施用农用酵素对大豆种子萌发及幼苗生长发育的影响

Effects of agricultural Jiaosu application on soybean seed germination and seedling growth and development

摘要

为探究农用酵素对大豆种子萌发及幼苗生长的影响，以‘中华皇1号’为试材，在发芽试验中设置农用酵素稀释80×（J₈₀）、100×（J₁₀₀）、120×（J₁₂₀）3个浓度处理，以清水浸种为对照（CK），根据种子的发芽势和发芽率，筛选最适酵素浸种浓度；以最适浓度浸种配合200×酵素稀释液叶面喷施进行双因素盆栽试验，设置清水浸种+清水叶面喷施（Z₀P₀）、酵素浸种+清水叶面喷施（Z₁P₀）、清水浸种+酵素叶面喷施（Z₀P₁）、酵素浸种+酵素叶面喷施（Z₁P₁）4个处理，测定出苗25 d后的株高、相对叶绿素含量（SPAD）、根长、植株干物质量及根冠比等指标。结果表明：J₈₀、J₁₀₀、J₁₂₀处理的种子发芽势和发芽率均高于CK，其中J₈₀的发芽率为90%，显著高于CK（82%）（P<0.05），农用酵素浸种适宜浓度为稀释80×。盆栽试验中，Z₁P₁的株高较Z₀P₀高13.54%（P<0.05），Z₁P₀和Z₀P₁的株高分别较Z₀P₀高3.26%和5.23%；Z₁P₀和Z₁P₁的根长分别比Z₀P₀高60.12%和43.87%（P<0.05），Z₀P₁根长较Z₀P₀高26.08%；Z₁P₀和Z₀P₁的幼苗干物质积累分别较Z₀P₀高47.48%、34.33%（P<0.05），Z₁P₁幼苗的干物质积累较Z₀P₀高22.85%；而Z₀P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的SPAD分别较Z₁P₀高7.99%、8.49%、12.01%（P<0.05），所有盆栽处理的根冠比均<0.5。通过隶属函数综合评价可知，Z₁P₁处理对大豆幼苗生长促进效果优于其他处理。综上，农用酵素80×稀释液浸种配合200×酵素稀释液喷施（Z₁P₁）可有效促进大豆种子萌发、幼苗的株高和生物量积累，有利于实现有机旱作大豆高效优质生产。

Abstract

To study the effects of agricultural Jiaosu on seed germination and seedling growth of soybean， soybean variety ‘Zhonghuahuang No. 1’ was used as test material. In germination test， three concentrations of agricultural Jiaosu were set up， which diluted 80 × （J₈₀），100 × （J₁₀₀） and 120 × （J₁₂₀）， and the control was water （CK）. The optimal concentration of Jiaosu soaking was selected according to the germination energy and germination rate. A two-factor pot experiment was conducted using seed soaking at the most suitable concentration combined with foliar spray of 200 × Jiaosu dilution solution. Four treatments were set up： Seed soaking with clear water + foliar spray with clear water （Z₀P₀）， seed soaking with Jiaosu + foliar spray with clear water （Z₁P₀）， seed soaking with clear water + foliar spray with Jiaosu （Z₀P₁）， and seed soaking with Jiaosu + foliar spray with Jiaosu （Z₁P₁）. The plant height， relative chlorophyll content （SPAD）， root length， plant dry matter weight and root shoot ratio were determined at 25 d after seedling emergence. The results showed that the germination energy and germination rate of seeds treated with J₈₀， J₁₀₀ and J₁₂₀ were higher than those of CK. The germination rate of J₈₀ was 90%， which was significantly higher than CK （82%） （P<0.05）. The suitable concentration of agricultural Jiaosu for soaking seeds is diluted 80 ×. In the pot experiment， plant height of Z₁P₁ was increased by 13.54% （P<0.05） compared to Z₀P₀， while the plant height of Z₁P₀ and Z₀P₁ was 3.26% and 5.23% higher than that of Z₀P₀. The root length of Z₁P₀ and Z₁P₁ increased by 60.12% and 43.87% compared to Z₀P₀ （P<0.05）， respectively，and root length of Z₀P₁ was 26.08% higher than that of Z₀P₀. The seedling dry matter accumulation of Z₁P₀ and Z₀P₁ was increased by 47.48% and 34.33% compared with Z₀P₀， respectively （P<0.05）， while dry matter accumulation of Z₁P₁ seedlings was 22.85% higher than that of Z₀P₀. The SPAD of Z₀P₀， Z₀P₁ and Z₁P₁ was 7.99%， 8.49%， and 12.01% higher than that of Z₁P₀（P<0.05）. And all pot treatments had root shoot ratios <0.5. Comprehensive evaluation based on membership functions indicates that treatment Z₁P₁ has better effect on promoting soybean seedling growth than other treatments. In conclusion， seed soaking in 80 × diluted agricultural Jiaosu solution combined with spraying with a 200 × diluted Jiaosu solution （Z₁P₁） can effectively promote soybean seed germination， enhance seedling height and biomass accumulation of seedlings， which is conducive to achieving efficient and high-quality organic dry-farming soybean production.

Graphical abstract

关键词

农用酵素 / 大豆 / 种子萌发 / 幼苗生长

Key words

agricultural Jiaosu / soybean / seed germination / seedling growth

大豆作为原产于中国的重要粮油作物，富含蛋白质、脂肪等基础营养成分，以及大豆异黄酮、维生素 E 等功能成分，在食品加工、畜禽饲料及保健品等领域被广泛应用，随着国民饮食结构升级，市场对高品质有机大豆的需求持续攀升^［1-5］。在山西黄土高原地区的有机旱作种植模式下，丘陵坡耕地种植的大豆因缺乏灌溉条件，常面临种子萌发阶段水分不足、幼苗生长缺水萎蔫等问题，导致缺苗率高、苗期长势弱 ^［6-7］，造成大豆严重减产^［8］。因此，在有机旱作模式下，探索提高大豆发芽能力与苗期生长能力的技术措施具有重要意义。

在解除大豆种子休眠方法中，化学药剂浸种的方法被广泛应用^［9］，很多研究已经证实，多种外源物质可以促进大豆种子萌发及幼苗生长^［10-17］。相比之下，能够满足有机种植要求且易推广的替代物^［18］则相对少见。已有研究表明，乳酸菌及其衍生的有机酸对植物种子萌发及幼苗生长均具有促进作用^［19-20］。农用酵素是将果蔬等高水高糖有机废弃物转化为富含本地有益微生物的发酵产品，其特点为富含乳酸菌等有益微生物，及有机酸和其他活性成分^［21］。已有研究发现，农用酵素具有重要的生态综合效应^［22］，在减少堆肥的氮损失^［23］、促进人粪尿资源化利用^［24］，以及改良土壤结构和理化性质^［25-27］等方面均表现出良好的潜力。此外，农用酵素能促进多种作物生长、改善果实品质^［28-33］，并对土传病害具有防治效果^［34-36］。目前，关于农用酵素对大豆种子萌发及幼苗生长作用的研究鲜见报道。本研究以山西省灵丘县新引进的大豆品种‘中华皇 1 号’为材料，通过设置不同稀释倍数的农用酵素进行种子浸种萌发试验和双因素幼苗盆栽试验，测定发芽势、发芽率、株高、根长、SPAD、干物质量及根冠比等指标，分析农用酵素对大豆种子萌发及幼苗生长的影响，旨在明确农用酵素对大豆种子萌发及幼苗生长的作用效果，以期为有机旱作大豆播种及苗期优质高效生产提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验材料

大豆品种为‘中华皇1号’，2022年由山东省滨州市惠民县蛙声小镇引进，来源为田间收获样品。品种特点为籽粒较大，颜色淡黄，百粒重为22 g，株高可达1 m以上，有效分枝数7个，单株结荚160个左右，生育期150~165 d，产量 300 kg /667 m²左右。农用酵素来自中国农业大学作物生态循环工程实验室，按w_红糖∶w_有机物料∶w_水=1∶3∶10均匀混合，厌氧发酵3个月以上制得。农用酵素理化指标：pH 3.71，乳酸4.01 g/L，乙酸15.48 g/L，丙酸7.81 g/L，总碳21.13 g/L，有机质36.43 g/L。发芽试验在山西省大同市灵丘县全域有机农业科技小院实验室进行，盆栽试验在山西省大同市灵丘县全域有机农业科技小院大棚进行。

1.2　试验方法

1.2.1　发芽试验

设置农用酵素稀释80×（J₈₀）、100×（J₁₀₀）、120×（J₁₂₀）3个浓度梯度，以清水浸种作为对照（CK）。浸种时间为12 h。每个处理设3次重复，每个重复100 粒均匀饱满的种子。在铺有湿润滤纸的培养皿中进行发芽试验，于25 ℃恒温培养箱中黑暗培养7 d，统计第3天的发芽数计算发芽势，第7天的发芽数计算发芽率。

1.2.2　盆栽试验

基于萌发试验结果，选取80×酵素稀释液浸种，配合200×酵素稀释液^［37］作为叶面喷施浓度，进行浸种和叶面喷施的双因素盆栽试验。试验共设4个处理：清水浸种+清水叶面喷施（Z₀P₀）、酵素浸种+清水叶面喷施（Z₁P₀）、清水浸种+酵素叶面喷施（Z₀P₁）、酵素浸种+酵素叶面喷施（Z₁P₁）。每个处理为12盆，每盆播种15粒种子，使用北京鸿信达生物有机菌肥有限公司育苗基质。统计出苗情况，于大豆幼苗第一复叶完全展开后测定相对叶绿素含量（SPAD），第一次测定后，每3 d测定1次，共测定5次，每次测量各组处理取长势相同的9株进行测量，每株叶片测量5次，取均值。在出苗后25 d，测量大豆幼苗的株高、根长，并将植株分为根、茎、叶三部分，于60 ℃烘箱中烘至恒重后称量各部分干重。

1.3　测定指标及方法

分别于种子萌发后的第3和第7天统计发芽种子数，计算发芽势和发芽率，计算公式如下：

发芽势=（第3天发芽种子数/供试种子数）×100%；

发芽率=（第7天发芽种子数/供试种子数）×100%。

使用连云港金升科技有限公司便捷式叶绿素测定仪SPAD-502 Plus测量大豆幼苗植株的第一复叶的相对叶绿素含量 （SPAD）。用直尺测量从子叶痕到植株顶端生长点的垂直高度记为株高，cm。用卷尺测量从子叶痕至主根末端的长度记为根长，cm。将植株各部分在60 ℃下烘至恒重，记为干物质量，g。并计算根冠比，根冠比=根部干重/（茎部干重+叶部干重）。

1.4　隶属函数计算方法

参考朱艳柳等^［38］的方法，对所测的指标进行定量转换，计算不同处理下大豆幼苗各指标的平均隶属函数值，其中数值越高说明该处理对幼苗生长影响越大。若指标与幼苗生长呈正相关，采用隶属函数公式（1），若指标与幼苗生长呈负相关，则用反隶属函数公式（2），公式如下：

Z_{ij}=\frac{X_{ij}-X_{j\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{X_{j\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-X_{j\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}(1)

Z_{ij}=\mathrm{1}-\frac{X_{ij}-X_{j\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{X_{j\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-X_{j\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}(2)

式中：Z_ij 为隶属函数值，X_ij 为i处理下j指标的测定值，X_jmax为j指标的最大值，X_jmin为j指标的最小值。

1.5　数据处理

采用Excel 进行数据整理和图表绘制，利用DPS 7.05和SPSS 27.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）比较处理间差异，并用Duncan’s新复极差法进行显著性检验（α=0.05）。

2　结果与分析

2.1　农用酵素不同浓度浸种对大豆种子萌发的影响

由图1可知，农用酵素不同浓度处理的大豆种子的发芽势、发芽率与清水处理（CK）相比均有所升高。CK、J₈₀、J₁₀₀和J₁₂₀的发芽势分别为57.00%、58.33%、57.00%和57.33%；CK、J₈₀、J₁₀₀和J₁₂₀的发芽率分别为82.00%、90.00%、84.67%和85.33%。其中J₈₀的发芽率（90.00%）较CK（82.00%）高9.76%（P<0.05）。因此，酵素稀释浓度80×是大豆‘中华皇1号’种子萌发最适浓度，后续盆栽试验浸种浓度为酵素稀释80×。

2.2　农用酵素的不同施用方式对大豆幼苗生长发育的影响

2.2.1　对大豆幼苗株高的影响

由图2可知，盆栽试验中，清水浸种+清水叶面喷施（Z₀P₀）、酵素浸种+清水叶面喷施（Z₁P₀）、清水浸种+酵素叶面喷施（Z₀P₁）、酵素浸种+酵素叶面喷施（Z₁P₁）处理的大豆幼苗株高分别为8.34、8.61、8.77、9.46 cm；Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的株高分别较Z₀P₀高3.26%、5.23%、13.54%。其中Z₁P₁株高为9.46 cm，较Z₀P₀（8.34 cm）提升13.54%（P<0.05）。综上，农用酵素浸种和叶面酵素喷施处理均有助于提高大豆幼苗株高，其中Z₁P₁的提升效果优于其他处理。

2.2.2　对大豆幼苗相对叶绿素含量（SPAD）的影响

由图3可知，各取样时期中，Z₁P₀的SPAD均显著低于Z₀P₀（P<0.05）。所有处理的SPAD均随大豆幼苗的生长而逐渐上升。11月24日Z₀P₀的SPAD较Z₁P₀高7.99%。Z₀P₁和Z₁P₁的SPAD分别较Z₁P₀高8.49%和12.01%（P<0.05）。Z₁P₁的SPAD最高，其次为Z₀P₁。综上，酵素浸种配合叶面喷施处理（Z₁P₁）的大豆幼苗叶绿素含量最高，叶面喷施酵素（Z₀P₁）次之。叶面喷施酵素能有效提升大豆幼苗的SPAD。

2.2.3　对大豆幼苗根长的影响

由图4可知，Z₀P₀、Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的根长分别为30.73、49.20、38.74、44.21 cm，不同酵素处理的根长与对照相比均有所升高。Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的根长分别较Z₀P₀高60.12%、26.08%、43.87%。Z₀P₁与Z₀P₀间差异不显著。但Z₁P₀、Z₁P₁的根长均显著高于Z₀P₀（P<0.05）。可见，酵素处理对大豆幼苗主根生长有促进作用，其中酵素浸种处理（Z₁P₀）的效果最好，酵素浸种配合叶面喷施处理（Z₁P₁）对大豆幼苗根长的促进作用次之。

2.3　农用酵素的不同施用方式对大豆幼苗干物质积累及分配的影响

由图5可知，Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的根干物质积累量与Z₀P₀相比均有所提高，但是各处理差异不显著。Z₀P₀、Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的单株根干物质重分别为0.120 6、0.157 1、0.147 9、0.151 5 g。Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的单株根干物质重较Z₀P₀分别高30.27%、22.64%、25.62%。Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁茎的干物质积累量均高于Z₀P₀。Z₁P₀茎的干物质重较Z₀P₀升高29.7%（P<0.05）。Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁叶的干物质积累量均高于Z₀P₀，且Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的叶干物质重均显著高于Z₀P₀（P<0.05）。Z₁P₀、Z₀P₁的大豆幼苗总干物质重均显著高于Z₀P₀（P<0.05），分别较Z₀P₀高47.48%、34.33%。综上，酵素处理可促进大豆幼苗根、茎、叶及总干物质的积累，Z₁P₀的总干物质积累量最高，Z₀P₁次之。

由图6可知，Z₀P₀、Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的根冠比分别为0.370 8、0.335 8、0.348 5、0.395 4。Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的大豆幼苗的根冠比与Z₀P₀无显著差异。其中Z₁P₀、Z₀P₁的根冠比较Z₀P₀分别低9.44%、6.01%。Z₁P₁较Z₀P₀高6.63%。可见，酵素处理对植物根冠比的影响并不显著。

2.4　不同农用酵素处理下大豆幼苗生长指标的综合评价

由表1可知，各处理的大豆幼苗SPAD、株高、根长、根冠比和总干重等的综合评分在0.250~0.868，排名依次为Z₁P₁>Z₀P₁>Z₁P₀>Z₀P₀，其中，Z₁P₁的得分最高。可见，酵素浸种+酵素叶面喷施（Z₁P₁）处理对大豆幼苗生长的促进效果优于其他处理。

3　讨 论

3.1　不同浓度的农用酵素浸种对大豆种子萌发的影响

浸种是打破种子休眠的有效手段，且具备成本低效率高的优点^［39］。选择合适的外源试剂处理可以促进大豆种子萌发^［40］。已有研究结果表明，植物有益菌的接种对种子发芽有促生作用^［41］。赵红等^［42］研究表明，大蒜鳞茎浸提液对大豆种子萌发和幼苗生长显示出低浓度促进、高浓度抑制的效果。低浓度丁香酸对发芽率影响不大，但是种子萌发出现了延迟，发芽势也受到影响^［43］。本试验结果表明，用稀释80×的农用酵素（J₈₀）处理大豆种子发芽势和发芽率最高，分别较清水浸种对照（CK）高2.33%和9.76%（图1）。这可能是农用酵素富含短链有机酸和有益微生物，在低浓度时，有益微生物积极活动，适合浓度的微生物代谢产物可以有效促进大豆种子萌发过程^［44］。然而，高浓度的酸类物质则可能抑制种子萌发，这与Viard等^［45］和林雁冰等^［46］研究结论相契合。可见，农用酵素稀释80×处理（J₈₀）大豆种子的发芽势和发芽率最高，适当稀释的农用酵素对大豆种子萌发有促进作用。这一发现印证了焦浩^［47］提出的低浓度有机酸（如乙酸、丙二酸）对大豆种子萌发具有促进作用的结论。

3.2　农用酵素的不同施用方法对大豆幼苗生长发育的影响

光合作用对维持植株正常生理活动以及合成营养成分具有重要作用^［48-49］。本研究通过分析不同农用酵素施用方式对大豆幼苗相对叶绿素含量（SPAD）的影响，发现清水浸种配合酵素叶面喷施（Z₀P₁）、酵素浸种配合酵素叶面喷施（Z₁P₁）均可有效提高叶片的SPAD，其中酵素浸种结合叶面喷施（Z₁P₁）的效果最为显著，其次为叶面喷施（Z₀P₁）。该结果与Hao等^［50］研究结果一致。农用酵素中所含的矿质养分、有机酸、植物激素（如生长素）等活性成分可经叶片表面直接吸收，迅速参与叶片内叶绿素合成代谢途径，进而有效提升叶绿素含量^［21］。

农用酵素的不同施用方法对大豆幼苗的株高和根长均有促进作用。孙培等^［51］研究结果显示，有益菌株可促进玉米株高的增长。张银翠等^［52］研究发现，耐盐促生菌在正常环境中可显著促进燕麦的株高。王子萱等^［15］的研究表明，黑曲霉可促进大豆幼苗的株高。施雨^［53］和陈素玉^［54］的研究表明，外源褪黑素能显著增加NaCl胁迫下紫花苜蓿和大豆幼苗的根长。连玉武等^［55］研究发现，叶面喷施农用酵素可显著提高水稻幼苗的株高和根长。陶波等^［56］研究表明，一定浓度的青霉菌发酵液浸种及喷施茎叶可显著促进大豆的株高和根长。在本研究中，Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁处理的株高较Z₀P₀均有所提高。其中Z₁P₁的株高提升最为显著，较Z₀P₀高13.54%（图2）。农用酵素处理对大豆幼苗根长有促进作用，其中Z₁P₀效果最佳，Z₁P₁也能有效提高根长，分别较Z₀P₀高60.12%、43.87%（图4）。这一结果与刘珂^［57］用葎草酵素根施和叶面喷施处理水培生菜的结论一致。Li等^［58］研究证实，农用酵素能提供糖类、氨基酸、植物激素等多种物质，可直接满足作物的营养需求，促进根系与地上部生长。

3.3　农用酵素的不同施用方法对大豆幼苗干物质积累及分配的影响

不同的农用酵素处理方式，对大豆幼苗干物质积累均能产生积极影响。刘希港^［59］的研究表明，施用酵素对番茄植株干物质积累具有促进作用。本研究结果显示，Z₁P₀的根、茎、叶干物质积累最多，Z₀P₁的茎、叶干物质积累次之。总干物质积累量方面，Z₁P₀、Z₀P₁、Z₁P₁的总干重较Z₀P₀分别升高47.48%、34.33%、28.85%（图5），其中Z₁P₀、Z₀P₁均显著高于Z₀P₀（P<0.05）。不同的农用酵素处理方式对根冠比影响不显著。农用酵素各处理均可提高根、茎、叶的干物质积累量，Z₁P₀在干物质积累方面表现最为突出，根、茎、叶的干物质积累量分别比Z₀P₀高30.27%、29.72%、70.97%（图5）。这一结果与外源喷施油菜素内酯^［60］、褪黑素^［61］等促进大豆干物质积累的研究结果类似，表明农用酵素可加快大豆幼苗对营养的吸收和利用，促进大豆幼苗干物质的积累^［62］。

3.4　不同农用酵素处理下大豆幼苗生长指标综合评价

隶属函数法通过量化各指标的隶属度，能够有效整合多个指标的影响，从而实现多因素的综合评价^［63］。大豆幼苗的生长表现是产量形成的基础，明确农用酵素对幼苗生长指标的效果具有实践意义。本研究通过隶属函数法进行综合评价，结果表明Z₁P₁的综合得分为0.868（表1），Z₁P₁的大豆幼苗SPAD、株高、根冠比等指标的隶属函数值均高于其他处理，说明Z₁P₁可有效协调大豆幼苗的地上部和地下部的生长，提升幼苗的整体长势。其原因可能为酵素浸种促进了根系早期发育，酵素叶面喷施提高了叶片光合能力，从而协同促进了地上部和地下部的生长，这种类似生物刺激素的协同增效作用在拟南芥^［64］中也有报道。因此，本研究中Z₁P₁是促进大豆幼苗生长的最优处理。

4　结 论

发芽试验中，稀释80×的农用酵素浸种处理（J₈₀）表现最优，发芽势和发芽率均高于清水对照（CK），发芽率为90%，显著高于CK（82%）（P<0.05）。盆栽试验中，酵素浸种配合酵素叶面喷施处理（Z₁P₁）促进株高效果最显著，株高为9.46 cm，较清水浸种和叶面喷施（Z₀P₀）高13.54%（P<0.05）。Z₁P₁的SPAD提升最高，较单独酵素浸种（Z₁P₀）高12.01%（P<0.05）。Z₁P₀促进根长的效果最佳，Z₁P₁次之，分别较Z₀P₀高60.12%、43.87%（P<0.05）。干物质积累上，Z₁P₀的总干重最高，较Z₀P₀高47.48%（P<0.05）。通过隶属函数综合评价发现，Z₁P₁综合评分最高，为0.868，对提升大豆幼苗株高、叶绿素含量及根冠比效果最佳。综上，80×酵素稀释液浸种配合200×酵素稀释液叶面喷施处理（Z₁P₁）可有效促进大豆种子萌发，提高幼苗株高和生物量，有利于实现有机旱作大豆高效优质生产。

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基金资助

国家重点研发计划(2021YFD1901103)