膜荚黄芪根水浸液对4种作物种子萌发及幼苗生长的影响

陈 叶 南 静 苏彩娟 马银山 魏 宁 景玉霞

（1河西学院农业与生态工程学院，734000，甘肃张掖；2甘肃省河西走廊特色资源利用重点实验室，734000，甘肃张掖；3亚东生物科技有限责任公司，734000，甘肃张掖）

植物化感作用是指一种活体植物产生并以挥发、淋溶、分泌和分解等方式向环境释放次生代谢物而影响邻近伴生植物生长发育的化学生态学现象[1]。孔垂华等[2]提出植物化感作用为一种活或死的植物通过适当的途径向环境释放特定的化学物质从而直接或间接影响临近或下茬（后续）同种或异种植物萌发和生长的效应，这种效应绝大多数情况下是抑制作用。化感作用的研究是一门新兴的交叉学科，近年来受到人们的重视，且对作物的配置、耕作制度和栽培管理的实际应用产生影响。

膜荚黄芪（Astragalus membranaceus）为豆科黄芪属草本植物，含有多种人体必需氨基酸、多糖、微量元素等，有较高的营养和药用价值。黄芪种植中存在严重的“连作障碍”现象[3]，原因是黄芪中含有大量的甜菜碱、咖啡酸、克洛酸、阿魏酸、黄酮类等化感物质[4]，这些物质部分通过根系释放到根际土壤中，从而引起土壤理化性状和微生物环境的改变。轮作是恢复土壤地力、减少病虫害、减轻药用植物连作障碍的重要措施[5]。近年研究[6-8]表明，蒙古黄芪根水浸液中存在自毒物质；赵旭等[7]认为蒙古黄芪产生的化感自毒效应随根系分泌物浓度的升高而增强；张博[9]认为蒙古黄芪植株水浸液对小麦、黄瓜、萝卜和白菜均有抑制作用。叶文斌等[10]研究了黄芪种植地土壤水浸液对玉米种子的萌发和幼苗生长有化感效应。甘肃河西地区主栽膜荚黄芪，但在黄芪种植后，有关如何建立合理的黄芪轮作体系研究较少。为此，本研究针对黄芪根水浸液对当地主栽的小麦、大麦、大豆和板蓝根4种作物种子萌发和幼苗生长的影响进行研究，以期为建立高效的轮作模式提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2018年9月于河西学院教学科研示范园内采集的二年生膜荚黄芪的根。采后用清水洗净、风干、粉碎备用。4种不同农作物种子分别为小麦（兰天26号）、大麦（甘啤6号）、大豆（广石绿大豆1号）和板蓝根，种子均购自张掖市种子门市部。

1.2 试验方法

1.2.1 水浸液的制备 按10g膜荚黄芪根粉碎物，加600mL蒸馏水的比例，浸泡36h，过滤，制得0.167g/mL的母液[11]。然后取母液稀释为0.100、0.050、0.010、0.005g/mL的水浸液，4℃下保存备用。

1.2.2 发芽试验 将高温灭菌后的干净河沙，装进发芽盒（13cm×19cm×6cm）中，每盒沙床的厚度为2cm。将不同浓度的黄芪根水浸液20mL添加到发芽盒中，同一浓度设3次重复，以蒸馏水为对照（CK）。将4种农作物种子用3%的次氯酸钠（NaClO）溶液消毒后，均匀播入装有沙子的发芽盒中，25粒/盒，置于温度为25℃，光照/黑暗为14h/10h的培养箱内培养。播后次日开始，每天记录萌发的种子数，并补充蒸馏水，保持河沙湿度。连续观察10d，计算发芽势、发芽率、发芽指数等，第15天测定4种作物的幼苗生长指标。

1.3 植株生长指标测定

1.3.1 发芽指标测定 发芽结束后，统计发芽率、发芽势，测量株高、根长、叶片数；称取根和苗的鲜重。

发芽率=（萌发种子数/播种种子数）×100%；

发芽指数=Σ（Gt/Dt），其中Gt为t日内的发芽数，Dt为相应的发芽天数；

活力指数=GI×S（GI为发芽指数，S为幼苗的根长）[1，8]。

1.3.2 生长指标 发芽试验第15天，每皿选择整齐一致的幼苗10株，测量苗高和最长根长。将植株的地上部与根部分开，称取鲜重，根据茎叶鲜重和根鲜重计算根冠比，根冠比=根鲜重/茎叶鲜重。

1.3.3 化感指数 采用化感作用效应指数（RI，简称化感指数）度量化感作用强度。RI=1-C/T（T≥C）；T/C-1（T＜C）式中，C为对照值，T为处理值。当RI＞0表现为促进作用，RI＜0表现为抑制作用[1]。采用平均敏感指数（MSI）来评价作物对化感作用的敏感性，MSIR=SUM（a1+a2+a3......+an）/n。其中R表示MSI的级别（发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数、茎叶鲜重、根鲜重、苗高、根长、根冠比的化感性为一级指标；种子萌发阶段、幼苗生长阶段的化感性为二级指标；作物水平的化感性为三级指标），a为数据项，n表示该级别数据（RI）的总个数，当MSI＞0表现为促进，MSI＜0表现为抑制[11]。

1.3.4 数据处理 利用Excel 2007统计试验数据，DPS v7.50软件对其进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 黄芪根水浸液对不同作物种子萌发的影响

由表1和表3可知，小麦种子的萌发随根水浸液浓度的升高而降低。当根水浸液浓度为0.010g/mL时，小麦发芽率、发芽指数和活力指数与CK呈显著性差异；在根水浸液浓度为0.050g/mL时，发芽势与CK呈显著相关；当水浸液浓度达到0.100g/mL时，小麦种子的萌发完全受到抑制。根水浸液与大麦种子发芽势、发芽指数和活力指数呈低促高抑效应，与CK相比差异不显著；其发芽率随着根水浸液浓度的升高而下降，在根水浸液浓度为0.100g/mL时，与CK相比差异显著。黄芪根水浸液对大豆种子的发芽指数和活力指数呈促进作用，但与CK相比差异不显著；在浓度为0.005g/mL时，其发芽势与CK相比差异显著；当水浸液浓度为0.050g/mL时发芽率最高，与CK相比差异显著。黄芪根水浸液对板蓝根种子的发芽指数、活力指数呈低促高抑效应，与CK相比差异不显著，而发芽率和发芽势与根水浸液呈量增效减效应，当浓度为0.050～0.100g/mL时，发芽率和发芽势与CK差异均达极显著水平。由此可见，黄芪根水浸液浓度对不同作物种子萌发的化感不同，且化感强度差异较大。

表1 黄芪根水浸液对不同作物种子萌发的影响Table 1 Effects of root water extract of Astragalus membranaceus on seed germination of different crops

2.2 黄芪根水浸液对不同作物幼苗生长的影响

由表2可见，黄芪根水浸液对小麦的幼苗生长呈量增效减效应。当浓度为0.005g/mL时与CK相比对茎叶鲜重有显著的抑制作用；在浓度为0.050g/mL时对最长根长有显著的抑制作用。黄芪根水浸液对大麦幼苗的不同部位影响不同，与CK相比，当浓度为0.050g/mL时，茎叶鲜重和苗高达到最大，差异达极显著水平；当水浸液浓度为0.100g/mL时，对最长根长和根冠比有显著的抑制作用；对根鲜重的影响较小。黄芪根水浸液对大豆的根冠比影响较小；在0.005g/mL时，茎叶鲜重和根鲜重的值达到最大，且与CK差异显著；最长根长和苗高在浓度为0.100g/mL时有显著性影响。根水浸液对板蓝根的茎叶鲜重和根冠比的影响较小，在0.005g/mL时，与CK相比，根鲜重表现为显著的促进作用；在0.100g/mL时，最长根长表现为显著的抑制作用。由此可见，黄芪根水浸液对不同作物和同一作物不同部位间化感程度不同。总体来看，低浓度有利于板蓝根幼苗的生长，而高浓度对板蓝根幼苗的化感趋强，且对地下部分的影响大于地上部分。

表2 黄芪根水浸液对不同作物的幼苗生长的影响Table 2 Effects of root water extract of Astragalus membranaceus on seedling growth of different crops

2.3 黄芪根水浸液对不同作物种子萌发和幼苗生长的化感影响

从表3可知，不同浓度的根水浸液对小麦的一级化感指标的影响均为负值；对大麦的发芽率、根鲜重、最长根长、根冠比的影响为负值；对大豆的发芽势、最长根长的影响为负值；对板蓝根的发芽率、发芽势的影响为负值，且影响随根水浸液浓度的升高而加大；对不同作物的其他指标呈低促高抑效应。同时，还可看出，不同浓度的水浸液对大麦的茎叶鲜重和苗高有促进作用，对大豆的发芽指数和活力指数有促进作用，对板蓝根的茎叶鲜重和根鲜重有促进作用。由此可知，对大豆和板蓝根的种子萌发和幼苗的负影响较小，对小麦的负影响较大。

表3 黄芪根水浸液对不同作物种子萌发和幼苗生长的化感指数Table 3 Allelopathy indexes of root water extract of Astragalus membranaceus on seed germination and seedling growth of different crops

2.4 不同作物对黄芪根水浸液影响的敏感性

从受体作物对黄芪根水浸液化感作用的MSI可知，一、二、三级化感指数大多为负值，说明黄芪根水浸液对4种作物有明显的抑制作用（表4）。黄芪根水浸液对小麦的一级化感指数的敏感性为：茎叶鲜重＞活力指数=根鲜重＞根冠比＞发芽率＞发芽指数=最长根长=苗高。对大麦的敏感性为：根冠比＞根鲜重＞最长根长＞发芽率＞发芽指数=发芽势，其中对种子活力指数、茎叶鲜重和苗高表现为促进作用。对大豆的敏感性为：发芽势＞苗高＞最长根长＞根冠比，其中对发芽率、发芽指数、活力指数、茎叶鲜重和根鲜重有促进作用。对板蓝根的敏感性为：发芽势＞最长根长＞发芽率＞根冠比＞发芽指数，其中对活力指数、茎叶鲜重、根鲜重和苗高有促进作用。由此可见，不同受体所受的化感抑制不同，对不同受体的发芽势、最长根长和根冠比受到的化感抑制最强。二级敏感指数的敏感性为大豆和板蓝根在种子萌发阶段受到的化感抑制大于幼苗生长阶段，而小麦和大麦在种子萌发阶段受到的化感抑制小于幼苗生长阶段。三级敏感指数的敏感性为小麦＞板蓝根＞大麦＞大豆。

表4 不同作物对黄芪根水浸液化感作用的敏感指数比较Table 4 Comparison of sensitivive indexes of different crops to root water extract of Astragalus membranaceus

3 讨论

许多作物存在着明显的自毒作用[1，3，6，12-14]。研究[1，7，15]表明，根系分泌物影响种子萌发和幼苗生长、土壤养分和微生物数量[16]，甚至对病原微生物产生作用[17]。对化感物质进行研究，有助于在农林业生产上正确地轮作、间作和套作[18]。药用植物含有特定的生理活性物质，所以药用植物更易产生化感物质，从而产生化感作用[18]。本研究中黄芪根水浸液对4种当地主要的农作物的化感结果表明，黄芪根水浸液对不同作物的种子萌发和同一作物不同部位的化感明显不同。其中，对发芽势的影响大于对发芽率的影响，对根的影响大于对地上部分的影响，且化感作用的强弱与提取液浓度间有必然的相关性，这与张子龙等[5]、叶文斌等[10]、张博等[19]研究的结果相似。说明不同作物对化感活性物质的响应不同，化感强度与作物产生的拮抗作用相关，不同受体的发芽势、最长根长和根冠比受到的化感抑制最强。4种作物的化感敏感性为小麦＞板蓝根＞大麦＞大豆，由此表明，与黄芪轮作、套作时，宜优先选择大豆和大麦。本研究通过根水浸提液的方法进行的研究，与实际生产有差异，本研究的作用效果还需要在生产中进行验证。

4 结论

合理轮作是解决连作障碍的有效举措。本研究通过黄芪与4种作物的化感作用研究，结果表明，黄芪根的提取液对4种作物的化感明显不同，测试的敏感性3个级别的平均敏感指数（MSI）大多为负值，其数值较小，说明黄芪根水浸液虽对作物有一定的化感作用，但总体上强度不大，也表明大麦、大豆和板蓝根3种作物与黄芪轮作的合理性；特别在高浓度下对大豆种子的发芽指数、活力指数和幼苗的茎叶鲜重仍表现出促进作用，充分说明大豆作为黄芪轮作品种的可行性。三级化感敏感指数排序依次为小麦（-0.39）＞板蓝根（-0.18）＞大麦（-0.09）＞大豆（-0.08），可能与作物对化感物质的抗性和适应性相关。由此表明，选择与黄芪轮作、套作时，优先选择大豆和大麦，其次为板蓝根。