业综合生产能力的提高,秸秆产量不断增长。其中,玉米秸秆产量最大,达2.91×108t,占中国作物秸秆总量的38.2%［1］。秸秆长期施入农田,可以改善土壤理化性状,增加土壤有机质和N、P、K等养分含量,有利于作物生长发育和提高产量。因此,秸秆还田成为一种越来越常见的农业技术措施。

有研究表明,秸秆还田的主要积极作用在于增加土壤肥力、抗旱保墒、降低病虫害的发生率、优化环境、防治污染和水土流失［2］。但同时,在生产实际中,必须注意还田的方式方法,否则也会给作物生长及产量造成负面效应。这是因为秸秆在腐败过程中会释放化学物质到环境中而产生对其他植物直接或间接的化感作用,而关于植物化感作用的研究成果表明,这种释放的化学物质对植物有一定的影响［3］。

因此,需要评价玉米秸秆化感作用对作物生长的影响。本研究同时针对单子叶和双子叶作物,采用室内发芽方法,通过测定玉米秸秆腐解液对玉米、冬小麦和大豆发芽情况的影响,明确玉米秸秆对不同作物的影响程度,为玉米秸秆还田在常见作物上的应用寻找理论和实践依据,从而指导农业生产。

2材料与方法

2.1实验材料

2.1.1玉米秸秆腐解液的制备

将新鲜的玉米秸秆剪成1~2cm小段,称取100g置于大烧杯中,加入1L蒸馏水,25℃下浸泡48h。过滤后蒸发(50℃)浓缩至100mL得到1g/mL腐解液,分别用蒸馏水稀释成0.5、0.2、0.1、0.05、0.02g/mL的溶液备用。

2.1.2活性种子的选取

采用红墨水染色法,用红墨水和蒸馏水按1∶60的比例配制成溶液,将玉米、冬小麦、大豆种子浸泡15min后取出观察。种胚染成红色的为无生活力种子,不染色或染色较浅的为有生活力种子。挑选具有活性的三种子各540粒,并用1%的高锰酸钾进行消毒。

2.2实验方法

实验以单子叶作物种子(玉米、冬小麦)和双子叶作物(大豆)共3种供试种子为对象,每种种子萌发实验各设5组,编号为A、B、C、D、E,另设对照组,记为CK,每组3次重复。选取具有活性的供试种子30粒置于铺有两层滤纸的培养皿中,分别向A、B、C、D、E各组加入15mL 002~05g/mL对应浓度的腐解液,CK中加入蒸馏水,25℃培养。种子萌发过程当中,适当补充对应浓度的腐解液或蒸馏水,保持滤纸湿润,以芽长超过种子长度的1/2为发芽标准。测定萌发过程中第2、4、6、8、10、12d的发芽种子数(GT)、芽长(L),并根据发芽数计算发芽率(GR)、化感效应指数(RI)和供体敏感指数(SI):

发芽率(GR)=GT/N×100%,

化感效应指数(RI)=(T-C)/C×100%,

敏感指数(SI)=(∑nj=1RIj)n×100%。

式中:N为每组种子数,T为测试指标的处理值;C为测试指标的对照值;为该处理各指标数据RI的总个数当SI＞0 为促进,SI＜0为抑制,绝对值的大小与化感作用强度一致。

2.3数据分析

试验数据采用 Excel 作图表,SPSS 软件做统计分析,LSD 显著性在 005 水平上检测。

3结果与分析

3.1玉米秸秆腐解液对种子发芽率和生长速率的影响

种子发芽率是以发芽试验各阶段芽长超过种子长度的1/2为发芽标准,计算符合该标准的种子占供试种子总数的百分率。种子发芽率高,则表示有生活力的种子多,播种后出苗数多。由图1看出,随着浓度的变化,玉米腐解液对大豆发芽率的影响十分显著。蒸馏水处理下,大豆种子的发芽率为989%;在腐解液浓度较低(002g/mL和005g/mL)时,大豆的发芽率可以达到884%和844%;随着腐解液浓度的升高,大豆的发芽率明显下降,腐解液浓度为01g/mL时,大豆的发芽率最高仅为244%;当腐解液浓度达到最大的时候对大豆种子发芽率最为显著,此时大豆种子的发芽率为22%。

同时应当注意到,腐解液浓度对大豆种子的生长速率也有影响。蒸馏水处理下,大豆在生长周期第4~6d发芽率明显提高,第6d后发芽率不再明显变化;同样,在腐解液浓度为002g/mL时,大豆在第4~6d达到最大发芽率;随着腐解液浓度的升高,大豆的生长速率显著下降,005g/mL和01g/mL腐解液处理下,大豆种子分别在生长周期第8d和第12d达到最大发芽率;02g/mL和05g/mL腐解液处理下,大豆种子的生长速率一直保持在很低的水平,即高浓度腐解液化感作用对大豆种子呈现明显的抑制效果。

图1不同浓度玉米秸秆腐解液对大豆发芽率的影响

由图2可知,不同浓度腐解液处理下冬小麦发芽率的差异十分明显。蒸馏水和低浓度(002g/mL)腐解液处理下冬小麦的发芽率较高且二者比较接近,分别为100%和989%;随着腐解液浓度的升高,冬小麦的发芽率明显下降,当腐解液浓度为005g/mL和01g/mL时,冬小麦的发芽率降低到778%和662%;当腐解液浓度为02g/mL和05g/mL时,冬小麦的发芽率最高仅为289%和167%。

就生长速率而言,低浓度(0~01g/mL)腐解液处理下冬小麦的生长周期保持较为一致的趋势,在4~8d时生长速率均有所上升,第8d以后分别达到最大发芽率;而在02g/mL和05g/mL腐解液处理下,冬小麦种子的生长速率一直保持在很低的水平,高浓度腐解液化感作用对小麦种子呈现明显的抑制效果。

由图3可知,随着腐解液浓度的上升,玉米种子的发芽率逐渐下降。蒸馏水和不同浓度腐解液处理下,玉米种子的最大发芽率分别为944%、90%、70%、567%、447%和289%。与小麦种子相比,高浓度(02g/mL和05g/mL)的玉米秸秆腐解液对玉米种子的化感作用相对较低。

图2不同浓度玉米秸秆腐解液对冬小麦发芽率的影响

就生长速率而言,不同浓度腐解液处理对玉米的影响的差异十分明显。蒸馏水处理下,玉米在生长周期第4~6d发芽率明显提高,第6d后达到最大发芽率水平;腐解液浓度为002g/mL时,玉米在第4~8d时发芽率均呈上升趋势,第8d后发芽率不再明显变化;腐解液浓度为05g/mL时,玉米在第4~6d时发芽率上升明显;随着腐解液浓度的增大,玉米生长速率降低,02g/mL和05g/mL腐解液处理下,在玉米种子生长周期的第2~12d,发芽率保持缓慢上升的趋势。

图3不同浓度玉米秸秆腐解液对玉米发芽率的影响

3.2玉米秸秆腐解液对种子芽长的影响

除了评价玉米秸秆腐解液对种子发芽率和生长速率的影响,还需要考虑玉米秸秆腐解液对种子生长量的影响,即考察玉米秸秆腐解液对萌发种子芽长的影响,本次实验测定了所有萌发种子的平均芽长。如图4所示,在玉米秸秆腐解液的作用下,大豆种子的芽长呈下降趋势。蒸馏水处理下,萌发的大豆种子平均芽长为313mm;腐解液浓度较低(002g/mL)时,芽长受到的影响并不明显,平均长度为2833mm;随着腐解液的浓度升高,大豆的芽长明显下降,当腐解液浓度为005g/mL、01g/mL和02g/mL时,大豆的平均芽长分别为157mm、106mm、21mm;当腐解液浓度达到最大(05g/mL)时,大豆的平均芽长仅为03mm。

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图4不同浓度玉米秸秆腐解液对大豆芽长的影响

如图5所示,蒸馏水处理下,萌发的冬小麦种子平均芽长为139mm;各腐解液浓度处理下的冬小麦平均芽长均显著低于对照处理,并且随腐解液浓度的升高芽长变短。值得注意的是,低浓度(002g/mL)腐解液对冬小麦芽长也表现出较强的抑制作用,此浓度下冬小麦的平均芽长为81mm;腐解液浓度最高(05 g/mL)时,冬小麦的平均芽长为04mm。

图5不同浓度玉米秸秆腐解液对冬小麦芽长的影响

如图6所示,在玉米秸秆腐解液的作用下,玉米种子的生物量呈下降趋势。蒸馏水处理下,萌发的玉米种子平均芽长为259mm;腐解液浓度较低(002g/mL)时,芽长受到的影响较小,平均长度为257mm;随着腐解液的浓度升高,玉米的芽长明显下降,当腐解液浓度为005g/mL、01g/mL和02g/mL时,大豆的平均芽长分别为145mm、118mm、31mm;当腐解液浓度达到最大(05 g/mL)时,大豆的平均芽长仅为09mm。

图6不同浓度玉米秸秆腐解液对玉米芽长的影响

3.3不同浓度玉米秸秆腐解液对作物化感作用敏感指数

如表1所示,玉米秸秆腐解液对大豆、冬小麦、玉米的化感效应均呈现抑制作用,并且随着腐解液浓度升高呈现增强趋势。玉米秸秆腐解液对大豆、冬小麦和玉米的综合敏感指数为-4442%、-4002%和-3454%,受到化感抑制作用由强到弱依次为大豆、冬小麦、玉米。

表1玉米秸秆腐解液对作物化感作用敏感指数

作物种类腐解液浓度g/mL0.020.050.10.20.5综合敏感指数大豆-6.3-21.3-56.9-65.2-72.4-44.42冬小麦-8.4-24.2-38.5-61.0-68.0-40.02玉米-4.6-23.1-34.8-51.2-59.0-34.54

2014年5月绿色科技第5期4讨论

玉米秸秆腐解液化感作用可以降低种子发芽率、发芽速率和胚芽长度,腐解液浓度越高其效果越明显。种子萌发对作物生长至关重要,种子发芽率降低可能会降低作物的产量。种子发芽速率降低,发芽时间延长,出苗延后,将严重影响作物对地上和地下资源的竞争能力［4］。化感物质对胚芽生长的抑制导致植株根系变小,吸水、吸肥能力降低,进而影响胚轴的生长导致植株矮小、瘦弱,影响其对光的竞争,这些均会直接影响未来作物的生长发育及其产量。

本次实验,各种作物对化感作用敏感指数不同,其中大豆对化感作用的综合敏感指数最高。作物对化感作用敏感程度不同,其确切原因还不清楚,可能与各物种不同的进化历史有关［4］,但在已有的关于化感作用的研究显示,豌豆是对化感物质敏感的一类植物［5］。

之所以玉米秸秆腐解液对大豆、冬小麦、玉米的化感效应均呈现抑制作用,这于玉米秸秆腐解液中所含的酚酸物质有关。梁春启等人［6］对玉米秸秆腐解液的检测中发现,玉米秸秆腐解液中正含有对羟基苯甲酸、苯甲酸、丁香酸、邻苯二甲酸香草酸、阿魏酸等酚酸物质。另有研究指出,植物在长期适应外界环境的过程中,会由根系的不同部位分泌化感物质,从而影响周围的植物和微生物。水稻根系的分泌作用以及桔秆腐解可释放大量酚类物质,其中包括对羟苯甲酸、香豆酸、丁香酸、香草酸、杏仁酸和阿魏酸等,从而使下季水稻减产［7］。豌豆根系分泌物中的苯甲酸、对羟基苯甲酸、香草酸、肉桂酸、香豆酸、3,4-二羟基苯甲酸、3,5-二羟基香豆酸能抑制连作豌豆种子的萌发和幼苗的生长大豆根系分泌物中的一些酚酸类化合物也对其连作产生影响［8］。综上所述,玉米秸秆腐解液对大豆、冬小麦和玉米呈现抑制作用。

5结语

玉米秸秆腐解液化感作用对大豆、冬小麦和玉米种子生长发育呈现抑制效应,可以降低种子发芽率、发芽

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