不同作物兩苗同穴互作育苗的生理生態(tài)效應(yīng)

李伶俐，郭紅霞，黃耿華，李彥鵬，楊鐵鋼，*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，鄭州 450002;2.河南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，鄭州 450002;3.河南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)部中原地區(qū)作物栽培科學觀測試站，鄭州 450002;4.濮陽市經(jīng)濟作物工作站，濮陽 457000)

實現(xiàn)作物工廠化育苗、機械化移栽，對提高土地資源和光熱資源利用率，減少農(nóng)作用工和勞動強度，提高農(nóng)作生產(chǎn)效益，推動農(nóng)作規(guī)模化、專業(yè)化生產(chǎn)，增加作物產(chǎn)量，確保糧食安全，穩(wěn)定糧、棉、油、菜生產(chǎn)有重要的意義。但是，在作物工廠化育苗中所用輕型基質(zhì)重復使用，則會導致作物幼苗素質(zhì)降低，死苗嚴重，如不斷換新基質(zhì)則成本高而浪費，改用穴盤土壤基質(zhì)育苗，則因為棉花、油菜、番茄等作物根系團聚力差，幼苗脆弱，起苗時根系和土壤不抱團，極易斷苗傷根;另外，在機械化移栽中發(fā)現(xiàn)成捆無土作物幼苗分苗時易造成斷根和脫根，而且無土幼苗沒有根重極性，機栽喂苗下落立棵不穩(wěn)而影響移栽質(zhì)量。為了解決上述兩個問題，我們進行了多方面探索研究，其中考慮到作物根系分泌物對作物生長、微生物分布、養(yǎng)分平衡有重要的影響，其化感自毒作用是連作障礙的主要因素［1-4］，分析了重復所用育苗基質(zhì)中的根系分泌物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯和9—16碳烯酸甲酯等幾種物質(zhì)的含量比育苗初次使用基質(zhì)中的明顯增加，有研究表明，2，4-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯等物質(zhì)在土壤中積累會明顯降低作物光合能力，抑制作物生長，降低抗病性［5-9］，為此，用土壤做育苗基質(zhì)，并基于不同作物間作可以提高作物的根系活力，增加對磷、鐵等營養(yǎng)元素的吸收利用，改善土壤微生物結(jié)構(gòu)和土壤酶活性，提高葉片光合能力，減輕自毒作用［10-21］等研究結(jié)果，又考慮到禾本科作物根系發(fā)達且柔韌性好，和棉花、油菜、花生等作物同穴互作育苗可能會提高幼苗根系團聚力，實現(xiàn)幼苗根系團聚抱缽不散落，確保起苗和移栽時幼苗根系完好無損，并形成根重極性，有利于機械移栽幼苗下落立穩(wěn)，提高移栽質(zhì)量，在沒有前人進行不同作物兩苗同穴互作育苗研究的情況下，嘗試性的進行了棉花、油菜、番茄、花生、煙草和牡丹分別與小麥、玉米、谷子和高粱兩苗同穴互作育苗的首創(chuàng)試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩苗同穴互作育苗既實現(xiàn)了作物幼苗根系團聚，同時提高了目的作物幼苗的素質(zhì)。因此，本文在上述試驗研究結(jié)果基礎(chǔ)上，進一步研究了不同作物兩苗同穴互作育苗土壤微生物、酶活性和根系分泌物等生理生態(tài)效應(yīng)，以探明其提高目的作物幼苗素質(zhì)的機理，為不同作物工廠化育苗技術(shù)提升和機械化移栽提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

采用532×280mm2具有200方形孔，孔徑24mm，下孔徑10mm，透水口孔徑0.8mm，孔高45mm的育苗盤，用孔徑5mm左右的篩子篩過的壤土做基質(zhì)，播種前每盤用等量的水澆濕潤，每孔播入目的作物和互作作物種子各一粒，設(shè)6個目的作物組，每個目的作物組設(shè)單作對照，試驗處理分組及組合如下表1，每處理10盤，育苗期間每3d澆1次自制的營養(yǎng)液，塑料溫棚溫度控制在20—30℃，自然光照。

表1 不同作物兩苗同穴互作育苗試驗處理Table1 Experimental treatments of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤微生物

達育苗苗齡后，每處理取育苗缽土混合樣，細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂平板表面涂布法;真菌采用馬丁氏(Martin)培養(yǎng)基平板表面涂布法;放線菌采用改良高氏一號合成培養(yǎng)基平板表面涂布法［22］。結(jié)果以每g鮮土所含數(shù)量表示(CFU/g)。

1.2.2 土壤酶活性

脫氫酶活性采用TTC還原法測定;轉(zhuǎn)化酶采用硫代硫酸鈉滴定法測定;脲酶采用苯酚鈉 比色法;多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法［23-24］。

1.2.3 根系分泌物

(1)根系分泌物提取 參照劉秀芬等［25］的方法加以改良。兩苗互作育苗達育苗苗齡后輕輕拔出幼苗，收集根際土混合樣，風干研細，過4O目篩子，從中取出500g于三角瓶中，加入1000mL的80%乙醇，置于搖床上震蕩24 h(180 r/min、25℃)，真空過濾(漏斗上放置兩層濾紙)，然后在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至10mL左右(42℃)，收集蒸發(fā)后的溶液，同時做10個重復，最后把這10個重復的濃縮提取液混合后再濃縮至干，待蒸發(fā)皿冷卻后加入甲醇5mL，再將蒸發(fā)皿中的甲醇入10 mL容量瓶中，再加入3 mL甲醇于蒸發(fā)皿中，傾入10 mL容量瓶中，并用甲醇定容至刻度，再用0.22μm有機濾膜過濾后，用于高效液相色譜法(HPLC)分析。

(2)儀器與試劑 用美國DIONEX公司ultimate3000高效液相色譜儀。2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯和9-16碳烯酸甲酯標品分析純均由北京飛美斯分析科技有限公司提供;甲醇，色譜純，美國迪馬公司(Dimark);水為超純水，臺灣艾科超純水機制。

(3)色譜條件 參考陳會明等［26］的方法加以改良。色譜柱:Acclaim 120 C18反相柱 (5μm，250×4.6 mm)，溫度:室溫(約25℃);檢測器:紫外檢測器;檢測波長:選擇保存波長190—400nm紫外光譜圖。流動相梯度:0—5min內(nèi)甲醇梯度變化范圍為95%—100%;5—20 min內(nèi)甲醇保持在100%;20—25 min內(nèi)甲醇梯度變化范圍為100%—95%;25—30 min內(nèi)甲醇濃度保持在95%。流速:1.0 mL/min。

(4)標準溶液的配制 準確稱取2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯和9—16碳烯酸甲酯各0.5000g置于500 mL容量瓶中，用甲醇定容后振蕩均勻，即得4種物質(zhì)質(zhì)量濃度各為1 g/L的混合標準儲備液，再逐級用甲醇稀釋至所需要的濃度。

1.2.4 ATP 含量

參照生物發(fā)光法(熒光素-熒光素酶法)［27］葉片組織ATP提取采用pH值7.8的甘氨酰-甘氨酸緩沖系統(tǒng)熱提取法［28］(內(nèi)含1 mmol/L EDTA、1 mmol/LMgSO4、1 mg/mL 牛血清蛋白)，標準 ATP 采用 Sigma Co.產(chǎn)品，取純化的ATP溶于20 mmol/L Tris pH值7.8的緩沖液，作為ATP標準液，用FG-3000型發(fā)光光度計測定，整個測定在25℃恒溫水浴下進行。

1.2.5 根系活力

每盤取5株棉苗根系，用TTC方法測定［29］。

1.2.6 可溶性糖含量

每盤取5株棉苗葉片活樣，用蒽酮比色法測定［29］。

1.2.7 幼苗質(zhì)量

每盤取棉苗10株，分別測量根鮮重、側(cè)根數(shù)、苗，求平均值。

1.2.8 離床存活期和緩苗期

離床存活期為起苗后用保鮮袋封存保質(zhì)存活天數(shù);緩苗期為幼苗移栽大田后至出現(xiàn)新葉的天數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤生物化學特性的重要組成部分，在土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、有機質(zhì)分解、有害物降解、肥力修復等方面起著重要的作用，并且可以產(chǎn)生生長刺激素和抗生素，從而抑制病原微生物生長，刺激作物生長［30］。細菌、放線菌和真菌是土壤微生物的三大主要類群，表2可見，不同作物兩苗同穴互作育苗均比目的作物單作育苗顯著影響了育苗土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)育苗土壤中細菌和放線菌數(shù)量均顯著提高，真菌數(shù)顯著降低。有研究指出，當土壤中真菌數(shù)量及其組成比例提高時土傳病害發(fā)生的危險性增加，細菌和放線菌數(shù)量及其組成比例增加，土傳病害發(fā)生概率下降［31］。李云鵬等［32］研究發(fā)現(xiàn)根際放線菌數(shù)量增加、放線菌數(shù)量與真菌數(shù)量的比值提高，作物抗病性增強?？梢姡瑑擅缁プ饔缃档土擞缤寥勒婢鷶?shù)量，增加了細菌和放線菌數(shù)量及其組成比例，有利于降低作物幼苗發(fā)病率。

2.2 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤酶活性的影響

土壤微生物活性與土壤酶活性密切相關(guān)，土壤酶活性的大小可敏感地反映土壤中生化反應(yīng)的方向和強度，脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性增強有利于土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化;土壤脲酶直接參與土壤中含氮有機化合物的轉(zhuǎn)化，其活性增強可提高土壤氮素供應(yīng)水平;土壤中性磷酸酶能促進土壤中有機磷化合物水解，生成作物所能利用的無機態(tài)磷［33］。表3可見，各處理組不同作物兩苗同穴互作育苗均比目的作物單作育苗顯著提高了所測土壤酶活性，這為土壤營養(yǎng)環(huán)境的改善提供了生化基礎(chǔ)。

表2 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤微生物數(shù)量的影響Table2 Effects of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole on soil microorganisms

表3 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤酶活性的影響Table3 Effects of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole on activity of soil enzymes

2.3 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤根系分泌物含量的影響

根系分泌物是植物與土壤進行物質(zhì)、能量與信息交流的重要載體物質(zhì)。2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基 )酯(DEHP)等化感物質(zhì)濃度不同對作物生長、土壤酶活性和土壤微生物有不同程度的影響［5-9，34-36］。表4可見，各處理組互作育苗均比目的作物單作育苗顯著降低了基質(zhì)土壤中所測根系分泌物的含量。不同作物兩苗互作育苗使育苗土壤中這些化感物質(zhì)含量降低，可能是互作育苗提高了育苗土壤酶活性(表1)，改善了育苗土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)(表2)，從而促進了根系分泌物的分解代謝有關(guān)。

表4 不同作物兩苗同穴互作育苗對基質(zhì)土壤根系分泌物含量的影響(nmol/kg)Table4 Effects of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole on content of root secretion in matrix soil

2.3 不同作物兩苗同穴互作育苗對目的作物某些生理特性的影響

表5可見，各處理組互作育苗均比目的作物單作育苗顯著提高了目的作物的根系活力、葉片可溶性糖和ATP含量，棉花、油菜、番茄、花生分別與小麥、谷子互作育苗所測生理指標較與玉米、高粱互作的高，互作較好。目的作物根系活力強，葉片可溶性糖和ATP含量高，說明育苗期間目的作物長勢好、光合能力高、儲備能量多，為其移栽成活快緩苗奠定了物質(zhì)和能量基礎(chǔ)。

2.4 不同作物兩苗同穴兩苗互作對目的作物幼苗素質(zhì)的影響

表5可見，不同作物兩苗同穴互作育苗均比目的作物單作育苗顯著提高了目的作物的根鮮重、側(cè)根數(shù)和苗干重，離床存活期延長，緩苗期縮短，其中和小麥、谷子互作育苗，目的作物幼苗素質(zhì)表現(xiàn)最好，根鮮重、側(cè)根量、苗干重提高的最多，與根系活力、葉片可溶性糖含量、ATP含量提高最多相一致(表4);和玉米、高粱互作育苗，目的作物幼苗素質(zhì)略有改善，苗干重、根鮮重、根系活力、葉片可溶性糖含量、ATP含量的提高量低于和小麥、谷子互作的，其主要原因可能是玉米、高粱長勢較強所至。

表5 不同作物兩苗同穴互作育苗對目的作物生理特性的影響Table5 Effects of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole on physiological characteristics of target crops

表6 不同作物兩苗同穴互作育苗對目的作物幼苗素質(zhì)的影響Table6 Effects of companion-planted grow seedlings of two crops in the same hole on seedling quality of target crops

3 小結(jié)與討論

從本試驗結(jié)果綜合看，不同作物兩苗同穴互作育苗提高了目的作物的根系活力、葉片可溶性糖含量和ATP含量，增加了目的作物幼苗根重、苗重和側(cè)根數(shù)，使目的作物育苗離床存活期延長，栽后緩苗期縮短，表現(xiàn)互作促進，其中棉花+小麥、棉花+谷子、油菜+谷子、番茄+小麥、番茄+谷子、花生+小麥、花生+谷子、牡丹+谷子、煙草+谷子表現(xiàn)較好(前期試驗中由于玉米籽大而出苗力強、長勢旺，嚴重抑制了油菜、番茄、牡丹、煙草小籽作物出苗和生長，小麥、高粱也由于長勢相對強抑制了牡丹、煙草的出苗和生長，所以本試驗中小籽作物沒有設(shè)這些互作育苗)，這可能與互作育苗明顯改善了育苗土壤微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)，使土壤細菌和放線菌數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)顯著降低(表2)，并顯著提高了育苗土壤酶活性(表3)，促進了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和有害物質(zhì)的分解，顯著減少了育苗土壤中2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯和9—16碳烯酸甲酯等根系分泌物的積累量(表4)，增加了土壤養(yǎng)分，改善了單作自毒的土壤生態(tài)環(huán)境有關(guān)。不同作物間作可以提高作物的根系活力，改善土壤微生物結(jié)構(gòu)和土壤酶活性，提高葉片光合能力，減輕自毒作用［10-21］，劉廣才等［37］研究表明小麥/玉米間作系統(tǒng)具有明顯的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收優(yōu)勢，促進了小麥和玉米增產(chǎn)優(yōu)勢，郝艷茹等［38］研究小麥/玉米間作以后，根系分泌有機酸的種類明顯增加，根系體積和根活性吸收面積增加，這些研究結(jié)果直接或間接的支持了本試驗結(jié)果。

大多數(shù)作物都存在根系分泌物等化感物質(zhì)自毒作用，且研究還發(fā)現(xiàn)自毒作用經(jīng)常是作物產(chǎn)生連作障礙的一個主要原因［7］。有研究表明，根系分泌物積累產(chǎn)生化感抑制作用，導致土壤微生物數(shù)量下降、多樣性結(jié)構(gòu)破壞，土壤微生物群落功能多樣性下降，土壤酶活性降低，土壤生態(tài)系統(tǒng)惡化，進而顯著抑制植株的生長，表現(xiàn)作物根系活力降低、葉片SOD活性及葉綠素含量下降，葉片中的MDA含量和細胞質(zhì)膜相對透性增加，使植物抗病性下降［6-9，34-36，］。孫秀山等［1］研究報道，花生隨連作年限增加，土壤和根際真菌數(shù)量顯著增加，細菌和放線苗數(shù)量顯著減少，土壤中堿性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性逐年降低，花針期土壤及根際真菌顯著抑制土壤磷酸酶活性;土壤細菌、土壤放線菌顯著促進土壤磷酸酶活性，而根際真菌顯著抑蔗糖酶和脲酶活性，土壤細菌和放線菌顯著促進脲酶活性，本研究互作育苗比單作育苗土壤細菌和放線菌數(shù)量顯著增加，真菌數(shù)量顯著下降，土壤酶活性顯著提高，得到孫秀山等研究結(jié)果的支持。李彥斌等［39］研究證明棉稈腐解物抑制棉花種子萌發(fā)，延長種子出苗時間，影響棉花植株生長，并隨著秸稈腐解時間延長和秸稈還田數(shù)量增加，棉花葉凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度降低，李艷賓等［40］，研究棉稈腐解物中含有鄰苯二甲酸二丁酯等24種化感物質(zhì)，也證明棉稈腐解提取物對棉花種子萌發(fā)及幼苗生長產(chǎn)生抑制作用，這說明棉花也存在化感自毒。王玉潔等［41］研究了2，6-二叔丁基苯酚和鄰苯二甲酸二甲酯2種化感物質(zhì)在50—500μmol/L濃度范圍內(nèi)處理茄子幼苗，茄子株高、莖粗、地上地下部干鮮重和根系活力都受到明顯的抑制，丙二醛含量及超氧自由基產(chǎn)生速率增大，且隨處理濃度的增加和處理時間的延長抑制作用加強。周寶利等［31］研究表明，以0.5 mmoL/L濃度鄰苯二甲酸二甲酯處理茄子，增加了茄子根際微生物總量，降低真菌數(shù)量、增加了細菌和放線菌數(shù)量。李軼修［3］研究表明鄰苯二甲酸二丁酯對茄子種子萌發(fā)及幼苗的生長具有低濃度促進，高濃度抑制作用.本試驗不同作物兩苗同穴互作育苗顯著降低了2，4-二叔丁基苯酚、2，6-二叔丁基苯酚、鄰苯二甲酸二丁酯和9—16碳烯酸甲酯物質(zhì)在土壤中的積累，可能減輕了自毒危害，有利于幼苗生長。試驗所測根系分泌物含量降低，土壤酶活性提高，可能與兩苗互作育苗改善了土壤微生物結(jié)構(gòu)，提高了土壤微生物活性，促進了有害物質(zhì)的分解有關(guān)。至于試驗處理中不同作物兩苗同穴互作育苗為什么可以優(yōu)化土壤微生物結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物活性，可能與各處理的不同作物根系物質(zhì)友好互補有關(guān)，因為作物種類以及營養(yǎng)狀況等都可影響根系分泌物的數(shù)量和種類，進而影響到土壤微生物數(shù)量和酶活性。

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