不同種植模式對重慶蕎麥產量和發育的影響

張瑞豐， 張智勇， 陶建波， 王藝鋼，雷蕾， 阮仁武， 易澤林

西南大學 農學與生物科技學院，重慶 400715

蕎麥屬于蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum), 是一種起源于我國, 具有悠久栽培歷史的藥食兩用作物, 目前我國主要有甜蕎、 苦蕎兩個栽培品種, 在全國范圍內廣泛種植[1]． 蕎麥的營養價值豐富, 含有多種蛋白質、 氨基酸、 膳食纖維[2], 而不飽和脂肪酸以及硼、 碘、 硒等多種微量元素的含量遠高于水稻、 小麥等主要糧食作物[3]． 更重要的是, 蕎麥中還含有以蘆丁為主的多種黃酮類物質, 具有抗氧化、 消炎、 降血脂等多方面的功效, 經常食用, 對包括“三高”在內的人體多種慢性疾病有預防和輔助治療的作用[4]．

蕎麥具有生育期短、 抗逆性強、 耐瘠薄的特點[5], 適宜種植于地形條件復雜、 環境較差的地區． 我國是世界上蕎麥種植面積最大的栽培國之一, 全國蕎麥的產區主要集中在西南、 西北、 華北等的高寒或高海拔地區[1]． 近年來, 世界蕎麥需求日益增加, 國際蕎麥價格遠高于國內, 我國作為蕎麥生產及出口大國, 生產的蕎麥產品更具備國際競爭優勢和發展潛力[6]． 在重慶地區, 甜蕎、 苦蕎都有一定的種植面積, 以苦蕎為主, 但缺乏系統的種植模式, 農民主要采用自留種, 田間管理較為粗放． 因此研究不同種植模式對蕎麥產量及發育的影響, 為系統種植蕎麥從而提升其單產提供理論依據, 具有現實指導意義．

種植模式是指在一年內于同一農田上采用特定的作物結構與時空配置的規范化種植方式． 其中作物輪作和連作是兩種常見的種植方式． 連作指常年在同一地塊連續種植相同或相似作物的種植模式, 亦叫做重茬[7]． 相同地塊上, 多年來連續種植同一種作物, 即使對于田間作物仍進行正常的管理, 也同樣還是會出現田間作物的生長發育狀況惡化、 病蟲害現象加重、 產量連續下降、 作物籽粒品質變劣的現象, 這被稱為連作障礙現象． 蕎麥的連作障礙較為嚴重, 多年連續種植后, 地上部干質量下降、 葉片對活性氧的代謝速率減慢使其快速衰老, 使成熟期蕎麥籽粒產量降低、 品質變差和生長發育狀況極度惡劣[8-9]． 因此, 蕎麥忌連作, 應依據當地氣候條件, 合理地輪作倒茬, 以提高綜合效益并避免連作障礙． 但在重慶的蕎麥生產實踐中, 蕎麥與不同作物輪作對于產量和蕎麥生長發育的相關研究還較為缺乏． 本研究選擇大豆、 小麥作為不同茬口, 通過2018-2020年的多年試驗, 對4個不同蕎麥品種的產量及產量構成因素、 植株形態和根系指標進行了測定, 以此來探究重慶地區適宜的蕎麥種植模式, 以期為蕎麥產業的進一步發展提供理論支撐．

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

1.1.1 試驗地概況

試驗于2018-2020年在重慶市北碚區歇馬科研基地(19°51′N, 106°37′E)進行, 該試驗基地屬亞熱帶季風性氣候, 平均海拔為350 m, 年平均氣溫18.7 ℃, 多年平均降水量880 mm, 降雨主要集中在每年5-9月, 試驗地土壤為沙壤土, 2018年播種前試驗地土壤概況見表1．

表1 試驗地土壤概況

1.1.2 試驗材料

本試驗選用蕎麥品種為酉蕎2號(YQ2), 烏克蘭大粒蕎(W), 酉蕎1號(YQ1), 九江苦蕎(J); 輪作小麥品種為川麥42; 輪作大豆品種為西豆8號． 試驗選用的各作物品種均由西南大學農學與生物科技學院特色作物研究所提供．

1.1.3 試驗設計

本試驗采用裂區試驗設計, 主區為3種不同的種植模式, 分別為大豆-蕎麥輪作(A1, D3)、 蕎麥連作(A2, D2)和小麥-蕎麥輪作(A3, D1)． 裂區為4種不同的蕎麥品種, 分別為兩個甜蕎品種酉蕎2號(YQ2, B1)、 烏克蘭大粒蕎(W, B2), 兩個苦蕎品種酉蕎1號(YQ1, B3)、 九江苦蕎(J, B4)． 小區面積6 m2(3 m×2 m), 試驗設置3次重復． 播種前兩天在固定試驗地塊整地． 秋季蕎麥于每年8月底播種, 12月初收獲; 春季連作蕎麥于2月末播種, 5月末收獲． 各品種種植密度均為90萬株/hm2, 每小區播種5行, 行距0.33 m, 各小區間隔0.5 m, 播種行與區組走向垂直, 試驗地4周播種3行保護行, 播種前一次性施總養分≥45%的高濃度硫酸鉀復合肥(含N 15%、 P2O515%、 K2O 15%)300 kg/hm2作為種肥, 并按常規管理． 輪作大豆于每年3月下旬播種, 7月上旬收獲; 輪作小麥于每年12月中旬播種, 次年5月中旬收獲．

1.2 取樣、 測定項目和方法

1.2.1 蕎麥植株地上部分測定

分別在蕎麥開花期、 灌漿期和成熟期隨機選取10株長勢一致且未倒伏的植株, 貼近地表用剪刀剪取植株, 用于測定蕎麥地上部分鮮質量． 株高測量: 量取蕎麥莖稈基部至該莖頂端的距離, 即為株高(cm); 植株干質量: 將采集的蕎麥植株放于80 ℃恒溫干燥箱中烘干至恒質量．

1.2.2 蕎麥產量及產量構成因素測定

待田間蕎麥籽粒中70%～80%成熟時每個小區單獨收獲, 風干后(含水量≤14%)脫粒實測小區產量, 折合成公頃產量． 并在每個小區隨機取10株長勢一致的植株, 測定單株的粒數、 粒質量、 千粒質量． 每個小區3次重復, 取平均值．

1.2.3 蕎麥根系特征測定

分別于開花期、 灌漿期和成熟期對每個小區取樣． 用剪刀剪去蕎麥莖稈第一節間以上部分, 參照王靜等[10]的方法加以修改, 用小鏟挖取以植株為中心, 長、 寬各20 cm, 深30 cm的土塊, 裝入孔徑為0.4 mm的尼龍網袋中, 浸泡24 h, 然后用流水輕輕沖洗干凈, 取得完整根系． 清洗干凈的根系, 放入中晶8370掃描儀的專用透明塑料托盤中, 并用蒸餾水浸沒, 放入掃描儀, 靜止狀態下用鑷子慢慢將根系分散展開, 然后進行掃描． 用GXY-A軟件對掃描得到的根系圖片進行數據分析, 獲得總根長、 根總表面積、 根總體積、 平均根直徑和根尖數等指標參數． 測定完根系形態指標后取出根系并于80 ℃下烘干至恒質量, 然后使用精度為0.001 g的電子天平測量根系干物質量．

1.3 數據分析

用Excel 2019對數據進行初步整理和匯總及作圖, 通過DPS 7.05和SPSS 25.0進行進一步數據統計分析, 用R語言和Origin 2021作圖, 利用LSD法進行顯著性分析, 并利用典型相關法進行相關性分析．

2 結果與分析

2.1 3種不同種植模式對蕎麥產量及產量構成因素的影響

由圖1可知, 蕎麥-大豆輪作下蕎麥籽粒產量高于蕎麥-小麥輪作處理, 再高于蕎麥連作處理, 3種不同種植模式下蕎麥籽粒產量差異顯著(p<0.05)． 不同品種的蕎麥在連作模式下, 產量均逐年降低, 酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號和九江苦蕎經過3年的連作, 其產量由2018年的978.31 kg/hm2降低為2020年的880.63 kg/hm2, 平均降低了97.68 kg/hm2, 減產幅度達到 9.98%．

YQ2為酉蕎2號, W為烏克蘭大粒蕎, YQ1為酉蕎1號, J為九江苦蕎, A1為蕎麥-大豆輪作, A2為蕎麥連作, A3為蕎麥-小麥輪作, 數據為3次重復的平均值±標準差, 不同小寫字母表示在p<0.05水平差異具有統計學意義． 下同．圖1 3種不同種植模式對蕎麥產量的影響

在輪作模式下, 隨著輪作年限的增加, 蕎麥各品種的籽粒產量均有所提高． 4個不同的蕎麥品種經過3年的蕎麥-大豆輪作, 其產量達到1 180.42 kg/hm2, 平均提高了150.10 kg/hm2, 其增產幅度為14.57%． 在蕎麥-小麥輪作模式下, 4個不同的蕎麥品種經過3年輪作, 其產量為1081.19 kg/hm2, 平均提高了92.82 kg/hm2, 增產幅度為9.39%． 連作阻礙了蕎麥籽粒的高產, 輪作促進蕎麥產量的提升, 且蕎麥-大豆輪作比蕎麥-小麥輪作更易使蕎麥籽粒獲得高產．

由表2、 表3、 表4可知, 同一種植模式下蕎麥不同品種間籽粒產量差異顯著, 不同種植模式和蕎麥品種間的相互作用對產量有極顯著影響(p<0.01)． 4個不同蕎麥品種, 均是在蕎麥-大豆輪作制度下獲得最高產量, 其中酉蕎2號產量最高(1359.02 kg/hm2)． 從各產量構成因素來看, 3年間不同種植模式對蕎麥成熟期單株粒數和單株粒質量均呈顯著影響(p<0.05), 2018年和2019年不同種植模式對蕎麥千粒質量無顯著影響, 而2020年蕎麥種植模式對千粒質量的影響呈現顯著． 蕎麥各產量性狀均呈現品種間的差異, 且達到顯著． 不同種植模式和蕎麥品種間的相互作用對蕎麥單株粒數有極顯著影響(p<0.01)． 相比于蕎麥連作, 輪作使蕎麥的單株粒數增加, 單株粒質量增加, 千粒質量也隨之增加． 蕎麥各產量性狀在不同種植模式下的表現, 蕎麥-大豆輪作處理優于蕎麥-小麥輪作處理, 再優于蕎麥連作處理．

表2 2018年3種不同種植模式對蕎麥產量及產量構成因素的影響

表3 2019年3種不同種植模式對蕎麥產量及產量構成因素的影響

表4 2020年3種不同種植模式對蕎麥產量及產量構成因素的影響

2.2 3種不同種植模式對蕎麥植株形態特征的影響

從圖2可知, 隨著蕎麥生育期的推進, 蕎麥株高不斷增加． 不同種植模式對蕎麥株高的影響達到顯著, 蕎麥株高的大小存在品種差異且達到顯著． 不同種植模式和蕎麥品種之間的相互作用對蕎麥株高的影響未達到顯著, 且各蕎麥品種在蕎麥-大豆輪作模式下蕎麥株高均可獲得最大值． 相較于蕎麥連作處理, 酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號和九江苦蕎在蕎麥-大豆輪作模式下開花期株高分別增高了21.3%、 19.74%、 21.16%和26.74%; 灌漿期株高分別增高了16.59%、 18.3%、 16.55%和17.94%; 成熟期株高分別增高了9.76%、 22.25%、 15.19%和19.54%．

A1、 A2、 A3為蕎麥-大豆輪作處理、 蕎麥連作處理和蕎麥-小麥輪作處理; T1、 T2、 T3、 T4為蕎麥-大豆輪作下酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號、 九江苦蕎處理; T5、 T6、 T7、 T8為蕎麥連作下酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號、 九江苦蕎處理; T9、 T10、 T11、 T12為蕎麥-小麥輪作下酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號、 九江苦蕎處理． 數據為3次重復的平均值±標準差, 不同小寫字母表示在p<0.05水平差異具有統計學意義． 下同．圖2 不同種植模式對蕎麥株高(a,b,c)的影響

從圖3可知隨著蕎麥生育期的推進, 蕎麥地上部分的鮮質量與干質量均不斷增加． 不同種植模式對蕎麥地上部分鮮質量(和干質量)的影響達到顯著, 蕎麥地上部分鮮質量(和干質量)的大小存在品種差異也達到顯著, 且均是在蕎麥-大豆輪作模式下鮮質量達到最大值． 相較于蕎麥連作處理, 酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號和九江苦蕎在蕎麥-大豆輪作模式下開花期地上部鮮質量分別增高了45.46%、 76.78%、 56.99%和88.94%; 灌漿期鮮質量分別增加了56.73%、 106.87%、 55.73%和105.5%; 成熟期鮮質量分別增加了30.39%、 93.22%、 45.04%和54.95%． 而在干質量方面, 相較于蕎麥連作處理, 酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號和九江苦蕎在蕎麥-大豆輪作模式下開花期地上部干物質量積累分別增加了52.08%、 69.33%、 23.86%和94.38%; 灌漿期干物質量積累分別增加了37.43%、 108%、 77.93%和71.29%; 成熟期則分別增加了33.42%、 68.52%、 29.51%和55.63%．

圖3 不同種植模式對蕎麥鮮質量(A, B, C)和干質量(a, b, c)的影響

2.3 3種不同種植模式對蕎麥根系指標的影響

由表5可知, 不同種植模式對蕎麥根系生物量的積累和形態具有較大影響, 并使得根系干質量、 根平均直徑、 總根長、 總根體積、 總根表面積、 根尖數等6個根系指標呈現顯著差異, 而不同品種間則不總是存在顯著差異． 總體來看, 在蕎麥的各個生長期, 不同品種的蕎麥經過輪作處理后的根系指標要高于連作處理, 且在蕎麥-大豆輪作模式下達到最高值．

表5 3種不同種植模式對蕎麥根系形態的影響

3 討論

3.1 蕎麥不同種植模式對產量及植株形態特征的影響

不同作物輪作處理下, 其產量優于連作處理, 輪作在一定程度上促進了作物產量的形成． 牛倩云等[11]在谷子輪連作定位試驗的研究中發現, 大豆-馬鈴薯-谷子輪作處理后其谷子產量顯著高于谷子連作處理． 劉珊廷等[12]在木薯輪連作對比試驗后發現, 木薯經輪作處理后, 其產量顯著提高, 每公頃產量相較連作增加了11.99 t． 劉星等[13]在研究中發現馬鈴薯輪作處理后植株總生物量和塊莖產量與連作相比顯著提高． 柴繼寬[14]在研究中發現, 燕麥連作后產量逐年降低, 燕麥-豌豆-胡麻-燕麥單序輪作提高了燕麥產量, 且高于連作． 本研究輪作處理下的籽粒產量顯著提升, 與JIANG等[15]研究結果一致． 此外, 在試驗中發現, 蕎麥連作處理下, 籽粒產量逐年降低, 酉蕎2號、 烏克蘭大粒蕎、 酉蕎1號和九江苦蕎經過3年的連作, 其產量平均降低了9.98%, 會產生嚴重的連作障礙, 這與高揚[7]研究結果一致． 同時, 輪作處理下蕎麥產量顯著高于連作處理, 且隨著輪作年限的增加, 產量逐漸升高． 可能是由于作物輪作處理下, 通過促進葉片活性氧代謝[8]、 漸漸改善土壤微生物環境、 增強土壤酶對土壤營養物質的轉化和對次級代謝產物的分解, 土壤各主要營養物質含量的提升, 從而改善了土壤環境[16], 最終逐年提升蕎麥的產量．

在不同作物參與的輪作系統中, 其對產量的增益效果有所差異． 李爭艷等[17]在研究中發現, 由玉米和高粱分別參與苜蓿的輪作系統中, 其苜蓿產量較連作顯著提升, 玉米-苜蓿輪作處理和高粱-苜蓿輪作處理下, 其產量分別是連作處理下的1.27倍和1.13倍． 本研究中蕎麥-大豆輪作和蕎麥-小麥輪作處理下其產量較連作平均提高了14.57%和9.39%, 不同輪作制度處理對蕎麥產量的提高差異顯著, 與趙濤等[8]研究結果一致． 本研究中, 蕎麥不同輪作系統間的產量差異可能是豆科作物參與輪作后, 根系留下了富含氮的殘留物, 也給土壤中增添了更多的固氮菌, 使土壤肥力增加, 從而對蕎麥產量的提高更有優勢．

不同作物輪作處理下, 其各時期農藝性狀優于連作處理, 輪作在一定程度上促進了植株的生長效率． 如谷景龍[18]在玉米輪連作定位試驗后發現, 輪作顯著提高了玉米百粒質量． 柴繼寬[14]發現, 燕麥輪作下穗長、 每穗小穗數、 穗節數/花序和千粒質量相較連作處理有所提高, 單枝生殖枝數、 種子粒數和單株種子重明顯提高． 徐雪風等[19]在研究中發現, 油葵-馬鈴薯輪作后, 馬鈴薯株高、 莖粗和地上部干質量較連作顯著增大． 蕎麥各時期農藝性狀輪作處理也優于連作處理, 在輪作下蕎麥株高、 單株粒數、 單株粒質量都增加, 且最適茬口為大豆, 與胡彥君等[9]研究一致． 蕎麥輪作處理下, 各時期株高、 地上部分鮮質量和干質量相較蕎麥連作處理顯著增大, 輪作促進了蕎麥的生長, 且蕎麥-大豆輪作下更能促進生長． 同時, 輪作處理下, 土壤各主要營養物質含量增多, 蕎麥生長的土壤環境優于連作處理, 且在蕎麥-大豆輪作下土壤環境條件優于蕎麥-小麥輪作處理, 更能促進蕎麥地上部分的生長和干物質的積累．

3.2 蕎麥不同種植模式對根系的影響

根系、 土壤營養環境和土壤微生物群落相互作用共同決定著作物根際土壤環境, 作物輪作使土壤環境發生改變, 植物根系形態也會發生一系列的變化, 其直接影響著植物根系對水分和營養物質的吸收[19-20]． 蕎麥連作不僅抑制其地上部分生產, 還阻礙其地下部分生長, 蕎麥根系長度、 根表面積與產量呈顯著正相關[21], 而輪作較連作能顯著提高作物根系干物質量、 根長、 根表面積、 根尖數等各項根系指標, 從而有助于提高產量． 如, 王勁松等[22]在研究中發現, 高粱輪作處理后總根長、 根總表面積、 根總體積相比于連作處理均有了顯著提高, 輪作促進了高粱根系在土壤中的分布． 樊芳芳等[23]在玉米-高粱輪作與高粱連作對比試驗中發現, 輪作處理后高粱根系的干物質量、 根總表面積和根總體積均顯著高于連作處理． 楊德光等[24]在玉米輪作后發現玉米輪作處理相較玉米連作其根長顯著增長． 魏飛等[20]對棉花輪作試驗后的研究結果表明, 與棉花連作相比, 小麥-棉花輪作和苜蓿-棉花輪作均促進了棉花根系的生長, 棉花總根長、 根系干質量和根系表面積顯著增大． 宋佳承[25]在對馬鈴薯多年的輪連作定位試驗后發現, 藜麥-馬鈴薯輪作處理和玉米-馬鈴薯輪作處理后馬鈴薯根系干質量、 總根長、 總根表面積、 總根體積、 根平均直徑、 根尖數皆顯著高于連作處理．

本研究結果與學界研究結果一致, 蕎麥-大豆輪作和蕎麥-小麥輪作相較于蕎麥連作, 蕎麥根系干物質量、 根平均直徑、 總根長、 總根體積、 總根表面積、 根尖數均有顯著提高, 產量也相較提高． 這可能是因為蕎麥經過輪作處理后, 土壤大團聚體數量持續增長, 土壤環境改善, 促進了蕎麥根系活動[16]． 輪作優化了蕎麥根系在土壤中的分布, 增強了根系對土壤環境中水分和營養物質的吸收, 進而促進了蕎麥地上部和根系的生長發育．

4 結論

在重慶地區的多年輪作試驗表明, 3種不同種植模式對蕎麥產量及其構成要素均呈顯著影響． 蕎麥-大豆輪作下蕎麥籽粒產量高于蕎麥-小麥輪作處理, 再高于蕎麥連作處理． 相比于蕎麥連作, 輪作使蕎麥的單株粒數增加, 單株粒質量增大, 千粒質量也隨之增加． 3種不同種植模式對蕎麥的植株形態有顯著影響． 相同蕎麥品種, 蕎麥-大豆輪作處理下的株高、 鮮質量和干質量高于蕎麥-小麥輪作處理, 再高于蕎麥連作處理． 相同生育時期, 輪作處理下蕎麥地上部生物量積累速度加快, 且蕎麥-大豆輪作模式下地上部生物量的積累速率獲得最大值, 更有利于蕎麥各時期的生長和發育． 隨著蕎麥生育期的不斷推進, 3種不同種植模式對蕎麥根系干質量、 根平均直徑、 總根長、 總根體積、 總根表面積和根尖數呈逐漸增加的趨勢． 不同種植模式對蕎麥根系性狀影響顯著． 相同生育時期, 蕎麥-大豆輪作處理下根系形態各指標高于蕎麥-小麥輪作處理, 再高于蕎麥連作處理． 蕎麥-大豆輪作模式下蕎麥根系更加粗壯, 須根更多, 更有利于根系對植株周圍土壤中營養物質的吸收． 總之, 在重慶地區的蕎麥栽培中進行蕎麥-大豆輪作處理, 有利于提高蕎麥產量、 改善植株形態和根系指標．