雨養模式下不同輪作模式對谷子光合效率及產量的影響

時麗冉 高汝勇 王玲寶 孫東 劉朋程 李明哲

(1.衡水學院生命科學系，河北 衡水 053000；2.河北鮮達農業科技有限公司，河北 衡水 053000；3.河北省農林科學院旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究實驗室，河北 衡水 053000)

引言

谷子是我國主要的特色雜糧作物，種植歷史悠久，在禾谷類作物中營養價值最高。種植范圍主要分布在我國的西北、華北和東北的干旱、半干旱地區。谷子生育期短，適應性強，具有耐干旱、耐貧瘠的生理特點[1]。谷子在我國北方的生長周期為每年的6—10月，其它時期可種植其它作物，這種在同一塊耕地科學有序地換種不同作物的種植方式稱為輪作[2]。不同作物對于養分的需求有所不同，因此與連作相比，合理地輪作倒茬有利于作物均衡利用土壤中的營養元素，避免過度損耗土壤肥力，甚至有些輪作方式可以提高土壤肥力，還可以降低病蟲害及雜草造成的危害。

圍繞谷子連作以及輪作問題，前人做了一些研究。張麗娜等[3]研究了連作和玉米輪作方式下谷子葉片構型以及葉綠素、氮素含量的不同，認為連作種植谷子不符合可持續發展的種植理念，應選擇合適的作物輪作制度，以實現谷子高產穩產。盧成達等[4]研究結果表明，采用輪作種植模式后，谷子的產量以及葉片光合性能比長期定點連作方式顯著增加。但谷子與不同作物輪作模式的比較研究還較少，徐麗霞等[5]研究了山西省谷子與玉米、馬鈴薯、大豆等的輪作模式，與連作相比，谷子旗葉過氧化物酶、超氧化物歧化酶和多酚氧化酶活性均顯著增加，光合性能也顯著提高，白發病發病率顯著降低，谷子產量也得到提高。因此，根據不同谷子產區的生態特征和經濟需求，選擇科學的輪作制度，篩選適合本地區的輪作倒茬作物，提高土地利用率，繼而提高農業生產的經濟效益，是當下谷子研究領域值得關注的問題。

本研究通過對雨養節水模式下5種不同輪作模式下谷子葉綠素、氮平衡指數、光合效率等生理指標及產量的研究，探究最佳的輪作模式，促進谷子產業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗在河北省旱作所護駕遲實驗站進行(N37°53′27″，E115°42′45″)。試驗時間為2020年6月—2022年10月。

1.2 試驗材料與方法

1.2.1 試驗材料

試驗設計為隨機區組，共設5種輪作方式處理，分別為小麥-谷子、小黑麥-谷子、二月蘭-谷子、油菜-谷子、毛葉笤子-谷子，以休閑-谷子(只種植-季谷子)為對照。3次重復。

1.2.2 試驗設計

采用谷子雨后搶墑播種、全生育期不灌溉的雨養模式，或全生育期只進行1次灌溉，即谷子播種時造熵1次，與谷子輪作的經濟作物小麥和小黑麥實現播種時造熵1次，其它生育期不灌溉。與谷子輪作的綠肥作物油菜、二月蘭和毛葉笤子在谷子生長降雨集中期套播。種植模式見表1。

表1 種植模式

1.3 指標測定方法

在輪作的第3年，谷子灌漿期進行光合性能相關指標的測定。

Dualex植物多酚-葉綠素儀測量小麥葉片葉綠素及氮平衡指數、類黃酮含量，每個處理取旗葉上、中、下3個位置進行測定，避開大葉脈，隨機測定10株。

便攜式光合測定系統CIRAS-3測定谷子灌漿期旗葉的主要光合指標，包括凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、CO2濃度。測定時避開大葉脈，測定葉片中間位置，隨機測定10株。

谷子收獲期測定籽粒產量。

1.4 數據處理

使用Microsoft Excel軟件對數據進行處理和分析，SPSS 19.0軟件進行差異顯著性分析

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式對谷子葉綠素、類黃酮、氮平衡指數的影響

葉綠素是光合作用過程中最重要的光合色素之一，葉片中葉綠素含量的高低是反映其光合能力的一個重要指標，能夠反映植物的生長狀況。植物類黃酮(FLAV)是具有廣泛生物活性的次生代謝物質，屬多酚類化合物，具有抗氧化的作用，對植物脅迫非常敏感。NBI(氮平衡指數)是通過葉綠素和類黃酮的比值計算出來，是反映作物長勢的重要指標，NBI已證實能夠更精確、更靈敏地反映作物的氮素營養狀況[6]，葉片中單位面積氮含量直接影響植物葉綠素的構建。

從表2可以看出，5種不同輪作模式與連作相比，葉綠素、氮平衡指數均增高，類黃酮指數降低。不同的輪作模式變化幅度不同，油菜-谷子增長最多，氮平衡指數與對照相比增加30.2%，葉綠素相對含量增加4.8%，其次是毛葉笤子-谷子。小麥-谷子、小黑麥-谷子、二月蘭-谷子表現次于油菜和毛葉笤子，但與對照相比差異也達到了顯著水平。類黃酮的變化相反，5種輪作模式下均低于連作對照，油菜-谷子和毛葉笤子-谷子減少最多。

表2 不同輪作模式對谷子葉綠素、類黃酮、氮平衡指數的影響

2.2 不同輪作模式對谷子光合特征的影響

光合作用是植物進行有機物積累的過程。氣孔是植物葉片與外界環境進行氣體交換的主要通道，其在控制水分損失和獲得碳素即生物量產生之間的平衡中起著關鍵的作用，并且與蒸騰作用有密切關系，二者呈正相關。

由表3可以看出，不同輪作模式和休閑谷子相比，凈光合速率增大，氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率也都增加，差異顯著。油菜-谷子輪作模式下，這幾個指標增加幅度最大，凈光合速率增加了12.9%，氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率增加的幅度也最大，其次是毛葉笤子-谷子。另外3種輪作模式這幾個光合指標也表現為升高，但升高幅度低于油菜和毛葉笤子。

2.3 不同輪作模式對谷子產量的影響

不同的輪作模式顯著影響作物產量，由表4可知，與對照連作谷子相比，輪作后的谷子產量全部提高20%以上，差異達到了顯著水平。油菜-谷子輪作模式下產量最高，產量達243kg·667m-2，比休閑-谷子模式185kg·667m-2增加了31.3%，其次是毛葉笤子-谷子。小黑麥-谷子輪作產量提高最少，但也比連作模式增加了20%。

表3 不同輪作模式對谷子光合性能指標的影響

表4 不同輪作模式對谷子產量的影響

3 討論

有研究表明，谷子連作種植會產生生長發育不良、品質產量下降。李夏等[7]通過研究谷子連續2年、3年、4年的連作，發現連作影響谷子功能葉片的代謝，隨著連作年限的增多，葉片功能期縮短，植株衰老加劇，最終導致谷子產量降低。從土壤角度研究，連作導致土壤酶活性降低、土壤養分失調、容重增大、孔隙度下降、土壤質量下降等連作障礙現象，不利于耕地資源的可持續利用[8]。在土地資源和水資源匱乏的情況下，改變連作這種不科學的田間生產方式，通過合理的輪作方式、節水方式，提高土地利用率是可持續發展農業的發展方向之一。

本實驗表明，在雨養模式下，谷子連作與輪作相比，產量及影響產量的重要生理指標均有顯著變化。

用多酚-葉綠素儀測定的幾個參數，表現為葉綠素含量提高、氮平衡指數提高、類黃酮含量降低。本實驗采用的是在田間無損狀況下快速測量谷子葉片單位面積葉綠素的相對含量，不影響谷子的光合作用。氮平衡指數是指單位面積氮含量，氮素直接影響植物葉綠素的合成。因此，葉綠素含量和氮平衡指數呈正相關，氮素與光合作用也呈正相關。李映雪等[9]研究結果表明，不同小麥品種籽粒蛋白質含量與不同時期的葉片氮含量均呈正相關關系。宋森楠[10]的研究表明，冬小麥各生育期的氮平衡指數與籽粒蛋白質相關性均達到了極顯著水平，其中灌漿中后期最為準確。本文研究表明，不同輪作模式下谷子灌漿期葉片的氮平衡指數也顯著提高，這有利于谷子籽粒蛋白質的積累，從而提高產量。輪作后谷子類黃酮含量比連作降低，表明連作對谷子生長已造成一定程度的脅迫，輪作模式能為谷子生長提供適宜的土壤環境及營養條件。

不同輪作模式下，谷子葉片凈光合速率明顯提高，光合速率體現的是葉綠體將光能最終轉化為穩定化學能的能力，是葉片進行光合作用的最終結果。不良環境會造成植物光合速率的降低。高水平的凈光合速率有利于谷子植株的生長，提高有機物的積累。氣孔導度的增大，導致進入氣孔的胞間CO2濃度增大，對光合速率也有促進作用。氣孔增大也引起蒸騰速率增大，這些變化代表輪作模式下谷子生長較旺盛。

最后的產量也表明，幾種輪作模式下谷子的產量比連作模式產量顯著提高。在5種不同的連作模式中，油菜-谷子產量提高最多，其次是毛葉笤子-谷子。

前人的研究表明，輪作之所以有利于植物的生長，原因在于輪作可以改善土壤營養成分，輪作后的土壤由于根際分泌物，土壤中微生物的豐富度提高，微生物參與土壤養分元素的轉化，對土壤團粒結構也有影響[11]。本試驗的5種輪作模式中，小麥采用了收獲籽粒后秸稈還田的模式，3種綠肥二月蘭、油菜、毛葉笤子均采取了粉碎還田的種植模式，而小黑麥主要用途為飼草，所以沒有進行秸稈還田，這也是導致不同輪作方式土壤肥力有區別的原因。至于5種輪作模式對土壤營養元素及微生物的影響還有待于進一步研究。

4 結論

本試驗設計了5種不同輪作模式，經過3年積累，均能緩解連作造成的障礙，對谷子生長有明顯的促進作用，實現了改良土壤的作用。從經濟效益角度考慮，小麥-谷子、小黑麥-谷子雖然增加產量不及油菜和毛葉笤子，但能夠實現2季作物的收獲，經濟效益最高，而油菜和毛葉笤子對土壤肥力的貢獻最大，有利于科學養地。本研究為優化谷子種植模式提供了科學依據。