連作棉田輪作苜蓿、小麥后對棉花光合能力和根系生長的影響

魏飛 孫新展 劉建國

摘要：新疆棉花連作現象普遍，連作障礙嚴重，通過輪作調節農田生態環境、緩解棉花連作障礙對實現新疆棉花生產的可持續發展具有重要意義。基于棉花長期連作30年棉田土壤，設置連作棉花（CK）、輪作苜蓿2年后種植棉花（AC）及輪作小麥2年后種植棉花（WC）3個處理的根箱試驗，研究這2種輪作模式對連作棉花地下部根系發育與地上部植株生長及葉片光合能力的影響，揭示輪作對連作棉花障礙的改善效果。結果表明，與對照相比，輪作小麥、苜蓿處理的棉花根長、根干質量和比表面積增加（增幅為6.90%～43.30%），且WC處理的增幅大于AC處理。根系條件的改善促進了地上部植株的生長與葉片光合能力。與對照相比，輪作小麥、苜蓿后棉花的葉綠素含量、凈光合速率和單株質量增加（增幅為4.83%～40.49%），且WC處理的增幅大于AC處理。在新疆長期連作棉田輪作小麥和苜蓿，可發揮輪作增加植物多樣性、改良土壤生態環境的效果，促進棉花根系發育，提高棉花葉片光合生產能力和生物量。輪作小麥對棉花生長的促進效果優于輪作苜蓿，可作為當地緩解棉花連作障礙的較佳種植方式。

關鍵詞：棉花;連作障礙;輪作;光合能力;根系生長

中圖分類號： S562.04;S344.1+3? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0126-03

棉花栽培近30年來在新疆得到了長足發展，已成為全國的優勢產區，且棉花在新疆占有較大種植比例[1-2]。隨著棉花種植年限的增加，連作障礙問題日益嚴重，個別地區連作年限長達20年以上，導致棉花病蟲害持續加重，土壤環境惡化等問題越來越嚴重[3-4]。改變種植模式是改善連作問題的可行方式。研究表明，輪作有助于提高作物產量，并能改良土壤環境，維持良好的土壤質量[5]，且可通過改變連作作物的生理、代謝機制來使其適應環境的變化[6-7]。呂毅等在連作25年以上的蘋果園土壤中輪作小蔥后，土壤有機質含量明顯增加，細菌種群數量增多，而真菌種群數量減少，土壤中的酚酸含量大幅降低[7]。馬鈴薯-豆科植物輪作能提高馬鈴薯連作田土壤的有效氮、有效磷含量，使連作田土壤的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性均顯著提高，并對防止馬鈴薯連作田土壤鹽漬化有顯著的效果[8]。輪作后，作物根系對土壤變化作出生理反應，以適應新的環境，土壤環境的改善為根系發育及其對水肥的吸收利用提供了條件，并進一步促進地上部生長。王惠珍等研究表明，當歸輪作后蒸騰速率提高，光合速率高于連作[9]。輪作油葵能顯著提高連作馬鈴薯葉片葉綠素相對含量、凈光合速率，進而促進馬鈴薯植株正常生長[10]。因此，選擇正確的作物進行合理的輪作、間作和套作，可以有效地改善土壤理化性狀和微生態環境，達到提高作物產量的目的，緩解連作障礙的影響。

棉花長期連作對土壤理化性狀、土壤微生物活性及土壤微生物多樣性的不良影響已有大量報道[3-4，11-12]，但針對棉花連作問題，通過改變種植模式來緩解連作障礙的相關研究報道不多。因此，本研究基于棉花長期連作定位試驗，研究不同輪作模式下棉花葉片光合特性和根系形態特征，探討輪作不同作物對棉花生長的影響，揭示輪作種植緩解棉花連作障礙的機制，以期為配置合理的棉花輪連作模式以及促進新疆棉花生長的可持續發展提供理論依據，提高通過合理種植制度進行土壤生物修復的可能性。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗于2017年在石河子大學農學院教學試驗站進行，采用根箱法進行試驗，試驗用土壤取自石河子大學農學院試驗站棉花長期連（輪）作定位試驗田，將除去地膜、石塊等雜質并風干后的土壤過篩裝入根箱，根箱大小為60 cm×50 cm×6 cm，每箱裝土質量相同。試驗設棉花連作30年土壤輪作苜蓿2年后再種植棉花（AC）、棉花連作30年土壤輪作小麥2年后再種植棉花（WC）及棉花連作30年（CK，對照）處理，每個處理重復5次。棉花品種為新陸早45號，每箱種植3株棉花，株距為20 cm。4月25日播種，按時稱質量加水，使土壤含水量保持一致，出苗80 d后采收，分析地上部植株性狀及地下部根系發育狀況。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉面積的測定 使用直尺測定葉片長度和寬度，采用長寬系數法計算棉花葉面積。

1.2.2 株高的測定 使用卷尺測定棉花株高。

1.2.3 單株質量與根干質量的測定 分地上部與地下部取樣后，分別烘干得到地上部干質量與地下部干質量。

單株質量=地上部干質量+地下部干質量;根干質量=地下部干質量。

1.2.4 葉綠素含量的測定 功能葉葉綠素相對含量（SPAD值）使用便攜式相對葉綠素含量測定儀進行測定。

1.2.5 光合指標的測定 功能葉光合速率用Li-6400便攜式光合儀測定，選擇晴朗天氣的11：00測定凈光合作用速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等。

1.2.6 根系指標 棉花生長80 d后，剪除地上部分，從根箱中收集完整根系，用清水小心沖洗干凈并無重疊地置于裝有清水的透明樹脂塑料盤內，用EPSON掃描儀雙面光源掃描根系，掃描圖片用WinRHIZO根系分析系統分析根系各參數，包括根長度、根表面積、根體積等。每個處理重復5次。

1.3 數據處理

數據使用SPSS、Excel軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對棉花功能葉及單株生長指標的影響

從表1可以看出，與CK相比，2種輪作處理的棉花功能葉葉面積及相對葉綠素含量均增加，其中小麥輪作后的棉花葉面積顯著增加，增幅為21.30%，苜蓿輪作后的棉花葉面積增幅為6.10%，但差異不顯著;小麥輪作后的棉花相對葉綠素含量增幅為18.02%，苜蓿輪作后的棉花相對葉綠素含量增幅為9.24%，處理間差異顯著。小麥輪作后的棉花單株質量與對照相比顯著增加40.49%，苜蓿輪作后的棉花單株質量與對照相比增加15.74%。與對照相比，輪作小麥處理的棉花株高顯著增加22.07%，輪作苜蓿處理的棉花株高顯著增加12.13%。可見在不同輪作方式處理下，小麥輪作處理的棉花有較大的功能葉葉面積、株高、相對葉綠素含量及單株質量。

2.2 不同種植模式下棉花光合指標的變化

由表2可知，在不同種植模式下，2種輪作處理的棉花凈光合速率高于對照，其中小麥輪作后的棉花凈光合速率顯著提高11.92%，苜蓿輪作后的棉花凈光合速率提高4.83%，差異不顯著。2種輪作模式處理的棉花葉片氣孔導度均增加，輪作小麥后的棉花葉片氣孔導度顯著增加33.33%，輪作苜蓿后的增幅為5.13%。小麥輪作處理的棉花葉片胞間CO2濃度與對照相比顯著增加，蒸騰速率也增加但差異不顯著;苜蓿輪作處理的棉花葉片胞間CO2濃度和蒸騰速率均下降，但與對照差異不顯著。可見2種輪作模式處理的棉花光合指標都受到影響，其中輪作小麥處理對棉花光合性能的影響大于輪作苜蓿處理。

2.3 不同種植模式下棉花生物量和根系生長指標的變化

從表3可以看出，在不同種植模式下，小麥輪作后的棉花根長和根干質量分別比對照顯著增加43.30%、29.31%;苜蓿輪作后的棉花根長和根干質量分別比對照增加7.55%、 6.90%，均無顯著差異，表明輪作后棉花根系對土壤變化有應答，且輪作小麥處理的土壤變化顯著。2種輪作模式下的棉花根冠比與對照相比均下降，其中，小麥輪作處理下降8.54%，苜蓿輪作處理下降 7.04%。輪作小麥后的棉花比根長和比表面積與對照相比分別顯著增加10.91%、9.51%;輪作苜蓿后的棉花比根長和比表面積與對照相比分別增加0.44%、8.61%。表明不同作物輪作后棉花根系從形態等方面對土壤作出不同反應，以適應土壤環境的改變。

3 討論與結論

3.1 討論

輪作能協調作物與土壤之間的關系，改善土壤生理生化性狀以及根際微生態環境，促進作物增收，是防治作物發生連作障礙的有效途徑之一[13]。與蕎麥連作相比，輪作谷子和蕓豆土壤超氧化物歧化酶（SOD）清除活性氧代謝產物的能力顯著提高，葉綠素和可溶性蛋白質的降解速度減緩，有助于延緩蕎麥葉片的衰老速度，使其維持較高水平的生理功能，提高光合性能，促進籽粒的灌漿成熟，從而保證籽粒產量[14]。連作5年的高粱輪作苜蓿后明顯促進了高粱地上部及根系生長，顯著促進了深層根系的生長，最終提高高粱產量[15]。本研究中，2種輪作方式處理的棉花地上部植株的發育明顯優于連作棉花，葉面積、葉綠素含量和凈光合速率均大于對照，且地下部根系根長、根干質量、比表面積和比根長均表現為輪作大于連作，此結果與上述研究結論[15]一致。

輪作增加了植物多樣性，對土壤生態環境產生正面影響，同時由于作物殘體和根系分泌物的不同，對土壤質量的影響不同。玉米植株殘體可促進大豆生長發育，使大豆葉面積和生物量得到明顯提高[16];棉花分別與小麥、玉米、谷子和高粱同穴互作改善了育苗土壤微生物數量和結構，提高了棉花根系活力、葉片可溶性糖含量和三磷酸腺苷（ATP）含量，促進了棉苗生長，降低了棉花化感自毒物質的積累量[17]。不同輪作作物對養分的吸收利用不同，對土壤理化性質的改變存在差異，進而對連作土壤的生物修復效果不同。輪作小麥、小蔥能夠顯著增加連作蘋果園土壤有機質含量，降低土壤中酚酸類物質總量，而輪作馬鈴薯使土壤有機質含量較對照降低，但顯著增加土壤速效氮含量，綜合效果表明，輪作小蔥較輪作小麥、馬鈴薯、花生能顯著增加平邑甜茶幼苗植株根系活力，增強植株根系代謝能力，促進植株生長，提高抗逆性，更有利于減輕蘋果連作障礙[7]。王勁松等的研究結果顯示，輪作苜蓿比輪作蔥更能改善高粱根際土壤環境，提高土壤微生物活性和酶活性，控制高粱連作障礙，提高高粱產量[15]。本研究結果顯示，輪作小麥和苜蓿對連作棉花生長的影響不同，輪作小麥后棉花地上部生物量、葉綠素含量、單葉凈光合速率以及地下部根長、根干質量、比表面積等指標均高于輪作苜蓿，從輪作防控棉花連作障礙角度看，輪作小麥更有利于緩解棉花的連作障礙。

輪作、間作和套作是我國傳統農業種植模式的重要組成部分，在生產中被廣泛應用。但在以往這方面的研究應用中只注重植株形態結構的搭配和養分利用的互補，而忽視了輪作作物的化感特性導致的土壤有害物質積累、土壤-植物根際環境惡化，而這種現象發生的主要原因是前茬作物構成，選擇種植有益的伴生作物，進行合理的輪作，可以改善土壤微生態環境，緩解作物連作障礙，是通過合理種植制度進行土壤生物修復，探究克服連作障礙的一個新視角，是一項可持續發展的生態措施。

3.2 結論

研究結果表明，在長期連作的棉田短期輪作小麥、苜蓿可改善棉田土壤環境，促進棉花根系生長發育，提高棉花的光合速率并促進棉花地上部及根系生長;輪作小麥與苜蓿對棉花生長的影響不同，輪作小麥對連作棉花地上部及根系生長的促進效應優于輪作苜蓿。因此，輪作小麥和輪作苜蓿短期內能夠緩解棉花長期連作帶來的連作障礙問題，但輪作小麥和苜蓿減緩棉花連作障礙的生物學機制尚待進一步研究。

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