連作對藜麥生長和生理特性的影響

楊 科，劉文瑜，王旺田*，楊發(fā)榮，楊 晨，王寶強

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點試驗室，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070；4.甘肅省藜麥育種栽培技術及綜合開發(fā)工程研究中心，甘肅蘭州 730070）

【研究意義】藜麥（Chenopodium quinoaWilld）是莧科藜亞科一年生雙子葉草本植物，氨基酸種類完全且比例平衡，富含礦物質、維生素等多種營養(yǎng)物質，具有低脂、低升糖指數(shù)、不含麩質的特質[1]，能適應干旱、低溫、鹽堿等多種生態(tài)環(huán)境[2]，自1988年藜麥被聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）選為“未來安全糧食”以來，因其可作為一種生產(chǎn)油脂、糧食和動物飼料的多用途作物而被世界各地廣泛引種[3-4]。連作作為一種在農(nóng)業(yè)上應用非常普遍的耕作方式，在有限的土地資源上通過連作可以取得最大化的種植效益。但連作也會造成作物生長發(fā)育不良、病蟲害加重、產(chǎn)量下降、品質變劣等連作障礙問題[5]。因此，明確連作障礙機理，采用合理的措施降低連作障礙已成為改善農(nóng)田土壤質量、提高作物產(chǎn)量的重要途徑?！厩叭搜芯窟M展】連作不僅影響土壤理化性質與微生態(tài)環(huán)境，還進一步調(diào)控作物在形態(tài)結構、生理和生化方面的適應性變化[6-8]。為了明確連作與作物生理生化及產(chǎn)量之間的關系和作物應對土壤微生態(tài)變化做出的生理響應機制，前人對馬鈴薯[9]、甜瓜[10]、蕓豆[11]和谷子[12]等作物做了大量研究，結果表明，連作年限的增加會使光合作用受抑制，影響干物質的積累；另外，連作引起葉片細胞中活性氧代謝失衡，細胞膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）和氧自由基含量增加，導致膜脂過氧化損傷，使株高、葉面積、植物組織含水量和產(chǎn)量、可溶性蛋白質含量，超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）等保護性酶活性均呈下降趨勢?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，由于藜麥價格飆升，企業(yè)為追求經(jīng)濟效益而進行連作種植，造成土壤肥力下降，導致減產(chǎn)。雖然前人對作物連作的研究報道很多，但在藜麥上研究相對較少，尤其是連作對藜麥形態(tài)特征、抗性生理指標和產(chǎn)量的影響尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本試驗旨在明確連作對藜麥形態(tài)特征和產(chǎn)量的影響，從生理生化角度初步揭示連作對藜麥生長的影響機制，以期為建立合理的耕作制度提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所自繁自育的藜麥品種‘隴藜1號’為供試品種。

1.2 試驗地概況

本試驗選取甘肅省甘南州臨潭縣新城鎮(zhèn)選擇藜麥連作2年及前茬為油菜的沒有連作地塊作為試驗樣地，甘南州臨潭縣（35°0′4.63″N，102°54′32.97″E）地處青藏高原東北邊緣，平均海拔2 884.04 m，大部分屬高寒干旱區(qū)氣候，年降水量383.2～668.2 mm，蒸發(fā)量93～356 mm，年日照時數(shù)2 314 h，年平均氣溫1.7 ℃，無絕對無霜期。

1.3 試驗設計

以藜麥連作3年（以C3表示）及沒有連作（以C0表示）的地塊為試驗地，小區(qū)面積為18 m2（3 m×6 m）。播前施基肥（磷酸二銨225 kg∕hm2，腐熟羊糞肥150 kg∕hm2），對土地進行旋耕耙磨。2018年4月4日播種，采用開溝點播，每穴約4～6粒種子，播種深度2 cm，行距30 cm，株距25 cm，播種量3 kg∕hm2，3個重復，4～6葉期進行定苗，每穴留苗一株，13株∕m，同時及時除草，田間管理同當?shù)卮筇铩Ｔ谏L期內(nèi)每隔20 d取全株和葉片樣品分別用于生物量、生理生化指標測定。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 植株生物量 將植株連根取出，洗凈根部泥土，后用濾紙吸干根部及葉面水分，分別測定其株高、根長和鮮物質質量。然后將植株鮮樣放入105 ℃烘箱中殺青15 min后，在70 ℃下烘至恒質量，取出用電子天平稱干物質質量（精確到0.01 g）。

1.4.2 產(chǎn)量構成因素 隨機選取10株完全成熟的植株，統(tǒng)計其總分枝數(shù)、有效分枝數(shù)，測定其主穗長度，后收獲并待其完全風干，測定其單株穗質量、千粒質量、單株產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量。

1.4.3 生理指標 葉綠素含量測定采用乙醇丙酮法[13]；可溶性糖含量測定采用蒽酮乙酸乙酯法[13]；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍比色法[14]；脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[14]；MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法[14]；O2·-產(chǎn)生速率參照王愛國等[15]的方法測定；SOD活性測定參照Huang等[16]的方法并稍作改動；POD活性測定參照Shi等[17]方法；CAT活性測定參照Nakano等[18]的方法；APX活性測定參照Nakano等[18]的方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2010整理試驗數(shù)據(jù)、繪制圖表；用SPSS 17.0軟件進行相關性分析，并運用Duncan新復極差法對顯著性差異進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 藜麥連作對其生長的影響

生長指標的變化是植物應對不良生長環(huán)境時所表現(xiàn)最直接的體現(xiàn)。由表1可知，藜麥植株生物量隨生長進程的進行呈增加的趨勢。C0和C3在株高、根長、鮮物質質量和干物質質量上存在差異。苗期C3比C0株高增加3%，但鮮物質質量與干物質質量分別降低16.5%和7.8%；C3在顯穗期和灌漿期的株高、鮮物質質量、干物質質量分別比C0降低16.6%、2.2%、7.6%和7.5%、6.0%、16.4%；C3處理下的根長比C0在顯穗期、盛花期和灌漿期增加68.5%、13%和12.8%。由于作物為適應土壤環(huán)境的變化，通過增加根長來獲取更多的養(yǎng)分和水分來滿足生長需求，說明連作抑制了藜麥地上部分的生長，促進了地下部分的生長。

表1 品種效益年連作對藜麥植株生長的影響Tab.1 Effects of continuous cropping on growth of quinoa seedlings

2.2 藜麥連作對其產(chǎn)量構成因素的影響

由表2可以看出，連作降低了藜麥的分枝數(shù)、單株主穗長度和質量等影響產(chǎn)量的因素，C3處理下比C0處理下的分枝數(shù)、有效分支率、主穗長度和單株穗質量分別下降22.2%、7.4%、18.5%和28.1%；C3處理比C0處理藜麥籽粒千粒質量降低13.9%，單株產(chǎn)量降低37.9%，單位面積產(chǎn)量降低了34.78%。

表2 連作對藜麥產(chǎn)量構成因素的影響Tab.2 Effects of continuous cropping on yield components of quinoa

2.3 藜麥連作對其葉片生理特性的影響

2.3.1 藜麥連作對其葉片葉綠素含量的影響葉綠素含量的動態(tài)變化可以間接反應葉片的生理活動和光合能力的強弱[19]。如圖1所示，藜麥葉片葉綠素含量在整個生育期隨著生長進程的進行呈先降低后升高再降低的趨勢，在盛花期達到最大值，含量為4.34 mg∕g。整個生育期中C3處理葉綠素平均含量比C0降低21.5%，顯著低于C0處理（P＜0.05），C3在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別比C0下降了25.0%、53.6%、5.1%、和62.5%，灌漿期差異顯著。盛花期藜麥葉片葉綠素含量顯著高于其它3個時期（P＜0.05），C0處理下分別比其它3個時期升高了80.8%、309.4%和19.2%，C3處理下分別比其它3個時期升高了151.0%、498.6%和84.4%。由此可見，連作影響藜麥生長期葉片的光合作用，不利于藜麥干物質的積累與產(chǎn)量的形成。

圖1 連作對藜麥葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effect of continuous cropping on chlorophyll content of quinoa leaves

2.3.2 藜麥連作對其葉片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量的影響 如圖2A所示，藜麥葉片可溶性糖含量隨生長進程的進行呈現(xiàn)先升高后降低再升高的趨勢；同一生育期內(nèi)，C3在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別比C0可溶性糖含量增加42.4%、27%、50.3%、150.1%，灌漿期升高顯著；不同生育期之間，灌漿期藜麥葉片可溶性糖含量顯著高于其它3個時期（P＜0.05），C0處理下比其它3個時期升高了124.2%、67.2%和170.9%，C3處理下比其它3個時期升高了293.6%、229.2%和350.5%。表明連作影響藜麥可溶性糖含量的升高，在灌漿期對藜麥葉片可溶性糖的含量影響最大。

如圖2B所示，隨著生長進程的進行，藜麥葉片的可溶性蛋白含量在整個生育期內(nèi)變化不太明顯；在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期C3可溶性蛋白含量分別比C0有所增加，增加幅度為18.3%、10.1%、12.9%和16.6%；不同生育期之間，C3處理下藜麥灌漿期比其它3個時期葉片可溶性蛋白含量高1.5%～4.5%。

如圖2C所示，C0處理下藜麥葉片脯氨酸含量呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，C3處理下藜麥葉片的脯氨酸含量呈現(xiàn)下降的趨勢，在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別比C0脯氨酸含量上升了15.9%、74%、51%和35.4%，顯穗期升高明顯；不同生育期之間，苗期藜麥葉片可溶性糖含量高于其它3個時期，C0處理下比其它3個時期升高了256.9%、183.9%和256.8%，C3處理下比其它3個時期升高了13.2%、65.6%和174.4%。表明連作在顯穗期對藜麥葉片脯氨酸的含量影響最大。

圖2 連作對藜麥葉片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of continuous cropping on soluble sugar，soluble protein and proline contents of quinoa leaves

圖3 連作對藜麥葉片MDA含量和超氧陰離子產(chǎn)生速率的影響Fig.3 Effects of continuous cropping on MDA content and superoxide anion production rate of quinoa leaves

2.3.3 藜麥連作對其葉片MDA含量和O2·-產(chǎn)生速率的影響 由圖3A可以看出，藜麥葉片的MDA含量在整個生育期內(nèi)總體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢，同一生育期內(nèi)，C3處理下藜麥葉片MDA含量顯著高于C0處理，在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別升高了124.2%、103.6%、49.3%和19.2%，苗期和盛花期升高明顯。兩種處理之間，盛花期MDA含量比其它3個時期均高，C0處理下分別升高了85.6%、49.5%和9.7%，C3處理下分別升高了23.6%、10.1%和36.8%。表明連作在盛花期對藜麥葉片MDA含量影響最大，連作條件下苗期和盛花期是藜麥葉片的細胞損傷的主要時期，在此期間影響葉片衰老較快，不利于后期產(chǎn)量的形成。

由圖3B可以看出，藜麥葉片的O2·-產(chǎn)生速率在整個生育期內(nèi)總體上呈現(xiàn)先升后降的趨勢，同一生育期內(nèi)，C3處理下藜麥葉片超氧陰離子產(chǎn)生速率顯著高于C0處理，在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別升高了20.2%、10.8%、40.6%和12.9%。不同生育期之間，盛花期藜麥葉片O2·-產(chǎn)生速率高于其它3個時期，C0處理下分別比其它3個時期升高了114.1%、106.5%和61.3%，盛花期升高明顯，C3處理下分別比其它3個時期升高了82.8%、62.7%和29.5%。表明盛花期是連作藜麥O2·-產(chǎn)生速率最大時期，同時也是受連作影響最大時期。

2.3.4 藜麥連作對其葉片SOD、POD、CAT和APX活性的影響 由圖4A可以看出，C3處理下藜麥葉片的SOD活性顯著低于C0處理，在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別降低了61%、28.4%、72.8%和28.6%，不同生育期之間，C0處理下花期的SOD活性分別比其它3個時期升高了116.3%、112.5%和60.3%，C3處理下灌漿期的SOD活性分別比其它3個時期升高了146.8%、32.2%和63.8%。表明連作在盛花期對藜麥葉片SOD活性影響最大。藜麥葉片POD、CAT活性在C0處理下呈先升高后下降再升高的變化趨勢，C3處理下呈先降低后升高的變化趨勢（圖4B、C），同一生育期內(nèi)，C3處理下藜麥葉片POD、CAT活性顯著低于C0處理，POD活性在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期分別降低了35.6%、67.5%、73.8%和94.1%，盛花期的POD活性最低，表明連作在灌漿期對藜麥葉片影響最大；CAT活性分別降低了40.5%、83.5%、73.2%和69.1%，在顯穗期和盛花期影響較大。不同生育期之間，灌漿期藜麥葉片POD活性高于其它3個時期，C0處理下分別比其它3個時期升高了288.3%、100.9%和237.8%，C3處理下分別比其他3個時期升高了58.7%、62.1%和94.0%。C0處理下盛花期的CAT活性分別比其它3個時期升高了25.4%、17.7%和124.6%，C3處理下苗期的CAT活性分別比其它3個時期升高了238.3%、53.6%和298.2%。

圖4 連作對藜麥葉片SOD、POD、CAT和APX活性的影響Fig.4 Effects of continuous cropping on activities of SOD，POD，CAT and APX in leaves of quinoa

由圖4D可以看出，藜麥葉片的APX活性在整個生育期內(nèi)總體上呈現(xiàn)先降后升的趨勢，同一生育期內(nèi)，C3處理在苗期、顯穗期、盛花期和灌漿期比C0處理的APX活性有所上升，同比上升幅度為22.3%、121.1%、250%和246.7%；不同生育期之間，苗期藜麥葉片APX活性高于其它3個時期，C3處理下分別比其它3個時期升高了7.7%、761.4%和73.7%。表明連作在盛花期灌漿期對藜麥葉片APX活性影響最大。

3 討論與結論

連作障礙的發(fā)生使土壤微生態(tài)平衡受到破壞，主要表現(xiàn)在土壤供肥、理化性狀、微生物性狀、酶活性以及土壤線蟲等能力的劣變，植物根系分泌物和化感物質的積累產(chǎn)生的自毒作用，影響植物根系對養(yǎng)分的吸收導致植物生長受抑制[20-21]，生物量作為直接衡量植物群體生產(chǎn)力的指標反映著從生態(tài)環(huán)境中獲取的能量大小[22]。本試驗表明連作條件下藜麥株高、鮮物質質量和干物質質量等下降，這與張思蘇等[23]和高桐梅等[24]在花生與芝麻的連作實驗結果一致。連作后藜麥根長在短時間內(nèi)出現(xiàn)增加的現(xiàn)象，與學者馬達靈等[25]研究一年連作對馬鈴薯的形態(tài)特征影響不明顯相類似。但有學者在研究長期連作對馬鈴薯根系生物學特征的研究中表明根冠比增大和根系形態(tài)的改變是植物對逆境環(huán)境的主動形態(tài)學適應[6]，理論上認為根系系統(tǒng)越發(fā)達，則越有利于土壤中水分養(yǎng)分的吸收。結合本研究結果，說明連作主要影響藜麥地上部分干物質量的減少，而藜麥具有較強的抗逆性是通過根系來實現(xiàn)。

光合作用是植物形成生物產(chǎn)量的過程，是植物獲取太陽能源的基礎。而葉綠素是植物體內(nèi)能直接影響光合作用強弱的物質，直接影響著光合效率與光合產(chǎn)物的積累。本試驗結果表明藜麥連作使葉片中葉綠素含量降低，可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量都有所增加。而可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質抵抗不良環(huán)境[26]，說明連作導致藜麥葉片生物量的減少和產(chǎn)量的降低主要是由于光合效率減少影響光合產(chǎn)物的積累。由于連作增加了土壤中自毒物質的含量，植物自身通過積累滲透調(diào)節(jié)物質，從而抵抗連作對植物細胞造成的損傷。

當植物處于脅迫條件下，植株體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧，破壞細胞的生物膜脂和蛋白質等，從而影響植物的正常新陳代謝，這時保護酶系統(tǒng)就會啟動從而保護植物免受傷害。王才斌等[27]研究表明，花生連作導致花生葉片SOD、POD、CAT活性顯著降低，使植株活性氧積累和膜脂過氧化損傷，產(chǎn)生生育障礙，直接影響其生長發(fā)育。李夏等[12]研究表明連作谷子伴隨谷子植株的衰老，功能葉片的葉綠素SOD、POD等保護性酶均呈下降趨勢。本試驗表明，連作使藜麥葉片的SOD、POD、CAT活性呈下降趨勢，在花期和灌漿期影響較大，其氧化酶活性的降低可能與活性氧的大量積累有關，需要進一步驗證；APX活性呈升高趨勢，在灌漿期表現(xiàn)更為明顯。表明藜麥在連作時，活性氧的清除可能是由APX發(fā)揮作用，是藜麥應對連作障礙的一種適應性反應。

綜上所述，連作使得植物葉綠素含量降低，嚴重影響藜麥光合作用和保護酶系統(tǒng)，從而使植株生產(chǎn)庫源關系失調(diào)引起藜麥生長與產(chǎn)量的抑制，降低地上部分生物量。同時，藜麥通過促進根系生長等形態(tài)變化增強抗逆性，提高可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質以及提高APX活性增強抗氧化酶活性來達到清除活性氧危害的目的，以適應連作對藜麥生長的影響。