不同種植模式對(duì)連作棉花根系生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

吳國(guó)麗，魏飛，劉建國(guó)，王超凡，馬子豪，馬怡茹

（石河子大學(xué)/ 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子832003）

作物連作障礙是困擾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜問題，其形成機(jī)理與防治長(zhǎng)期以來一直得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。 新疆是我國(guó)重要的棉花生產(chǎn)地區(qū)，雖然棉花是耐連作的作物，但大面積長(zhǎng)時(shí)間連作仍然導(dǎo)致了嚴(yán)重的連作障礙[1-2]。多年棉花連作改變了土壤的理化性質(zhì)，使土壤有益微生物減少、有害微生物增加，導(dǎo)致土傳病害加重，產(chǎn)量、品質(zhì)下降，這嚴(yán)重影響了新疆棉花可持續(xù)發(fā)展[3-5]。緩解棉花的連作障礙已經(jīng)成為棉花在新疆綠洲長(zhǎng)期種植的重要問題；因此，改革耕作制度，探索綠色健康種植模式對(duì)緩解棉花連作障礙具有現(xiàn)實(shí)意義。

不同作物連作障礙發(fā)生的原因差別很大，但主要來自土壤。 作物長(zhǎng)期連作造成連作障礙主要是影響土壤環(huán)境，而根系的生長(zhǎng)和代謝活性變化是對(duì)土壤環(huán)境變化的最直接反應(yīng)[6-8]。有關(guān)間作、輪作對(duì)根際微生態(tài)的影響及其對(duì)連作障礙影響方面的研究表明：與連作5年高粱相比，連作3年高粱再與苜蓿、蔥輪作可明顯促進(jìn)下茬高粱總根長(zhǎng)、 根總表面積及根體積[9]；馬鈴薯的輪作較連作顯著提高了塊莖產(chǎn)量、植株生物量及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力，連作馬鈴薯根際真菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[10]；馬志鵬等[11]研究表明玉米、大豆間作模式較玉米單作模式在根量、根系表面積、根系體積和根長(zhǎng)均有提高，故玉米、大豆間作能改善根系特征，提高土壤有機(jī)質(zhì)及土壤抗腐蝕性；小麥與蠶豆間作改變了蠶豆根際的微生態(tài)環(huán)境，使根際土壤朝著健康方向轉(zhuǎn)化，最終緩解了蠶豆連作障礙的不良影響[7]。 加強(qiáng)綠色調(diào)控技術(shù)研發(fā)，配置合理的間作和輪作模式, 利用生物多樣性調(diào)控根際土壤環(huán)境，達(dá)到緩解棉花連作障礙的目標(biāo)，為新疆綠洲棉花生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016—2017年在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（86°03′E，45°19′N）長(zhǎng)期連作試驗(yàn)田，試驗(yàn)站海拔404 m，年日照時(shí)間超過2 700 h，無(wú)霜期在170 d 左右，大于10 ℃的活動(dòng)積溫在3 650 ℃，年平均氣溫7 ℃，年降水量在205 mm，為溫帶大陸性氣候，降水量少，光熱資源充足，是典型的綠洲灌溉農(nóng)田。供試土壤為棉花連作30年土壤，土壤質(zhì)地為壤土，土壤pH 7.56，堿解氮含量119.08 mg·kg—1，有效磷含量20.1 mg·kg—1，有效鉀含量72.6 mg·kg—1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤取自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站棉花長(zhǎng)期連作定位試驗(yàn)田，試驗(yàn)材料選擇連作30年的棉田，共設(shè)5 個(gè)處理（見表1），每處理重復(fù)9 次。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

采用根箱法，根箱尺寸設(shè)計(jì)為：寬60 cm、高50 cm、厚15cm，一面為透明塑料板，便于觀察根系，每個(gè)根箱裝等質(zhì)量土壤。 每箱種植3 株棉花，株距15 cm，棉花間作孜然和間作洋蔥處理在2 株棉花之間種植洋蔥、孜然，種植比例為3∶2。 根箱種植后透明塑料面向下傾斜30°放置，有利于根系往透明塑料板方向生長(zhǎng)，便于觀察取樣。 采用的棉花品種為新陸早45 號(hào)，于4月25日播種，在棉花花鈴期打開根箱，用噴壺沖刷根系取樣，每處理取5 箱（15 株棉花）根系樣品分析棉花根系生長(zhǎng)特征，4 箱（12 株棉花）根系樣品測(cè)定生理活性。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目及方法

1.3.1根系生長(zhǎng)指標(biāo)。在棉花苗期、蕾期和花鈴期打開根箱側(cè)板用數(shù)碼相機(jī)拍照、獲取不同生育期根系生長(zhǎng)圖片； 在棉花花鈴期采集不同處理的根系，根系采集后用清水洗凈，使用掃描儀掃描根系圖片，使用WinRHIZO 軟件處理圖片獲得根系指標(biāo)：根長(zhǎng)度、根體積、根表面積。

1.3.2根系生理指標(biāo)測(cè)定。根系活力采用TTC（氯化三苯基四氮唑）還原法測(cè)定，根系SOD（超氧化物歧化酶）活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，根系POD（過氧化物酶）活性使用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，根系CAT（過氧化氫酶）活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法，根系可溶性蛋白含量采用考馬斯亮蘭法進(jìn)行測(cè)定，根系MDA（丙二醛）含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)棉花根長(zhǎng)的影響

由圖1 可見，在棉花苗期，與對(duì)照相比，間作孜然和輪作小麥處理的棉花根長(zhǎng)分別增加139.2%和150.4%，且差異顯著；間作洋蔥和輪作苜蓿處理分別增加57.8%和降低22.9%，但差異不顯著。 在棉花蕾期，間作洋蔥、輪作小麥和輪作苜蓿處理的棉花根長(zhǎng)顯著大于對(duì)照處理，分別增加285.32%、124.4%和62.5%；間作孜然處理的根長(zhǎng)度也大于對(duì)照（增加31.3%），但差異不顯著。 在棉花花鈴期，與對(duì)照相比，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根長(zhǎng)度均有所增加，增幅分別為242.5%、7.5%、43.3%和103.6%，其中，間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根長(zhǎng)與對(duì)照相比達(dá)顯著水平（P＜0.05）。 在蕾期和花鈴期不同處理對(duì)棉花根長(zhǎng)的影響均表現(xiàn)為： 間作洋蔥＞輪作小麥＞輪作苜蓿＞間作孜然。

圖1 不同種植模式對(duì)棉花根長(zhǎng)的影響

2.2 不同種植模式對(duì)棉花根表面積的影響

圖2 不同種植模式對(duì)棉花不同時(shí)期根表面積的影響

不同處理對(duì)棉花根表面積的影響見圖2。 在棉花苗期，間作洋蔥、間作孜然和輪作小麥處理的根表面積顯著大于對(duì)照，分別增加199.5%、127.8%和140.1%；輪作苜蓿處理的根表面積低于對(duì)照處理（下降20.2%），但差異不顯著。在棉花蕾期，間作洋蔥和輪作小麥處理的根表面積顯著大于對(duì)照，增幅分別為188.8%和86.3%，間作孜然和輪作苜蓿處理的根表面積分別比對(duì)照增加22.9%和31.6%，但差異不顯著。在棉花花鈴期，與對(duì)照相比，間作洋蔥、間作孜然、 輪作苜蓿和輪作小麥處理的根表面積分別增加242.5%、41.6%、63.3%和164.6%，其中間作洋蔥和輪作小麥處理與對(duì)照相比差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.3 不同種植模式對(duì)棉花根體積的影響

由圖3 可見，隨著生育期的推進(jìn)不同處理棉花根體積逐漸增加。在棉花苗期，間作孜然、間作洋蔥和輪作小麥處理的根體積顯著大于棉花連作處理，分別增加112.4%、121.8%和129.5%。 在棉花蕾期，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根體積分別比棉花對(duì)照增加216.9%、7.6%、49.2%和118.4%，其中間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理與對(duì)照差異顯著（P＜0.05）。 在棉花花鈴期，與對(duì)照相比，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根體積均增加，增幅分別為236.5%、73.6%、11.6%和42.5%，其中間作洋蔥處理與對(duì)照差異顯著。

圖3 不同種植模式對(duì)棉花根體積的影響

棉花根體積增長(zhǎng)速率（比較同時(shí)段根體積增加量） 在不同生育階段均表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作苜蓿＞輪作小麥＞棉花連作＞間作孜然，苗期到蕾期根體積增長(zhǎng)量分別是2.11 cm3·d—1、1.08 cm3·d—1、0.95 cm3·d—1和0.47 cm3·d—1，蕾期到花鈴期的增長(zhǎng)量分別為8.68 cm3·d—1、5.12 cm3·d—1、2.73 cm3·d—1和2.38 cm3·d—1。

2.4 不同種植模式對(duì)棉花根系活力及抗氧化保護(hù)酶活性的影響

圖4 不同種植模式對(duì)棉花（鮮物質(zhì)質(zhì)量）根系活力、SOD、POD 和CAT 活性的影響

不同處理對(duì)棉花根系活力及抗氧化保護(hù)酶活性的影響見圖4。 結(jié)果表明，不同間作及輪作處理的根系活力均大于對(duì)照，各處理棉花花鈴期根系活力的表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作小麥＞間作孜然＞輪作苜蓿＞對(duì)照，其中間作洋蔥和輪作小麥根系活力顯著大于對(duì)照，分別比對(duì)照增加53.6%和38.9%；間作孜然、 輪作苜蓿分別比對(duì)照增加17.3%和13.7%，但差異不顯著。在棉花花鈴期，間作洋蔥、間作孜然、 輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系SOD 活性與對(duì)照相比分別增加66.8%%、3.66%、28.9%和53.3%，其中間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理與對(duì)照差異顯著。 間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系POD 活性大于對(duì)照，增幅分別為125.4%、53.8%和94.4%，且差異顯著；間作孜然處理的根系POD 活性也大于對(duì)照（增幅16.59%），但差異不顯著；間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系CAT 活性顯著大于對(duì)照，分別比對(duì)照增加110.7%、101.7%和124.7%；間作孜然處理比對(duì)照增加16.6%，但差異不顯著。

2.5 不同種植模式對(duì)棉花可溶性蛋白含量的差異

從圖5 可知，與對(duì)照相比，不同間作和輪作處理均增加棉花根系可溶性蛋白含量，其中輪作苜蓿處理增加44.2%、間作洋蔥處理增加48.9%和輪作小麥處理增加50.7%，且差異均顯著；間作孜然處理增加5.3%，但無(wú)顯著差異。

圖5 不同種植模式對(duì)棉花花鈴期根系可溶性蛋白含量的影響

2.6 不同種植模式對(duì)棉花MDA 含量的影響

由圖6 可見，各處理棉花根系的MDA 含量表現(xiàn)為對(duì)照＞間作孜然＞輪作苜蓿＞輪作小麥＞間作洋蔥處理，不同間作和輪作處理均降低了棉花根系MDA 含量，均顯著低于對(duì)間作洋蔥顯著低于間作孜然和輪作苜蓿，輪作小麥顯著低于間作孜然。

圖6 不同種植模式對(duì)棉花花鈴期根系MDA 含量的影響

3 討論

土壤中化感自毒物質(zhì)的積累是作物連作障礙發(fā)生的重要原因之一，土壤根際環(huán)境的受根系分泌物、秸稈殘茬腐解、地上部化感物質(zhì)淋溶及微生物殘?bào)w等釋放的化感物質(zhì)的影響，不同作物所釋放的化感物質(zhì)不同，不同作物對(duì)不同化感物質(zhì)的敏感性也不同[7,12]，在單一連續(xù)種植條件下自毒化感物質(zhì)在土壤中有積累的趨勢(shì)，因此不同作物間作和輪作通過增加生物多樣性，可以避免某些化感物質(zhì)累積。同時(shí)間作對(duì)植物的養(yǎng)分有效利用和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生深刻的影響，也對(duì)植物的存活、競(jìng)爭(zhēng)、演替和防御能力起著重要的調(diào)節(jié)作用[13-14]。 前期研究表明香草醛、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸和香草醛是棉花的主要化感物質(zhì)，引起棉花連作自毒障礙，并隨連作棉花年限增加化感物質(zhì)逐漸積累, 通過棉花間作洋蔥、孜然和輪作苜蓿、小麥均降低了棉花根際土壤中對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸和香草醛的含量[15]。 本研究表明棉花間作洋蔥、孜然和輪作苜蓿、小麥都可促進(jìn)棉花根系發(fā)育，與連作31年棉花相比增加棉花根長(zhǎng)、根表面積和根體積，并促進(jìn)棉花根系代謝，增加棉花根系活力，SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量，研究結(jié)果與徐強(qiáng)等[16]研究認(rèn)為線辣椒和玉米間作可通過增強(qiáng)根系活力等特征來加強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的吸收結(jié)論一致。長(zhǎng)期連作土壤經(jīng)輪作處理后能增加改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及土壤酶活性，能對(duì)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育起促進(jìn)作用，進(jìn)而影響地上部生長(zhǎng)發(fā)育[17-19]。 小麥間作西瓜在西瓜定植40 d后，與西瓜單作相比，間作西瓜葉片MDA 含量和PAL 活性分別降低44.43%和8.68%，SOD 和PPO活性升高17.3%和84.5%[20]。 徐雪風(fēng)等[21]研究連作馬鈴薯輪作油葵后種植馬鈴薯，改善了馬鈴薯葉片的光合作用及生理特性。 王勁松等[9]研究發(fā)現(xiàn)輪作促進(jìn)了高粱地上部與根系的生長(zhǎng),這些研究與本試驗(yàn)結(jié)果一致。 本研究中，不同間作及輪作作物對(duì)連作棉花根系生長(zhǎng)及生理代謝的影響能力不同，間作洋蔥和輪作小麥棉花根系各項(xiàng)指標(biāo)均高于間作孜然和輪作苜蓿，這可能是由于不同作物根系分泌物不同，調(diào)控根際土壤微生物群落、土壤生物活性的機(jī)理各有不同，從而對(duì)土壤微生物群落影響不同所造成的[22]。

4 結(jié)論

在棉花連作30年土壤基礎(chǔ)上，棉花間作洋蔥、間作孜然、輪作小麥和輪作苜蓿4 種種植模式均可以促進(jìn)棉花根系發(fā)育，增加棉花根長(zhǎng)、根表面積和根體積；促進(jìn)棉花根系的生理活性，提高棉花根系活力, SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量。 不同種植模式間存在差異，4 種種植模式對(duì)棉花根系生長(zhǎng)的影響表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作小麥＞輪作苜蓿＞間作孜然處理。