董淑琦 翟旭涛 胡春艳 郭振宇 杨雪芳 宋喜娥 郭平毅 原向阳*

(1.山西农业大学 农学院,山西 太谷030801;2.山西农业大学 植物保护学院,山西 太谷 030801)

谷子(SetariaitalicaL.)起源于中国,是目前世界上栽培最久的杂粮作物之一,距今有7 300多年的栽培历史,即使在水稻北移和小麦引入后,谷子依然是北方旱作农业的主栽作物[1]。谷子具有抗旱、耐瘠、适应性强、营养丰富、粮饲兼备等优点,在农业农村部下发了镰刀湾地区玉米结构调整指导意见下,玉米种植面积减少,谷子种植面积逐年升高,而谷田杂草种类繁多,抗逆性强[2],且谷田登记除草剂仅有2～3种,谷田除草主要依靠效率低、成本高的人工除草方式进行。因此,草害严重影响谷子的产量,制约谷子产业化发展[3-4]。

目前,我国的秸秆以肥料利用为主[5],秸秆还田可以增加土壤有机质,改良土壤结构,促进微生物活力和作物根系发育,改变土壤真菌和细菌群落变化[6-10]。秸秆还田不仅有增肥增产作用,而且还可以提高水分利用率,减少化肥和农药的使用,降低碳排放,实现碳中和,是促进农业生产可持续发展的一种措施[11-12]。

化感作用是指植物向环境中释放代谢物质,即化感物质,对其他植物、微生物、昆虫产生直接或间接的促进或抑制作用[13-14]。植物的化感作用是一种普遍存在的自然现象,在农业生产中应用广泛,应用化感物质的促进作用,建立作物间的混作、间作、套作等种植组合模式,同时通过作物轮作等保护生物多样性,减少化感物质造成的负面影响[15],本团队研究了谷子秸秆残留的化感物质在不同浓度对玉米和冬小麦的种子发芽和苗期生长中都会产生一定的影响[16-17]。另外,油菜和小麦两种秸秆的浸出液均能促进水稻生长,且油菜秸秆浸出液的促进效果强于小麦[18],为作物轮作倒茬提供参考。同时利用化感作用防除杂草也受到人们越来越多的关注,国内外已有许多利用化感作用进行田间杂草防除的研究报道[19-24],Robson等[25]研究显示蓖麻、棉叶珊瑚花等物种水浸提液对鬼针草种子的萌发和幼苗生长都表现出抑制作用。李春花等[26]研究表明荞麦秸秆还田量为4 800 kg/hm2时,禾本科及阔叶杂草的株数和鲜重与对照相比明显下降,防除效果显著。Crawford等[27]证实谷类作物秸秆覆盖可以降低毛豆田杂草20%的出苗率,同时对杂草幼苗生长具有抑制作用。

小麦秸秆对杂草的化感作用已有较多研究,小麦秸秆浸提液不仅对黄芩、桔梗、党参等中药材种子萌发及幼苗生长有一定的影响[28-29],对田间杂草的种子萌发也有很大影响[30-31]。小麦秸秆在本地区较为常见,但关于小麦秸秆对谷田杂草化感作用的研究报道较少,本研究拟通过设置不同浓度的小麦秸秆浸提液和不同秸秆覆盖量,测定4种杂草种子萌发、根长、芽长及谷田杂草盖度、密度、株数、防效等指标,旨在探究小麦秸秆对杂草的化感防除作用,以期为小麦秸秆覆盖还田在谷田应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦秸秆于晋中市太谷区山西农业大学农作站(37°25′ N,112°34′ E)收集,将其晾干后剪成3 cm小段,保存备用。供试杂草藜(ChenopodiumalbumL.)、狗尾草(Setariaviridis(L.)Beauv)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.)Beauv)、反枝苋(AmaranthusretroflexusL.)种子于农作站谷子田间采集。

1.2 试验设计

1.2.1小麦秸秆浸提液制备

将小麦秸秆晾干后用高速粉碎机粉碎,过80目筛,得到小麦秸秆干粉。将秸秆干粉与蒸馏水以1∶10的质量比充分混合于烧杯中,待溶解后置于超声仪中超声提取30 min,静置3～5 min后用纱布过滤,除去残渣。将滤出液以6 400 r/min的转速离心3 min,得到的上清液即为小麦秸秆浸提液原液,质量浓度为100 g/L。将小麦秸秆浸提液原液用蒸馏水稀释10倍(10 g/L)、50倍(2 g/L)、100倍(1 g/L)4个处理浓度,以清水作为对照(CK1),放入4 ℃冰箱留存备用。

1.2.2室内发芽试验

在直径为9 cm的灭菌后培养皿中铺2层灭菌滤纸,每皿各加入5 mL的小麦秸秆浸提原液和稀释10、50、100倍液,以加蒸馏水为空白对照(CK1),挑选均匀一致的杂草种子,每皿均匀点播30粒,每处理设置3次重复。将培养皿置于27 ℃、RH为50%的人工气候培养箱中,每日根据培养皿的干湿情况适时补充相同量浸提液,每天同一时间记录杂草种子的发芽数,发芽以胚根与种子等长、胚芽长度达到种子一半作为标准,以第6天的发芽数计算每处理的发芽率(GR),同时在第6天测量杂草种子根长、芽长等生物学指标[16-17,32],并计算其相应指标。发芽率(GR)及化感效应指数(RI)计算公式如下：

发芽率(GR)=(G6/N)×100%
化感效应指数(RI)=1-CK/T或T/CK-1

式中：GR为发芽率,Gt为当天发芽数量,RI为化感效应指数,当T≥CK时,RI=1-CK/T,当T

综合化感效应指数(SE)：各处理(秸秆浸提液的各浓度)对4种杂草种子根长、芽长、根鲜重、芽鲜重等相关测量指标化感效应指数(RI)的平均值。

1.2.3田间杂草试验

试验于2020年5月在山西农业大学农作站进行。试验设置3种小麦秸秆覆盖还田量,分别为2 250(W1,1/4量)、4 500(W2,1/2量)、9 000 kg/hm2(W3,全量),以不覆盖秸秆(CK2)及根据秸秆覆盖还田后遮光面积,黑色地膜同等面积遮光处理为对照,地膜遮光处理分别为地膜50%(P1)、70%(P2)、100%(P3),每处理重复3次,小区面积30 m2(5 m×6 m),地膜处理小区为穴播。谷子于2020年5月上旬播种,待谷子出苗后,将裁剪的小麦秸秆均匀撒于对应小区行间。

根据国家标准GB/T 28592—2012[33],分别于覆盖秸秆后的3次中雨(24 h内降雨量达到10～25 mm为中雨,时间分别为2020年6月29日、7月8日、7月26日)5 d后,在各处理小区内进行随机样方调查,样方面积为0.25 m2,每个处理选取3个样方进行调查,测定样方内杂草种类、株数、盖度等指标,计算公式如下：

田间密度=某种杂草在各调查样本中株数/调查样方面积盖度=(样方中绿色植被像素点/调查样方总像素点)×100%株防效=(对照区杂草株数-秸秆覆盖区杂草株数)/对照区杂草株数×100%鲜重防效=(对照区杂草鲜重-秸秆覆盖区杂草鲜重)/对照区杂草鲜重×100%

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel 2021和IBM SPSS Statistics 25软件,采用Duncan新复极差法分析数据,并用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 小麦秸秆浸提液对4种谷田杂草种子萌发的影响

由表1可知,随着小麦秸秆浸提液浓度升高,藜、狗尾草、反枝苋3种杂草种子的发芽率均呈先升高后下降的趋势,稗草种子的发芽率呈下降趋势。T1处理仅对稗草种子发芽率表现为抑制作用,但与对照(CK1)相比无显著差异;T2、T3处理对4种杂草种子发芽率均表现为抑制作用,与CK1相比无显著差异;T4处理的4种杂草种子萌发表现出最强的抑制作用,藜、狗尾草、稗草和反枝苋的发芽率与CK相比分别降低80.00%、24.44%、28.89%、53.33%。

表1 小麦秸秆浸提液对4种杂草种子的发芽率Table 1 Germination rate of wheat straw extract on four weed seeds %

2.2 小麦秸秆浸提液对4种谷田杂草种子根长、芽长的影响

由图1可知,T1、T2、T3处理对狗尾草种子的芽长以及藜和反枝苋种子的根长、芽长有促进作用。3种处理对藜的根长和芽长均有显著的促进作用,根长分别比CK1增加336.01%、228.41%、182.21%,芽长分别增加24.13%、47.55%、82.16%。藜和反枝苋种子的芽长随小麦秸秆浸提液浓度增加呈逐渐增长的趋势,T4处理对4种杂草种子的根长、芽长均具有抑制作用,狗尾草的根长、芽长,稗草、反枝苋的根长与CK1相比差异均达显著水平。

图1 小麦秸秆浸提液对4种杂草种子的根长(a)和芽长(b)Fig.1 Extract of wheat straw on root length (a) and bud length (b) of four weed seeds

2.3 小麦秸秆浸提液对4种谷田杂草种子发芽率化感指数的影响

由图2可知,T2、T3、T4处理对杂草种子发芽率均表现为化感抑制效果,其中T4处理对4种杂草种子的化感指数最小,化感抑制效果最强,对藜、狗尾草、稗草和反枝苋4种杂草种子发芽率化感指数分别为-0.85、-0.71、-0.34和-0.77,被抑制效果由强到弱为：藜>反枝苋>狗尾草>稗草;T1处理对藜、狗尾草、反枝苋3种杂草种子发芽率表现为化感促进作用,化感指数分别为0.05、0.14和0.02,促进效果由强到弱为：狗尾草>藜>反枝苋。

图2 小麦秸秆浸提液对4种杂草种子发芽率的化感指数Fig.2 Allelopathic index of wheat straw extract on seed germination rate of four weeds

2.4 小麦秸秆浸提液对4种谷田杂草种子根长、芽长化感指数的影响

由图3可知,T4处理对4种杂草种子的根长、芽长均表现为化感抑制作用,其中对狗尾草的化感抑制作用最强,对根长和芽长的化感指数分别为-0.93和-0.39,T3处理对稗草种子的根长、芽长及狗尾草种子的根长表现为化感抑制作用,T1、T2处理对4种杂草种子芽长均表现为化感促进作用。

图3 小麦秸秆浸提液对4种杂草种子根长(a)和芽长(b)的化感指数Fig.3 Allelopathic index of wheat straw extract to seed root length (a) and bud length (b) of four weeds

2.5 小麦秸秆浸提液对4种谷田杂草的综合化感指数的影响

由图4可知,T4处理对4种杂草的综合化感效应均表现为化感抑制作用,综合化感抑制作用由高到低表现为：狗尾草>反枝苋>藜>稗草,综合化感效应指数分别为：-0.68、-0.67、-0.42、-0.41;T3处理对狗尾草和稗草的综合化感效应表现为抑制作用,其他各处理对4种杂草均表现为化感促进作用,随小麦秸秆浸提液浓度的增加,对狗尾草、稗草和反枝苋的促进作用逐渐增强。

图4 小麦秸秆浸提液对藜、狗尾草、稗草、反枝苋的综合化感指数Fig.4 Allelopathic index of wheat straw extract to C. album,S. viridis,E. crusgalli and A. retroflexus

2.6 小麦秸秆不同覆盖量下的4种谷田杂草密度

由表2可知,4种杂草密度随小麦秸秆覆盖量的增加表现为逐渐下降的趋势。第1次中雨5 d后,4种杂草密度与CK2相比,W1、W2、W3处理的藜、狗尾草、稗草、反枝苋的密度均显著低于CK2;W1、W2处理的藜的密度均显著高于P1、P2、P3处理,狗尾草、稗草、反枝苋的密度均低于P1、P2处理,但差异不显著,与P3差异显著。因此,第1次中雨5 d后W1、W2处理对藜发生量的减少依赖于秸秆覆盖后物理遮盖效应,对狗尾草、稗草、反枝苋发生量的减少是物理遮盖效应和化感物质共同作用的效果。第2次中雨5 d后,W1、W2处理的藜、狗尾草、反枝苋密度均高于P1、P2、P3处理,W2处理下4种杂草密度均低于CK2,故造成W2处理杂草密度降低的主要因素为物理遮盖效应。第3次中雨5 d后,W2处理的4种杂草密度均高于P2、P3处理,且藜的密度均显著高于P2、P3;W3处理的藜、稗草的密度分别比CK2减少48.38%、63.33%。小麦秸秆覆盖在短时间内的物理遮盖和化感效应共同作用抑制了4种杂草的发生,但随着秸秆覆盖时间的延长,仅对藜、稗草的发生量有显著抑制效果。随着降雨场次的增多,秸秆逐渐腐解,化感物质被雨水淋溶稀释,对4种杂草发生的化感抑制作用逐渐减弱。

表2 小麦秸秆不同覆盖量下4种谷田杂草密度Table 2 Weed density of four kinds of foxtail millet fields under different wheat straw mulching 株/m2

2.7 小麦秸秆不同覆盖量下的杂草总盖度

由图5可知,不同小麦秸秆覆盖量处理均降低了谷田杂草总盖度,且随秸秆覆盖量增加杂草总盖度呈现逐渐下降的趋势。3次中雨5 d后,小麦秸秆覆盖量处理杂草总盖度均低于CK2,且在W3处理下杂草总盖度最低,W1、W2、W3处理的杂草总盖度分别比CK2降低22.04%、41.98%、12.49%。第3次中雨5 d后,W1处理的杂草盖度高于CK1,高于P1处理,且差异显著。因此,W1处理对杂草总盖度降低主要依赖于物理遮盖效应;W2处理杂草总盖度在第3次降雨后高于P2处理,故在第1、第2次中雨5 d后W2处理的杂草总盖度降低是物理遮盖和化感效应共同作用的结果,第3次中雨5 d后杂草总盖度的降低主要依赖于物理遮盖效应。随着小麦秸秆覆盖时间的延长,降雨场次增加,秸秆逐渐腐烂降解,对杂草总盖度的影响逐渐降低,杂草总盖度逐渐升高。

图5 小麦秸秆不同覆盖量下杂草总盖度Fig.5 Total weed coverage under different wheat straw mulching

2.8 小麦秸秆不同覆盖量下的杂草防效

由表3可知,杂草株数、鲜重随小麦秸秆覆盖量增加呈逐渐下降的趋势,株防效、鲜重防效呈逐渐上升的趋势。W1处理在第1次中雨5 d后株防效、鲜重防效达到最大值分别为25.31%、1.81%;W2处理在第2次中雨5 d后株防效达到最大值为40.50%,在第3次中雨5 d后鲜重防效达到最大值为26.32%;W3处理在第2次中雨5 d后株防效、鲜重防效达到最大值分别为62.76%、57.66%。第1次中雨5 d后,W1、W2、W3处理杂草株数、鲜重均低于CK2,差异显著;W1、W2处理株防效均低于P1、P2、P3处理,但差异不显著;W1、W2处理鲜重防效低于P1、P2、P3处理,差异显著;W3处理株防效、鲜重防效均高于W1、W2处理,且株防效与W1、W2处理相比差异显著,鲜重防效与W1处理相比差异显著,与W2处理相比差异不显著,W3处理株防效、鲜重防效分别为62.37%、48.37%;第2次中雨5 d后,W3处理杂草株数、鲜重低于CK2,差异显著;株防效、鲜重防效高于W1、W2处理,且鲜重防效差异显著;W1、W2处理株防效、鲜重防效低于P1、P2处理,但差异不显著。第3次中雨5 d后,W2、W3处理杂草株数、鲜重与CK2相比差异显著,W2、W3处理株防效、鲜重防效差异不显著。

表3 小麦秸秆不同覆盖量下杂草防效Table 3 Weed control effect under different wheat straw mulching

3 讨 论

作物秸秆淋溶腐烂后向周围环境中释放化感物质,不仅影响作物的生长,也影响周围其他植物的种子萌发与生长,从而对幼苗产生促进或抑制作用。秸秆产生的化感作用的大小与浸提液的浓度有关,化感物质对作物的生长具有低浓度促进、高浓度抑制的双重作用[32,34-37],本研究结果显示,T1处理对藜、狗尾草、反枝苋种子萌发均表现为促进作用,其他处理为抑制作用,T4处理对4种杂草的根长、芽长均有抑制作用,随浓度降低,逐渐呈现为促进作用,与董淑琦等[32]、赵孔等[34]、苏世鸣等[35]、蔡立群等[36]、王园园等[37]的结果相似。

小麦秸秆浸提液T4处理对4种杂草种子发芽率抑制效果由强到弱为：藜>反枝苋>狗尾草>稗草;T1处理对藜、狗尾草、反枝苋杂草种子发芽率表现为化感促进作用,促进效果由强到弱为：狗尾草>藜>反枝苋。小麦秸秆浸提原液对4种杂草种子的根长、芽长均表现为化感抑制作用,T3处理对稗草种子的根长、芽长及狗尾草种子的芽长表现为化感抑制作用,T1、T2处理对4种杂草种子芽长均表现为化感促进作用。

田间杂草在作物生长过程中都有不同程度的发生,杂草大量发生严重影响农作物的产量,目前杂草防除主要依靠化学防治,会对土壤及环境造成难以逆转的破坏,已有对作物化感作用的研究发现,不仅杂草会释放化感物质影响作物生长,一些作物也能合成化感物质并释放,从而抑制杂草生长,同时还可以减少对化学除草剂的依赖[38-39]。张丽娟等[40]研究显示玉米茎粉末用量为10 g/kg时,对鳢肠(EcliplaprostrataL.)、反枝苋、稗草和马唐(Digitariasanguinalis(L.) Scop.)4种杂草的株高抑制率和鲜重防效达到了80%以上。付佑胜等[41]研究表明随着秸秆覆盖量增加,田间杂草防控效果明显增加,高留茬条件下秸秆覆盖量≥0.75 kg/m2的2个处理30 d对杂草的防效均为100%。李淑英等[42]研究表明随着油菜秸秆覆盖量的增加,对棉田杂草的抑制效果增强。李贵等[43]研究表明随着水稻秸秆还田量增加,小麦田杂草密度显著下降,秸秆还田量达到4 500 kg/hm2时,小麦分蘖前杂草发生密度下降60%。本研究结果显示在小麦秸秆不同覆盖量下,4种杂草密度随小麦秸秆覆盖量的增加有逐渐下降的趋势,即随小麦秸秆覆盖量增加,杂草的防除效果增强,在3次中雨5 d后,W3处理对田间杂草株防效均达60%以上。随降雨场次的增加,杂草的盖度逐渐降低、杂草密度先降低后升高,说明秸秆对杂草的化感作用减弱。

4 结 论

4种杂草在种子发芽率、根长、芽长等方面对不同浓度小麦秸秆浸提液表现出明显的化感响应,其中,100 g/L的小麦秸秆水浸提液处理显著降低4种杂草的发芽率,显著降低狗尾草的根长和芽长,显著降低稗草的根长,该处理对4种杂草的化感抑制作用最强。1/4和1/2量小麦秸秆覆盖还田可短时间内有效抑制谷田杂草的发生,全量小麦秸秆覆盖对4种杂草具有较好的防除效果,覆膜遮盖也有一定的杂草防效,但会产生白色污染,因此,9 000 kg/hm2小麦秸秆覆盖可应用于谷田杂草防除。