紫茎泽兰对小麦的化感作用及腐熟肥效

范倩，黄建国

（西南大学资源环境学院，重庆400716）

0 引言

【研究意义】紫茎泽兰（Ageratina adenophora）属菊科多年生恶性毒草，原产于中南美洲，20世纪40年代从中缅边境侵入中国，现已广泛分布于西南地区，给农业、林业、畜牧业和生态环境造成了巨大灾难，是中国危害最严重的外侵植物[1-2]。因此，有效防除与资源化利用紫茎泽兰具有重要意义。【前人研究进展】植物通过植株分解、自然挥发、降雨淋溶和根系分泌等多种途径向周围环境释放化感物质，影响周边其他植物生长[3]。目前，人们已从紫茎泽兰体内分离出100多种化学物质，包括单萜类、倍半萜类、甾体类、三萜类、苯丙素类、黄酮类等各类衍生物[4]。其中，已发现的化感物质有9-β-羰基泽兰酮、泽兰二酮、羟基泽兰酮及2-香豆酸葡萄糖苷等[5-7]。大量的研究表明，紫茎泽兰浸提液对白三叶、黑麦草、金毛狗、水稻、番茄、辣椒、茄子和豌豆等多种植物的种子发芽和幼苗生长具有强烈抑制[5,8-11]作用。在紫茎泽兰入侵过程中，枯枝落叶释放的化感物质较多，抑制周边植物生长，迅速形成紫茎泽兰优势种群[12]。在紫茎泽兰利用方面，用于造纸纤维不够长，做饲料有毒，当薪柴热值太低[13]。在农业生产中，施用有机肥和秸秆还田能改良土壤，提供养分，提高产量品质[14]。紫茎泽兰生命力强，根、茎和种子皆可再生繁殖[15]，不能用于直接还田，而它繁殖快、生长迅速、生物量大，富含氮、磷、钾和微量元素，去除抑制植物生长的有毒的化感物质后是良好有机肥源[16]。在自然腐解中，紫茎泽兰的毒性抑制微生物的生化反应，导致自然堆腐时间长，效果差，且难于有效杀灭其营养繁殖器官和种子。值得注意的是，有些微生物能降解如苯、萘、菲、蒽等多环芳烃，如假单胞菌属（Pseudomonas）、诺卡氏菌属（Nocardia）、解环菌属（Cycloclasticus）、反硝化产碱菌（Alcaligenes denitrificans）、乙酸不动杆菌（Acinetobacter calcoaceticus）和多色节杆菌（Arthrobacter polychromogenes）等，产黄青霉（Penicllum chrysogenum）能降解香豆素和香草醛，黑曲霉（Aspergillus niger）和焦曲霉（Aspergillus ustus）还能分解丹宁[17-18]。因此，利用这些微生物可降解紫茎泽兰中有毒的化感物质，与腐熟微生物配合堆肥可实现无害化处理与资源化利用[13]。【本研究切入点】前人研究一般限于描述紫茎泽兰的生物学性质和对其他作物的危害。在紫茎泽兰人工防除的过程中，大量堆砌的植物残体亟需科学处理和资源化利用，很有必要选择一种生长周期完整的当地作物，研究紫茎泽兰的化感效应，评价腐熟紫茎泽兰的肥效以及对土壤微生物和作物产量品质的影响。四川省凉山州是紫茎泽兰侵入的重灾区，危害面积占幅员面积的 14.1%，紫茎泽兰蚕食农田的现象十分普遍[19]。当地土壤深度风化、板结，有机质缺乏，严重影响作物的生长，需要大量施用有机肥。【拟解决的关键问题】了解紫茎泽兰对小麦的化感作用，评价微生物腐熟紫茎泽兰的肥效，开发有机肥资源，防除与资源化利用紫茎泽兰。

1 材料与方法

1.1 供试材料

小麦品种：当地广泛种植的西昌19，购于西昌市种子公司。

土壤：田间试验地点位于四川省西昌市西溪乡（东经102.20，北纬27.78），海拔1 680 m，年均气温17.1℃，年日照2 431 h，年降雨1 087.5 mm，属高原亚热带印度洋季风气候。供试土壤类型为紫色土，成土母质是侏罗纪紫色泥岩，质地中壤，肥力中等，pH 6.21、有机质 16.01 g·kg-1、全氮 1.04 g·kg-1、全磷 0.43 g·kg-1、全钾11.62 g·kg-1，有效氮、磷、钾依次为56.32、9.25和 117.5 mg·kg-1。

肥料：（1）紫茎泽兰有机肥（organic fertilizer made from A. adenophora，OF）：于2015年9月收割营养生长期的紫茎泽兰地上部，用降解紫茎泽兰毒物的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putita）和腐熟有机质的热解纤维梭菌（Clostridium thermocellum）制成专用菌剂，野外就地堆制腐熟有机肥[13]（表1）。（2）化肥（CF）：尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和硫酸钾（K2O 50%），购于当地农资公司。

紫茎泽兰浸提液（extracts of A. adenophora，EA）：分别采集新鲜和腐熟紫茎泽兰样品，风干、粉碎、过1.0 mm筛。称取50.0 g样品，加入5 L蒸馏水，37℃浸提 48 h，抽滤，获得新鲜（extracts of fresh A.adenophora，EFA）和腐熟紫茎泽兰浸提液（extracts of decomposed A. adenophora，EDA），相当于每1 L溶液含有10.0 g新鲜和腐熟紫茎泽兰。吸取母液分别配制成 0（对照）、1.0 mg·L-1（低浓度）、10.0 mg·L-1（高浓度）EFA和EDA溶液。

表1 紫茎泽兰的pH、有机质、腐植酸和养分含量（干重，%）Table 1 pH, organic matter, humic acid, and nutrients in A. adenophora (dry weight, %)

1.2 试验设计

发芽试验：取均匀一致的供试种子，用1% H2O2消毒1 min，无菌水洗净。分别置于 0、1.0、10.0 mg·L-1EFA和EDA溶液中，（25±1）℃吸涨24 h或浸种至露白。取吸涨24 h的种子50粒，置于底部铺有滤纸的培养皿中（φ=10 cm），用相应溶液湿润滤纸，进行种子发芽，培养条件为（25±1）℃、光周期12 h∶12 h、光照强度5 000 lx、7—10 d。在培养期间，每天适量补充无菌水，重复3次。

盆栽试验：每盆装土1 kg，基施尿素0.5 g，过磷酸钙1.0 g，硫酸钾0.4 g，肥土混匀。每盆播种小麦10粒，出苗5 d后留5株均匀一致的健康幼苗。在出苗后第7、14、21天，分别用100 mL 浓度为0、1.0、10.0 mg·L-1EFA和EDA的溶液灌根，重复6次。在培养期间，用重量法保持土壤含水量（70±2）%，自然温度与光照，持续40 d。

田间试验：设置不施肥（对照，CK）、单施化肥（CF）和化肥配施紫茎泽兰有机肥（CF+OF，无机氮∶有机氮≈ 60∶40）3种处理。在CF处理中，按照当地习惯亩施25 kg尿素，50 kg过磷酸钙和10 kg硫酸钾；在CF+OF处理中，施用15 kg尿素，以及相当于10 kg尿素的OF，并根据OF施入的磷、钾量补施化学磷、钾肥，使之等于CF处理的氮、磷、钾用量。化学磷、钾肥和OF均做基肥，基肥施氮量占全量的60%，剩余的氮肥于播种后40 d施用。小区面积40 m2，重复4次，随机区组排列。

1.3 测定项目与方法

田间和盆栽试验的土壤基本理化性质按常规方法测定[20]。

在种子发芽试验中，以胚根长度＞1 mm为标准，每隔6 h统计一次种子发芽数，若连续24 h发芽数无增加视为发芽完全，计算发芽率（发芽种子数/种子总数×100），发芽指数（∑Gt/Dt，Dt为发芽日数，Gt在Dt日的发芽数）和种子活力指数 [GI×S，GI为发芽指数，S为苗高（cm）][21]。测定第一片完全展开叶硝酸还原酶活性（磺胺-萘胺比色法）、叶绿素含量（乙醇浸提-分光光度计法）和根系活力（TTC法）[22]。取露白种子，分别用福林酚法、酸解-蒽酮比色法、茚三酮比色法、蒽酮比色法、铁沉淀法和钼蓝比色法分别测定种子蛋白质、淀粉、游离氨基酸、可溶性糖、六磷酸肌醇和水溶性无机磷含量[20,23-24]。

收获盆栽小麦植株，称生物量，105℃杀青，（80±1）℃烘干，H2SO4-H2O2消化，用凯氏法、钼黄比色法和火焰光度法分别测定消化液中的氮、磷、钾含量[20]。

收获田间小麦，记录产量，分别用福林酚法和酸解-蒽酮比色法测定蛋白质和淀粉含量[23]。取新鲜根际土壤，测定微生物生物量（氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4提取，K2CrO7氧化法测碳、腚酚蓝比色法测氮）[25]、脱氢酶活性（TTC法）[26]及微生物群落多样性（BIOLOG-ECO法）[27]。

1.4 数据处理与分析

用Excel 2013对原始数据进行基本计算，用SPSS 16.0软件对数据进行Levene方差齐性检验，并进行方差分析，显著性水平为P＜0.05。

2 结果

2.1 紫茎泽兰浸提液对种子发芽和部分生理指标的影响

随EFA浓度提高，小麦种子发芽率、发芽指数和活力指数降低；EDA则相反，在10.0 mg·L-1的溶液中，发芽率、发芽指数和活力指数比对照分别提高4.73%、13.06%和6.58%（表2）。

低浓度EFA对苗高、最大根长、硝酸还原酶活性和根系活力无显著影响（1.0 mg·L-1EFA例外，苗高增加，叶绿素含量降低）；在高浓度EFA处理中，上述生理指标显著降低。EDA不同程度地促进生长，在10.0 mg·L-1的溶液中，苗高和最大根长分别增加 29.87%和22.81%，叶绿素含量、硝酸还原酶活性和根系活力比对照依次提高17.49%、10.64%和24.55%（表3）。

表2 紫茎泽兰浸提液对小麦种子发芽特性的影响Table 2 Effects of EA on the germination characteristics of wheat seeds

表3 紫茎泽兰浸提液对小麦幼苗生长及生理指标的影响Table 3 Effects of EA on wheat seedling growth and physiological indexes

2.2 紫茎泽兰浸提液对萌发种子内含物的影响

在EFA处理中，抑制小麦胚乳蛋白质、淀粉和六磷酸肌醇水解，其降幅显著低于 EDA处理；游离氨基酸显著低于对照，可溶性糖和水溶性无机磷与对照相似。EDA则相反，促进胚乳蛋白质、淀粉和六磷酸肌醇水解，分别比对照提高14.52%—18.55%、14.59%—15.57%和21.54%—27.69%，游离氨基酸、可溶性糖和水溶性无机磷含量显著提高（图1）。

图1 紫茎泽兰浸提液对小麦萌发种子内含物的影响Fig. 1 Effects of EA on inclusions in germinating seeds of wheat

2.3 紫茎泽兰浸提液对麦苗生长和养分吸收的影响

EFA抑制小麦生长，生物量降低47.77%—58.70%；EDA则相反，生物量增加17.00%—27.53%。在EFA处理中，植株吸收养分比对照降低69.98%—74.78%（氮）、49.94%—58.55%（磷）和 65.50%—70.77%（钾）；但与对照相比，EDA处理促进麦苗吸收氮素（10.0 mg·L-1EDA处理的增幅未达显著水平），对磷、钾吸收无显著影响（表4）。

2.4 紫茎泽兰有机肥对根际土壤微生物的影响

在小麦根际土壤中，微生物碳氮含量 CF+OF＞CF＞CK，依次为245.7、215.3和184.5 mg·kg-1（微生物碳），24.84、16.22和13.70 mg·kg-1（微生物氮），微生物碳氮比分别为9.89、13.27和13.47。脱氢酶活性CF与CK无显著差异，但CF+OF比CK和CF分别提高26.47%和34.38%。CF处理的 Shannon-Wiener多样性指数与 CK无显著差异，但CF+OF处理显著高于CK和CF（图2）。

表4 紫茎泽兰浸提液对小麦生长和养分吸收的影响Table 4 Effect of EA on seedling growth and nutrient uptake of wheat

图2 紫茎泽兰有机肥对小麦根际微生物的影响Fig. 2 Effects of OF on microbes in the rhizosphere of wheat

2.5 紫茎泽兰有机肥对小麦产量品质的影响

小麦籽粒产量 CF+OF＞CF＞CK，CF+OF比 CF增产 8.87%。施紫茎泽兰有机肥显著提高穗数、穗粒数和粒重；但与CF相比，CF+OF处理的增幅未达显著水平（P＜0.05）。此外，籽粒蛋白质含量 CF+OF（13.61%）＞CF（12.37%）＞CK（11.02%），淀粉含量CF+OF、CF（66.22%—68.41%）＞CK（61.53%）（表5）。

表5 紫茎泽兰有机肥对小麦产量品质的影响Table 5 Effects of OF on grain yield and quality of wheat

3 讨论

研究表明，秸秆直接还田使作物减产，而秸秆整株覆盖还田、秸秆做饲料再以粪肥方式还田，或与化肥配施可改善土壤肥力；换言之，只要具备腐殖化条件，秸秆还田具有明显培肥效果，提高产量[28-30]。紫茎泽兰化感物质种类多，毒性强，且其种子、茎、根均可再生繁殖，直接还田不仅不能提高土壤肥力，还会带来生态危害，而紫茎泽兰一旦经微生物腐熟后，可降解化感物质，消除毒性[13]。云贵地区大面积种植的烤烟也含有烟碱等化感物质，不能直接还田，但可利用微生物技术将废弃烟叶腐熟，去除有害物质，制成有机肥料[31]。紫茎泽兰在西南地区分布面积大，生长迅速，生物量大，富含氮、磷、钾及微量元素[16]，可作为制备优质有机肥的原料。本研究表明，EFA不同程度地抑制小麦种子发芽，养分吸收和幼苗生长，说明紫茎泽兰内含化感物质，对小麦具有负化感效应不能直接用于翻压还田。前人研究也发现，紫茎泽兰叶片提取液对番茄、辣椒和茄子等 14种植物均有毒性，妨碍种子萌发，降低发芽速率、胚轴和胚根长度，抑制幼苗生长[11]。一般植物自然凋零释放化感物质具有明显的毒性动态，前期毒性较强，而后期随着化感物质的分解毒性逐渐减弱[32]。在自然腐解中，紫茎泽兰的有害物质抑制微生物的生化反应，导致自然堆腐时间长，效果差。即植物自然凋落物腐熟周期长，受环境条件影响大。而人为添加专用腐熟剂，可改变和调整其成分和积制环境，加快植物残体的分解，快速降解化感物质，形成优质有机肥料。利用恶臭假单胞菌和热解纤维梭菌制成混合菌剂腐熟紫茎泽兰后，EDA促进小麦种子发芽和幼苗生长，说明微生物腐熟的紫茎泽兰既消除化感毒性，又刺激植物生长，是一种优质的有机肥料。

在种子萌发过程中，胚乳中的淀粉、蛋白质和肌醇磷酸盐发生水解，形成单糖、氨基酸和无机磷，然后再经合成作用构建植物体[33]。在EFA抑制小麦种子发芽和幼苗生长的同时，胚乳中的蛋白质、淀粉和六磷酸肌醇的降幅低于腐熟紫茎泽兰浸提液处理，游离氨基酸含量低于对照、可溶性糖和水溶性磷与对照无显著差异，说明在小麦种子发芽过程中，EFA抑制了胚乳中的大分子物质水解，减少可溶性碳水化合物和养分供应，从而降低种子萌发率。相反，EDA则有促进作用，向胚芽提供构建植物体需要的基础物质，提高小麦种子的发芽率和幼苗生长速率。此外，根系活力是根系内多种呼吸酶活性的综合体现，与能量代谢密切相关[34]，根系活力强，有益于养分吸收[35]。叶绿素参与光能的吸收与转化，影响光合速率[36]，其含量高低通常还能指示植物氮素营养的丰缺状况[37]。在旱地土壤中，无机氮以硝态氮为主，硝酸还原酶催化无机氮同化的原初反应——硝酸盐还原成氨，是植物利用硝态氮的关键酶之一[38]。据报道，植物分泌的化感物质可以改变呼吸酶、硝酸还原酶、谷氨酰合成酶、谷氨酸脱氢酶、吲哚乙酸氧化酶等多种酶的活性，影响能量转化、物质代谢、养分吸收、氮磷同化等，进而抑制周围植物的生长发育[39]。高浓度EFA不同程度地降低根系活力、硝酸还原酶活性和叶绿素含量。在EFA灌根处理中，降低小麦氮、磷、钾吸收量和生物量，推测EFA中的化感物质抑制养分吸收、氮素同化和光合作用，可视为EFA抑制小麦生长的重要原因之一。但是，用浇灌EDA则相反，说明在微生物腐熟紫茎泽兰过程中，降解了化感物质，合成了刺激植物生长腐植酸，并提高了氮、磷、钾等元素的生物有效性。

据报道，紫茎泽兰内含多种对土壤微生物有害的化学物质，抑制其新陈代谢和繁殖生长[19]。因此，紫茎泽兰有机肥对土壤微生物的影响不可忽略。在CF+OF处理中，小麦根际微生物碳氮、脱氢酶活性和多样性指数提高，意味着微生物数量增多，活性增强，种群增加。在稳定良好的生态环境中，多种生物共存，多样性指数提高，是生态系统稳定和健康的重要表现[40]，故施用OF改良了土壤生态环境。微生物参与土壤养分转化，活性增强有益于提高土壤养分的生物有效性，增加养分供应[41]。与 CF相比，尽管CF+OF的穗数、穗粒数和粒重的增幅未达显著水平，但积微成显，CF+OF比CF增产8.87%，籽粒蛋白质含量显著提高。小麦生育期长，经历冬春两季，土壤温度变化幅度大，需要持续较长时间的养分供应。化肥含速效养分，有机肥肥效持久，CF+OF速缓相济，能满足小麦各生育期对养分的需要，有益于生长发育，提高产量，改善品质。

4 结论

新鲜紫茎泽兰含有抑制小麦种子发芽、养分吸收和幼苗生长的化感物质，利用恶臭假单胞菌和热解纤维梭菌制成的混合菌剂腐熟之后，可消除原生肥源的毒性，刺激小麦种子发芽率，增加氮素吸收，促进幼苗生长，增强根际微生物活性，提高产量品质。微生物腐熟紫茎泽兰生产有机肥兼具无害化处理与资源化利用，值得提倡推广。

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