吳國麗，魏飛，劉建國，王超凡，馬子豪，馬怡茹

（石河子大學(xué)/ 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子832003）

作物連作障礙是困擾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜問題，其形成機(jī)理與防治長期以來一直得到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。 新疆是我國重要的棉花生產(chǎn)地區(qū)，雖然棉花是耐連作的作物，但大面積長時間連作仍然導(dǎo)致了嚴(yán)重的連作障礙[1-2]。多年棉花連作改變了土壤的理化性質(zhì)，使土壤有益微生物減少、有害微生物增加，導(dǎo)致土傳病害加重，產(chǎn)量、品質(zhì)下降，這嚴(yán)重影響了新疆棉花可持續(xù)發(fā)展[3-5]。緩解棉花的連作障礙已經(jīng)成為棉花在新疆綠洲長期種植的重要問題；因此，改革耕作制度，探索綠色健康種植模式對緩解棉花連作障礙具有現(xiàn)實意義。

不同作物連作障礙發(fā)生的原因差別很大，但主要來自土壤。 作物長期連作造成連作障礙主要是影響土壤環(huán)境，而根系的生長和代謝活性變化是對土壤環(huán)境變化的最直接反應(yīng)[6-8]。有關(guān)間作、輪作對根際微生態(tài)的影響及其對連作障礙影響方面的研究表明：與連作5年高粱相比，連作3年高粱再與苜蓿、蔥輪作可明顯促進(jìn)下茬高粱總根長、 根總表面積及根體積[9]；馬鈴薯的輪作較連作顯著提高了塊莖產(chǎn)量、植株生物量及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力，連作馬鈴薯根際真菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化[10]；馬志鵬等[11]研究表明玉米、大豆間作模式較玉米單作模式在根量、根系表面積、根系體積和根長均有提高，故玉米、大豆間作能改善根系特征，提高土壤有機(jī)質(zhì)及土壤抗腐蝕性；小麥與蠶豆間作改變了蠶豆根際的微生態(tài)環(huán)境，使根際土壤朝著健康方向轉(zhuǎn)化，最終緩解了蠶豆連作障礙的不良影響[7]。 加強(qiáng)綠色調(diào)控技術(shù)研發(fā)，配置合理的間作和輪作模式, 利用生物多樣性調(diào)控根際土壤環(huán)境，達(dá)到緩解棉花連作障礙的目標(biāo)，為新疆綠洲棉花生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、生態(tài)和安全提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016—2017年在新疆石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站（86°03′E，45°19′N）長期連作試驗田，試驗站海拔404 m，年日照時間超過2 700 h，無霜期在170 d 左右，大于10 ℃的活動積溫在3 650 ℃，年平均氣溫7 ℃，年降水量在205 mm，為溫帶大陸性氣候，降水量少，光熱資源充足，是典型的綠洲灌溉農(nóng)田。供試土壤為棉花連作30年土壤，土壤質(zhì)地為壤土，土壤pH 7.56，堿解氮含量119.08 mg·kg—1，有效磷含量20.1 mg·kg—1，有效鉀含量72.6 mg·kg—1。

1.2 試驗設(shè)計

土壤取自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站棉花長期連作定位試驗田，試驗材料選擇連作30年的棉田，共設(shè)5 個處理（見表1），每處理重復(fù)9 次。

表1 試驗設(shè)計

1.3 試驗方法

采用根箱法，根箱尺寸設(shè)計為：寬60 cm、高50 cm、厚15cm，一面為透明塑料板，便于觀察根系，每個根箱裝等質(zhì)量土壤。 每箱種植3 株棉花，株距15 cm，棉花間作孜然和間作洋蔥處理在2 株棉花之間種植洋蔥、孜然，種植比例為3∶2。 根箱種植后透明塑料面向下傾斜30°放置，有利于根系往透明塑料板方向生長，便于觀察取樣。 采用的棉花品種為新陸早45 號，于4月25日播種，在棉花花鈴期打開根箱，用噴壺沖刷根系取樣，每處理取5 箱（15 株棉花）根系樣品分析棉花根系生長特征，4 箱（12 株棉花）根系樣品測定生理活性。

1.3 測試項目及方法

1.3.1根系生長指標(biāo)。在棉花苗期、蕾期和花鈴期打開根箱側(cè)板用數(shù)碼相機(jī)拍照、獲取不同生育期根系生長圖片； 在棉花花鈴期采集不同處理的根系，根系采集后用清水洗凈，使用掃描儀掃描根系圖片，使用WinRHIZO 軟件處理圖片獲得根系指標(biāo)：根長度、根體積、根表面積。

1.3.2根系生理指標(biāo)測定。根系活力采用TTC（氯化三苯基四氮唑）還原法測定，根系SOD（超氧化物歧化酶）活性測定采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，根系POD（過氧化物酶）活性使用愈創(chuàng)木酚法測定，根系CAT（過氧化氫酶）活性測定采用高錳酸鉀滴定法，根系可溶性蛋白含量采用考馬斯亮蘭法進(jìn)行測定，根系MDA（丙二醛）含量測定采用硫代巴比妥酸比色法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對棉花根長的影響

由圖1 可見，在棉花苗期，與對照相比，間作孜然和輪作小麥處理的棉花根長分別增加139.2%和150.4%，且差異顯著；間作洋蔥和輪作苜蓿處理分別增加57.8%和降低22.9%，但差異不顯著。 在棉花蕾期，間作洋蔥、輪作小麥和輪作苜蓿處理的棉花根長顯著大于對照處理，分別增加285.32%、124.4%和62.5%；間作孜然處理的根長度也大于對照（增加31.3%），但差異不顯著。 在棉花花鈴期，與對照相比，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根長度均有所增加，增幅分別為242.5%、7.5%、43.3%和103.6%，其中，間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根長與對照相比達(dá)顯著水平（P＜0.05）。 在蕾期和花鈴期不同處理對棉花根長的影響均表現(xiàn)為： 間作洋蔥＞輪作小麥＞輪作苜蓿＞間作孜然。

圖1 不同種植模式對棉花根長的影響

2.2 不同種植模式對棉花根表面積的影響

圖2 不同種植模式對棉花不同時期根表面積的影響

不同處理對棉花根表面積的影響見圖2。 在棉花苗期，間作洋蔥、間作孜然和輪作小麥處理的根表面積顯著大于對照，分別增加199.5%、127.8%和140.1%；輪作苜蓿處理的根表面積低于對照處理（下降20.2%），但差異不顯著。在棉花蕾期，間作洋蔥和輪作小麥處理的根表面積顯著大于對照，增幅分別為188.8%和86.3%，間作孜然和輪作苜蓿處理的根表面積分別比對照增加22.9%和31.6%，但差異不顯著。在棉花花鈴期，與對照相比，間作洋蔥、間作孜然、 輪作苜蓿和輪作小麥處理的根表面積分別增加242.5%、41.6%、63.3%和164.6%，其中間作洋蔥和輪作小麥處理與對照相比差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2.3 不同種植模式對棉花根體積的影響

由圖3 可見，隨著生育期的推進(jìn)不同處理棉花根體積逐漸增加。在棉花苗期，間作孜然、間作洋蔥和輪作小麥處理的根體積顯著大于棉花連作處理，分別增加112.4%、121.8%和129.5%。 在棉花蕾期，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根體積分別比棉花對照增加216.9%、7.6%、49.2%和118.4%，其中間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理與對照差異顯著（P＜0.05）。 在棉花花鈴期，與對照相比，間作洋蔥、間作孜然、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根體積均增加，增幅分別為236.5%、73.6%、11.6%和42.5%，其中間作洋蔥處理與對照差異顯著。

圖3 不同種植模式對棉花根體積的影響

棉花根體積增長速率（比較同時段根體積增加量） 在不同生育階段均表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作苜蓿＞輪作小麥＞棉花連作＞間作孜然，苗期到蕾期根體積增長量分別是2.11 cm3·d—1、1.08 cm3·d—1、0.95 cm3·d—1和0.47 cm3·d—1，蕾期到花鈴期的增長量分別為8.68 cm3·d—1、5.12 cm3·d—1、2.73 cm3·d—1和2.38 cm3·d—1。

2.4 不同種植模式對棉花根系活力及抗氧化保護(hù)酶活性的影響

圖4 不同種植模式對棉花（鮮物質(zhì)質(zhì)量）根系活力、SOD、POD 和CAT 活性的影響

不同處理對棉花根系活力及抗氧化保護(hù)酶活性的影響見圖4。 結(jié)果表明，不同間作及輪作處理的根系活力均大于對照，各處理棉花花鈴期根系活力的表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作小麥＞間作孜然＞輪作苜蓿＞對照，其中間作洋蔥和輪作小麥根系活力顯著大于對照，分別比對照增加53.6%和38.9%；間作孜然、 輪作苜蓿分別比對照增加17.3%和13.7%，但差異不顯著。在棉花花鈴期，間作洋蔥、間作孜然、 輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系SOD 活性與對照相比分別增加66.8%%、3.66%、28.9%和53.3%，其中間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理與對照差異顯著。 間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系POD 活性大于對照，增幅分別為125.4%、53.8%和94.4%，且差異顯著；間作孜然處理的根系POD 活性也大于對照（增幅16.59%），但差異不顯著；間作洋蔥、輪作苜蓿和輪作小麥處理的根系CAT 活性顯著大于對照，分別比對照增加110.7%、101.7%和124.7%；間作孜然處理比對照增加16.6%，但差異不顯著。

2.5 不同種植模式對棉花可溶性蛋白含量的差異

從圖5 可知，與對照相比，不同間作和輪作處理均增加棉花根系可溶性蛋白含量，其中輪作苜蓿處理增加44.2%、間作洋蔥處理增加48.9%和輪作小麥處理增加50.7%，且差異均顯著；間作孜然處理增加5.3%，但無顯著差異。

圖5 不同種植模式對棉花花鈴期根系可溶性蛋白含量的影響

2.6 不同種植模式對棉花MDA 含量的影響

由圖6 可見，各處理棉花根系的MDA 含量表現(xiàn)為對照＞間作孜然＞輪作苜蓿＞輪作小麥＞間作洋蔥處理，不同間作和輪作處理均降低了棉花根系MDA 含量，均顯著低于對間作洋蔥顯著低于間作孜然和輪作苜蓿，輪作小麥顯著低于間作孜然。

圖6 不同種植模式對棉花花鈴期根系MDA 含量的影響

3 討論

土壤中化感自毒物質(zhì)的積累是作物連作障礙發(fā)生的重要原因之一，土壤根際環(huán)境的受根系分泌物、秸稈殘茬腐解、地上部化感物質(zhì)淋溶及微生物殘體等釋放的化感物質(zhì)的影響，不同作物所釋放的化感物質(zhì)不同，不同作物對不同化感物質(zhì)的敏感性也不同[7,12]，在單一連續(xù)種植條件下自毒化感物質(zhì)在土壤中有積累的趨勢，因此不同作物間作和輪作通過增加生物多樣性，可以避免某些化感物質(zhì)累積。同時間作對植物的養(yǎng)分有效利用和養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生深刻的影響，也對植物的存活、競爭、演替和防御能力起著重要的調(diào)節(jié)作用[13-14]。 前期研究表明香草醛、對羥基苯甲酸、阿魏酸和香草醛是棉花的主要化感物質(zhì)，引起棉花連作自毒障礙，并隨連作棉花年限增加化感物質(zhì)逐漸積累, 通過棉花間作洋蔥、孜然和輪作苜蓿、小麥均降低了棉花根際土壤中對羥基苯甲酸、阿魏酸和香草醛的含量[15]。 本研究表明棉花間作洋蔥、孜然和輪作苜蓿、小麥都可促進(jìn)棉花根系發(fā)育，與連作31年棉花相比增加棉花根長、根表面積和根體積，并促進(jìn)棉花根系代謝，增加棉花根系活力，SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量，研究結(jié)果與徐強(qiáng)等[16]研究認(rèn)為線辣椒和玉米間作可通過增強(qiáng)根系活力等特征來加強(qiáng)對養(yǎng)分的吸收結(jié)論一致。長期連作土壤經(jīng)輪作處理后能增加改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及土壤酶活性，能對作物根系生長發(fā)育起促進(jìn)作用，進(jìn)而影響地上部生長發(fā)育[17-19]。 小麥間作西瓜在西瓜定植40 d后，與西瓜單作相比，間作西瓜葉片MDA 含量和PAL 活性分別降低44.43%和8.68%，SOD 和PPO活性升高17.3%和84.5%[20]。 徐雪風(fēng)等[21]研究連作馬鈴薯輪作油葵后種植馬鈴薯，改善了馬鈴薯葉片的光合作用及生理特性。 王勁松等[9]研究發(fā)現(xiàn)輪作促進(jìn)了高粱地上部與根系的生長,這些研究與本試驗結(jié)果一致。 本研究中，不同間作及輪作作物對連作棉花根系生長及生理代謝的影響能力不同，間作洋蔥和輪作小麥棉花根系各項指標(biāo)均高于間作孜然和輪作苜蓿，這可能是由于不同作物根系分泌物不同，調(diào)控根際土壤微生物群落、土壤生物活性的機(jī)理各有不同，從而對土壤微生物群落影響不同所造成的[22]。

4 結(jié)論

在棉花連作30年土壤基礎(chǔ)上，棉花間作洋蔥、間作孜然、輪作小麥和輪作苜蓿4 種種植模式均可以促進(jìn)棉花根系發(fā)育，增加棉花根長、根表面積和根體積；促進(jìn)棉花根系的生理活性，提高棉花根系活力, SOD、POD、CAT 活性以及增加可溶性蛋白含量。 不同種植模式間存在差異，4 種種植模式對棉花根系生長的影響表現(xiàn)為間作洋蔥＞輪作小麥＞輪作苜蓿＞間作孜然處理。