徐麗霞,董 雪,張艾英,郭二虎,孫 靚
(1.山西藥科職業(yè)學(xué)院 食品工程系,山西 太原 030031;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 谷子研究所,山西 長治 046011)
同一塊土地上連續(xù)數(shù)年種植同一農(nóng)作物叫連作,農(nóng)業(yè)上連作現(xiàn)象屢見不鮮。高粱、玉米、花生、馬鈴薯、黃瓜和西瓜等作物種植的過程中都有連作障礙問題,通常表現(xiàn)為葉片衰老加速,體內(nèi)抗氧化酶活性變化,光合作用效率降低,植物器官內(nèi)部構(gòu)造發(fā)生改變,最終使作物生長發(fā)育受阻、病害加重、產(chǎn)量減少[1-5]。
已有研究表明,不同作物輪作后,可以緩解連作障礙引起的作物病害加重和減產(chǎn)問題[6-10]。與馬鈴薯連作相比,油葵與馬鈴薯輪作后,光合速率和SOD活性增強(qiáng),超氧陰離子和MDA含量降低[10]。劉洪慶等[6]研究發(fā)現(xiàn),苜蓿和小麥輪作后,后茬小麥在灌漿期和成熟期的凈光合速率增加、產(chǎn)量提高。張順濤等[10]研究表明,油菜為一種良好的換茬作物,可明顯提高后茬作物小麥和水稻的產(chǎn)量。張明聰?shù)萚11]研究發(fā)現(xiàn),玉米和大豆輪作配合增氮減磷施肥措施,玉米相對(duì)葉綠素含量、光合速率和產(chǎn)量均增加。谷子常種植于我國北方的干旱和半干旱地區(qū),為山西省特色小雜糧作物,種植面積大,種植方式單一,連作現(xiàn)象屢見不鮮[12-13]。禾生指梗霉(Sclerosporagraminicola(Sac.)Schrot.)是引發(fā)連作谷子(SetariaitalicL.)白發(fā)病高發(fā)的致病菌[14]。有研究表明,隨著谷子連作年限的增加,土壤中可利用氮、磷、鉀含量減少;土壤中有益微生物豐度減少,黑粉菌等致病菌豐度增加[15-16]。妙佳源等[17]研究表明,谷子連作年限增加會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低及土壤中養(yǎng)分減少。李夏等[18]研究表明,連作谷子葉片脂質(zhì)過氧化物、葉綠素和可溶性蛋白含量增加;SOD和POD等保護(hù)性酶活性均下降。張麗娜等[19]研究發(fā)現(xiàn),連作抑制谷子葉片發(fā)育導(dǎo)致葉面積和葉面積指數(shù)降低,葉片葉綠素和氮素含量降低。不同作物輪作減緩谷子連作障礙的問題鮮有報(bào)道。尤其是谷子與其他作物輪作后對(duì)谷子光合與生理特性、產(chǎn)量形成以及感病情況的研究尚不多見。
本試驗(yàn)采用大田種植方式研究不同輪作模式對(duì)谷子不同生長發(fā)育時(shí)期生理生化指標(biāo)、光合特性、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的影響,旨在為建立谷子合理的輪作模式提供理論依據(jù)。
1.1 試驗(yàn)地概況
試驗(yàn)地位于山西省長治市山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所(東經(jīng)113°58′,北緯37°93′),該地區(qū)年平均氣溫10.2 ℃,年降雨量為503.0~522.0 mm。試驗(yàn)開始于2013年,試驗(yàn)開始前種植玉米。試驗(yàn)地堿裂解氮含量26.98 mg/kg、有效磷含量16.21 mg/kg、有效鉀含量95.60 mg/kg、有機(jī)質(zhì)含量17.63 g/kg。
1.2 試驗(yàn)材料
供試材料為長農(nóng)35谷子(SetariaitalicL.,Si)、鄭單958玉米(Zeamays,Zm)、中黃13大豆(Glycinemax,Gm)和晉薯16馬鈴薯(SolanumtuberosumL.,St)。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置谷子-玉米輪作(Si-Zm)、谷子-馬鈴薯-玉米輪作(Si-St-Zm)、谷子-玉米-大豆輪作(Si-Zm-Gm)和谷子-大豆-馬鈴薯輪作(Si-Gm-St)4種種植模式,同時(shí)以谷子連作(Si)作為對(duì)照(CK)。每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)面積為15 m2(5 m×3 m)。不同作物的種植密度為:谷子株距10 cm、行距20 cm;玉米株距35 cm、行距60 cm;大豆株距20 cm、行距40 cm;馬鈴薯株距25 cm、行距65 cm。各地塊每年秋季收獲后施入有機(jī)肥6 t/hm2,其中有機(jī)肥含水量為55%;有機(jī)質(zhì)、全氮、P2O5和K2O的含量分別為32.8,16.5,23.6,15.8 g/kg。春天整地時(shí)施用尿素、重過磷酸鈣和硫酸鉀,且CO(NH2)2、P2O5和K2O的含量分別為 150,150,30 kg/hm2;尿素每年按照總用量分2次施入,即整地時(shí)施用40%,播種60 d后追肥60%。
2019年,所有地塊都輪到種植谷子時(shí),分別于谷子苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期測(cè)定谷子生理指標(biāo)、光合特性和農(nóng)藝指標(biāo);于谷子收獲后測(cè)定谷子穗長、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。
1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法
1.4.1 酶活性、MDA和H2O2含量的測(cè)定 在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10株谷子,取谷子旗葉中上部,去掉主脈,將葉片剪碎,混合作為一個(gè)重復(fù)樣品。H2O2和MDA含量的測(cè)定分別采用Xie等[20]和Hao等[21]的方法進(jìn)行;SOD和POD的活性測(cè)定采用Hao等[21]的方法進(jìn)行;PPO活性的測(cè)定采用Sangeetha等[22]的方法進(jìn)行。
1.4.2 光合指標(biāo)的測(cè)定 選擇晴天9:00—11:00,分別用日產(chǎn)SPAD-520 Konica Minolta和美國產(chǎn)光合速率測(cè)定儀CIRAS-2(PPSYSTEMS)測(cè)定谷子旗葉葉綠素相對(duì)含量(SPAD)及胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr))和凈光合速率(Pn),每次選10株谷子進(jìn)行測(cè)定。
1.4.3 谷子收獲期農(nóng)藝指標(biāo)、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的統(tǒng)計(jì) 于谷子苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期用挖土法取樣,以1株谷子為中心,取樣范圍為 20 cm×20 cm,深度為 50 cm,數(shù)量為10株。取樣后先測(cè)量谷子株高和莖粗;隨后用水沖洗根系,晾干,采用數(shù)碼照相機(jī)拍攝根系圖片,用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)定根長和次生根數(shù);于谷子成熟期采收谷穗測(cè)定千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。谷子白發(fā)病發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)參照文獻(xiàn)[23]的方法進(jìn)行。
白發(fā)病發(fā)病率=病株數(shù)/調(diào)查總株數(shù)×100%
1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行樣品間差異顯著性分析;采用GraphPad Prsim軟件進(jìn)行繪圖。
2.1 不同輪作模式對(duì)谷子不同生育時(shí)期旗葉H2O2和MDA含量的影響
圖1結(jié)果顯示,與CK相比,苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期H2O2含量在Si-St-Zm處理下分別顯著減少11.92%,9.52%,8.09%,12.38%,8.04%,Si-Zm-Gm處理分別顯著較少11.84%,15.83%,14.71%,18.78%,16.45%,Si-Gm-St處理分別顯著減少13.47%,16.35%,12.30%,10.76%,11.99%(P<0.05);與CK相比,苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期和灌漿期MDA的含量在Si-Gm-St處理分別顯著減少22.47%,35.77%,47.29%,51.72%和57.14%(P<0.05)。可見,連作7 a后,谷子旗葉H2O2含量顯著增加,谷子旗葉產(chǎn)生了氧化損傷,MDA含量也顯著增加;不同作物輪作后均能不同程度減輕谷子連作障礙,尤其是Si-Gm-St輪作模式效果最佳。
不同小寫字母表示在0.05水平的差異顯著。圖2—4同。Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.The same as Fig.2—4.
2.2 不同輪作模式對(duì)谷子不同生育時(shí)期SOD、POD和PPO活性的影響
從圖2可以看出,苗期、抽穗期、灌漿期和成熟期Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St處理的SOD活性較CK和Si-Zm處理顯著增加(P<0.05);拔節(jié)期,4種輪作處理均較CK顯著增加(P<0.05);與CK相比,在Si-Gm-St輪作模式下,苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期SOD活性增幅均最高,分別為45.55%,40.90%,21.78%和18.49%。苗期和成熟期Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St處理的POD活性較CK和Si-Zm顯著增加(P<0.05);拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期均為4種輪作處理顯著高于CK(P<0.05);與CK相比,苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的POD活性均為Si-Gm-St增幅最大,分別為27.59%,41.55%,39.70%,38.47%和29.56%。苗期,Si-Gm-St處理較CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm處理的PPO活性分別顯著增加26.79%,19.33%,25.29%和22.77%(P<0.05),但這4個(gè)處理間差異不顯著;拔節(jié)期Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St處理的PPO活性均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St增幅最高,為64.71%;灌漿期和成熟期,Si-Gm-St處理較CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm處理分別顯著增加99.20%,67.00%,15.35%,35.14%和109.09%,74.48%,19.91%,33.51%(P<0.05)。比較4種不同輪作模式,Si-Gm-St處理后,3種酶的活性在谷子5個(gè)關(guān)鍵的生育期均顯著升高。
圖2 不同輪作模式對(duì)谷子旗葉抗氧化物酶的影響Fig.2 Effect of different rotation patterns on antioxidative enzyme activities of millet flag leaves
2.3 不同輪作模式對(duì)不同生育時(shí)期谷子旗葉光合指標(biāo)的影響
從圖3可以看出,苗期5個(gè)處理間的Ci差異不顯著;拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期Ci均為Si-Gm-St和Si-Zm-Gm處理較CK、Si-Zm和Si-St-Zm處理顯著增加(P<0.05);抽穗期、灌漿期和成熟期Si-Gm-St處理Ci增幅最大,分別較CK顯著增加6.55%,7.80%和3.81%(P<0.05);拔節(jié)期,Si-Zm-Gm處理Ci增幅最大,較CK顯著增加10.19%(P<0.05)。Gs在5個(gè)生育期均為4種輪作處理顯著高于CK(P<0.05),其中,Si-Gm-St處理增幅最高,在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別較CK顯著增加31.94%,54.22%,81.04%,101.43%和76.96%。Pn在苗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理分別較CK顯著增加35.74%,32.78%和39.85%(P<0.05);Si-Gm-St處理的Pn在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別較CK顯著增加202.73%,179.66%,181.35%和234.00%(P<0.05)。Tr在苗期Si-Gm-St處理較CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm處理分別顯著增加46.97%,32.88%,40.58%和36.62%(P<0.05);Tr在拔節(jié)期和抽穗期均為Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理較CK顯著增加(P<0.05);灌漿期和成熟期4種輪作處理均顯著高于CK(P<0.05);Tr在拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成穗期Si-Gm-St處理較CK分別顯著增加16.44%,23.12%,40.87%和45.42%(P<0.05)。SPAD在苗期、拔節(jié)期、灌漿期和成熟期4種輪作處理分別較CK顯著增加24.51%,56.60%,57.06%和66.16%(P<0.05);SPAD在抽穗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理下均顯著高于CK,其中Si-Gm-St增幅最大,為56.60%。綜合以上結(jié)果可知,Si-Gm-St輪作模式下Gs、Pn、Tr和SPAD在谷子5個(gè)關(guān)鍵時(shí)期均顯著增加;Si-Gm-St和Si-Zm-Gm輪作模式對(duì)谷子拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期光合效率的影響較大。
圖3 不同輪作模式對(duì)谷子旗葉光合指標(biāo)的影響Fig.3 Effect of different rotation patterns on photosynthetic parameters of millet flag leaves
2.4 不同輪作模式對(duì)谷子農(nóng)藝指標(biāo)和白發(fā)病發(fā)病率的影響
由圖4可知,谷子株高在苗期、灌漿期和成熟期均為Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理較CK顯著增加(P<0.05),在拔節(jié)期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-Zm處理均顯著高于CK(P<0.05),抽穗期4種輪作處理均顯著高于CK(P<0.05);與CK相比,谷子株高在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期均為Si-Gm-St處理增幅最大,增幅分別為30.48%,7.56%,11.69%,3.72%和3.72%。莖粗在苗期Si-Gm-St和Si-Zm-Gm處理均較CK顯著增加(P<0.05),在拔節(jié)期和抽穗期4種輪作處理均較CK增加,在灌漿期和成熟期,Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理均較CK顯著增加(P<0.05);莖粗在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期均為Si-Gm-St處理增幅最大,較CK分別增加30.50%,15.35%,11.15%,11.27%和13.04%。根長在苗期、拔節(jié)期和抽穗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理均較CK顯著增加(P<0.05),且Si-Gm-St處理增幅最大,分別為31.76%,12.90%和11.90%;灌漿期和成熟期4種輪作處理均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St處理增幅最大,分別為11.81%和8.53%。根分枝數(shù)在苗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm處理均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St處理增幅最大,為14.29%;拔節(jié)期4種輪作處理均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St處理增幅最大,為13.79%;抽穗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-Zm處理均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St增幅最大,為8.21%;灌漿期和成熟期Si-Gm-St和Si-Zm-Gm處理均較CK顯著增加(P<0.05),Si-Gm-St處理增幅最大,分別為8.44%和8.42%。
圖4 不同輪作模式對(duì)谷子旗葉農(nóng)藝指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of different rotation patterns on agronomic index of millet flag leaves
谷子穗長、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和發(fā)病率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示,穗長、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量均在Si-Gm-St處理下最高,在CK處理下最低;千粒質(zhì)量和產(chǎn)量在Si-Gm-St、Si-Zm-Gm、Si-St-Zm處理下分別較CK顯著增加17.09%,15.83%,30.36%,32.51%和10.58%,13.42%,27.49%,38.61%(P<0.05)。穗長在Si-Gm-St處理下較Si-Zm-Gm、Si-St-Zm、Si-Zm處理和CK分別顯著增加10.94%,7.82%,10.28%和14.90%(P<0.05)。白發(fā)病發(fā)病率在CK、Si-Zm、Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St處理下由高到低依次為15.33%,5.00%,4.33%,4.00%,3.00%。與Si-Gm-St相比,谷子連作處理(CK)下白發(fā)病發(fā)病率增加了12.33%。
表1 不同輪作模式對(duì)谷子收獲后穗長、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的影響Tab.1 Effect of different rotation patterns on ear length,1000-grain quality,millet yield and millet white disease incidence rate
由以上結(jié)果可見,連作明顯抑制了谷子的生長,輪作后可不同程度提高谷子株高、莖粗、根長和根分枝數(shù);明顯減少了谷子白發(fā)病發(fā)病率,提高了產(chǎn)量。
作物連作后,根際分泌物積累、土傳病蟲害傳播,破壞了土壤結(jié)構(gòu)、引起土壤微生態(tài)環(huán)境失衡,影響植物生理生化反應(yīng)和光合作用過程,抑制植物的生長,導(dǎo)致作物減產(chǎn)和發(fā)病率上升[5,15-16]。
本研究表明,與Si-Gm-St輪作模式相比,CK中谷子在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期和灌漿期旗葉H2O2和MDA含量均較輪作高,且顯著增加,這說明連作第7年谷子生長受到脅迫,不同的輪作模式均可不同程度緩解谷子連作障礙,MDA的檢測(cè)結(jié)果也說明了這一點(diǎn)。李夏等[18]對(duì)2~4 a連作谷子MDA含量的測(cè)定結(jié)果與本研究結(jié)果一致;Zhang等[24]研究表明,連作百合葉片中MDA含量增加、抗氧化物酶活性增加,這與本研究結(jié)果一致。前人研究表明,連作馬鈴薯幼葉中超氧陰離子積累導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化;葉片SOD活性降低;與油葵輪作后馬鈴薯葉片SOD活性升高,脂質(zhì)過氧化作用減輕,植株生長正常[9]。Liu等[4]研究表明,在連作西瓜的土壤中使用殺菌劑后提高了西瓜葉片SOD和POD的活性,有效減輕西瓜枯萎病的發(fā)生率。前茬輪作玉米后,黨參葉片葉綠素含量和SOD活性升高,MDA含量減少[25]。與蔥短期輪作結(jié)合棉隆熏蒸后,平邑甜茶株葉片中MDA含量顯著降低,根系SOD和POD的活性顯著增加[26]。以上研究結(jié)果表明,連作作為一種脅迫,會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生氧化損傷,適宜的輪作措施可有效緩解連作障礙帶來的氧化損傷。
此外,逆境下植物的光合作用也會(huì)被抑制。植物可以通過光合作用制造有機(jī)物,提供植物營養(yǎng)生長的養(yǎng)分需求和產(chǎn)量形成[27]。SPAD可以反映葉綠素的含量,Ci、Gs、Pn、Tr和SPAD與光合作用效率密切相關(guān),光合作用產(chǎn)物積累的多少又直接關(guān)系到作物生長和產(chǎn)量的形成。前人研究發(fā)現(xiàn),花生、黃瓜經(jīng)連作種植后,不同生長時(shí)期Pn和葉綠素含量較輪作顯著降低[3,5]。前人研究表明,連作第2年的不同芝麻品種均出現(xiàn)了減產(chǎn)[28];連作第2年的高粱株高、莖粗和單穗質(zhì)量均較第1年顯著減少[2];連作糜子的葉綠素含量和干物質(zhì)積累減少[29]。本研究也發(fā)現(xiàn),在谷子關(guān)鍵生育時(shí)期,在連作試驗(yàn)第7年,4種輪作方式下谷子旗葉Pn、Tr、Gs和SPAD均較CK顯著增加,Si-Gm-St輪作模式下谷子株高、莖粗、穗長、根長、根分枝數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均較CK顯著增加。劉洪慶等[6]研究表明,前茬苜蓿后茬輪作小麥后,小麥灌漿期和成熟期Pn增加,提高了光合作用產(chǎn)物的形成和積累,使小麥增產(chǎn)。另外,在與馬鈴薯和油葵輪作處理后,馬鈴薯葉片的Pn和SPAD均增加,消除了馬鈴薯的連作障礙[9]。花生實(shí)施輪作處理后,SPAD、Pn、產(chǎn)量、株高、綠葉數(shù)和單株果數(shù)均顯著增加[7]。相關(guān)研究表明,殺菌劑能緩解西瓜的連作障礙,莖粗和根長都較連作增加[4]。小麥-半夏輪作后,半夏產(chǎn)量和株高均顯著升高[30];小麥-胡麻輪作后,下茬小麥株高、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量與小麥連作相比均顯著增加[8]。在不同地域進(jìn)行油菜不同輪作模式均有效提高了后茬水稻的產(chǎn)量[11]。與蔥短期輪作結(jié)合棉隆熏蒸后,平邑甜茶株高和地徑均增加,葉片Pn、Tr、Gs、Ci均顯著增加[26];與小麥輪作后,當(dāng)歸株高、主莖粗、主根長顯著增加,發(fā)病率顯著減少,產(chǎn)量顯著增加[31]。本研究與前人研究結(jié)果較為一致,即4種輪作方式均在一定程度上緩解了谷子的連作障礙;Si-Zm輪作模式下谷子產(chǎn)量增加最少,感病率較高,這可能是因?yàn)檩喿髌贩N玉米和谷子均為禾本科植物,二者在生長發(fā)育時(shí)期、養(yǎng)分需求和病害類型上差異較小。Si-Gm-St輪作模式,尤其是與豆科作物輪作后,大豆顯著增加了土壤中氮的沉積和氮素的利用率[32],從而增加了谷子的產(chǎn)量。結(jié)合生理生化指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果,推測(cè)可能是長年連作谷子受到脅迫,導(dǎo)致MDA積累,植株衰老加速,光合作用效率降低。不同作物輪作可以明顯提高光合作用效率,增加作物產(chǎn)量。本研究表明,在Si-Gm-St輪作模式下,谷子旗葉抗氧化物酶和PPO活性增加,MDA含量和病害減少,光合作用效率提高;谷子產(chǎn)量最高、發(fā)病率最低。這可為緩解谷子連作障礙、優(yōu)化谷子種植模式提供科學(xué)依據(jù)。
本試驗(yàn)以谷子連作為對(duì)照,設(shè)計(jì)了谷子與不同作物輪作的種植模式,探究谷子與不同作物輪作后旗葉生理指標(biāo)、光合特性、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的變化,并重點(diǎn)探討了不同作物輪作對(duì)谷子光合作用指標(biāo)和產(chǎn)量的影響,但是對(duì)于谷子旗葉抗氧化物酶、PPO、光合指標(biāo)、產(chǎn)量和谷子白發(fā)病發(fā)病率之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步深入研究,以期為進(jìn)一步揭示谷子連作障礙機(jī)制提供參考。