全 文 ：论 农 业 持 续 发展 中 的 化 感 作 用*
阎 飞* * 杨振明 韩丽梅 (解放军军需大学, 长春 130062)
摘要 综述了农业生产中的化感作用, 建议应合理有效地运用化感作用中的相生相克效应, 改进秸秆还田、
栽培和耕作措施以及杂草和虫害生物防治技术,为我国的农业持续发展提出新的对策.
关键词 农业持续发展 化感作用
文章编号 1001- 9332( 2001) 04- 0633- 03 中图分类号 Q948. 12 文献标识码 A
Allelopathy in sustainable development of agriculture. YAN Fei, YANG Zhenming and HAN L imei ( T he Quar ter
master Univer sity of PLA , Changchun 130062) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2001, 12( 4) : 633~ 635.
Allelopathy in agr icultur e w as summarized. For sustainable development of agr iculture, inhibitions and simulations of
allelopathy as some new measures were put forward and suggested to apply resonablely and effectiv ely, so as to improve
some techniques about crop str aw s returnning into so il, cultiv at ion measure, crop r otat ion and biocontrol of w eeds and
insect pests.
Key words Sustainable development of agriculture, Allelopathy.
* 国家! 九五∀科技攻关重中之重资助项目( G9500105) .
* * 通讯联系人.现为中国农业大学硕士生.
1999- 03- 15收稿, 1999- 07- 12接受.
1 引 言
农业的发展经历了原始农业、传统农业和现代农业 3 个阶
段,到 20 世纪末, 开始进入持续农业的发展阶段. 持续农业是
在继承传统农业遗产和发扬现代农业优点的基础上, 以持续发
展的观点来解决生存与发展所面临的资源与环境问题 ,协调人
口、生产资源和环境三者之间的关系[ 14, 25] .
化感作用( Allelopathy )是近 10 年来逐步受到世界各国科
学家重视的一个新的研究领域,在农业生态系统中起着重要作
用.它是指一种植物或微生物通过产生化学物质, 并排至环境
中,而对其他生物产生的直接或间接的刺激或抑制作用, 主要
通过植物地上部的淋洗和挥发、根的分泌以及植物残体的腐解
等途径向农业生态系统中释放这些化学物质,从而影响周围植
物的生长发育[ 12] . 据美国农业部 ( USDA)估计, 化感作用新技
术的应用将给美国农业带来约 20 亿美元的经济效益[ 18] .为了
在农业生产中合理应用化感作用, 提高农作物产量, 减少农业
化学品的投入及其对环境的污染, 本文对此作一综述, 试图为
应用生物新技术促进农业的可持续发展提供新思路.
2 作物秸秆还田技术的改进
21 秸秆还田中化感作用的抑制效应
秸秆还田是植物营养元素循环利用的有效措施, 也是保证
我国农业持续稳定发展的重要途径,所以其还田面积正在逐年
扩大. 然而秸秆如何还田才能起到有益无害的作用, 正日益受
到重视. 有关作物秸秆还田的产量效应和土壤的培肥作用, 已
进行了较深入的研究[ 5, 24] , 而秸秆还田中化感物质的抑制效应
并未引起足够的重视.秸秆经过雨水的淋浸和(或)微生物的腐
解而释放出的化感物质,常对下茬作物产生不良的影响[ 17] . 如
水稻藁杆腐烂产生的羟基苯甲酸、苯乙醇酸、香豆酸、丁香酸、
香草酸、阿魏酸、丙炔酸、乙酸等抑制水稻幼苗生长[ 2] ; 玉米、高
粱、燕麦残株腐烂产生的咖啡酸、绿原酸、肉桂酸、香豆酸、阿魏
酸、香草酸、没食子酸、香草醛、苯甲醛等可以抑制高粱、大豆、
向日葵、烟草的正常生长[ 8] ;甘蔗秸秆腐解的羟基苯甲酸、香豆
酸、丁香酸、阿魏酸、香草酸、甲酸、乙酸、草酸、丙二酸、酒石酸、
苹果酸使甘蔗截根苗萌生困难[ 21] ; 小麦秸秆腐解产生的 6 甲
基氧氮杂萘在 315mmol#L - 1时, 明显抑制燕麦根生长[ 9] ;苜蓿
残体分解的 3 羟基 9 甲基紫檀素强烈阻碍苜蓿生长[ 3] ;银胶菊
残体腐解生成的反式肉桂酸抑制银胶菊幼苗和番茄幼苗的生
长[ 1] . Bo rner发现大麦、黑麦和小麦秸秆的水提物中的对羟基
苯甲酸、阿魏酸、香豆酸等化感物质在水培低浓度时, 能抑制黑
麦和小麦根的生长[ 23] . 番茄植株水浸液对黄瓜、萝卜、生菜、白
菜、包心菜的幼苗均有显著的抑制作用[ 27] . 土壤上覆盖 5~ 10
∃ 103kg hm- 2麦秸, 将使玉米的平均发芽率减少 44% ~
92% [ 6] .大豆残体的化感作用可能是其连作障碍的主要原因之
一[ 20, 22] .
22 秸秆还田中化感作用的有益效应
Putnam 和 DeF rank 对某些春、秋季作物残体与杂草的化
感作用研究表明, T ecumseh 小麦和 Balbor 黑麦残体能降低杂
草生长的 88% [ 11] . 高粱、向日葵、黑麦、燕麦、大麦、小麦、苏丹
草等留在田里的残茬及其秸秆进行还田或制成堆肥使用,都可
显著地限制杂草的生长,减少后茬除草剂的使用量[ 23] . 有一种
燕麦的秸秆施入田中, 能有效地减少杂草生物量 80% ~ 90% ;
而高粱或苏丹草制作的堆肥施用于苹果园中,可使杂草生物量
减少 85% ~ 90% ,对果园无副作用[ 17] .在水稻化感作用的研究
中发现, 其残株或秸秆的还田对杂草具有一定程度的抑制作
应 用 生 态 学 报 2001 年 8 月 第 12 卷 第 4 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2001, 12( 4)%633~ 635
用[ 7] .此外, 秸秆腐解所产生的有机酸类化感物质可以溶解和
转移土壤中的矿质养分,提高其生物有效性[ 16] .
23 秸秆还田中化感作用的合理应用
在农业生产中, 作物秸秆资源化是一个重要的课题. 通过
适时、适量、有选择地进行秸秆还田以及运用其他的管理措施,
充分利用作物秸秆还田后释放的活性化感物质, 降低对下茬作
物的不利影响,并且有效地控制和减少杂草的发生, 同时还能
够提高土壤有机质的含量、养分的有效性以及培肥土壤. 因此,
应大力研究和开发作物秸秆的化感作用, 为其合理利用开辟新
的途径.
3 建立合理的栽培技术和耕作制度
在世界农业生产中,由于化感作用中抑制效应所造成的损
失每年达数十亿美元[ 26] . 所以,应根据不同作物化感作用的性
质和特点, 特别是充分利用化感作用中的相生效应, 在农业生
产实践中, 进行合理布局, 改进或调整某些作物原有的不合理
的间、混、套等栽培技术和耕作制度, 变害为利, 化损失为收益.
豆科作物与玉米或谷类间作, 可明显提高玉米和谷类对 P、K、
Ca的吸收[ 23] .桃园间作小麦可减轻线虫的危害[ 15] .
合理地利用轮作制,不仅可以减少土壤中有抑制作用的化
感物质的积累,尽可能避免连作中经常出现的自毒现象, 还可
以最大限度地利用轮作中一茬有明显抑制效应的植物的化感
作用,既对当年也对下一茬植物发挥治草作用. 周志红等[ 27]研
究表明, 番茄不仅具有自毒作用, 而且植株的挥发物和根系分
泌物均对黄瓜的生长有明显抑制作用, 因此, 番茄种植应采用
轮作方式,其水培或大棚种植时, 应避免与黄瓜间作. 秸秆还田
免耕制能抑制宽叶草生长的 76% ~ 81% ;免耕、耕作和休闲耕
作等不同的耕作方式,可以造成土壤中酚酸类化感物质含量的
明显差异[ 1] .
合理种植伴生植物, 探索新的栽培措施. 伴生植物是指经
过特殊挑选的具有某种相生相克性状的植物,其本身不以收获
为目的[ 17] . 豆科作物中增植野生植物天芥菜( Heliotr op ium eu
r opaeum) ,不仅减少杂草 30% ~ 70% , 同时还减少了病虫害; 而
日本在梨、柿等果园中播 3kg#hm- 2冬巢菜(一种牧草)种子, 可
以 100%抑制杂草. 冬巢菜能固氮,所以还有肥田作用[ 23] .
此外,利用植物根系分泌物或残体腐解后所产生的化感物
质,来抑制土壤中致病微生物的萌发和生长繁殖, 从而减轻植
物病害. 如前作是大麻, 则几乎可以使马铃薯免遭晚疫病的侵
害;前作若为苜蓿, 可明显降低棉花凋萎病的发生; 前作若为车
轴草,亚麻的立枯病感染率则降低[ 17] .
4 开发新一代无公害农药和植物生长调节剂
Putnam[ 10]认为,植物的化感物质是天然的除草剂, R ice[ 12]
也指出, 化感物质有可能取代化学农药, 至少可使其用量大大
减少.因而, 分离、鉴定、提取或人工合成的化感物质可为杂草
的化学控制提供新型的除草剂.目前已成功的有: 桉树脑、大豆
根瘤生物毒素、独脚金酚和麦仙翁素等[ 23] . 此外 , 一些化感物
质还是天然杀虫剂, 如含除虫菊酯、皂角苷、生物碱、黄酮化合
物和特异氨基酸等,其中部分已开发成为商品[ 26] .
最近研究表明, 许多化感物质低浓度时能刺激植物的生
长,是天然的植物生长调节剂, 如麦仙翁素可以提高小麦的产
量和品质[ 4] ; 从苜蓿中分离出来的化感物质 & & & 三十烷醇, 可
以促进番茄、黄瓜、莴苣等植物的生长[ 13] .
由于这些控制措施利用了植物体在生态系统中的自身防
御或抗逆能力,没有向系统中引入难降解的化学物质, 无残毒
遗留,不会带来诸如农药等的环境问题,对保护环境、维持系统
的功能与平衡极为有益,并且这些新型的植物药剂具有作用广
谱、易内吸传导、对非靶生物的毒性较少和不易产生抗药性等
特点, 对其开发利用可减少人类对化学药品的依赖, 所以是农
业可持续发展具有潜力的生物调控措施.
5 今后的研究方向
1999 年 8 月,在加拿大召开的世界第二次化感作用大会
中,有大量的论文报告涉及到农田杂草的化感作用, 而作物化
感作用在杂草控制和持续农业上的应用是一个热门话题,同时
还讨论了化感物质作为天然除草剂、植物生长调节剂和杀菌剂
在农业持续发展中的应用前景. 一致认为, 化感作用与持续农
业的结合,以及化感物质的化学合成或工业化获取与市场开发
是该学科发展的重要方向之一. 今后应大力加强以下研究工
作.
51 加强化感作用特征和机理的研究及应用
积极开发和应用作物及其秸秆化感作用中的有益效应, 合
理地改进轮、间、混、套作等栽培技术和耕作制度, 从而有效地
控制杂草和虫害,保护生态环境, 提高经济效益.
52 开展抗性品种资源的筛选及其育种工程
通过传统的育种手段或现代生物工程技术, 将作物的化感
性状转入到优良的作物品种中, 使之在具有较强的水分、养分
等竞争力的基础上, 对杂草和虫害具有化感抑制作用, 从而达
到既可最大限度地减少向农田生态系统中引入化学品 ,又能有
效地控制杂草和虫害的目的. 其中,最为重要的是化感资源的
筛选和化感作物的特征及其化感物质作用机理的研究 .冰草和
小麦杂交获得的第一代杂种,在对杂草的毒性方面表现出冰草
的性状,产生大量冰草的化感物质[ 23] ; 国内外学者对水稻化感
特征进行了大量的基因研究[ 19] , 而对其他作物的研究亟待加
强.
6 结 语
由于化感作用在农业生产中的巨大潜力,因而应全力支持
在我国开展主要粮食和经济作物相互之间及其与主要杂草间
化感作用的特征与机理、化感品种的筛选、建立化感作用基因
库和进行化感作用基因定位等研究,针对农作物的轮作套种技
术和农田杂草及虫害的控制, 提出具有生态安全性的合理措
施,为我国的农业持续发展提供新对策.
参考文献
1 Blum U et al . 1991. Phenolic acid content of soils f rom w heatno t ill,
634 应 用 生 态 学 报 12卷
w heatconvent ional t ill, and fallow convent ional t ill soybean cropping
systems. J Chem Ecol , 17( 6) : 1045~ 1069
2 Chou CH, Lin HJ. 1976. Autointoxicat ion mechanism of Oryz a sat iv e
1. Phytotoxic ef fects of decomposing rice residues in soil. J Chem Ecol ,
2: 353~ 367
3 Dornbos DLJ et al . 1990. Medicarpin delays alfafa seed germinat ion
and seedl ing grow th . Crop S ci , 30: 162~ 166
4 Gajic DS et al . 1976. S tudy of the quant itative and qualitat ive improve
ment of w heat yield through agrosystem as an allelopathic factor.
Fragm Her b Jugoslav ica , 63: 121~ 141
5 Liu GL(刘更另 ) . 1991. Organ ical Fertilizer of China. Beijing: Agri
cultural Press. 116~ 132( in Ch inese)
6 Ma YQ (马永清) et al . 1993. Allelopathic ef fect of w heat st raw s.
Chin J Ecol (生态学杂志) , 12( 5) : 36~ 38( in Chinese)
7 Narw al SS. 1996. Allelopathic strategies for w eed management in rice
w heat rotat ion for sustainable agriculture. In: Workshop on Allelopa
thy in Rice. IRRI. Los Banos, Philippines.
8 Patt reson DT . 1981. Ef fects of allelopathic chemicals on grow th and
physiological responses of soybean( G lycine max ) . Weed S ci , 19: 53~
59
9 Perez JF et al . 1991. Root exudates of w ild oats: Allelopathic ef fect on
spring w heat. Phytocem , 30: 2199~ 2202
10 Putnam AR. 1983. Allelopathic chemicals, Nature∋ s herbicides in ac
t ion. Chem & Eng New s, 61( 14) : 34~ 45
11 Putnam AR, DeFrank J. 1979. Use of Cover Crops to Inhibit Weeds.
Proc IX Int . Cong. Plant Proteceion. 580~ 582
12 Rice EL. 1984.Allelopathy ( 2nd) . Orlan do: Academic Press. 1~ 50
13 Rise SK et al . 1977. Triacontanol : A new naturally occurring plant
growth regulator. Science , 195: 1339~ 1341
14 Shi YL(石元亮) , Wang J (王 晶) . 1998. Theory and research de
velopments of sustainable agriculture. Jil in Ag ric Sci (吉林农业科
学) , ( 2) : 83~ 87( in Chin ese)
15 Stanley D. 1993. Preserving georgia∋ s peach pride. Agri c Res, 5: 10~
17
16 Stevenson FJ. 1967. T rans. M in JK (闵九康 ) e t al . 1984. Organic
acids in soil. In: Mclaren AD and George HP eds. S oil Biochemist ry.
Beijing: Agricultural Press. 81~ 95( in Chines e)
17 Sun WH (孙文浩) and Yu SW( 余叔文) . 1992. Allelopathy and it s
potential applicat ion. Plan t Physiol Commun (植物生理学通讯) , 28
( 2) : 81~ 87( in Chinese)
18 U. S. Department of Agriculture. 1977. Report of th e Research Plan
ning Conference on the Role of Secondary. Com pounds in Plant Inter
actions ( Allelopathy ) . A Conf . sponsed by ARSUSDA, Mississippi
State Univ. , March 15~ 16, 124
19 Wang DL(王大力) . 1998. T he riview of rice allelopathy. A cta Ecol
Sin (生态学报) , 18( 3) : 326~ 334( in Ch inese)
20 Wang GH(王光华) et al . 1995. Infulunce of soybean root residues to
growth of soybean. In: Han XZ(韩晓增) and Xu YL(许艳丽) eds.
Research of Soybean Cont inuous Cropping. Haerbin: Haerbin U niver
sity of Engin eering Press. 84~ 91( in Chinese)
21 Wang T SC et al . 1967. Soil phenolic acids as plant grow th inhibitors.
Soil S ci , 103: 239~ 246
22 Yan F(阎 飞) and Yang ZM(杨振明) . 1998.Allelopathy on barrier
of soybean cont inuous cropping. S oybean S ci (大豆科学) , 17 ( 2) : 147
~ 151( in Chinese)
23 Yu SW( 余叔文 ) and T ang ZC (汤章城) . 1998. Plant Physiology
and Molecular Biology( 2nd) . Beijing: S cience Press. 699~ 720( in Chi
nese)
24 Zhao LP( 赵兰坡) . 1996. T he effect of applying crop w aste on in
creasing soil f ertilit y. Chin J S oil Si c (土壤通报 ) , 27( 2) : 76~ 78( in
Chinese)
25 Zhao QG(赵其国) . 1997. Problems challenging the development of
modern agriculture of C hina. A cta Pedol S in (土壤学报) , 34( 1) : 1~ 9
( in Chinese)
26 Zhou Q(周 青) . 1996. Ef fect of population ecology and applicat ion in
agriculture of secondary metabolit es. Res A gric Mod (农业现代化研
究) , 17( 2) : 100~ 103( in Ch inese)
27 Zhou ZH(周志红) , Luo SM (骆世明) , Mou ZP(牟子平) et al .
1997. Allelopathic ef fect of tomato ( Lycop ersi con ) . Chin J App l Ecol
(应用生态学报) , 8( 4) : 445 ~ 449( in Chinese)
作者简介 阎 飞,男, 1969 年生,讲师, 在读硕士,主要从事逆
境植物营养生态学方面的研究, 发表论文 20 余篇. Email: Fly
ingy@ 263. net
6354 期 阎 飞等: 论农业持续发展中的化感作用