不同轮作模式对谷子生理生化指标和产量的影响

徐丽霞，董 雪，张艾英，郭二虎，孙 靓

(1.山西药科职业学院 食品工程系，山西 太原 030031；2.山西农业大学 谷子研究所，山西 长治 046011)

同一块土地上连续数年种植同一农作物叫连作，农业上连作现象屡见不鲜。高粱、玉米、花生、马铃薯、黄瓜和西瓜等作物种植的过程中都有连作障碍问题，通常表现为叶片衰老加速，体内抗氧化酶活性变化，光合作用效率降低，植物器官内部构造发生改变，最终使作物生长发育受阻、病害加重、产量减少[1-5]。

已有研究表明，不同作物轮作后，可以缓解连作障碍引起的作物病害加重和减产问题[6-10]。与马铃薯连作相比，油葵与马铃薯轮作后，光合速率和SOD活性增强，超氧阴离子和MDA含量降低[10]。刘洪庆等[6]研究发现，苜蓿和小麦轮作后，后茬小麦在灌浆期和成熟期的净光合速率增加、产量提高。张顺涛等[10]研究表明，油菜为一种良好的换茬作物，可明显提高后茬作物小麦和水稻的产量。张明聪等[11]研究发现，玉米和大豆轮作配合增氮减磷施肥措施，玉米相对叶绿素含量、光合速率和产量均增加。谷子常种植于我国北方的干旱和半干旱地区，为山西省特色小杂粮作物，种植面积大，种植方式单一，连作现象屡见不鲜[12-13]。禾生指梗霉(Sclerosporagraminicola(Sac.)Schrot.)是引发连作谷子(SetariaitalicL.)白发病高发的致病菌[14]。有研究表明，随着谷子连作年限的增加，土壤中可利用氮、磷、钾含量减少；土壤中有益微生物丰度减少，黑粉菌等致病菌丰度增加[15-16]。妙佳源等[17]研究表明，谷子连作年限增加会导致产量降低及土壤中养分减少。李夏等[18]研究表明，连作谷子叶片脂质过氧化物、叶绿素和可溶性蛋白含量增加；SOD和POD等保护性酶活性均下降。张丽娜等[19]研究发现，连作抑制谷子叶片发育导致叶面积和叶面积指数降低，叶片叶绿素和氮素含量降低。不同作物轮作减缓谷子连作障碍的问题鲜有报道。尤其是谷子与其他作物轮作后对谷子光合与生理特性、产量形成以及感病情况的研究尚不多见。

本试验采用大田种植方式研究不同轮作模式对谷子不同生长发育时期生理生化指标、光合特性、农艺性状、产量和白发病发病率的影响，旨在为建立谷子合理的轮作模式提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省长治市山西农业大学谷子研究所(东经113°58′，北纬37°93′)，该地区年平均气温10.2 ℃，年降雨量为503.0～522.0 mm。试验开始于2013年，试验开始前种植玉米。试验地碱裂解氮含量26.98 mg/kg、有效磷含量16.21 mg/kg、有效钾含量95.60 mg/kg、有机质含量17.63 g/kg。

1.2 试验材料

供试材料为长农35谷子(SetariaitalicL.，Si)、郑单958玉米(Zeamays，Zm)、中黄13大豆(Glycinemax，Gm)和晋薯16马铃薯(SolanumtuberosumL.，St)。

1.3 试验设计

试验设置谷子-玉米轮作(Si-Zm)、谷子-马铃薯-玉米轮作(Si-St-Zm)、谷子-玉米-大豆轮作(Si-Zm-Gm)和谷子-大豆-马铃薯轮作(Si-Gm-St)4种种植模式，同时以谷子连作(Si)作为对照(CK)。每个处理3次重复，小区面积为15 m2(5 m×3 m)。不同作物的种植密度为：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；马铃薯株距25 cm、行距65 cm。各地块每年秋季收获后施入有机肥6 t/hm2，其中有机肥含水量为55%；有机质、全氮、P2O5和K2O的含量分别为32.8，16.5，23.6，15.8 g/kg。春天整地时施用尿素、重过磷酸钙和硫酸钾，且CO(NH2)2、P2O5和K2O的含量分别为 150，150，30 kg/hm2；尿素每年按照总用量分2次施入，即整地时施用40%，播种60 d后追肥60%。

2019年，所有地块都轮到种植谷子时，分别于谷子苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期测定谷子生理指标、光合特性和农艺指标；于谷子收获后测定谷子穗长、千粒质量和产量。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 酶活性、MDA和H2O2含量的测定 在每个小区内随机选取10株谷子，取谷子旗叶中上部，去掉主脉，将叶片剪碎，混合作为一个重复样品。H2O2和MDA含量的测定分别采用Xie等[20]和Hao等[21]的方法进行；SOD和POD的活性测定采用Hao等[21]的方法进行；PPO活性的测定采用Sangeetha等[22]的方法进行。

1.4.2 光合指标的测定 选择晴天9：00—11：00，分别用日产SPAD-520 Konica Minolta和美国产光合速率测定仪CIRAS-2(PPSYSTEMS)测定谷子旗叶叶绿素相对含量(SPAD)及胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr))和净光合速率(Pn)，每次选10株谷子进行测定。

1.4.3 谷子收获期农艺指标、产量和白发病发病率的统计 于谷子苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期用挖土法取样，以1株谷子为中心，取样范围为 20 cm×20 cm，深度为 50 cm，数量为10株。取样后先测量谷子株高和茎粗；随后用水冲洗根系，晾干，采用数码照相机拍摄根系图片，用WinRHIZO根系分析系统测定根长和次生根数；于谷子成熟期采收谷穗测定千粒质量和产量。谷子白发病发病率的统计参照文献[23]的方法进行。

白发病发病率=病株数/调查总株数×100%

1.5 数据统计分析

采用SPSS 18.0软件进行样品间差异显著性分析；采用GraphPad Prsim软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对谷子不同生育时期旗叶H2O2和MDA含量的影响

图1结果显示，与CK相比，苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期H2O2含量在Si-St-Zm处理下分别显著减少11.92%，9.52%，8.09%，12.38%，8.04%，Si-Zm-Gm处理分别显著较少11.84%，15.83%，14.71%，18.78%，16.45%，Si-Gm-St处理分别显著减少13.47%，16.35%，12.30%，10.76%，11.99%(P<0.05)；与CK相比，苗期、拔节期、抽穗期、成熟期和灌浆期MDA的含量在Si-Gm-St处理分别显著减少22.47%，35.77%，47.29%，51.72%和57.14%(P<0.05)。可见，连作7 a后，谷子旗叶H2O2含量显著增加，谷子旗叶产生了氧化损伤，MDA含量也显著增加；不同作物轮作后均能不同程度减轻谷子连作障碍，尤其是Si-Gm-St轮作模式效果最佳。

不同小写字母表示在0.05水平的差异显著。图2—4同。Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.The same as Fig.2—4.

2.2 不同轮作模式对谷子不同生育时期SOD、POD和PPO活性的影响

从图2可以看出，苗期、抽穗期、灌浆期和成熟期Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St处理的SOD活性较CK和Si-Zm处理显著增加(P<0.05)；拔节期，4种轮作处理均较CK显著增加(P<0.05)；与CK相比，在Si-Gm-St轮作模式下，苗期、拔节期、灌浆期和成熟期SOD活性增幅均最高，分别为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处理的POD活性较CK和Si-Zm显著增加(P<0.05)；拔节期、抽穗期和灌浆期均为4种轮作处理显著高于CK(P<0.05)；与CK相比，苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期的POD活性均为Si-Gm-St增幅最大，分别为27.59%，41.55%，39.70%，38.47%和29.56%。苗期，Si-Gm-St处理较CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm处理的PPO活性分别显著增加26.79%，19.33%，25.29%和22.77%(P<0.05)，但这4个处理间差异不显著；拔节期Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St处理的PPO活性均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St增幅最高，为64.71%；灌浆期和成熟期，Si-Gm-St处理较CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm处理分别显著增加99.20%，67.00%，15.35%，35.14%和109.09%，74.48%，19.91%，33.51%(P<0.05)。比较4种不同轮作模式，Si-Gm-St处理后，3种酶的活性在谷子5个关键的生育期均显著升高。

图2 不同轮作模式对谷子旗叶抗氧化物酶的影响Fig.2 Effect of different rotation patterns on antioxidative enzyme activities of millet flag leaves

2.3 不同轮作模式对不同生育时期谷子旗叶光合指标的影响

从图3可以看出，苗期5个处理间的Ci差异不显著；拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期Ci均为Si-Gm-St和Si-Zm-Gm处理较CK、Si-Zm和Si-St-Zm处理显著增加(P<0.05)；抽穗期、灌浆期和成熟期Si-Gm-St处理Ci增幅最大，分别较CK显著增加6.55%，7.80%和3.81%(P<0.05)；拔节期，Si-Zm-Gm处理Ci增幅最大，较CK显著增加10.19%(P<0.05)。Gs在5个生育期均为4种轮作处理显著高于CK(P<0.05)，其中，Si-Gm-St处理增幅最高，在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别较CK显著增加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处理分别较CK显著增加35.74%，32.78%和39.85%(P<0.05)；Si-Gm-St处理的Pn在拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别较CK显著增加202.73%，179.66%，181.35%和234.00%(P<0.05)。Tr在苗期Si-Gm-St处理较CK、Si-Zm、Si-St-Zm和Si-Zm-Gm处理分别显著增加46.97%，32.88%，40.58%和36.62%(P<0.05)；Tr在拔节期和抽穗期均为Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm处理较CK显著增加(P<0.05)；灌浆期和成熟期4种轮作处理均显著高于CK(P<0.05)；Tr在拔节期、抽穗期、灌浆期和成穗期Si-Gm-St处理较CK分别显著增加16.44%，23.12%，40.87%和45.42%(P<0.05)。SPAD在苗期、拔节期、灌浆期和成熟期4种轮作处理分别较CK显著增加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处理下均显著高于CK，其中Si-Gm-St增幅最大，为56.60%。综合以上结果可知，Si-Gm-St轮作模式下Gs、Pn、Tr和SPAD在谷子5个关键时期均显著增加；Si-Gm-St和Si-Zm-Gm轮作模式对谷子拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期光合效率的影响较大。

图3 不同轮作模式对谷子旗叶光合指标的影响Fig.3 Effect of different rotation patterns on photosynthetic parameters of millet flag leaves

2.4 不同轮作模式对谷子农艺指标和白发病发病率的影响

由图4可知，谷子株高在苗期、灌浆期和成熟期均为Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm处理较CK显著增加(P<0.05)，在拔节期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-Zm处理均显著高于CK(P<0.05)，抽穗期4种轮作处理均显著高于CK(P<0.05)；与CK相比，谷子株高在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期均为Si-Gm-St处理增幅最大，增幅分别为30.48%，7.56%，11.69%，3.72%和3.72%。茎粗在苗期Si-Gm-St和Si-Zm-Gm处理均较CK显著增加(P<0.05)，在拔节期和抽穗期4种轮作处理均较CK增加，在灌浆期和成熟期，Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm处理均较CK显著增加(P<0.05)；茎粗在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期均为Si-Gm-St处理增幅最大，较CK分别增加30.50%，15.35%，11.15%，11.27%和13.04%。根长在苗期、拔节期和抽穗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm处理均较CK显著增加(P<0.05)，且Si-Gm-St处理增幅最大，分别为31.76%，12.90%和11.90%；灌浆期和成熟期4种轮作处理均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St处理增幅最大，分别为11.81%和8.53%。根分枝数在苗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-St-Zm处理均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St处理增幅最大，为14.29%；拔节期4种轮作处理均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St处理增幅最大，为13.79%；抽穗期Si-Gm-St、Si-Zm-Gm和Si-Zm处理均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St增幅最大，为8.21%；灌浆期和成熟期Si-Gm-St和Si-Zm-Gm处理均较CK显著增加(P<0.05)，Si-Gm-St处理增幅最大，分别为8.44%和8.42%。

图4 不同轮作模式对谷子旗叶农艺指标的影响Fig.4 Effect of different rotation patterns on agronomic index of millet flag leaves

谷子穗长、千粒质量、产量和发病率的统计结果如表1所示，穗长、千粒质量、产量均在Si-Gm-St处理下最高，在CK处理下最低；千粒质量和产量在Si-Gm-St、Si-Zm-Gm、Si-St-Zm处理下分别较CK显著增加17.09%，15.83%，30.36%，32.51%和10.58%，13.42%，27.49%，38.61%(P<0.05)。穗长在Si-Gm-St处理下较Si-Zm-Gm、Si-St-Zm、Si-Zm处理和CK分别显著增加10.94%，7.82%，10.28%和14.90%(P<0.05)。白发病发病率在CK、Si-Zm、Si-St-Zm、Si-Zm-Gm和Si-Gm-St处理下由高到低依次为15.33%，5.00%，4.33%，4.00%，3.00%。与Si-Gm-St相比，谷子连作处理(CK)下白发病发病率增加了12.33%。

表1 不同轮作模式对谷子收获后穗长、千粒质量、产量和白发病发病率的影响Tab.1 Effect of different rotation patterns on ear length,1000-grain quality,millet yield and millet white disease incidence rate

由以上结果可见，连作明显抑制了谷子的生长，轮作后可不同程度提高谷子株高、茎粗、根长和根分枝数；明显减少了谷子白发病发病率，提高了产量。

3 结论与讨论

作物连作后，根际分泌物积累、土传病虫害传播，破坏了土壤结构、引起土壤微生态环境失衡，影响植物生理生化反应和光合作用过程，抑制植物的生长，导致作物减产和发病率上升[5，15-16]。

本研究表明，与Si-Gm-St轮作模式相比，CK中谷子在苗期、拔节期、抽穗期、成熟期和灌浆期旗叶H2O2和MDA含量均较轮作高，且显著增加，这说明连作第7年谷子生长受到胁迫，不同的轮作模式均可不同程度缓解谷子连作障碍，MDA的检测结果也说明了这一点。李夏等[18]对2～4 a连作谷子MDA含量的测定结果与本研究结果一致；Zhang等[24]研究表明，连作百合叶片中MDA含量增加、抗氧化物酶活性增加，这与本研究结果一致。前人研究表明，连作马铃薯幼叶中超氧阴离子积累导致脂质过氧化；叶片SOD活性降低；与油葵轮作后马铃薯叶片SOD活性升高，脂质过氧化作用减轻，植株生长正常[9]。Liu等[4]研究表明，在连作西瓜的土壤中使用杀菌剂后提高了西瓜叶片SOD和POD的活性，有效减轻西瓜枯萎病的发生率。前茬轮作玉米后，党参叶片叶绿素含量和SOD活性升高，MDA含量减少[25]。与葱短期轮作结合棉隆熏蒸后，平邑甜茶株叶片中MDA含量显著降低，根系SOD和POD的活性显著增加[26]。以上研究结果表明，连作作为一种胁迫，会对植物产生氧化损伤，适宜的轮作措施可有效缓解连作障碍带来的氧化损伤。

此外，逆境下植物的光合作用也会被抑制。植物可以通过光合作用制造有机物，提供植物营养生长的养分需求和产量形成[27]。SPAD可以反映叶绿素的含量，Ci、Gs、Pn、Tr和SPAD与光合作用效率密切相关，光合作用产物积累的多少又直接关系到作物生长和产量的形成。前人研究发现，花生、黄瓜经连作种植后，不同生长时期Pn和叶绿素含量较轮作显著降低[3，5]。前人研究表明，连作第2年的不同芝麻品种均出现了减产[28]；连作第2年的高粱株高、茎粗和单穗质量均较第1年显著减少[2]；连作糜子的叶绿素含量和干物质积累减少[29]。本研究也发现，在谷子关键生育时期，在连作试验第7年，4种轮作方式下谷子旗叶Pn、Tr、Gs和SPAD均较CK显著增加，Si-Gm-St轮作模式下谷子株高、茎粗、穗长、根长、根分枝数、千粒质量和产量均较CK显著增加。刘洪庆等[6]研究表明，前茬苜蓿后茬轮作小麦后，小麦灌浆期和成熟期Pn增加，提高了光合作用产物的形成和积累，使小麦增产。另外，在与马铃薯和油葵轮作处理后，马铃薯叶片的Pn和SPAD均增加，消除了马铃薯的连作障碍[9]。花生实施轮作处理后，SPAD、Pn、产量、株高、绿叶数和单株果数均显著增加[7]。相关研究表明，杀菌剂能缓解西瓜的连作障碍，茎粗和根长都较连作增加[4]。小麦-半夏轮作后，半夏产量和株高均显著升高[30]；小麦-胡麻轮作后，下茬小麦株高、千粒质量和产量与小麦连作相比均显著增加[8]。在不同地域进行油菜不同轮作模式均有效提高了后茬水稻的产量[11]。与葱短期轮作结合棉隆熏蒸后，平邑甜茶株高和地径均增加，叶片Pn、Tr、Gs、Ci均显著增加[26]；与小麦轮作后，当归株高、主茎粗、主根长显著增加，发病率显著减少，产量显著增加[31]。本研究与前人研究结果较为一致，即4种轮作方式均在一定程度上缓解了谷子的连作障碍；Si-Zm轮作模式下谷子产量增加最少，感病率较高，这可能是因为轮作品种玉米和谷子均为禾本科植物，二者在生长发育时期、养分需求和病害类型上差异较小。Si-Gm-St轮作模式，尤其是与豆科作物轮作后，大豆显著增加了土壤中氮的沉积和氮素的利用率[32]，从而增加了谷子的产量。结合生理生化指标的检测结果，推测可能是长年连作谷子受到胁迫，导致MDA积累，植株衰老加速，光合作用效率降低。不同作物轮作可以明显提高光合作用效率，增加作物产量。本研究表明，在Si-Gm-St轮作模式下，谷子旗叶抗氧化物酶和PPO活性增加，MDA含量和病害减少，光合作用效率提高；谷子产量最高、发病率最低。这可为缓解谷子连作障碍、优化谷子种植模式提供科学依据。

本试验以谷子连作为对照，设计了谷子与不同作物轮作的种植模式，探究谷子与不同作物轮作后旗叶生理指标、光合特性、农艺性状、产量和白发病发病率的变化，并重点探讨了不同作物轮作对谷子光合作用指标和产量的影响，但是对于谷子旗叶抗氧化物酶、PPO、光合指标、产量和谷子白发病发病率之间的关系还有待于进一步深入研究，以期为进一步揭示谷子连作障碍机制提供参考。