外来入侵植物小子虉草(Phalaris minor Retz.)为禾本科(Gramineae) 虉草属(Phalaris)一年生杂草, 20世纪70年代随麦类引种侵入我国, 现为我国冬季农田重要外来入侵杂草之一^[1-4]。小子虉草具有强的繁殖能力、竞争能力和生态适应能力, 常导致入侵地冬春农作物(尤其是麦类)减产超30%, 严重的甚至绝收^[5-7]。安全有效控制小子虉草一直是人们关注的焦点与研究的核心, 国内外学者已对其开展了多种控草技术研究^[8]。然而, 由于小子虉草独特的生物生态学特征, 常导致物理防治、生物防治等控草技术存在防效低、防治成本高等不足而难以满足现代农业的需求^{[7, 9-10]}。目前世界治理小子虉草的主要措施为喷施化学除草剂, 如异丙隆(Isoproturon)、肟草酮(Tralkoxydim)、禾草灵(Diclofop-methyl)、炔草酯(Clodinafop-propargyl)、稀禾定(Sethoxydi)等除草剂已被广泛应用于麦田控制该草^[11-13]。然而, 长期大量施用除草剂导的致抗药性增加、环境污染、食品安全等诸多问题已引起人们广泛关注^[14]。如何持久有效绿色控制外来入侵植物小子虉草近年来被广泛研究^[15]。

外来物种成功入侵不仅受到自身属性和功能的影响, 同时也与入侵地的环境条件密切相关, 入侵地群落中的一些生物因素和环境因素能够抵抗外来植物的入侵^[16-18]。如研究显示, 在薇甘菊入侵地, 本地物种幌伞枫、血桐以及农作物红薯等不仅能有效抵御薇甘菊的入侵危害, 也对其破坏的生态环境具有较强的生态修复能力^[19-20]。因此, 探索利用具有一定生态和经济价值的本地物种或伴生物种来替代控制外来入侵杂草, 被认为是一种科学、有效的绿色控草技术, 也是近年国内外研究的热点。

选择适宜当地的替代植物是实现替代控制的关键^[21]。油菜是是云南省种植面积最大的油料作物, 由于其生长迅速, 株型高大, 已被研究应用于控制农田杂草和外来入侵杂草^[22]。如李林等^[23]研究显示油菜可用于农田替代控制入侵植物紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum)。娄群峰等^[24]则研究表明在适当的耕作条件下, 油菜可有效控制如日本看麦娘(Alopecurus japonicas Steud)、牛繁缕(Myosolon aquaticum (L.) Mocnch)、稻搓菜(Lapsana apogonoides Maxim)等农田杂草。在小子虉草的中国入侵地, 油菜物候期和空间分布与小子虉草种群重叠^[25]。作者前期通过野外定点观测、温室盆栽和田间试验研究了小子虉草与不同农作物的种间关系, 发现农作物油菜对小子虉草具有强的竞争能力, 油菜田小子虉草的种群数量、土壤种子库种子量和种子生成量也显著低于蚕豆田和小麦田^{[3, 26-27]}。前期研究表明, 油菜可能是替代控制小子虉草的优良作物。根据遗传类型, 油菜可分为白菜型油菜(Brassica rape, AA)、芥菜型油菜(Brassica juncea, AABB)和甘蓝型油菜(Brassica napus, AACC)^[28]。由于遗传背景不同, 3种类型油菜在表型特征、养分需求和种群分布等均存在较大差异。然而, 目前尚不清楚不同类型与品种的油菜对小子虉草的绿色防控能力与作用机制, 且也未见国内外相关研究报道。

为此, 本研究选取在云南与小子虉草同域的白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜各三种, 首先通过田间实验对比研究其对小子虉草的生长、繁殖以及表型的影响, 后通过室内生物测定研究了不同类型油菜对小子虉草种子萌发和幼苗生长的化感作用, 探讨油菜类型与品种对入侵植物小子虉草绿色防控能力的影响及其作用机制。相关研究为利用油菜绿色防控外来入侵植物小子虉草指明方向。

1 材料与方法 1.1 实验样地概况与实验材料

实验地位于云南省农业科学院嵩明试验基地(25°05′—25°28′ N, 102°40′—103°20′ E)。试验点前茬作物为水稻, 土壤类型为水稻土, 耕作层0—20 cm土壤理化性质为：有机质27.6 g/kg, 全氮1.32 g/kg, 全磷1.31 g/kg, 全钾2.42 g/kg, 速效氮93.5 mg/kg, 速效磷20.8 mg/kg, 速效钾121.7 mg/kg, pH 6.61。

供试油菜品种分别为：白菜型油菜, 品种编号为AA₁, AA₂和AA₃; 荠菜型油菜, 品种编号为AB₁, AB₂和AB₃; 甘蓝型油菜, 品种分编号为AC₁, AC₂和AC₃。上述油菜品种由云南省农业科学院农业经济作物研究所油菜项目组提供。小子虉草种子为2018年4月采自云南省保山市麦田, 晾干后室温保存。供试小子虉草的发芽率>90%。

1.2 实验方法 1.2.1 油菜类型与品种对外来入侵植物小子虉草生长繁殖的影响

2018年9月—2019年4月, 在云南省农业科学院嵩明试验基地, 通过设置不同油菜品种与小子虉草的单种与混种种群, 研究白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜三种类型不同品种油菜对入侵植物小子虉草生长繁殖的影响。试验采用裂区试验设计, 其中主处理为白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜三种类型油菜; 副处理为不同类型油菜对应的不同油菜品种及其于小子虉草的单混种种群, 副处理采用完全随机排列。具体如下：2018年9月24日, 首先将3种品种油菜和小子虉草的种子撒播温室苗圃。10月29日, 按实验设计要求, 分别选取大小一致的油菜和小子虉草幼苗, 按1:1比例(油菜90株, 小子虉草90株)将其均匀移栽至试验小区, 小区之间设有1 m的隔离带。试验各小区面积均为9.0 m²(3 m×3 m), 每个小区种植总物种数量为180株, 每处理重复4次。单种处理小区为同一物种的种植方式, 混种处理小子虉草与油菜在小区中均匀分布。幼苗移栽后的1周内每天10:00—15:00打开遮阴网和滴灌装置以保持土壤湿润, 提高幼苗植株的存活率, 并对未成活的幼苗及时补充移栽大小一致的植株。在生长过程中, 人工拔除其它植物。另外, 试验采用基肥+追肥的方式施肥, 基肥采用一次性翻施方式施用, 氮、磷、钾和硼施用量分别为氮肥108 kg N/hm²(尿素N 46%), 磷肥90 kg P₂O₅/hm ²(过磷酸钙P₂O₅ 12%), 钾肥120 kg K₂O/hm²(氯化钾K₂O 12%), 硼肥15 kg硼砂/hm²(硼砂B 12%), 后期追肥2次, 分别为氮肥36 kg N/hm²(尿素N 46%), 浇水按正常田间管理。

2019年3月下旬, 于小子虉草种子成熟期, 分别在各单一和混合种群中随机选取10株小子虉草植株, 将其贴土割断, 分别计数用小子虉草的主茎长度、分枝数和种子数, 并用Li-3000 A型叶面积仪测定主穗的剑叶面积(叶龄20—30天)。后在80 ℃烘箱中将小子虉草植株烘干至恒重, 用电子天平(精确度0.001 g)称量, 测定小子虉草的叶片和地上部生物量。

1.2.2 不同类型油菜品种叶片水提液对入侵植物小子虉草种子萌发的影响

采集移栽后30 d生长健壮油菜新叶叶片50.0 g, 剪碎后4 ℃条件下放入3倍的蒸馏水中浸提48 h, 二次过滤后, 将其定容至浓度为0.1 g/mL (以鲜叶质量计算)。取部分浸提液用蒸馏水分别稀释至质量浓度为0.05 g/mL和0.025 g/mL(以鲜叶质量计算)。后采用培养皿滤纸法测试水提液对小子虉草种子萌发的影响。具体为：首先选择颜色较深、饱满且大小一致的小子虉草种子, 用0.5%次氯酸钠溶液浸泡10 min, 后用无菌蒸馏水清洗干净。在直径9 cm培养皿中垫2层滤纸, 每皿放置30粒小子虉草种子, 后每皿加入10 mL不同浓度叶片浸提液, 对照加入10 mL蒸馏水, 后放入光照培养箱培养(培养温度为白天25 ℃, 夜间20 ℃, 白天和夜间时间各12 h)。每处理重复4次。10 d后记录萌发种子数(芽长和根长≥ 0.5 cm视为萌发), 计算种子萌发抑制率。

1.2.3 不同类型油菜品种叶片水提液对小子虉草幼苗生长的影响

供试不同类型油菜品种叶片水提液的制备和小子虉草种子前处理方法同1.2.2。采用室内盆钵法测试不同浓度油菜叶片水提液对小子虉草幼苗生长的影响^[29]。具体为：取无菌风干细土200.0 g置于直径15 cm、高10 cm的塑料杯中, 每杯分别加入60 mL不同浓度叶片浸提液, 对照加入60 mL蒸馏水; 后于每杯分别播入30粒小子虉草种子, 用手将小子虉草种子轻轻按压至土层0.5 cm处, 后置于人工气候箱培养(培养温度为白天25 ℃, 夜间20 ℃, 白天和夜间时间各12 h)。每处理重复4次。培养期内每天视情况每皿补充一定量蒸馏水, 保持土壤润湿。20 d后每杯随机选取10株小子虉草幼苗, 测量株高、根长和生物量。

1.3 数据处理分析

采用化感响应指数^[30] (response index, RI) 分别度量不同品种油菜叶片水提液对小子虉草株高和根长化感作用的类型和强度, 计算公式为：当T≥C时, RI=1-C/T; 当T＜C时, RI=T/C-1。其中：C为对照值, T为处理值。RI＞0为促进作用, RI＜0为抑制作用, 绝对值的大小与化感作用强度一致。

另外, 水提液对小子虉草种子萌发的抑制率计算公式为^[31]：

种子萌发抑制率%=[(对照组种子萌发平均数-处理组种子萌发平均数)]/对照组种子萌发平均数×100%

比叶面积(SLA)计算公式为^[31]：

比叶面积^[19] =叶片面积(cm²)/叶片干重(g)

油菜类型、油菜品种和竞争方式(种类或种间竞争)对外来入侵植物小子虉草的地上生物量、种子数、株高、分枝数、叶面积、比叶面积对的影响, 试验数据采用SPSS 13.0软件的多因素方差分析(three-way mixed ANOVA)法进行分析处理, 并采用LSD法对上述数据以及化感数据对其进行差异显著性检验(P＜0.05)。

2 结果 2.1 油菜类型与品种对小子虉草生长繁殖的影响

研究结果表明, 小子虉草与油菜混种处理组, 其地上生物量和种子数均显著低于其单种处理组, 表明油菜对小子虉草的生长繁殖具有显著的抑制作用。研究也显示, 不同类型的油菜品种对小子虉草生长繁殖的影响存在显著差异, 其中与芥菜型油菜混种处理组, 小子虉草地上生物量和种子数均显著低于白菜型油菜和甘蓝型油菜混种处理组, 表明芥菜型油菜对小子虉草生长繁殖的抑制作用最强。另外, 研究也表明, 同一类型不同品种油菜(除芥菜型油菜AB₁外)对小子虉草地上生物量和种子数的影响均无显著差异(图 1)。

多因素方差分析显示, 竞争方式(种内-种间竞争)和油菜类型均极显著(P=0.0001)影响小子虉草地上生物量和种子数, 而油菜品种对小子虉草的地上生物量(P=0.6064)和种子数(P=0.3577)均无显著影响。油菜类型与竞争方式互作(油菜类型×竞争方式)对小子虉草地上生物量具有极显著影响(P=0.0001), 对种子数具有显著影响(P=0.0362)。而油菜品种与油菜类型或竞争方式的互作对入侵植物小子虉草的生长、繁殖均无显著影响(表 1)。

2.2 不同类型油菜品种对小子虉草表型的影响

小子虉草与油菜混种处理组, 小子虉草的株高、比叶面积均显著增加, 而分枝数、叶面积则显著降低, 表明不同类型油菜均能显著影响小子虉草的表型。不同类型油菜对小子虉草株高、分枝数、叶面积和比叶面积的影响显著不同, 其中与芥菜型油菜混种处理组, 小子虉草的株高和比叶面积显著高于白菜型油菜和甘蓝型油菜混种处理组, 分枝数和叶面积则显著小于另外两种油菜。另外, 研究也发现同一类型油菜不同品种对小子虉草株高、分枝数、叶面积、比叶面积3种表型的影响无明显差异(图 1)。

多因素方差分析显示, 竞争方式(种内-种间竞争)和油菜类型均极显著(P=0.0001)影响小子虉草的株高、分枝数、叶面积和比叶面积; 而油菜品种对小子虉草的株高(P=0.4279)、分枝数(P=0.6357)、叶面积(P=0.8839)和比叶面积(P=0.3424)均无显著影响。油菜类型与竞争方式互作(油菜类型×竞争方式)对小子虉草的株高(P=0.0001)、分枝数(P=0.0001)和比叶面积(P=0.0008)均具有极显著影响, 但对叶面积则无显著影响。而油菜品种与油菜类型或竞争方式的互作对入侵植物小子虉草的株高、分枝数、叶面积和比叶面积均无显著影响(表 1)。

2.3 不同类型油菜品种叶片水提对小子虉草种子萌发和幼苗生长的影响

研究结果表明, 不同类型油菜叶片水提液对小子虉草种子萌发的影响存在明显差异。在浓度为0.1 g/mL时, 3种类型油菜品种的叶片水提液均显著抑制小子虉草的种子萌发; 其中芥菜型油菜叶片水提液对小子虉草种子萌发的抑制作用最强(抑制率均超过70%), 且显著大于白菜型油菜和甘蓝型油菜。随着叶片水提液浓度的降低, 其对小子虉草种子萌发的抑制率显著降低, 其中在浓度为0.025 g/mL时, 白菜型油菜品种AA₁、AA₂; 甘蓝型油菜品种AC₂、AC₃均促进小子虉草种子的萌发。另外研究也显示, 同种类型油菜不同品种, 在同等浓度条件下对小子虉草种子萌发率无明显差异(表 2)。

研究也显示, 不同类型油菜叶片水提液对小子虉草幼苗生长也存在明显差异。在浓度为0.1 g/mL时, 3种类型油菜品种的叶片水提液均显著抑制小子虉草的株高和根长; 其中芥菜型油菜叶片水提液对小子虉草株高和根长的抑制作用最强, 白菜型油菜对株高和根长的抑制作用最弱。随着叶片水提液浓度的降低, 其抑制降低, 其中在浓度为0.025 g/mL时, 白菜型油菜品种AA₁、AA₂和AA₃; 甘蓝型油菜品种AC₁和AC₂均促进小子虉草株高和根长的生长(图 2)。

2.4 不同类型油菜品种叶片水提对小子虉草幼苗生长的影响及化感效应指数

研究结果表明, 在浓度为0.1 g/mL和0.05 g/mL时, 3种类型油菜对小子虉草株高、根长和生物量的化感指数均为负值, 其中芥菜型油菜对小子虉草的化感指数绝对值最大; 表明在上述浓度条件下, 油菜叶片水提液抑制小子虉草的生长, 芥菜型油菜对小子虉草的抑制作用最强。另外, 研究也显示, 3种类型油菜品种叶片水提液对小子虉草株高、根长和生物量的化感效应指数存在差异, 其中生物量的化感指数绝对值最大, 株高的化感指数绝对值最小, 显示油菜叶片水提液对小子虉草株高的抑制效应最弱(表 2)。

3 讨论

不同类型品种的油菜, 由于其遗传基础不同, 可能其对小子虉草的防控能力存在差异。本文通过田间试验和室内化感作用研究了油菜类型与品种对小子虉草防控能力的影响。通过田间实验和室内化感作用测定, 我们发现油菜类型对小子虉草的地上生物量、种子量以及化感作用的影响存在明显差异, 其中芥菜型油菜对小子虉草的生长、繁殖的抑制作用以及对小子虉草种子萌发、幼苗生长的化感抑制作用明显强于白菜型油菜和甘蓝型油菜。另外, 研究结果也显示, 同一类型的不同油菜品种, 其对小子虉草的生长繁殖和化感作用均无明显差异。利用农作物自身抑(抗)草特性控制农田入侵杂草是近年国内外研究热点^{[15, 17]}。本研究首次报道了油菜类型对入侵植物小子虉草替代控制的影响, 明确了芥菜型油菜是绿色控制外来入侵植物小子虉草的最佳油菜类型, 同时也阐述了化感作用在油菜替代控制小子虉草中扮演重要角色。为进一步开发、利用油菜控制外来入侵植物小子虉草提供了参考。

本研究结果表明油菜能显著抑制小子虉草的有性繁殖能力, 减少其种子的生成数量。而通过室内生物测定发现油菜对小子虉草具有强的化感作用, 显著抑制其种子萌发和幼苗生长。作为一年生草本植物, 种子是外来入侵植物小子虉草种群扩散、蔓延和危害的唯一载体。因此, 抑制田间小子虉草的种子萌发, 减少其种子的生成是控制小子虉草的关键。前期调查发现, 油菜田小子虉草的种群数量和土壤种子库数量均显著低于蚕豆田和小麦田^{[24, 27]}, 但对这一现象的原因尚不清楚。本研究通过田间实验和室内实验对前期田间调查的现象进行了解答。另外, 本研究也明确了白菜型油菜、芥菜型油菜和甘蓝型油菜3种油菜类型在同等条件下, 芥菜型油菜对小子虉草种子萌发和田间种子量的抑制作用最大, 而白菜型油菜的抑制作用最弱。上述结果暗示, 在小子虉草入侵地推广种植芥菜型油菜, 可减少入侵地小子虉草种群的发生危害。

本研究结果表明油菜对小子虉草种子萌发和幼苗生长具有强的化感作用, 且不同类型油菜对小子虉草的化感作用存在显著差异, 芥菜型油菜对小子虉草种子萌发抑制率最高, 化感抑制作用最强。前期研究表明, 油菜对小子虉草具有强的种间竞争能力^[3]。然而, 植物种间关系极其复杂, 植物不仅能通过竞争来获取资源, 也可通过释放化感物质实现有利于自身而不利于周边其它物种生长的目的^[32]。本研究结果暗示, 油菜对入侵植物小子虉草生长繁殖具有较强的抑制能力可能是竞争作用和化感作用共同作用的结果。另外, 前期研究主要从种间竞争的角度揭示油菜对小子虉草的替代控制机制, 而本研究从化感作用的角度探讨了油菜对小子虉草的控制机制, 拓宽了对油菜控制小子虉草的认知。

研究表明植物的表型变化与植物的生长对策及其对环境的适应性紧密联系, 能够反应植物适应环境变化的能力与对策^[33]。如叶面积和比叶面积可以反映植物获取光照资源的能力与环境的适应能力^[34]。本研究结果显示, 不同类型的油菜显著影响小子虉草的表型, 其中芥菜型油菜处理组, 小子虉草的株高和比叶面积显著大于另外两种油菜处理组, 而叶面积则相反。本研究暗示, 芥菜型油菜处理组小子虉草的光合能力较弱, 但为应对芥菜型油菜的选择压力, 其能量可能更多的用于营养生长, 导致其分枝数、种子量等有性繁殖特征显著低于另外两种油菜。

综上所述, 3种类型油菜对入侵植物小子虉草的生长、繁殖具有显著的抑制作用, 其中芥菜型油菜抑制作用最强, 白菜型油菜的抑制作用最弱。进一步研究发现, 芥菜型油菜对小子虉草种子萌发和幼苗生长化感抑制效应显著强于另外两种油菜, 导致小子虉草的表型变化也显著不同于另外两个油菜种群。本研究为利用油菜高效控制入侵植物小子虉草提供了参考。