连作马铃薯冠层结构与物质积累的关系

刘拴成　马达灵　穆俊祥　曹兴明

摘要：作物冠层结构是与外界环境相互作用最直接的界面层，为了明确短期连作马铃薯冠层结构与物质积累量指标、产量的关系，以轮作马铃薯为对照，设置1年连作、2年连作2个处理，在马铃薯关键生育期调查株高、株幅、叶面积、分器官干质量及其产量。结果表明：轮作马铃薯的株高、叶面积指数明显高于1年连作和2年连作马铃薯;轮作状态下的单株叶片干质量、单穴块茎干质量、单株总干质量等物质积累量指标高于1年连作、2年连作状态;轮作状态下总产量、商品薯率均高于连作状态。马铃薯的株高、叶面积指数等冠层指标与物质积累量、产量呈显著正相关。

关键词：马铃薯;连作;冠层结构;物质积累量

中图分类号：S532.01文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2020）07-0107-04

马铃薯作为我国四大主粮作物之一，同时兼具蔬菜、饲料等功用。内蒙古自治区是我国马铃薯生产的主要省份，其中乌兰察布市享有“中国薯都”的称号，每年播种面积稳定在26.67万hm2左右，占全区马铃薯种植面积的40%[1]。由于土地资源的限制和适宜种植作物种类的单一，乌兰察布地区马铃薯连作栽培现象非常普遍，而科学研究证实长期的连作会造成马铃薯产量降低、品质下降、病虫害严重、生育状况变差等情况，这将严重限制着马铃薯产业健康、持续的发展。

前人对马铃薯连作研究已取得了一些成果，主要集中在连作后马铃薯形态与生理的变化、连作时间与土壤养分含量、微生态结构（包括生物与非生物）变化及各内部因素的相关性等方面[2-5];而对于连作栽培条件下马铃薯冠层结构与物质积累量的研究尚未见报道。

作物冠层结构是与外界环境相互作用最直接、最活跃的界面层，它不仅直接影响光合有效辐射的截获，而且通过水、热、气等微环境影响作物生理、生态功能，最终反映在群体的物质生产与产量上[6-7]。

因此，本研究以冠层结构为着眼点，通过对比连作与轮作环境下，马铃薯不同生育阶段的冠层结构特征、各器官干物质积累分配规律等指标，明确短期连作马铃薯冠层结构与物质积累量、产量形成的关系，探索连作障碍评价的新指标，以期为乌兰察布市马铃薯连作产生的原因和如何消除连作障碍现象奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验选用乌兰察布市当地主栽马铃薯品种后旗红原种，种植于集宁师范学院实训农场（113°08′N、41°03′E）。设置马铃薯轮作（CK）、1年连作（CP1）、2年连作（CP2） 3个处理，每个处理6次重复，3次重复用于取样测定，3次重复用于测产;种植密度为50  000株/hm2，基施纯氮 180 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。马铃薯于2017年5月10日播种，6月3日出苗，9月20日收获。

1.2 测定指标与方法

在马铃薯出苗后33 d（苗期）、48 d（块茎形成期）、63 d（块茎膨大期）、78 d（淀粉积累期）、93 d（成熟期）分别测定马铃薯单株叶面积、株高、株幅等形态指标[8]，计算叶面积指数;同时，取样分器官测定单株茎、单株叶片、单株根、单穴块茎等干质量。马铃薯成熟后按小区单收，块茎总鲜质量记为总产量;对块茎进行分级，单薯质量大于50 g为商品薯，小于50 g为非商品薯。商品薯率

=商品薯鲜质量/薯块总鲜质量×100%[8]。

1.3 数据分析

运用SPSS 22.0计算马铃薯冠层指标及干质量的平均值;同一时期的数据利用F检验进行单因素方差分析;冠层指标与物质积累量指标的关系采用泊松（Pearson）相关分析;利用Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 连作马铃薯冠层结构指标

对轮作（CK）、1年连作（CP1）、2年连作（CP2）处理的马铃薯冠层结构指标进行方差分析，结果（表1）显示，在苗期、块茎膨大期，CK、CP1、CP2间的株高、叶面积指数存在显著差异;在其他关键生育时期，连作对马铃薯的株高、株幅、叶面积指数等指标无显著影响。

就株高而言，CK、CP1、CP2均在块茎膨大期达到最大值，后期略有降低，块茎形成期到块茎膨大期，CK增加速率明显高于CP1、CP2;在苗期，CK为47.3 cm，明显高于CP1（38.3 cm）、CP2（40.8 cm），均达到极显著差异;在块茎膨大期，CK为74.2 cm，也高于CP1、CP2（表1、图1）。就株幅而言，各处理均在块茎膨大期达到最高值，CK、CP1、CP2分别为74.8、71.7、68.3 cm，后期均明显下降;在同一生育期，CK、CP1、CP2间的株幅无显著差异（表1、图2）。就叶面积指数而言，随着生育进程的推进，各处理呈先增后减的变化趋势，块茎膨大期达到最大值，CK、CP1、CP2分别为1.00、1.02、0.69。与CK相比，CP1处理在苗期、块茎形成期的叶面积指数显著低于对照，达到显著水平，其余各个时期差异不明显;CP2处理的叶面积指数在各个时期均显著低于对照（图3）。

2.2 连作马铃薯干物质积累情况

由表2可知，单株叶片干质量除成熟期外，其余各个时期在CK、CP1、CP2间均有显著差异，连作对马铃薯单株叶片干质量有明显影响;单穴块茎干质量在整个块茎期处理间均有显著差异;单株茎干质量和根干质量在整个生育期各处理间均无显著差异;单株总干质量除块茎形成期外，其余各个时期在各处理间均存在显著差异。

如表3所示，单株叶片干质量随着生育进程的推进呈现增加的趋势。在苗期，CK叶片干质量明显高于CP1、CP2;在块茎形成期、块茎膨大期、淀粉积累期，CK单株叶片干质量明显高于CP2，其中在块茎膨大期CK、CP1、CP2分别为24.4、22.4、15.2 g。CK、CP1、CP2处理的单株块茎干质量随生育期推进明显增大，而且CK明显高于CP2，其中在淀粉积累期， CK、 CP1、 CP2分别为65.7、54.9、40.9 g。因此，单株总干质量随着生育进程推进有明显增加的趋势，呈现“S”形增长规律，并且存在CK明顯高于CP2的现象，尤其在成熟期，CK单株总干质量为163.1 g，CP1为114.9 g，CP2仅为91.5 g（表3）。说明连作能够显著影响生育期内马铃薯的干物质积累。

从表3还可知，在苗期与块茎形成期，单株根、单株茎、单株叶片干质量增加迅速;在块茎膨大期后，植株的干物质分配方向发生改变，以块茎的干物质积累为主，受连作影响，在淀粉积累期CK和 CP1块茎干质量占整株干质量的57%，而CP2为53%。成熟期，CK处理约73%的干物质积累在块茎中;而CP2处理块茎的干物质积累约为60%。

2.3 连作马铃薯产量表现及其相关性分析

由图4可知，马铃薯轮作、1年连作、2年连作总产量分别为17.9、14.3、7.7 t/hm2，三者之间差异明显;轮作的商品薯率（88.0%）明显高于2年连作（75.7%），与1年连作（85.7%）差异不明显。由此可见，轮作马铃薯的商品薯产量远高于其1年连作、2年连作。

马铃薯冠层结构指标与单株各器官干质量、单株总干质量、总产量、商品薯率进行相关分析，结果显示，株高与单株茎、单株叶片、单株根、单穴块茎、单株总干质量以及总产量呈显著正相关，叶面积指数与单株叶片、单株根干质量、总产量、商品薯率密切相关;株幅仅与茎、叶干质量有明显相关（表4）。由此可见，冠层指标与地上部器官的物质积累量指标、总产量明显相关，可以把冠层指标株高、叶面积指数作为预测连作马铃薯产量的关键指标。

3 讨论与结论

连作障碍在一些主粮作物、蔬菜中普遍存在[9]，连作后马铃薯形态发生变化，随着连作年限延长，马铃薯株高呈降低趋势、单株主茎数减少、叶面积减小[10]。与本研究结果类似，轮作处理的株高、叶面积指数明显高于2年连作，但与1年连作状态下相比差异较小，说明连作对马铃薯冠层结构的影响是累积效应。

在物质积累方面，马铃薯的单株叶片、单穴块茎的干质量以及单株总干质量均整体表现出随着连作年限增加而下降的趋势，并且轮作显著高于2年连作;尤其单穴块茎干质量差异更加明显，从而奠定了总干物质差异的基础。因此，轮作的产量远高于1年连作、2年连作。这与刘星等关于1～5年连作马铃薯物质积累的研究结果[11]一致。

作物冠层结构影响着群体内光照、温度、二氧化碳浓度等的分布，进而影响到作物的生长发育和产量形成[7]。叶片是光合作用的主要器官，是形成产量最活跃的因素;光合产物的积累与群体光合面积（叶面积指数）密切联系[12]。本研究结果也表明，马铃薯的株高、叶面积指数与干物质积累量指标、总产量呈显著正相关。因此，大小合适的群体光合面积、合理的叶层结构是形成高产的基础。马铃薯连作后会出现植株变矮、叶面积变小的现象，因此所构建的冠层结构不合理，从而影响产量的形成。后继研究可通过栽培措施调控冠层结构，特别注意叶面积指数、光合势、光合生产率、收获指数和C/N的值等生理生化指标的合理调控，从而减轻连作障碍。

参考文献：

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[11]刘 星，张书乐，刘国锋，等. 连作对甘肃中部沿黄灌区马铃薯干物质积累和分配的影响[J]. 作物学报，2014，40（7）：1274-1285.

[12]门福义，刘梦芸. 马铃薯的群体结构与产量形成[J]. 内蒙古农牧学院学报，1982，1：77-92.