连作棉田轮作苜蓿、小麦后对棉花光合能力和根系生长的影响

魏飞 孙新展 刘建国

摘要：新疆棉花连作现象普遍，连作障碍严重，通过轮作调节农田生态环境、缓解棉花连作障碍对实现新疆棉花生产的可持续发展具有重要意义。基于棉花长期连作30年棉田土壤，设置连作棉花（CK）、轮作苜蓿2年后种植棉花（AC）及轮作小麦2年后种植棉花（WC）3个处理的根箱试验，研究这2种轮作模式对连作棉花地下部根系发育与地上部植株生长及叶片光合能力的影响，揭示轮作对连作棉花障碍的改善效果。结果表明，与对照相比，轮作小麦、苜蓿处理的棉花根长、根干质量和比表面积增加（增幅为6.90%～43.30%），且WC处理的增幅大于AC处理。根系条件的改善促进了地上部植株的生长与叶片光合能力。与对照相比，轮作小麦、苜蓿后棉花的叶绿素含量、净光合速率和单株质量增加（增幅为4.83%～40.49%），且WC处理的增幅大于AC处理。在新疆长期连作棉田轮作小麦和苜蓿，可发挥轮作增加植物多样性、改良土壤生态环境的效果，促进棉花根系发育，提高棉花叶片光合生产能力和生物量。轮作小麦对棉花生长的促进效果优于轮作苜蓿，可作為当地缓解棉花连作障碍的较佳种植方式。

关键词：棉花;连作障碍;轮作;光合能力;根系生长

中图分类号： S562.04;S344.1+3  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0126-03

棉花栽培近30年来在新疆得到了长足发展，已成为全国的优势产区，且棉花在新疆占有较大种植比例[1-2]。随着棉花种植年限的增加，连作障碍问题日益严重，个别地区连作年限长达20年以上，导致棉花病虫害持续加重，土壤环境恶化等问题越来越严重[3-4]。改变种植模式是改善连作问题的可行方式。研究表明，轮作有助于提高作物产量，并能改良土壤环境，维持良好的土壤质量[5]，且可通过改变连作作物的生理、代谢机制来使其适应环境的变化[6-7]。吕毅等在连作25年以上的苹果园土壤中轮作小葱后，土壤有机质含量明显增加，细菌种群数量增多，而真菌种群数量减少，土壤中的酚酸含量大幅降低[7]。马铃薯-豆科植物轮作能提高马铃薯连作田土壤的有效氮、有效磷含量，使连作田土壤的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均显著提高，并对防止马铃薯连作田土壤盐渍化有显著的效果[8]。轮作后，作物根系对土壤变化作出生理反应，以适应新的环境，土壤环境的改善为根系发育及其对水肥的吸收利用提供了条件，并进一步促进地上部生长。王惠珍等研究表明，当归轮作后蒸腾速率提高，光合速率高于连作[9]。轮作油葵能显著提高连作马铃薯叶片叶绿素相对含量、净光合速率，进而促进马铃薯植株正常生长[10]。因此，选择正确的作物进行合理的轮作、间作和套作，可以有效地改善土壤理化性状和微生态环境，达到提高作物产量的目的，缓解连作障碍的影响。

棉花长期连作对土壤理化性状、土壤微生物活性及土壤微生物多样性的不良影响已有大量报道[3-4，11-12]，但针对棉花连作问题，通过改变种植模式来缓解连作障碍的相关研究报道不多。因此，本研究基于棉花长期连作定位试验，研究不同轮作模式下棉花叶片光合特性和根系形态特征，探讨轮作不同作物对棉花生长的影响，揭示轮作种植缓解棉花连作障碍的机制，以期为配置合理的棉花轮连作模式以及促进新疆棉花生长的可持续发展提供理论依据，提高通过合理种植制度进行土壤生物修复的可能性。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2017年在石河子大学农学院教学试验站进行，采用根箱法进行试验，试验用土壤取自石河子大学农学院试验站棉花长期连（轮）作定位试验田，将除去地膜、石块等杂质并风干后的土壤过筛装入根箱，根箱大小为60 cm×50 cm×6 cm，每箱装土质量相同。试验设棉花连作30年土壤轮作苜蓿2年后再种植棉花（AC）、棉花连作30年土壤轮作小麦2年后再种植棉花（WC）及棉花连作30年（CK，对照）处理，每个处理重复5次。棉花品种为新陆早45号，每箱种植3株棉花，株距为20 cm。4月25日播种，按时称质量加水，使土壤含水量保持一致，出苗80 d后采收，分析地上部植株性状及地下部根系发育状况。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 叶面积的测定 使用直尺测定叶片长度和宽度，采用长宽系数法计算棉花叶面积。

1.2.2 株高的测定 使用卷尺测定棉花株高。

1.2.3 单株质量与根干质量的测定 分地上部与地下部取样后，分别烘干得到地上部干质量与地下部干质量。

单株质量=地上部干质量+地下部干质量;根干质量=地下部干质量。

1.2.4 叶绿素含量的测定 功能叶叶绿素相对含量（SPAD值）使用便携式相对叶绿素含量测定仪进行测定。

1.2.5 光合指标的测定 功能叶光合速率用Li-6400便携式光合仪测定，选择晴朗天气的11：00测定净光合作用速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）等。

1.2.6 根系指标 棉花生长80 d后，剪除地上部分，从根箱中收集完整根系，用清水小心冲洗干净并无重叠地置于装有清水的透明树脂塑料盘内，用EPSON扫描仪双面光源扫描根系，扫描图片用WinRHIZO根系分析系统分析根系各参数，包括根长度、根表面积、根体积等。每个处理重复5次。

1.3 数据处理

数据使用SPSS、Excel软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对棉花功能叶及单株生长指标的影响

从表1可以看出，与CK相比，2种轮作处理的棉花功能叶叶面积及相对叶绿素含量均增加，其中小麦轮作后的棉花叶面积显著增加，增幅为21.30%，苜蓿轮作后的棉花叶面积增幅为6.10%，但差异不显著;小麦轮作后的棉花相对叶绿素含量增幅为18.02%，苜蓿轮作后的棉花相对叶绿素含量增幅为9.24%，处理间差异显著。小麦轮作后的棉花单株质量与对照相比显著增加40.49%，苜蓿轮作后的棉花单株质量与对照相比增加15.74%。与对照相比，轮作小麦处理的棉花株高显著增加22.07%，轮作苜蓿处理的棉花株高显著增加12.13%。可见在不同轮作方式处理下，小麦轮作处理的棉花有较大的功能叶叶面积、株高、相对叶绿素含量及单株质量。

2.2 不同种植模式下棉花光合指标的变化

由表2可知，在不同种植模式下，2种轮作处理的棉花净光合速率高于对照，其中小麦轮作后的棉花净光合速率显著提高11.92%，苜蓿轮作后的棉花净光合速率提高4.83%，差异不显著。2种轮作模式处理的棉花叶片气孔导度均增加，轮作小麦后的棉花叶片气孔导度显著增加33.33%，轮作苜蓿后的增幅为5.13%。小麦轮作处理的棉花叶片胞间CO2浓度与对照相比显著增加，蒸腾速率也增加但差异不显著;苜蓿轮作处理的棉花叶片胞间CO2浓度和蒸腾速率均下降，但与对照差异不显著。可见2种轮作模式处理的棉花光合指标都受到影响，其中轮作小麦处理对棉花光合性能的影响大于轮作苜蓿处理。

2.3 不同种植模式下棉花生物量和根系生长指标的变化

从表3可以看出，在不同种植模式下，小麦轮作后的棉花根长和根干质量分别比对照显著增加43.30%、29.31%;苜蓿轮作后的棉花根长和根干质量分别比对照增加7.55%、 6.90%，均无显著差异，表明轮作后棉花根系对土壤变化有应答，且轮作小麦处理的土壤变化显著。2种轮作模式下的棉花根冠比与对照相比均下降，其中，小麦轮作处理下降8.54%，苜蓿轮作处理下降 7.04%。轮作小麦后的棉花比根长和比表面积与对照相比分别显著增加10.91%、9.51%;轮作苜蓿后的棉花比根长和比表面积与对照相比分别增加0.44%、8.61%。表明不同作物轮作后棉花根系从形态等方面对土壤作出不同反应，以适应土壤环境的改变。

3 讨论与结论

3.1 讨论

轮作能协调作物与土壤之间的关系，改善土壤生理生化性状以及根际微生态环境，促进作物增收，是防治作物发生连作障碍的有效途径之一[13]。与荞麦连作相比，轮作谷子和芸豆土壤超氧化物歧化酶（SOD）清除活性氧代谢产物的能力显著提高，叶绿素和可溶性蛋白质的降解速度减缓，有助于延缓荞麦叶片的衰老速度，使其维持较高水平的生理功能，提高光合性能，促进籽粒的灌浆成熟，从而保证籽粒产量[14]。连作5年的高粱轮作苜蓿后明显促进了高粱地上部及根系生长，显著促进了深层根系的生长，最终提高高粱产量[15]。本研究中，2种轮作方式处理的棉花地上部植株的发育明显优于连作棉花，叶面积、叶绿素含量和净光合速率均大于对照，且地下部根系根长、根干质量、比表面积和比根长均表现为轮作大于连作，此结果与上述研究结论[15]一致。

轮作增加了植物多样性，对土壤生态环境产生正面影响，同时由于作物残体和根系分泌物的不同，对土壤质量的影响不同。玉米植株残体可促进大豆生长发育，使大豆叶面积和生物量得到明显提高[16];棉花分别与小麦、玉米、谷子和高粱同穴互作改善了育苗土壤微生物数量和结构，提高了棉花根系活力、叶片可溶性糖含量和三磷酸腺苷（ATP）含量，促进了棉苗生长，降低了棉花化感自毒物质的积累量[17]。不同轮作作物对养分的吸收利用不同，对土壤理化性质的改变存在差异，进而对连作土壤的生物修复效果不同。轮作小麦、小葱能够显著增加连作苹果园土壤有机质含量，降低土壤中酚酸类物质总量，而轮作马铃薯使土壤有机质含量较对照降低，但显著增加土壤速效氮含量，综合效果表明，轮作小葱较轮作小麦、马铃薯、花生能显著增加平邑甜茶幼苗植株根系活力，增强植株根系代谢能力，促进植株生长，提高抗逆性，更有利于减轻苹果连作障碍[7]。王劲松等的研究结果显示，轮作苜蓿比轮作葱更能改善高粱根际土壤环境，提高土壤微生物活性和酶活性，控制高粱连作障碍，提高高粱产量[15]。本研究结果显示，轮作小麦和苜蓿对连作棉花生长的影响不同，轮作小麦后棉花地上部生物量、叶绿素含量、单叶净光合速率以及地下部根长、根干质量、比表面积等指标均高于轮作苜蓿，从轮作防控棉花连作障碍角度看，轮作小麦更有利于缓解棉花的连作障碍。

轮作、间作和套作是我国传统农业种植模式的重要组成部分，在生产中被广泛应用。但在以往这方面的研究应用中只注重植株形态结构的搭配和养分利用的互补，而忽视了轮作作物的化感特性导致的土壤有害物质积累、土壤-植物根际环境恶化，而这种现象发生的主要原因是前茬作物构成，选择种植有益的伴生作物，进行合理的轮作，可以改善土壤微生态环境，缓解作物连作障碍，是通过合理种植制度进行土壤生物修复，探究克服连作障碍的一个新视角，是一项可持续发展的生态措施。

3.2 结论

研究结果表明，在长期连作的棉田短期轮作小麦、苜蓿可改善棉田土壤环境，促进棉花根系生长发育，提高棉花的光合速率并促进棉花地上部及根系生长;轮作小麦与苜蓿对棉花生长的影响不同，轮作小麦对连作棉花地上部及根系生长的促进效应优于轮作苜蓿。因此，轮作小麦和轮作苜蓿短期内能够缓解棉花长期连作带来的连作障碍问题，但轮作小麦和苜蓿减缓棉花连作障碍的生物学机制尚待进一步研究。

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