李雪枫，王 坚，叶晓园，张秀婷，王丽学

（1海南大学林学院/海南省热带特色花木资源生物学重点实验室，海口 570228；2天津市农业科学院信息研究所，天津 300192）

0 引言

稻菜轮作是一种中国南方地区既保证粮食安全、使农民增收又能有效控制病虫害和杂草发生的种植模式[1-3]。稻菜轮作使海南省瓜菜种植面积稳中有升，2015—2017年瓜菜种植面积均值2.99×105hm2，约占这3年总播种面积均值的36.37%[4]。瓜菜产业的蓬勃发展导致海南岛瓜菜采收后茎叶、根茎等废弃物量也逐年增大。这类废弃物被瓜菜基地和农户任意弃置，堆放路边、地头和沟渠，不仅影响环境美观，增加农业面源污染负荷[5-6]，还造成了巨大的资源浪费[5,7]。瓜菜茎叶废弃物粉碎后翻压还田利用是解决资源浪费、农业面源污染、实现农业可持续发展的可行途径之一[8-10]。许多研究已表明：瓜菜的活体植株或植株残体可以通过向环境中释放某些特定的化感物质对周围或后茬植物（包括微生物）产生或促进或抑制的化感作用[11-13]，但稻菜轮作模式下瓜菜采收后的废弃物对后茬水稻的化感作用情况的研究鲜见报道。

苦瓜(MomordicacharantiaL.)又称凉瓜，为葫芦科(Cucurbitaceae)苦瓜属(MomordicaL.)一年生蔓生草本植物，富含人体所需的多种营养成分和多种具有一定抗病功能的生物活性成分[14-16]，具有提高人体免疫力、增进食欲、助消化、降低胆固醇等功效[17-18]，在亚洲、非洲及南美洲有悠久的栽培历史[19-20]，是海南省主要栽培瓜菜之一[18]，也是海南省稻菜轮作制度中的主要轮作蔬菜之一。本试验以苦瓜采收后的植物残体为对象，研究其水浸提液对海南省3种常见水稻品种种子萌发和秧苗生长的干扰，估测苦瓜茎叶的化感作用潜力大小与化感效应方向，为海南省稻菜轮作栽培和瓜菜废弃物还田利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供体植物苦瓜植株残体于2017年1月初采集于海南省屯昌枫木镇苦瓜生产基地，为常规露天栽培的枫木苦瓜‘琼2号油绿苦瓜’采收后收集的茎叶、根系等。

受体植物为‘特籼占25’、‘Ⅱ优129’和‘博Ⅱ优818’，其中：‘特籼占25’为籼型常规水稻，适宜海南省早造种植[21]；‘博Ⅱ优818’为籼型弱感光三系杂交水稻，适宜海南省晚造种植[22]；‘Ⅱ优129’为籼型感温三系杂交水稻，适宜海南省早晚造种植[23]。所有水稻种子均由海南省农科院粮食作物研究所提供。

1.2 试验方法

1.2.1 水浸提液制备 将采收后的苦瓜茎叶残体切短为2 cm左右小段晾晒、抖干净其上的灰土备用；称量准备好的苦瓜茎叶放入锥形瓶，按l g干质量材料：5 mL水的比例用无菌蒸馏水在25℃室温、240 r/min条件下于摇床中震荡浸泡48 h，先用2层纱布过滤，滤液在1500 r/min下离心5 min后取上层清液，再用0.45 μm的微孔滤膜抽真空过滤得到浓度为0.20 g/mL的浸提液母液，将母液用无菌蒸馏水稀释为0.05、0.10、0.15和0.20 g/mL共4个浓度后分别保存于4℃冰箱。

1.2.2 种子预处理 参考Li等[24]的方法，选择颗粒饱满、大小均匀的受体种子用10%的H2O2消毒5 min，再用无菌蒸馏水冲洗干净后，取一部分在室内摊开晾6 h左右进行种子萌发试验；另一部分用蒸馏水水培法培养，使水稻种子萌发并生长为4叶1心幼苗，用于秧苗生长试验。

1.2.3 测定项目及方法

（1）种子萌发：从处理后的种子中选取出籽粒饱满、色泽光鲜、大小一致的种子均匀摆放于直径11 cm、垫2层灭菌滤纸的灭菌培养皿中，每皿30粒，分别加入5 mL已制备好的苦瓜水浸提液，以无菌蒸馏水为对照，上盖，置于人工气候箱（30℃时光照14 h、25℃时黑暗10 h、相对湿度75%）培养。每隔24 h补充适量水浸提液或无菌蒸馏水1次，并观察种子萌发及生长情况，以胚根突破种皮2 mm视为萌发，连续观察7天，并在第7天时量测每皿已萌发种子的幼芽和幼根总鲜重。每个处理4次重复。

（2）秧苗生长：分别在栽培盒内加入125、250、375、500 mL浸提液母液，其余部分添加蒸馏水使总体积达500 mL并在在盒外侧划线标记液面位置，则栽培盒内浸提液浓度分别为0.05、0.10、0.15、0.20g/mL。栽培盒液面上放置预先均匀打有6个孔、消毒的泡沫板，每个孔种1株株高基本一致的4叶1心期水稻秧苗，幼苗根蘖和孔径接触处用灭菌海绵包裹固定。然后将栽培盒置于人工气候箱（30℃时光照14 h、25℃时黑暗10 h、相对湿度75%、光照强度12000 lx）培养。每天将栽培盒开盖透气约30 min，同时根据栽培盒外侧液面标记线及时补充蒸发的水分，以保证试验期间各个栽培盒的处理液的总体积保持恒定。培养15天后量测每株秧苗的苗高和根长，然后分别称量每株秧苗的苗鲜重和根鲜重。蒸馏水培养为对照。

1.3 数据整理与分析

上述各式中：Gi指第i天的发芽数，Ti指相应的发芽天数。

S为与GI对应的可萌发种子幼根和幼芽总鲜重。

式中：C指对照值；T指处理值；IR＞0表示抑制作用，IR＜0表示促进作用，IR绝对值的大小与化感作用强度一致[24]。

采用Microsoft Excel 2010整理原始数据，并将发芽率和活力指数转化为相对值（对照的百分比）以便于比较时消除品种间差异的影响。用SPSS 17.0软件对各参数进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，在置信水平P=0.05运用邓肯新复极差测验法(Duncan’s Multiple Range Test)进行显著性检验。所有数值均表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 苦瓜植株水浸提液对水稻种子发芽特性的影响

2.1.1 对种子发芽率的影响 3种水稻种子的发芽率均随苦瓜植株水浸提液浓度增加呈逐渐降低的趋势，但低浓度水浸提液(≤0.10 g/mL)对3种水稻种子的发芽率均无显著影响(P＞0.05)，浓度升至0.15 g/mL时仅‘特籼占25’的发芽率较对照显著降低(P＜0.05)，至0.20 g/mL时3种水稻种子的发芽率均显著低于对照(P＜0.05)，但发芽率抑制率为‘特籼占25’＞‘Ⅱ优129’＞‘博Ⅱ优818’（图1）。

图1 苦瓜植株水浸提液对受试植物种子发芽率的影响

2.1.2 对种子平均发芽时间的影响 浓度≤0.10 g/mL的苦瓜植株水浸提液对‘特籼占25’的平均发芽时间无显著影响，当浸提液浓度继续增大时，随浓度增加‘特籼占25’的平均发芽时间显著延长(P＜0.05)，至0.20 g/mL时平均发芽时间延长了1.13天（图2）。‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’的平均发芽时间在各浓度处理间对均无显著差异(P＞0.05)（图2）。

图2 苦瓜植株水浸提液对受试植物种子平均发芽时间的影响

2.1.3 对种子活力指数的影响 随苦瓜植株水浸提液浓度增加，‘特籼占25’的种子活力指数呈先升高后降低趋势（表1），0.05 g/mL和0.10 g/mL处理与对照差异显著(P＜0.05)，其均值比对照高出约38.92%，浓度继续增大时，活力指数与对照无显著差异(P＞0.05)；‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’的活力指数均随水浸提液的浓度增加而逐渐降低，且均在≥0.15 g/mL处理时才显著低于对照(P＜0.05)，但同一浓度处理下，‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’的种子活力指数间均无显著差异(P＞0.05)，至0.20 g/mL时二者活力指数抑制率分别为22.16%和29.68%（表1）。

表1 苦瓜水浸提液对受试水稻种子活力指数的影响

2.2 苦瓜植株水浸提液对水稻秧苗生长的影响

2.2.1 对秧苗伸长生长的影响 苦瓜植株水浸提液抑制‘特籼占25’秧苗根系的伸长生长，抑制作用随浸提液浓度增加而显著增大(P＜0.05)，至0.20 g/mL时根长抑制率达38.60%；低浓度水浸提液(≤0.15 g/mL)显著促进‘博Ⅱ优818’秧苗根系生长(P＜0.05)，随浓度升高促进效应逐渐降低，至0.20 g/mL时表现出微弱抑制效应，但其根长与对照间无显著差异(P＞0.05)；≤0.15 g/mL水浸提液对‘Ⅱ优129’秧苗的根系生长无显著影响，至0.20 g/mL时其根长生长受到显著抑制(P＜0.05)，抑制率17.76%。同一浓度处理下，3种水稻秧苗的根长均为‘博Ⅱ优 818’＞‘Ⅱ优 129’＞‘特籼占 25’（图3A）。

浓度≤0.15 g/mL的苦瓜植株水浸提液对‘特籼占25’秧苗苗高无显著影响(P＞0.05)，至0.20 g/mL时其苗高受到显著抑制(P＜0.05)，抑制率15.77%(P＜0.05)；≤0.15 g/mL水浸提液显著促进‘博Ⅱ优818’秧苗苗高伸长生长(P＜0.05)，至0.20 g/mL时促进效应减弱，但其苗高仍比对照高8.96%；0.05 g/mL时水浸提液显著促进‘Ⅱ优129’秧苗的苗高生长(P＜0.05)，比对照高出12.93%，浓度继续增大时无显著影响(P＞0.05)（图3B）。

图3 苦瓜水浸提液对受试水稻秧苗根长(A)和苗高(B)的影响

2.2.2 对秧苗总生物量的影响 苦瓜植株水浸提液促进‘特籼占25’秧苗总生物量积累，促进效应随浓度升高逐渐减弱（图4）。0.05 g/mL水浸提液也显著促进‘博Ⅱ优818’秧苗生物量积累(P＜0.05)，浓度增大时表现出抑制效应，但0.10 g/mL和0.15g/mL时的生物量均与对照无显著差异(P＞0.05)，至0.20 g/mL时的生物量显著低于对照14.05%(P＜0.05)，水浸提液抑制‘Ⅱ优129’秧苗的生物量积累，抑制作用随浓度增加而增强，但较高浓度(≥0.15 g/mL)时‘Ⅱ优129’的生物量才显著低于对照(P＜0.05)，至0.20 g/mL时抑制率为27.65%；同一浓度处理下，水浸提液对3种水稻秧苗生物量的抑制率均为‘Ⅱ优129’＞‘博Ⅱ优818’＞‘特籼占25’（图4）。

图4 苦瓜水浸提液对受试水稻秧苗总生物量的影响

2.2.3 对秧苗生物量分配的影响 苦瓜植株水浸提液促进特籼占25秧苗地上和地下生物量的累积，促进效应均随浓度升高而逐渐降低（表2）。水浸提液对‘博Ⅱ优818’秧苗的苗生物量呈逐渐减弱的促进效应，较低浓度(≤0.10 g/mL)时的苗生物量均显著高于对照(P＜0.05)，≥0.15 g/mL时与对照无显著差异(P＞0.05)；其根生物量却受到逐渐增强的抑制效应，0.20 g/mL时抑制率达34.30%（表2）。水浸提液对‘Ⅱ优129’秧苗的苗生物量在低浓度时微弱促进、高浓度时抑制，但仅在浓度0.20 g/mL处理时才显著低于对照(P＜0.05)；‘Ⅱ优129’秧苗的根生物量也呈逐渐增强的抑制效应，至0.20 g/mL时其抑制率达23.78%（表2）。

同一浓度处理下，浓度0.05 g/mL水浸提液对‘特籼占25’秧苗苗和根生物量的促进效应间无显著差异(P＞0.05)，≥0.10 g/mL时对苗生物量的促进效应均显著大于对根生物量的促进效应(P＜0.05)；但相同浓度水浸提液对‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’秧苗根生物量的效应值均显著大于对其苗生物量的效应值(P＜0.05)（表2）。

表2 不同浓度下受试秧苗地上生物量和地下生物量的抑制率 %

3 讨论与结论

植物化感作用是在共生、伴生或生态相关植物种间、种内自然发生的一种现象，指一种活的或死的植物通过合适的途径向环境释放特定的化学物质从而直接或间接影响邻近或下茬（后续）同种或不同种植物或周围微生物的生长[25-26]，这种影响效应可能是积极的，也可能是负面的，其中积极的效应关系可以用以维持和构建可持续和生态友好的农业生产系统[27]。稻菜轮作模式使后茬作物不可避免的要遭遇前茬的化感作用，但以往人们对海南热带地区稻菜轮作的研究主要着眼于轮作对土壤养分和后茬作物病虫害的影响等方面[1,28]，鲜有关于轮作前茬对后茬的化感作用的报道。本试验通过研究苦瓜植株残体水浸提液对水稻生长周期中对外界环境因子最敏感的时期之一——萌发期的影响情况，得知：苦瓜植株水浸提液在浓度升至0.20 g/mL时才对3种受试水稻种子的发芽率有抑制作用，但抑制率小于20%，仅使得‘特籼占25’的平均发芽时间延长了1.13天，对‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’的种子活力指数有抑制（抑制率小于30%）。说明苦瓜植株可能通过雨雾淋溶途径释放出某些化感物质来影响稻菜轮作制度中后茬水稻的种子萌发，但这种化感效应相对较弱。海南省水稻种植采用的是苗床或穴盘育秧后再将秧苗移栽于大田的栽培方式[29]，只要注意育秧苗床土壤不施用前茬种植了苦瓜的土壤，就可在稻菜轮作制中有效规避苦瓜对下茬水稻种子萌发的化感抑制效应。

植物体内的次生代谢产物可以在雨雾淋溶、茎叶挥发、根系分泌和残体降解等途径下以少量而连续的方式缓慢释放进入周围环境特别是土壤中作为化感物质产生化感作用[25,27]。本试验中‘特籼占25’、‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’对苦瓜植株水浸提液化感效应的响应差异可能源于这3种水稻分别为籼型常规水稻、籼型弱感光三系杂交水稻和籼型感温三系杂交水稻[21-23]，本身遗传性状存在差异。尽管苦瓜水浸提液以剂量效应抑制‘特籼占25’秧苗的根长和3种受试秧苗的总生物量向根系分配，但浓度≤0.15 g/mL水浸提液对3种受试秧苗的苗高和总生物量表现为无影响甚至是促进效应，仅在0.20 g/mL时有较弱的负向效应（抑制率＜28%），且水浸提液促进3种受试秧苗的总生物量向地上部分配，说明通过雨雾淋溶途径释放出的化感物质在一定浓度范围内有利于水稻秧苗的生物量累积，特别是有利于地上部健壮生长。健壮的地上部意味着植株的维持和支撑结构的比例较高，易于获取地上部资源[30]，可在同等环境条件下通过对有限资源的抢先占有而在竞争中胜出[30-31]。化感物质的化感活性取决于化感物质的浸出部位、化感物质的浓度和化感物质作用的目标植物[32]。苦瓜植株浸提液中主要有三萜类、甾体、生物碱及其他类具有杀菌抗虫活性的次生代谢产物[15,33-35]，它们可能会被释放到环境中执行化感作用，具体的化感物质的成分与在土壤中的变化情况还需要进一步研究。

诸多研究已经表明，利用植物与植物间的化感作用效应方向不但可以优化轮作系统[31]，通过科学安排植物序列抑制杂草、昆虫和病害[31,36]，还能减少目前农业生产中诸如环境污染、不安全产品、土壤病害等问题，避免作物生产力下降[26,37-38]。本试验结果证明苦瓜植株释放的化感物质在累积到较高浓度会对后茬水稻产生一定的生长抑制效应，室内的试验结果只能说明苦瓜——水稻轮作中苦瓜对后茬水稻的化感潜力大小和趋势，不能完全代表田间发生的真正意义上的化感作用。实际生产中，苦瓜释放的化感物质在土壤中含量达到最高浓度的可能途径为“生长过程中释放并进入土壤的化感物质+苦瓜采收后的茎叶全部还田后腐解释放的化感物质”。因此，要明确稻菜轮作制度下苦瓜对水稻的化感作用的最大效应，尚需要对苦瓜采收后的茎叶在全量还田下对后茬水稻生长和产量等方面的影响进行研究。

综上所述：低浓度苦瓜植株水浸提液对3种水稻种子萌发无影响，浓度升高至0.20 g/mL时，使‘特籼占25’的平均发芽时间延长1.13天，对3种受试水稻种子的发芽率、‘博Ⅱ优818’和‘Ⅱ优129’种子的活力指数均有抑制作用，但发芽率抑制率小于20%而活力指数抑制率小于30%。苦瓜水浸提液以剂量效应抑制‘特籼占25’秧苗的根系伸长，低浓度时不影响或促进3种受试秧苗的苗高和总生物量，浓度达0.20 g/mL时才对秧苗的总生物量有＜28%的抑制效应；各浓度水浸提液均有利于3种受试秧苗的总生物量向地上部分配。说明苦瓜植株水浸提液对3种水稻种子萌发和秧苗生长的化感抑制效应较弱，在稻菜轮作制度中，苦瓜-水稻轮作模式具有较好的应用前景。