重茬種植對甜菜生長的影響

束安琦，路正禹，崔汝菲，於麗華，耿 貴

(黑龍江大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080)

0 引言

甜菜(BetavulgarisL)是藜科甜菜屬，二年生草本植物[1]，起源于西歐和南歐，是世界重要的糖料作物[2]。甜菜生產(chǎn)，不僅促進了糖業(yè)及相關(guān)食品、醫(yī)藥及化學工業(yè)的發(fā)展，而且對畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展也起著積極的作用。

輪作是指在同一塊農(nóng)田里，有順序地在季節(jié)間或年度間輪換種植不同的作物或復(fù)種組合的一種種植方式[3]，是用地養(yǎng)地相結(jié)合的一種生物學措施。適當?shù)妮喿?，可以增強土壤的養(yǎng)分以及水分，從而利于作物的生長[4]，使作物達到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[5-6]。在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，多類作物在輪作的影響下極大地提高了產(chǎn)量以及經(jīng)濟價值等。如輪作可以提高旱地小麥的產(chǎn)量[7]；輪作可以提高胡麻的干物質(zhì)積累[8]；不同的輪作處理均能提高黃瓜的產(chǎn)量[9]等。重茬又稱為連作，是指同一作物在同一塊地里連續(xù)種植兩茬或者兩茬以上的種植方式[10]。連作障礙是指連續(xù)在同一土壤上栽培同種作物或近緣作物引起的作物生長發(fā)育異常的一種現(xiàn)象[11-12]。連作會導(dǎo)致作物減產(chǎn)減質(zhì)[13]，加重病蟲害，降低農(nóng)田資源的利用率[14-16]。如連作會使黃瓜土壤化理化性質(zhì)惡化[17]；玉米的產(chǎn)量降低[18]；棉花的經(jīng)濟價值降低[19]。這些研究結(jié)論均表明連作會嚴重影響作物的生長[20-21]，阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的推廣與發(fā)展，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失[22-23]。

大量研究結(jié)果表明，連作障礙已嚴重制約了國內(nèi)甜菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，多年連作會導(dǎo)致糖度下降、產(chǎn)量降低；而適當輪作可以增加作物的產(chǎn)量及質(zhì)量。因此，本試驗用輪作和連作種植甜菜進行對比，通過測定抗氧化酶活性，質(zhì)膜透性等一系列指標，探討輪作土與重茬土兩種不同土壤種植對甜菜生長狀態(tài)的影響，為提高甜菜的質(zhì)量與產(chǎn)量，增強土壤活性與養(yǎng)分提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試甜菜品種為：“KWS1176”，為丸?；陌路N子，由德國KWS公司生產(chǎn)。試驗于黑龍江大學呼蘭校區(qū)甜菜試驗基地進行，呼蘭位于北半球，經(jīng)緯度分別為：126.58和45.9。并在甜菜生長中期與收獲期分別取樣帶回實驗室測定與分析。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置輪作、重茬兩組處理，每組分生長中期和收獲期兩個不同時期進行隨機取樣。輪作前茬為玉米，現(xiàn)茬為甜菜；重茬的現(xiàn)茬前茬都為甜菜。將大田內(nèi)的某地塊劃分成為兩個種植區(qū)域，每個區(qū)域的水肥管理條件一致，盡可能保持土壤相對含水量在70%左右。在大田的地塊內(nèi)試驗區(qū)種植甜菜，為方便進行試驗，將甜菜輪作種植地塊設(shè)置成為 A 地塊，甜菜重茬種植地塊設(shè)置成為 B 地塊。對甜菜的種植品質(zhì)進行檢測，主要測定生長指標及抗氧化酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、質(zhì)膜透性、葉綠素和光合速率等生理指標的含量。

1.2.2 生長指標的測定

直尺測定甜菜株高，以植株心葉到葉片尖端的距離為準。取甜菜苗，將葉片及根的表層土壤清理干凈，測定其鮮重，取其平均值為單位鮮重。將測完鮮重的甜菜幼苗放入調(diào)至105℃烘箱中殺青0.5 h，再以80℃的條件下烘至恒重，用分析天平稱量，獲得幼苗干重數(shù)據(jù)。參考呂春華等的方法[24-25]。

1.2.3 生理指標的測定

每個處理將收獲的葉片先混勻再剪碎，將每個處理分為多份，取其樣本，用于各項指標的測定，以便完成后續(xù)的實驗。將先前稱取的0.5 g甜菜幼苗放入試管中，加入20 mL去蒸餾水，真空抽氣2 h，可先設(shè)置1 h，中途用玻璃棒翻倒葉片，以助于葉片沉底。等葉片全部沉淀后用 DDS-307電導(dǎo)率儀測定初始電導(dǎo)率R1。再將試管封口，進行沸水浴0.5 h，冷卻后搖勻，測定電導(dǎo)率R2。

再進行丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)等相關(guān)生理指標的測定，所有指標均 3 次重復(fù)。參考呂春華等的方法[24-25]。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel2016和SPSS20. 0軟件的LED法進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。用單因素試驗統(tǒng)計分析方法，對不同處理的試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢測，P≤0.05視為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作與重茬種植對甜菜表型的影響

作物的生長狀態(tài)與表型有著重要的聯(lián)系，不同的表型能反映其適應(yīng)環(huán)境的能力。圖1為輪作以及重茬種植下的甜菜表型的差異。由圖可知，輪作種植的甜菜長勢要優(yōu)于重茬種植的甜菜。輪作種植的甜菜地上部更加茂盛，植株整體較大且葉柄較長；地下部塊根發(fā)育明顯，更加膨大。說明輪作種植對甜菜生長有所提升。

圖1 輪作與重茬種植對甜菜表型的影響Fig.1 The effect of crop rotation and continuous cropping on the phenotype of sugar beet

2.2 輪作與重茬種植對甜菜生長指標的影響

不同環(huán)境中生長的作物其生長指標也不相同，表1為輪作以及重茬種植下的甜菜葉片收獲期的各項生長指標間的差異。結(jié)合圖表以及各項數(shù)據(jù)可以看出，收獲期葉片干鮮重以及株高的變化趨勢相同，都是輪作種植的明顯好于重茬種植的，且二者之間差異顯著。說明與輪作相比，重茬的各項生長指標較差，重茬種植甜菜會抑制甜菜的生長。

表1 輪作與重茬種植對甜菜收獲期干鮮重以及株高的影響Tab.1 The effect of crop rotation and continuous cropping on the dry and fresh weight and plant height of sugar beet during harvest

2.3 輪作與重茬種植對甜菜葉片質(zhì)膜透性的影響

MDA和相對電導(dǎo)率可以衡量作物遭受外界脅迫時細胞膜的損傷程度。圖2為輪作與重茬種植下，不同生長時期的甜菜葉片的相對電導(dǎo)率和MDA含量的變化。由圖可知，相對電導(dǎo)率以及丙二醛的含量二者變化趨勢相同，都為重茬高于輪作、生長中期高于收獲期。重茬甜菜的生長中期和收獲期的相對電導(dǎo)率和MDA的含量與輪作處理相比，分別增加了17%、10%和14%、30%，各個處理間差異均顯著(P<0.05)。從所得數(shù)據(jù)可以看出，電導(dǎo)率以及丙二醛降低，細胞膜的損傷也會減少，說明重茬種植下甜菜受到的損害較多，不利于甜菜的生長。

圖2 (a-b)輪作與重茬種植對甜菜葉片質(zhì)膜透性的影響Fig.2 (a-b)The effect of crop rotation and continuous cropping on the plasma membrane permeability of sugar beet leaves

2.4 輪作與重茬種植對甜菜葉片抗氧化酶的影響

抗氧化酶能有效抑制質(zhì)膜過氧化，減少過氧化對細胞的危害。圖3為輪作與重茬種植下，不同生長時期甜菜葉片的POD、SOD、APX和CAT等四種酶含量的變化。由圖可知，POD(3-a)、SOD(3-b)、APX(3-c)、CAT(3-d)四種酶活性的變化趨勢基本相同。其中，與輪作處理相比，重茬種植下的甜菜葉片細胞內(nèi)的酶活性較高，輪作種植下的甜菜葉片細胞內(nèi)的酶活性較低。由所得數(shù)據(jù)可知，收獲期甜菜葉片的酶活性相較而言要高于生長中期葉片的酶活性，且二者之間差異顯著(P<0.05)。說明抗氧化酶活性越低，葉片受到的損害就越小，輪作種植下的甜菜葉片受到的損害要小于重茬種植下的甜菜葉片，生長中期的甜菜葉片受到的損害明顯小于收獲期。

圖3 (a-d)輪作與重茬種植對甜菜葉片抗氧化酶的影響Fig.3 (a-d)Effects of crop rotation and repeated cropping on antioxidant enzymes of sugar beet leaves

2.5 輪作與重茬種植對甜菜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

圖4為重茬與輪作種植下甜菜葉片的可溶性糖和可溶性蛋白含量的變化。由圖4(a-c)可知，二者的可溶性糖、可溶性蛋白含量的變化趨勢大致相同，均是重茬處理高于輪作處理，且不同土壤種植下的甜菜葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)差異顯著。和輪作種植的甜菜相比，重茬處理的可溶性糖和可溶性蛋白的含量較高；輪作處理的可溶性糖、可溶性蛋白的含量較低，而兩個處理的收獲期的葉片滲透物質(zhì)的含量也明顯高于生長中期的含量，且二者差異顯著?？扇苄蕴恰⒖扇苄缘鞍缀吭降?，甜菜生長狀態(tài)越好，輪作處理下的含量低于重茬處理下的含量，說明輪作種植的甜菜的生長狀態(tài)要明顯好于重茬種植的甜菜，生長中期的甜菜生長狀態(tài)要明顯好于收獲期。

圖4 (a-b)輪作與重茬種植對甜菜葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig.4 (a-b)The effect of crop rotation and continuous cropping on osmotic adjustment substances in sugar beet leaves

2.6 輪作與重茬種植對甜菜葉片葉綠素含量的影響

圖5為輪作與重茬種植下甜菜葉片中各項葉綠素含量的變化。由圖5(a-d)可知，二者葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素的含量的變化趨勢相同，且輪作處理均高于重茬處理。其中，重茬處理的葉綠素a的含量在生長中期比輪作低6%，在收獲期比輪作處理低11%；葉綠素b的含量在生長中期比輪作處理低7%，在收獲期比輪作處理低6%；總?cè)~綠素以及類胡蘿卜素的含量分別在生長中期比輪作處理低6%、7%，在收獲期比輪作處理低17%、8%；處理間差異均顯著(P<0.05)。結(jié)合圖表以及數(shù)據(jù)，重茬種植下的甜菜葉片葉綠素含量會明顯低于輪作土種植下的甜菜葉片；且同一處理的生長中期的葉片葉綠素含量會明顯高于收獲期的葉片葉綠素含量。

圖5 (a-d)輪作與重茬種植對甜菜葉片葉綠素含量的影響Fig.5 (a-d)The effect of crop rotation and continuous cropping on the chlorophyll content of sugar beet leaves

2.7 輪作與重茬種植對甜菜收獲期葉片光合指標的影響

表2為輪作與重茬種植下甜菜葉片中各項光合指標的變化。由表2可知，輪作與重茬處理的各項光合指標，變化趨勢大致相同，為輪作處理指標高于重茬處理。由所得數(shù)據(jù)可知，重茬處理的凈光合速率比輪作處理低13%；蒸騰速率比輪作處理低26%；氣孔導(dǎo)度比輪作處理低13%；胞間CO2濃度比輪作處理低15%；輪作與重茬種植的甜菜葉片之間的各項光合指標相比均差異顯著(P<0.05)。重茬種植的甜菜的各項光合指標明顯低于輪作種植下甜菜的各項光合指標。重茬種植的甜菜葉片的光合作用以及呼吸作用要明顯弱于輪作種植的甜菜葉片。生長力越旺盛的葉片，光合以及呼吸作用越強，輪作種植的甜菜生長效果更好，而重茬種植的甜菜生長效果更差。

表2 輪作與重茬種植對甜菜收獲期甜菜收獲期葉片光合指標的差異影響Tab.2 The effect of crop rotation and continuous cropping on the difference in photosynthetic index of beet leaves during the harvest period

3 討論

連作會影響甜菜的正常生長發(fā)育，而輪作在一定情況下促進甜菜的生長 。重茬是作物、土壤、微生物等多種因素綜合作用的結(jié)果[26]。重茬破壞了土壤團粒結(jié)構(gòu)，易造成土壤板結(jié)，導(dǎo)致土壤的通透性變差，降低土壤養(yǎng)分的有效性，破壞作物的膜結(jié)構(gòu)，從而影響土壤中作物的正常生長。在本次試驗中，輪作處理以及重茬處理之間的差異較為顯著，重茬種植下的甜菜苗生長要明顯弱于輪作種植下的甜菜。連作會抑制作物的生長，因此，本試驗的研究結(jié)論表明與輪作相比重茬種植的甜菜株高、葉面積以及地上部鮮重明顯降低。根據(jù)前人的研究推測[27]，前茬的作物的根系會分泌一些物質(zhì)，使其殘留在土壤中；而新的甜菜苗根系的生長過程中，會被這些物質(zhì)所影響，從而影響甜菜地上部的正常生長。與此同時，隨著土壤中的微生物大量減少，土壤養(yǎng)分也會減少，而生長于其中的甜菜苗極大可能會生長不良，各項指標也會相對下降。重茬處理的鮮重，干重以及株高要明顯低于輪作處理。說明重茬種植甜菜會降低甜菜產(chǎn)量，而輪作種植甜菜，可以明顯增加甜菜的產(chǎn)量。這和前人的研究結(jié)果一致。如宋樹慧等[28]探究不同前茬對馬鈴薯病害發(fā)生和產(chǎn)量的影響表明,蠶豆茬馬鈴薯較連作四年馬鈴薯黑痣病，產(chǎn)量明顯增加；王長魁等[29]研究表明，通過豆科、禾本科作物與甜菜輪作倒茬種植，甜菜會增產(chǎn)。

作物在重茬中生長時, 細胞內(nèi)的自由基活動的平衡遭受到了破壞，活性氧會增加，重茬處理組與輪作處理組相比，相對電導(dǎo)率以及MDA的含量都較高，說明輪作土壤生長，能夠適當?shù)谋Ｗo細胞膜結(jié)構(gòu)，減少細胞膜的脂質(zhì)過氧化和胞內(nèi)溶質(zhì)的外滲。而甜菜的整個生長過程中，收獲期的相對電導(dǎo)率以及MDA含量要明顯低于甜菜的生長中期，說明隨著甜菜的成熟，甜菜內(nèi)部的各項功能逐漸完善，其對細胞膜的保護作用也在逐漸升高。綜合甜菜的干鮮重和株高來看，說明電導(dǎo)率以及MDA低的甜菜生長更好，這與薛建輝等研究的結(jié)論[30]，電導(dǎo)率越低，生長越好，細胞質(zhì)膜的透性越小相一致；與李美茹等的結(jié)論[31]，MDA越低，甜菜生長發(fā)育越好，并且甜菜的收獲期的生長狀態(tài)要明顯好于生長中期的狀態(tài)也一致。POD、SOD、APX、CAT和其他抗氧化物酶統(tǒng)稱為細胞內(nèi)的保護酶系統(tǒng)。試驗結(jié)果顯示，連作處理的酶活性明顯高于輪作處理的酶活性；甜菜生長中期的酶活性明顯低于甜菜收獲期的酶活性。說明甜菜在輪作生長時受到的抗氧化傷害較小，有效的抑制過氧化氫的積累。因此表明POD、SOD、APX和CAT酶活性低的時候甜菜生長的更好，而輪作的生長效果更好。這與M. Nazari等[32]的研究結(jié)論相一致?？扇苄蕴强梢源龠M作物光合以及呼吸作用的發(fā)生，是二者的能源物質(zhì)。而可溶性蛋白可以增強細胞的保水性，保護原生質(zhì)膜，調(diào)節(jié)滲透式。重茬處理的可溶性糖、可溶性蛋白含量和輪作處理的相比，有著明顯的升高。說明滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量越低越能促進甜菜的生長，這與前人大量的研究結(jié)果一致[33]。重茬處理和輪作處理相比，葉綠素含量明顯降低。葉綠素含量影響著光合作用，葉片中的葉綠素含量降低，從而導(dǎo)致葉片光合作用的能力下降，光合速率等指標也明顯下降。重茬種植的甜菜生長狀態(tài)和輪作相比明顯較差，葉綠素含量以及光合速率等也低于輪作種植處理。說明葉綠素以及光合速率等越高，甜菜生長狀態(tài)更好，這與張凈等人的研究結(jié)果相一致[34]。

輪作或重茬等不同土壤下種植對作物的生長發(fā)育的影響大不相同，重茬抑制甜菜的生長，降低甜菜的產(chǎn)量和質(zhì)量；而適當?shù)妮喿骺梢源龠M甜菜的生長。甜菜苗生長中期的生長狀態(tài)好于收獲期的生長狀態(tài)。重茬種植的甜菜葉片的質(zhì)膜透性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性等會增加，加大對葉片的損傷；同時降低葉片的各項生長指標、各葉綠素含量和各項光合指標等，抑制甜菜生長。

5 結(jié)論

綜上，本試驗結(jié)果表明，與玉米輪作的土壤下種植的甜菜要明顯好于重茬種植下的甜菜，重茬會抑制甜菜的生長。而適當?shù)妮喿?，在一定程度下可以增加甜菜的產(chǎn)量與質(zhì)量。