徐麗霞，董 雪，張艾英，郭二虎，孫 靚

(1.山西藥科職業(yè)學院 食品工程系，山西 太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學 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，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導致產(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道。尤其是谷子與其他作物輪作后對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。

本試驗采用大田種植方式研究不同輪作模式對谷子不同生長發(fā)育時期生理生化指標、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 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省長治市山西農(nóng)業(yè)大學谷子研究所(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。試驗開始于2013年，試驗開始前種植玉米。試驗地堿裂解氮含量26.98 mg/kg、有效磷含量16.21 mg/kg、有效鉀含量95.60 mg/kg、有機質(zhì)含量17.63 g/kg。

1.2 試驗材料

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 試驗設計

試驗設置谷子-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，同時以谷子連作(Si)作為對照(CK)。每個處理3次重復，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肥6 t/hm2，其中有機肥含水量為55%；有機質(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，分別于谷子苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期測定谷子生理指標、光合特性和農(nóng)藝指標；于谷子收獲后測定谷子穗長、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 酶活性、MDA和H2O2含量的測定 在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取10株谷子，取谷子旗葉中上部，去掉主脈，將葉片剪碎，混合作為一個重復樣品。H2O2和MDA含量的測定分別采用Xie等[20]和Hao等[21]的方法進行；SOD和POD的活性測定采用Hao等[21]的方法進行；PPO活性的測定采用Sangeetha等[22]的方法進行。

1.4.2 光合指標的測定 選擇晴天9：00—11：00，分別用日產(chǎn)SPAD-520 Konica Minolta和美國產(chǎn)光合速率測定儀CIRAS-2(PPSYSTEMS)測定谷子旗葉葉綠素相對含量(SPAD)及胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr))和凈光合速率(Pn)，每次選10株谷子進行測定。

1.4.3 谷子收獲期農(nóng)藝指標、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的統(tǒng)計 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)碼照相機拍攝根系圖片，用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定根長和次生根數(shù)；于谷子成熟期采收谷穗測定千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。谷子白發(fā)病發(fā)病率的統(tǒng)計參照文獻[23]的方法進行。

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)計分析

采用SPSS 18.0軟件進行樣品間差異顯著性分析；采用GraphPad Prsim軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對谷子不同生育時期旗葉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)?？梢姡B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 不同輪作模式對谷子不同生育時期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個關鍵的生育期均顯著升高。

圖2 不同輪作模式對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 不同輪作模式對不同生育時期谷子旗葉光合指標的影響

從圖3可以看出，苗期5個處理間的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個關鍵時期均顯著增加；Si-Gm-St和Si-Zm-Gm輪作模式對谷子拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期光合效率的影響較大。

圖3 不同輪作模式對谷子旗葉光合指標的影響Fig.3 Effect of different rotation patterns on photosynthetic parameters of millet flag leaves

2.4 不同輪作模式對谷子農(nóng)藝指標和白發(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 不同輪作模式對谷子旗葉農(nóng)藝指標的影響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。

3 結(jié)論與討論

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和光合作用過程，抑制植物的生長，導致作物減產(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的檢測結(jié)果也說明了這一點。李夏等[18]對2～4 a連作谷子MDA含量的測定結(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，會對植物產(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被抑制。植物可以通過光合作用制造有機物，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，光合作用產(chǎn)物積累的多少又直接關系到作物生長和產(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)，在谷子關鍵生育時期，在連作試驗第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]?；ㄉ鷮嵤┹喿魈幚砗?，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，這可能是因為輪作品種玉米和谷子均為禾本科植物，二者在生長發(fā)育時期、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)合生理生化指標的檢測結(jié)果，推測可能是長年連作谷子受到脅迫，導致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依據(jù)。

本試驗以谷子連作為對照，設計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、光合特性、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和白發(fā)病發(fā)病率的變化，并重點探討了不同作物輪作對谷子光合作用指標和產(chǎn)量的影響，但是對于谷子旗葉抗氧化物酶、PPO、光合指標、產(chǎn)量和谷子白發(fā)病發(fā)病率之間的關系還有待于進一步深入研究，以期為進一步揭示谷子連作障礙機制提供參考。