李善魁, 孟焕文， 李宇晨， 张海青， 白 雪， 张宇宽， 周洪友， 王千军， 张笑宇*

(1.内蒙古农业大学园艺与植物保护学院， 内蒙古 呼和浩特 010019； 2.乌兰察布市农牧业科学研究院， 内蒙古 集宁 012000)

草害对农业生产影响较大，需要进行合理防控，相较于传统人工和机械除草，化学除草更简单高效[1]，但化学除草剂使用不当易使杂草产生抗性，并在环境中残留，威胁食品安全[2-3]。有的植物存在化感作用，向环境中释放化感物质影响附近其他植物的生理生化代谢和生长[4]。化感物质是植物次生代谢产物或残体降解过程中产生的物质，没有类似农药的残留毒性[3]，主要是酚类化合物及其衍生物、萜类化合物及生物碱类等[5-6]。植物化感作用在生态学[7]、园林[8]、农业[9]领域均有报道。目前，有利用植物化感作用进行杂草防除的相关报道[10-12]，也有利用植物残体进行抑草的相关研究[13]。利用植物间的化感作用，进行合理轮作和间套作可抑制杂草的发生和危害，安全不污染环境，有助于减少化学除草剂的使用[14]。另外，化感作用物质可以被用作研制和开发新除草剂类型，在农田除草领域具有广阔的研究和应用潜力。

圆柏(Sabinachinensis)又称桧柏，为柏科圆柏属常绿乔木或灌木，多分布于北半球，在我国分布较广，多以景观美化及庭园观赏为主[15]。据观察，圆柏树下杂草生长较少，尤其是禾本科杂草。有报道表明柏树在演替过程中将逐渐成为单一种群[16]，柏树下草坪草生长不良，有逐年退化的现象[17]；也有报道表明圆柏叶片水提液对草坪草萌发及生长有一定抑制作用[18]，圆柏果实、果皮水浸提液对萝卜(Raphanussativus)、白菜(Brassicacampestris)种子的萌发、株高和根长生长均有显著的抑制作用[19]，但未见有圆柏对农田杂草及作物化感作用的报道。因此，本试验首先利用圆柏叶片水浸提液，采取培养皿滤纸法对5种对农田危害较重的杂草进行化感作用研究，同时利用圆柏叶片、树枝、树皮粉末和浸提液喷施叶片的处理方式，利用室外盆栽法研究其中的化感物质对农田表层土中含有的杂草种子萌发和幼苗生长的影响效果，还利用培养皿滤纸法试验了圆柏叶片水浸提液对4种作物的安全性，旨在探讨圆柏化感作用对农田杂草的影响及对作物的安全性，试图利用圆柏浸提物进行农田除草，为农田除草提供理论基础和新型应用技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料：圆柏叶片、树枝和树皮，采集于内蒙古农业大学东区，所选圆柏树干直径均>20 cm，叶片及树枝均取自两年生以上枝叶，树皮均为最外层周皮。取样时，需避开刷有涂白剂的植株，并在校园内多点采集混匀。

供试杂草种子：地肤(Kochiascoparia)、稗草(Echinochloacrusgalli)、藜(Chenopodiumalbum)、反枝苋(Amaranthusretroflexus)、马齿苋(Portulacaoleracea)种子，于2018年10月在内蒙古农业大学农场采集，采集后及时在通风处晾晒至干燥，放入种子瓶内密封，室温保存。

供试作物种子：向日葵(Helianthusannuus)、燕麦(Avenasativa)、油菜(Brassicacampestris)、荞麦(Fagopyrumesculentum)种子，2019年收获的成熟种子，室温保存，试验前两周预先检测种子的萌发活力。

1.2 试验方法

1.2.1圆柏粉末和浸提液的制备 粉末的制备：采集的新鲜圆柏叶片、树枝和树皮及时用蒸馏水冲洗表面尘土，然后避光风干7～8 d，待完全干燥后打成粉末，装入密封袋，于25℃室温下保存备用。

浸提液的制备：取新鲜圆柏叶片、树枝和树皮各300 g，剪成2～3 cm小段，分别放入1 500 mL锥形瓶中，各加入1 000 mL灭菌蒸馏水，在25℃恒温条件下静置72 h，然后用网孔直径0.3 mm的4层纱布过滤，静置沉淀后，再用同规格的4层纱布过滤1次，所得滤液为浸提液，将浸提液用灭菌蒸馏水稀释1.5倍、3.0倍及12倍，装入三角瓶，置于5℃冰箱保存备用。

1.2.2室内生物活性测定 培养皿滤纸法。2019年5月17日，采集新鲜圆柏叶片，制备浸提液，稀释1.5倍、3.0倍及12倍。培养皿底部放置2层无菌滤纸，分别加入不稀释的及不同稀释倍数的圆柏叶片浸提液3 mL，以加入等量蒸馏水为对照，轻轻按压滤纸去除气泡。选取饱满成熟度一致的地肤、稗草、藜、反枝苋和马齿苋种子，用5‰高锰酸钾溶液浸泡30 min进行表面消毒，再用蒸馏水冲洗3次。然后，将各种子放入培养皿内，每皿放30 粒，设3次重复。置于25℃恒温培养箱内黑暗培养，培养第3 d补充2 mL浸提液或蒸馏水。培养3 d时调查种子萌发的个数用于计算发芽势、发芽指数，培养7 d时测种子萌发个数、株高和根长，计算萌发率、并分别计算相应的化感效应指数(Response index，RI)，综合化感指数(Synthetical effect of allelopathy，SE)。

萌发率=(第7 d萌发种子数/供试种子数)×100%

发芽势=(第3 d萌发种子数/供试种子数)×100%

发芽指数= ∑(Gt/Dt)
化感效应指数(RI)[20]= 1-(C/T)，(T≥C)
或RI=(T/C)-1，(T综合化感指数(SE)=(萌发率RI+发芽势RI+
发芽指数RI+株高RI+根长RI)/5

其中：Gt为第t日的种子萌发数目，Dt是相应的发芽天数，发芽指数统计是利用前3 d数据进行计算；C为空白对照下各调查指标平均值，T为圆柏不同处理下各调查指标平均值。RI>0表示促进，RI<0表示抑制，RI绝对值大小表示化感物质对植物化感作用的强度。综合化感指数可以反映化感作用的强弱。

1.2.3圆柏盆栽抑草效果检测 2019年5月30日，从内蒙古农业大学农场取含有大量杂草种子的0～10 cm的表层土，将土过筛。取等量表层土放入直径均为20 cm的花盆中。每盆分别加入圆柏叶片粉末20 g，以不加入圆柏叶片粉末为对照，将加入的叶片粉末和盆内4～5 cm表层土混合均匀(1 500 g土壤+20 g粉末)，浇水500 mL，设5个重复，圆柏树枝及树皮粉末处理同上。花盆放在内蒙古农业大学农场室外空地自然条件下，每3 d浇水200 mL，30 d调查杂草萌发率，计算相对萌发率和化感指数(RI)，化感指数计算方法同1.2.2。

相对萌发率=
(处理杂草萌发数/对照各重复萌发数)×100%

按照上述操作方法将土装入花盆，初始时不加入圆柏部位的粉末，放在相同的场地，用相同的方法管理，待盆内杂草大部分萌发长至3叶期时，于晴天下午将稀释1.5倍的圆柏叶片、树枝和树皮浸提液均匀喷施到杂草幼苗叶片正面，以所有叶面均匀附着雾滴，不聚成较大水滴为准，以喷水为对照，每个处理5次重复，30 d后调查杂草株高和根长，计算化感指数(RI)，计算方法同1.2.2。

2020年6月17日重复试验1次。第2次盆栽土也取自于内蒙古农业大学农场，与第1次取土地点间隔50 m，其他管理调查方法相同。

1.2.4圆柏对几种作物安全性评价 2019年9月30日，取圆柏叶片制备浸提液，将浸提液用蒸馏水稀释1.5倍、3.0倍、12倍，按照1.2.2的操作方法加入培养皿中，以加入等量灭菌蒸馏水为对照，分别将向日葵、燕麦、油菜、荞麦种子放入培养皿中，每皿30粒，向日葵放10粒，设3次重复，置于25℃恒温培养箱内黑暗培养，第3 d补充3 mL浸提液或蒸馏水，培养3 d时统计并计算发芽势、发芽指数，7 d后计算萌发率，测量株高和根长，并分别计算化感效应指数和综合化感指数，计算方法同1.2.2。

1.3 统计分析

采用Excel 2016进行数据处理及作图，用SPSS 22.0进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 圆柏叶片浸提液对5种杂草萌发及生长的影响

2.1.1圆柏叶片浸提液对5种杂草萌发的影响 由表1可知，圆柏叶片浸提液不同稀释倍数下对5种杂草种子的萌发率、发芽势、发芽指数均有抑制效果，浸提液稀释倍数越小，抑制效果越好。不稀释和稀释1.5倍时，藜和反枝苋不萌发，其萌发率的RI均为-1.0，地肤萌发率的RI为-0.98和-0.97，马齿苋萌发率的RI为-0.90和-0.79，圆柏叶片浸提液不稀释和稀释1.5倍时对稗草萌发率抑制效果较差。稀释3.0倍时，浸提液对反枝苋、藜和地肤的萌发率的RI均小于-0.80，对马齿苋和稗草萌发率的抑制效果较差，萌发率RI分别为-0.20，-0.23。浸提液稀释12倍时，对反枝苋萌发率的RI为-0.79，对其他杂草萌发率的抑制效果较差。

表1 圆柏叶片水浸提液对5种杂草种子萌发的影响Table 1 Effects of leaf extracts of S. chinensis on seed germination of five weeds

2.1.2圆柏叶片浸提液对5种杂草生长的影响 由表2可知，圆柏叶片浸提液对5种杂草的株高及根长的生长均有抑制作用。不稀释和稀释1.5倍时，对藜和反枝苋的株高和根长RI均为-1.0。叶片浸提液不稀释时对地肤的株高和根长RI为-0.99和-0.98，对马齿苋和稗草的株高生长抑制较差，但对其根长生长的抑制效果较好，对稗草根长的RI小于-0.90，对马齿苋根长的RI为-1.0。浸提液稀释3倍时，显著抑制地肤和反枝苋的株高和根长的生长，株高RI分别为-0.87，-0.99，对藜抑制效果较差，对稗草和马齿苋没有抑制作用。浸提液稀释12倍时，对几种杂草株高生长均没有抑制作用，对根长生长的抑制作用也较差。

表2 圆柏叶片水浸提液对5种杂草幼苗生长的影响Table 2 Effects of leaf extracts of S. chinensis on seeding growth of five weeds

2.1.3圆柏叶片浸提液对5种杂草综合化感效应 圆柏叶片浸提液对5种杂草均存在较强的化感抑制作用，化感抑制效果随着圆柏叶片浸提液浓度的增加而逐渐加强。5种杂草中反枝苋最易受圆柏叶片浸提液的影响，比较5种杂草在各浓度下综合化感系数可见，不同杂草对圆柏叶片水浸提液化感物质的敏感性强弱顺序为：反枝苋(-0.80)>地肤(-0.79)>藜(-0.75)>稗草(-0.38)>马齿苋(-0.36)；设置的4种不同浓度下，不稀释的影响效果最好，影响效果随着稀释倍数的增加逐渐降低，比较圆柏浸提液浓度对各杂草综合化感系数可见，不同稀释倍数对杂草影响的强弱顺序为：不稀释(-0.89)>稀释1.5倍(-0.79)>稀释3倍(-0.53)>稀释12倍(-0.24)。在圆柏叶片浸提液稀释倍数为1.5倍时对地肤、藜和反枝苋萌发率抑制效果最佳，不稀释的浸提液对稗草和马齿苋抑制效果最好。

图1 圆柏叶片浸提液对5种杂草综合化感效应Fig.1 Synthetical allelopathy effect of leaf extract of S. chiensis on five weeds

2.2 圆柏盆栽抑草效果

2.2.1圆柏对杂草萌发的影响 2019年5月试验结果见表3，圆柏叶片、树枝、树皮粉末处理下对土壤中几种杂草种子的萌发均有显著的抑制作用。圆柏叶片粉末对稗草、藜、反枝苋和马齿苋萌发抑制效果较好，萌发率的RI分别为-0.90，-0.95，-0.96，-0.95；圆柏树皮抑制效果较差，萌发率的RI分别为-0.26，-0.82，-0.85和-0.69；树枝抑制效果最差，萌发率的RI分别为-0.10，-0.64，-0.44和-0.53(图2-a)。比较圆柏不同部位综合化感系数可知，圆柏不同部位化感作用的强弱顺序为：叶片(-0.94)>树皮(-0.66)>树枝(-0.43)。

表3 不同部位圆柏处理对农田杂草萌发的影响(2019年5月)Table 3 Effects of different parts of S. chinensis on the germination of weeds in farmland in May 2019

2020年6月试验结果见表4，圆柏不同部位对杂草萌发的抑制效果显著。圆柏叶片对杂草萌发抑制效果最佳，对稗草、地肤、马齿苋萌发率的RI为-0.89，-0.93和-1.0；其次是树皮，抑制效果较好，对稗草、地肤、马齿苋萌发率的RI为-0.75，-0.67，-0.89；树枝抑制效果稍差，对稗草、地肤、马齿苋萌发率的RI分别为-0.61，-0.65和-0.78。圆柏不同部位化感作用强度不同，其中叶片的抑制效果最好，树皮的其次，树枝的最差。

表4 不同部位圆柏粉末对农田杂草萌发的影响(2020年6月)Table 4 Effects of different parts of S. chinensis powder on the germination of weeds in farmland in June 2020

两年试验结果一致，圆柏不同部位对稗草、藜、反枝苋、马齿苋和地肤种子萌发均具有较好的抑制效果，圆柏不同部位化感作用强弱均表现为：叶片>树皮>树枝。

2.2.2圆柏对农田主要杂草生长的影响 由表5和图2可知，圆柏叶片粉末拌土对稗草和反枝苋的生长均具有较好的抑制作用，稗草株高的RI为-0.64，反枝苋整株的RI为-0.96，叶片浸提液喷施对两种草生长的抑制效果较差，稗草株高的RI为-0.36，反枝苋整株的RI为-0.50；圆柏树枝粉末拌土对稗草生长抑制效果较好，对稗草株高的RI为-0.63，反枝苋整株的RI为-0.53，树枝浸提液喷施抑制效果较差，对反枝苋整株的RI仅为-0.07；树皮粉末拌土和浸提液喷施处理对两种草生长的抑制效果均较差。

表5 圆柏不同部位处理对杂草生长的影响(2019年5月)Table 5 Effects of different parts of S. chinensis on the seeding growth of weeds in May 2019

图2 圆柏叶片粉末对农田杂草生长的影响(2019年5月)Fig. 2 Effects of leaf powder of S. chinensis on weed growth in farmland in May 2019注：图片均为圆柏叶片粉末每盆20 g(1 500 g土壤+20 g粉末)处理状。a为处理第10 d(上为处理，下为对照)；b为处理第35 d(上为处理，下为对照)；c为对稗草的影响(左为对照，右为处理)；d为对反枝苋的影响(左为对照，右为处理)Note：All the pictures were treated with 20 g leaf powder of S. chinens (1 500 g soil+20 g powder) in each pot. a was taken at the 10th day(top for treatment,bottom for control);b was taken at the 35th day of the test (top for treatment,bottom for control);c is the effect on E. crusgalli ;d is the effect on A. retroflexus (left for control,right for treatment)

2.3 圆柏叶片浸提液对4种作物的化感作用

2.3.1圆柏叶片浸提液对4种作物萌发的影响 由表6可知，不同稀释倍数的圆柏叶片浸提液对燕麦和向日葵种子的萌发率、发芽势和发芽指数没有显著影响。圆柏叶片浸提液稀释1.5倍时，对油菜种子的萌发率没有影响，显著降低油菜的发芽势和发芽指数(P<0.05)，发芽势和发芽指数RI分别为-0.20和-0.72，其他稀释倍数浸提液不影响油菜种子萌发。稀释1.5倍的浸提液均降低了荞麦的萌发率、发芽势和发芽指数，萌发率的RI为-0.46，其他稀释倍数浸提液不影响荞麦种子萌发。

表6 圆柏叶片浸提液对4种作物萌发的影响Table 6 Effects of leaf extracts of S. chinensis on seed germination of four crops

2.3.2圆柏叶片浸提液对4种作物生长的影响 由表7可知，圆柏叶片各浓度浸提液处理对油菜株高及根长的生长均有促进作用，1.5倍、3倍和12倍浸提液株高RI分别为0.37，0.34和0.31，根长RI分别为0.42，0.50和0.38。稀释1.5倍的浸提液抑制燕麦株高和根长的RI分别为-0.63和-0.50，其他稀释度浸提液不影响燕麦生长。稀释12倍的浸提液抑制向日葵株高生长，其RI为-0.50，其他稀释度浸提液不影响向日葵生长。圆柏叶片各浓度浸提液对荞麦株高及根长生长均无显著影响。

表7 圆柏叶片浸提液对4种作物生长的影响Table 7 Effects of leaf extracts of S. chinensis on seeding growth of four crops

2.3.3圆柏叶片浸提液对4种作物综合化感效应 分析综合化感效应结果表明(图3)，稀释1.5倍的浸提液对4种作物均有不同程度的抑制作用，对荞麦的抑制作用最强，其次是燕麦。稀释3倍的浸提液抑制荞麦的萌发和生长，促进向日葵和油菜的生长，对燕麦影响较小。稀释12倍圆柏叶片浸提液对向日葵和荞麦有抑制作用，对燕麦和油菜有促进作用。比较几种作物各浓度综合化感系数，对圆柏叶片化感物质的敏感性强弱顺序为：荞麦(-0.18)>向日葵(-0.08)>燕麦(-0.04)>油菜(0.05)。

图3 圆柏叶片浸提液对4种作物综合化感效应Fig.3 Synthetical allelopathy effect of leaf extract of S. chiensis on four crops

3 讨论

植物器官中普遍存在化感作用物质，其主要通过茎叶挥发、雨水淋溶、植物残株的腐解等方式释放[21]。本试验发现，圆柏的叶片、树枝和树皮对几种杂草均有不同程度的化感抑制作用，且抑制效果与稀释倍数呈反比。董沁等人[18]也报道，高浓度圆柏叶片水浸提液抑制受体种子的萌发与幼苗生长，在低浓度下抑制效果不明显。本研究两次室外盆栽试验均表明圆柏不同部位化感作用强度不同，叶片抑制作用最强，大于树皮和树枝。王冬梅等人[22]也发现侧柏根和枝浸提液对油松的化感效果不同。可能是由于同一种植物不同部位所含的化感物质种类或含量不同，具体原因还需进一步研究。

植物间化感作用强度受很多因素的影响[23]，如土壤理化性状[24]、土壤微生物[25]等。在盆栽抑草试验中，圆柏叶片粉末拌土处理对杂草抑制效果好于圆柏叶片浸提液叶面喷施。这一现象可能与如下原因有关：首先，圆柏叶片粉末中化感物质的含量可能本身就较多；其次，叶片粉末在土壤中释放出的化感物质可能会受到土壤理化性状的影响，有相关研究发现，化感物质在土壤媒介中会发生转化[26]，同时化感物质活性也与微生物活动有关，有报道发现微生物可以代谢植物化感物质，也可以释放出新的有毒物质[25，27]，进而对化感物质的活性产生影响。具体原因还有待进一步研究。

试验中，相同浓度圆柏叶片浸提液对杂草和作物的化感强度差异很大，主要原因可能是圆柏叶片取样时间的不同化感物质的种类和含量不同。用于检测杂草抑制作用的圆柏叶片是2019年5月17日取样，用于作物安全性检测的是2019年9月30日取样。有报道，沙打旺花果期和成熟期的水提液化感作用强度不同[28]。具体原因还需进一步试验验证。

在圆柏叶片水浸提液稀释1.5倍时，对荞麦种子萌发率有抑制作用，但对其株高和根长没有影响，可考虑在荞麦田将圆柏叶片水浸提液用于苗期除草使用。圆柏叶片水浸液对燕麦种子萌发率没有影响，但对其株高和生长有抑制作用，可考虑燕麦播种时使用。浸提液稀释1.5倍时对地肤、藜和反枝苋3种杂草有良好的抑制效果，而浸提液不稀释时对稗草和马齿苋的抑制效果最好，因此利用圆柏除草要依据作物及主要杂草种类，需合理选择使用时期和浓度。

4 结论

圆柏叶片浸提液对反枝苋、地肤、藜、稗草和马齿苋5种杂草萌发和生长具有显著的化感抑制作用，化感强度由强到弱顺序为：反枝苋>地肤>藜>稗草>马齿苋。圆柏叶片、树枝和树皮对5种杂草种子萌发和对稗草和反枝苋株高均有较好的抑制作用，叶片化感强度大于树皮和树枝，叶片粉末拌土处理抑草效果好于浸提液叶面喷施。圆柏叶片浸提液稀释1.5倍时，抑制荞麦种子萌发，但不影响其株高及根生长；不影响燕麦种子萌发，但抑制其株高和根长；抑制油菜的发芽势和发芽指数，不影响其种子萌发率，促进其株高及根长生长；不影响向日葵种子萌发和生长。圆柏具有良好的抑草活性，对作物影响较小。