魏飛 孫新展 劉建國

摘要：新疆棉花連作現(xiàn)象普遍，連作障礙嚴重，通過輪作調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、緩解棉花連作障礙對實現(xiàn)新疆棉花生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?；诿藁ㄩL期連作30年棉田土壤，設(shè)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(fā)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(jié)果表明，與對照相比，輪作小麥、苜蓿處理的棉花根長、根干質(zhì)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(zhì)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(fā)揮輪作增加植物多樣性、改良土壤生態(tài)環(huán)境的效果，促進棉花根系發(fā)育，提高棉花葉片光合生產(chǎn)能力和生物量。輪作小麥對棉花生長的促進效果優(yōu)于輪作苜蓿，可作為當(dāng)?shù)鼐徑饷藁ㄟB作障礙的較佳種植方式。

關(guān)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(biāo)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(fā)展，已成為全國的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，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(qū)連作年限長達20年以上，導(dǎo)致棉花病蟲害持續(xù)加重，土壤環(huán)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(chǎn)量，并能改良土壤環(huán)境，維持良好的土壤質(zhì)量[5]，且可通過改變連作作物的生理、代謝機制來使其適應(yīng)環(huán)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(zhì)含量明顯增加，細菌種群數(shù)量增多，而真菌種群數(shù)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(yīng)，以適應(yīng)新的環(huán)境，土壤環(huán)境的改善為根系發(fā)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(dāng)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(tài)環(huán)境，達到提高作物產(chǎn)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(guān)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(tài)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(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)，提高通過合理種植制度進行土壤生物修復(fù)的可能性。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗于2017年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院教學(xué)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(xué)農(nóng)學(xué)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(zhì)并風(fēng)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(zhì)量相同。試驗設(shè)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(fù)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(zhì)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(fā)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(shù)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(zhì)量與根干質(zhì)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(zhì)量與地下部干質(zhì)量。

單株質(zhì)量=地上部干質(zhì)量+地下部干質(zhì)量;根干質(zhì)量=地下部干質(zhì)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(biāo)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(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）等。

1.2.6 根系指標(biāo) 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(nèi)，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(tǒng)分析根系各參數(shù)，包括根長度、根表面積、根體積等。每個處理重復(fù)5次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用SPSS、Excel軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)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(biāo)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(zhì)量與對照相比顯著增加40.49%，苜蓿輪作后的棉花單株質(zhì)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%?？梢娫诓煌喿鞣绞教幚硐?，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(zhì)量。

2.2 不同種植模式下棉花光合指標(biāo)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(dǎo)度均增加，輪作小麥后的棉花葉片氣孔導(dǎo)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?？梢?種輪作模式處理的棉花光合指標(biāo)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(biāo)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(tài)等方面對土壤作出不同反應(yīng)，以適應(yīng)土壤環(huán)境的改變。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

輪作能協(xié)調(diào)作物與土壤之間的關(guān)系，改善土壤生理生化性狀以及根際微生態(tài)環(huán)境，促進作物增收，是防治作物發(fā)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(chǎn)物的能力顯著提高，葉綠素和可溶性蛋白質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)量[15]。本研究中，2種輪作方式處理的棉花地上部植株的發(fā)育明顯優(yōu)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(zhì)量、比表面積和比根長均表現(xiàn)為輪作大于連作，此結(jié)果與上述研究結(jié)論[15]一致。

輪作增加了植物多樣性，對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)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(zhì)量的影響不同。玉米植株殘體可促進大豆生長發(fā)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(shù)量和結(jié)構(gòu)，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(zhì)的積累量[17]。不同輪作作物對養(yǎng)分的吸收利用不同，對土壤理化性質(zhì)的改變存在差異，進而對連作土壤的生物修復(fù)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(zhì)含量，降低土壤中酚酸類物質(zhì)總量，而輪作馬鈴薯使土壤有機質(zhì)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(jié)果顯示，輪作苜蓿比輪作蔥更能改善高粱根際土壤環(huán)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(chǎn)量[15]。本研究結(jié)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(zhì)量、比表面積等指標(biāo)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(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式的重要組成部分，在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。但在以往這方面的研究應(yīng)用中只注重植株形態(tài)結(jié)構(gòu)的搭配和養(yǎng)分利用的互補，而忽視了輪作作物的化感特性導(dǎo)致的土壤有害物質(zhì)積累、土壤-植物根際環(huán)境惡化，而這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是前茬作物構(gòu)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(tài)環(huán)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(fù)，探究克服連作障礙的一個新視角，是一項可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)措施。

3.2 結(jié)論

研究結(jié)果表明，在長期連作的棉田短期輪作小麥、苜?？筛纳泼尢锿寥拉h(huán)境，促進棉花根系生長發(fā)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(yīng)優(yōu)于輪作苜蓿。因此，輪作小麥和輪作苜蓿短期內(nèi)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(xué)機制尚待進一步研究。

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